电路应用｜一文全览，时钟芯片RTC原理介绍、晶振选型、典型应用

【小知识】时钟芯片一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，英文名称：Real-time Clock/Calendar Chip（简称：RTC），可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能。采用IIC通信接口与CPU/SoC进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。内部集成用于临时性存放数据的RAM寄存器。

时钟芯片的原理是利用晶体振荡器产生稳定的频率信号，并通过分频和倍频电路来生成所需的时钟频率。晶体振荡器是一种利用晶体的机械振动产生电信号的装置，其频率非常稳定，通常在几十万到几千万赫兹之间。时钟芯片会通过对晶体振荡器的信号进行频率调整，使其满足特定的时钟频率要求。

解析时钟芯片的工作原理

一、时钟芯片的基本结构

时钟芯片是一种集成了计时功能的微控制器，其基本结构包括输入/输出端口、定时器/计数器、中断控制器等。其中，输入/输出端口用于接收外部信号，定时器/计数器用于产生时间基准，中断控制器用于处理定时器的溢出事件。

二、时钟芯片的工作原理

1. 输入/输出端口

时钟芯片可以通过输入/输出端口接收外部信号，以便根据需要调整系统时间。例如，通过串行通信接口(UART、I2C、SPI等)接收计算机或其他设备的时钟信息，或者通过网络接口(如NTP)同步网络时间。

2. 定时器/计数器

时钟芯片内部通常集成了一个或多个定时器/计数器，用于产生时间基准。定时器/计数器的工作方式是通过一个预分频器和一个计数器实现的。预分频器将系统时钟频率降低到合适的计数器时钟频率，计数器则用于计算经过的时间。当定时器/计数器的计数值达到设定值时，会触发一个中断事件，通知系统更新时间。

3. 中断控制器

为了处理定时器的溢出事件，时钟芯片还具有一个中断控制器。当定时器/计数器的计数值达到设定值时，会向中断控制器发送一个中断请求。中断控制器会识别这个请求，并执行相应的中断服务程序(ISR),如更新系统时间、唤醒等待处理的任务等。

4. 系统时间的更新

在系统时间发生改变时，时钟芯片需要执行一系列操作来更新系统时间。首先，通过输入/输出端口接收新的时钟信息；然后，使用定时器/计数器计算经过的时间差；接着，将计算得到的时间差加到当前系统时间上；最后，通过中断控制器通知其他部分系统时间已更新。

时钟芯片的主要特点

一、高精度

时钟芯片的最基本的特点就是它们的高精度。无论是石英时钟还是原子钟，它们的误差都远远小于人类的感知范围。这使得时钟芯片能够准确地显示时间，满足我们对时间的各种需求。

二、稳定性

时钟芯片的另一个重要特点是稳定性。由于它们的高精度，时钟芯片可以在各种环境条件下保持稳定的工作状态。无论是在高温、低温，还是在湿度大、干燥的环境中，时钟芯片都能保持其准确性和稳定性。

三、低功耗

为了保证时钟芯片的长期稳定工作，设计者们通常会尽可能地降低其功耗。这不仅有助于延长时钟芯片的使用寿命，也可以减少电子设备的能源消耗。

四、集成化

随着集成电路技术的发展，时钟芯片也越来越小巧，功能越来越强大。现在的时钟芯片不仅可以单独用于计时，还可以集成到各种电子设备中，如手机、电脑等，提供精确的时间显示和时间管理功能。

五、易用性

尽管时钟芯片的功能强大，但它们通常都设计得非常简单易用。用户只需要按照正确的方式连接和使用时钟芯片，就可以轻松地获取到准确的时间。

时钟芯片与晶振的不同之处

一、时钟芯片、晶振的定义及功能

1. 时钟芯片

时钟芯片，又称为定时器芯片或计时芯片，是一种集成电路，用于产生特定频率的脉冲信号。它的主要功能是提供一个稳定的时钟信号，以便电子设备能够按照预定的时间进行工作和通信。时钟芯片通常包括一个内部计数器和一个分频器/倍增器电路，用于生成所需的时钟频率。

2. 晶振

晶振，又称为晶体振荡器或石英振荡器，是一种利用石英晶体的压电效应来产生精确频率的元器件。晶振的主要功能是作为一个稳定的频率参考源，为电子设备提供一个精确的时间基准。晶振广泛应用于各种电子设备中，如计算机、手机、广播电视等。

二、结构及工作原理

1. 时钟芯片结构

时钟芯片通常采用单片集成电路（SIP）封装，具有较高的集成度和较小的体积。其内部结构主要包括输入捕获电路、内部计数器、分频器/倍增器电路和输出比较器等部分。时钟芯片的工作原理主要是通过内部计数器的溢出和比较器的反相输出来控制输出信号的频率。

