时钟芯片DS1302应用于晶振的负载电容可靠起振的方法

    在 DS1302的实际使用中，采用辅助电容法，可以解决 DS1302 在应用中由于 晶振的负载电容不匹配而引起的停振问题。

    概述

    DS1302 是 Dallas 公司生产的一种实时时钟芯片。它通过串行方式与单片机 进行数据传送，能够向单片机提供包括秒、分、时、日、月、年等在内的实时时 间信息，并可对月末日期、 闰年天数自动进行调整；它还拥有用于主电源和备份电 源的双电源引脚，在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。另外，它还 能提供 31 字节的用于高速数据暂存的 RAM. 鉴于上述特点，DS1302 已在许多单片 机系统中得到应用，为系统提供所需的实时时钟信息。

    一、 DS1302 的主要特性

    1. 引脚排列

图 1 DS1302 引脚排列图

　　DS1302 的引脚排列如图 1 所示，各引脚的功能如下：

　　X1,X2--32768Hz 晶振引脚端；

　　RST--复位端；

　　I/O--数据输入/输出端；

　　SCLK--串行时钟端；

　　GND--地； VCC2,VCC1--主电源与后备电源引脚端。

　　2. 主要功能

　　DS1302 时钟芯片内主要包括移位寄存器、控制逻辑电路、振荡器、实时时钟电路以及用于高速暂存的 31 字节 RAM.DS1302 与单片机系统的数据传送依靠 RST,I/O,SCLK 三根端线即可完成。其工作过程可概括为：首先系统 RST 引脚驱 动至高电平，然后在作用于 SCLK 时钟脉冲的作用下，通过 I/O 引脚向 DS1302 输入 地址/命令字节，随后再在 SCLK 时钟脉冲的配合下，从 I/O 引脚写入或读出相应的 数据字节。因此，其与单片机之间的数据传送是十分容易实现的。

　　二、 时钟的产生及存在的问题

　　（1） 在实际使用中，我们发现 DS1302 的工作情况不够稳定，主要表现在实时 时间的传送有时会出现误差，有时甚至整个芯片停止工作。 我们对 DS1302 的工作 电路进行了分析，其与单片机系统的连接如图 2 所示。从图中可以看出，DS1302 的外部电路十分简单，惟一外接的元件是 32768Hz 的晶振。通过实验我们发现： 当外接晶振电路振荡时，DS1302 计时正确；当外接晶振电路停振时，DS1302 计时 停止。因此，我们认为 32768Hz 晶振是造成 DS1302 工作不稳定的主要原因。

图 2 DS1302 与单片机系统的连接图

　　（2） DS1302 时钟的产生基于外接的晶体振荡器，振荡器的频率为 32768Hz.该晶 振通过引脚 X1、X2 直接连接至 DS1302,即 DS1302 是依靠外部晶振与其内部的电 容配合来产生时钟脉冲的。 由于 DS1302 在芯片本身已经集成了 6pF 的电容，所以， 为了获得稳定可靠的时钟，必须选用具有 6pF 负载电容的晶振。 然而，许多人在选用晶振时仅仅注意了晶振的额定频率值，而忽视了晶振的 负载电容大小，甚至连许多经销商也不能提供所售

　　晶振的负载电容。所以即使在 使用中选用了符合 32768Hz 的晶振，但如果该晶振的负载电容与 DS1302 提供的 6pF 不一致时，就会影响晶振的起振或导致振荡频率的偏移，出现上述在应用中 的问题。

　　三、 利用辅助电容实现负载匹配

　　（1） 当所选的晶振负载电容不是 6pF 时，可以采用增加辅助电容的方法提 高或降低 DS1302 振荡器的电容性负载，使之与晶体所需的电容值匹配。

　　如果已知 晶体的负载电容为 CI,若 CI<6pF,则可以增加一个并联电容 CS 以产生所需的总负 载电容 CI,即 CI=6pF+CS;若 CI>6pF,则可以在晶体的一端增加一个串联电容 CS, 以产生所需的负载电容 CI,即 1/CI=1/6pF+1/CS,通过计算即可得出应增加的辅助电容大小。辅助电容的接法如图 3 所示。

图 3 CS 连接电路图

　　（2） 在使用前对晶体的负载电容并不知道的情况下，通过测定晶体振荡频率的 方法可以确定该晶体的负载电容。

　　对于晶体振荡器来说，其振荡频率与负载电容之间的关系是确定的。以本文讨论的 DS1302 使用的 32768Hz 晶振为例： 当它工作于所要求的负载电容时，能较 准确地产生 32768Hz 的频率；当它的负载电容小于 6pF 时，其振荡频率会正向偏 移；当它的负载电容大于 6pF 时，其振荡频率就会负向偏移。因此，对于未知负载 电容的晶体应首先采用实验的方法，在其两端加入辅助电容使晶体起振，然后用 频率计测出振荡频率。若测得频率大于 32768Hz,说明负载电容偏小；若测得频率 小于 32768Hz,说明负载电容偏大。对辅助电容逐步调整，最终使振荡频率尽可能 接近 32768Hz,则此时晶体端所接负载电容的总和就是适合该晶体的负载电容。

　　结论

　　以上方法经我们在实际工作中多次使用，证明确实有效。它放宽了 DS1302 在使用中对晶振的条件要求，增强了 DS1302 在工作中的稳定性，对 DS1302 更广泛 地应用具有积极的意义。