大普技术低功耗高精度RTC实时时钟解决方案

当AI大模型有条不紊地进行信息极速处理和海量数据存储，当扫地机器人每天合理规划清洁任务并精准定时清扫，当无人机在复杂环境中高效完成精确飞行和导航定位，当安防监控精准还原事件调查……这些场景背后，都离不开高精度、低功耗时钟技术的支撑。

在时钟同步领域，大普技术高精度守时模组CMXX系列指标优异，稳居行业前列，已广泛应用于通信、工业、电力等领域。随着新兴行业蓬勃兴起，低功耗、高精度的应用场景不断扩展，继守时模组CMXX系列后，大普技术创新设计纳安级别的低功耗高精度RTC实时时钟解决方案，进一步满足低空经济、通信、安防监控、智能穿戴、数据中心、云计算、导航定位等应用市场对低功耗、高精度守时日益增长的严苛需求。

1. 守时，无处不在

守时是指设备或系统在长时间运行中能够保持时间信息的准确性和稳定性。它是确保系统正常运行和数据准确性的关键。

时钟分级的概念由美国贝尔实验室制定并为国际标准化组织采纳，具体规范文件参考GR-1244-CORE4及ANSI T1.101。其中对于守时稳定性提出了需求。

表1. 时钟等级表

2．RTC 如何实现低功耗、高精度

守时的前提是RTC（实时时钟）的高精度。然而，RTC芯片的初始精度往往受到晶振频率偏差的影响，因此校准是提升守时性能的关键。

大普RTC主要通过以下精度校准方法，实现了低功耗的高精度守时。

2.1 时基软件调校（TTF）

时基软件调校功能（Time Trimming Function, TTF），这是一种通过数字电路实现的高精度时钟校准技术。TTF的核心原理是利用吞吐脉冲技术，在不改变晶振本身振荡频率的情况下，通过增加或减少脉冲数量来补偿晶振的固有偏差。

这种方案的优点是通过软件就可以实现输出频率修改，不需要专门硬件支持。缺点是只有后端的分频输出能被校准，源头的频率并没有得到校准，应用场景受到了限制。

2.2 谐振器C值（负载电容值）调校

振荡器的负载电容可以调整频率，有的RTC芯片会有一个专门的寄存器用于调整时钟的精度，这个寄存器可能被称为“校准寄存器”或“调整寄存器”。校准寄存器包含一个或多个位字段，用于调整RTC的时钟频率。这些位字段用于控制内部电容值（C值）。通过C值作用于谐振器，调整晶体振荡器的振荡频率。

以大普INS5699S为例，有一个6比特的数据位和一个5比特符号位。符号位控制精度调整的方向，数据位对应调整的大小。常温下单步的调整量约为0.1ppm。

大普创新推出高精度寄存器校准功能RTC产品, 满足客户在出厂前对产品进行精确调校， 比如INS5699系列、INS5T8900系列、INS5902系列、INS5T8025系列、INS5T8563系列等支持寄存器精度校准功能。

2.3 基于1PPS精度校准

前面两种方案调整的前提是已知RTC精度偏差，这就需要有专门的测试环境进行测试和相应的软硬件处理，使用场景受到一定的限制。有1PPS输入校准管脚的RTC解决了这个难题。这种RTC在外接1PPS信号时，直接利用外部1PPS对RTC内部振荡源时钟进行自动校准，省略了外部的测试设备和软件补偿方法，大大的简化了校准方案，提高了校准精度。当然，有的方案使用的是外部时钟源加TTF校准，有的方案使用外部时钟源加C值调整，两者还是有差异。

大普最新推出的INS5A8804系列，INS5A4000系列，INS5A8000系列等支持GPS 1PPS校准功能，更加方便客户对产品进行实时校准。

3. RTC同步设置：以微秒级同步，满足行业严苛需求

RTC同步设置，即RTC输出的1PPS和时钟源1PPS进行对齐。

对于守时，业界有另一个说法叫做保持模式稳定度（Holdover Stability），即本级时钟在与上级时钟同步后，当出现上级时钟恶化到一定程度或者上级时钟丢失时，在规定时间和温度变化范围内本级时钟的漂移。测试守时，就先需要将本级时钟和上级时钟同步。

3.1 基于寄存器秒沿同步

对于常规的大普RTC芯片，我们可以进行毫秒甚至微秒级别的时钟同步设置。其主要原理是利用大普的RTC秒上升沿即时生效原理——即秒上升沿会移动到秒设置生效的位置，当MCU捕捉到时钟服务器输出1PPS上升沿时，对RTC进行秒的写操作，即能实现精准时钟同步。详细设置可参考文章：基于RTC的低功耗精准时钟同步。

3.2 基于1PPS的秒沿同步

1PPS的秒沿同步功能和1PPS振荡器精度校准功能类似。大普RTC芯片也支持外部1PPS输入。在外部1PPS输入稳定的状况下，结合RTC的寄存器配置，可以自动实现芯片输出1PPS和外部的1PPS输入秒沿计时同步。让同步的过程更加的简单和快捷。

大普的INS5A8804部分产品、INS5A4000系列、INS5A8000系列等支持1PPS秒沿同步功能。

4. RTC守时实测：低功耗下的高精度守时

4.1 环境搭建

RTC选择大普INS5699S，典型功耗1.2uA，满足守时系统的低功耗需求。时钟服务器选择大普DP4000。时钟精度测试采用频率计和RTC时钟测试仪一起测试。示波器用来观察相位偏差。

图1. 测试示意图

4.2 校准精度测试

7pcs样品在室温25℃左右，进行频率校准后，保持1小时，精度在0.1ppm以内。

图2. 室温校准精度

4.3 半小时守时测试

测试环境为室温，20℃~30℃。

表2 半小时守时结果【3】

图3. 半小时守时截图

4.4 24小时守时测试

测试环境为室温，20℃~30℃。

表3 24小时守时结果【3】

图4. 24小时守时截图

从半小时和24小时测试结果来看，RTC在校准后的精度测试符合理论计算值。在室温稳定的条件下，我们所搭建的系统在规定时间内的守时指标表现符合预期，可以作为客户在特定条件下低功耗守时设计参考。

从智能家居到工业4.0生产线，从低空经济到轨道交通，大普技术的RTC产品正凭借其高精度和低功耗特性，加速向千行百业渗透，成为数智时代高效运行的“精密心脏”。未来，随着人工智能、大数据和云计算等技术的加速发展，大普技术将持续创新与技术迭代，引领“芯”时代的“时间革命”。

注[1]:自由运行精度表示时钟频率在自由运行模式下（不锁定到外部参考源）最长20年时间的频率偏差（相对于标称频率）。

注[2]:守时稳定性表示时钟频率在保持模式下（失锁后）规定时间内的最大变化。通常是一组详细定义的组合值。

注[3]:本次守时指标结果计算方式为初始值和结束值偏差的绝对值，不代表最大偏移量。