2. 晶振结构

晶振通常采用石英晶体作为谐振元件，封装在一个小型的圆柱形陶瓷管中。石英晶体具有较高的稳定性和可靠性，因此晶振在电子设备中得到了广泛的应用。晶振的结构主要包括石英晶体、电容、电阻和电极等部分。晶振的工作原理主要是通过石英晶体的压电效应来产生正弦波形的高频电压信号，然后通过电容和电阻进行滤波和稳压处理，最终输出一个稳定的时钟信号。

三、时钟芯片、晶振性能指标对比

1. 性能指标

时钟芯片和晶振在性能方面有一定的差异，主要表现在以下几个方面：

(1) 精度：晶振的精度通常比时钟芯片更高，因为石英晶体具有更高的谐振稳定性。这意味着晶振可以提供更精确的时钟信号。

(2) 体积和功耗：时钟芯片由于采用了单片集成电路设计，因此体积较小，功耗也相对较低。而晶振由于需要使用石英晶体和相应的封装材料，体积相对较大，功耗也较高。

2. 时钟芯片与晶振对比

总的来说，时钟芯片和晶振各有优缺点。晶振具有较高的精度和稳定性，适用于对时钟信号要求较高的场合；而时钟芯片则具有较低的功耗，适用于电子设备的应用。实际应用中，用户可以根据自己的需求选择合适的产品。

时钟芯片的精度范围介绍

时钟芯片的精度主要受到两个因素的影响：晶振频率和温度补偿。晶振频率是指时钟芯片内部的石英晶体振荡器的频率，通常以赫兹（Hz）为单位。晶振频率越高，时钟芯片的精度越高。温度补偿则是指时钟芯片内部的温度传感器对环境温度变化的敏感程度，通过温度补偿可以提高时钟芯片的稳定性和精度。

国际电工委员会（IEC）的标准，时钟芯片的精度分为以下几个等级：

1. 1ms（毫秒级）：时钟芯片每隔1毫秒更新一次时间，误差不超过1毫秒。这类芯片常用于对时间精度要求较高的场合，如高精度计时器、实时数据采集等。

2. 10ms（微秒级）：时钟芯片每隔10毫秒更新一次时间，误差不超过0.1毫秒。这类芯片常用于一般计时应用，如家用电器、办公设备等。

3. 1μs（微秒级）：时钟芯片每隔1微秒更新一次时间，误差不超过0.01微秒。这类芯片常用于对时间精度要求较高的场合，如通信设备、精密仪器等。

4. 1ns（纳秒级）：时钟芯片每隔1纳秒更新一次时间，误差不超过0.001纳秒。这类芯片常用于对时间精度要求极高的场合，如航空航天、生物医学等。

5. 其他：除了上述等级外，还有一些特殊的时钟芯片，如具有更高精度的GPS接收机、原子钟等。

电路设计中常用的时钟晶振频率为什么是32.768kHz？

晶振最常用的频率就是32.768KHz、77.503KHz、60.003KHz、40.003KHz和MHz的12MHz、14MHz、16MHz、24MHz等等，广泛应用各种电子产品。

32.768K是最常用的频率，在日常生活中不可或缺。32.768khz比较容易分频以便于产生1秒的时钟频率，因为32768等于2的15次方。我们每天用的手表、手机、电脑上显示作用的钟就是由它演变过来的。

32.768KHz是一个标准的频率，晶振频率的应用主要有以下几个方面的参数：尺寸、负载电容、频率偏差、应用范围。按尺寸外形来分主要分为插件和贴片的；插件的主要有2*6、3*8、49s等，贴片的就有很多种了，根据各公司的设计可用的型号有很多。

时钟系统中，秒是一个重要的时间单位，1秒正是1Hz，如果要提高时间精度，那这个1Hz必须要准确。我们知道，在数字世界里，只有0和1两种可能，下面看一个计算：

2^15=32768=32.768K

2的15次方正好等于32768，反过来讲，如果要把32.768K的时钟频率经过15次分频的话，得到的频率正好是1Hz。

典型时钟芯片应用

下图为 FH8563 的应用图示。SCL 和 SDA 两个引脚需要连接到控制器的 I2C 总线上。电池 BAT（图中标注 CR1220）作为后备电源，当 VDD 低于电池电压时，由电池向芯片供电。

芯片的 OSCI/OSCO（图中标注 XI/XO）引脚建议预留接入电容（图中标注 C1/C2 位置）用以微调时钟频率用。CLKOUT 和 INT 引脚，可以根据实际需要接入电路中，未使用保持悬空即可。

FH8563 所在系统上电时，请确保 I2C 总线上的上拉电阻的电源的建立顺序，不早于FH8563 的供电电源，以确保系统正常工作。

FH8563芯片引脚功能

同系列三款时钟芯片电气特性对比

【小结】时钟芯片在电路设计中务必详细查阅产品数据手册，并遵循电气参数，切勿超出极限电气特性参数。如果对具体芯片器件产生疑问，请尽量联络专业FAE工程师沟通确认。