Zastanawialiście się kiedyś skąd zegarki i inne urządzenia elektroniczne „wiedzą” która jest godzina? Spieszymy z wyjaśnieniem.
Oczywiście sposobów na rozwiązanie tego problem jest kilka. Jednym z nich jest zastosowanie tzw. RTC (ang. Real Time Clock), czyli zegara czasu rzeczywistego.
Czy to aż taki duży problem, że potrzebujemy dedykowanego układu, aby odmierzać czas? Okazuje się, że nie jest to takie proste, jak mogłoby się wydawać.
Historia odmierzania czasu
W pierwszej kolejności musimy mieć jakiś stabilny wzorzec czasu lub częstotliwości. Najstarszym historycznie tego typu wzorcem, jak wszyscy wiemy, jest wahadło matematyczne. Wahadło takie charakteryzowało się „stałym” czasem wahnięć. Słowo „stałym” jest napisane w cudzysłowie, ponieważ zgadza się to tylko w przybliżeniu. W rzeczywistości każde bujnięcie wahadła nieznacznie się różniło, a zegary takie potrafiły gubić lub dodawać nawet kilkanaście minut każdej doby. Dlatego kluczowe jest aby wzorzec czasu był STABILNY. Zegary takie mimo wszystko radziły sobie całkiem nieźle, dopóki nie okazało się, że na statkach, które cały czas bujają się na falach, wahadła wypadały z synchronizacji i po całym dniu wskazywały zupełnie inną godzinę niż powinny. Trzeba było wymyślić coś nowego i rzeczywiście inżynierzy wymyślali nowe układy, ale wciąż były one mechaniczne, a przez to niezbyt precyzyjne.
Z odsieczą przyszła elektronika
Najprostszym wzorcem czasu byłaby fala prostokątna wygenerowana przez układ 555 w konfiguracji przerzutnika astabilnego. Wbrew pozorom układ nie działałby tak idealnie jakbyśmy tego chcieli. Każdy egzemplarz 555 nieco różni się od siebie. Niemożliwe jest zbudowanie dwóch dokładnie identycznych układów. Same elementy pasywne, jak pamiętamy również mają swoją dokładność, przez co każdy egzemplarz zegara zbudowanego w ten sposób wymagałby strojenia, a także ulegają starzeniu (w szczególności kondensatory). To niestety nie koniec problemów. Częstotliwość generowanej fali zależałaby też między innymi od temperatury otoczenia.
Przełomem w odmierzaniu czasu stały się rezonatory kwarcowe, z użyciem których zegary myliłyby się już tylko o pojedyncze sekundy każdego dnia. Dokładność ta jest w zupełności wystarczająca do większości zastosowań.
Przełomem w odmierzaniu czasu stały się rezonatory kwarcowe.
Rezonator kwarcowy do odmierzania czasu
W układach RTC stosuje się właśnie taki rezonator kwarcowy. Co ciekawe, również jest to urządzenie mechaniczne. Zasada jego działania jest bardzo podobna do stosowanego przez muzyków kamertonu. Wprawione w ruch widełki drgają ze stałą częstotliwością.
Widełki w rezonatorze kwarcowym są wykonane z piezoelektryka. Oznacza to, że do wprawienia ich w ruch wystarczy przyłożyć napięcie. Tak uruchomiony kwarc zaczyna drgać z częstotliwością 32 768Hz. Zjawisko piezoelektryczne działa w obie strony. Jeśli widełki drgają, to na wyprowadzeniach pojawia się napięcie i oscyluje ono z taką samą częstotliwością, co częstotliwość drgań mechanicznych. Skąd taka dziwna częstotliwość? Jeśli się jej dokładnie przyjrzeć, to matematycznie jest to 2^15. Wystarczy więc podzielić taką częstotliwość na 2 … 16 razy. Uzyskujemy wtedy sygnał o częstotliwości 1Hz, czyli dokładnie 1s. Takie działanie realizuje się za pomocą np. przerzutników typu T. Czy nie można by był zastosować mniejszej częstotliwości, np. 16 384Hz, czyli 2^14? Urządzenie na pewno by działało, ale ludzkie ucho jest w stanie usłyszeć częstotliwości do ok. 20kHz, co oznacza, że przechodząc obok zegarka z takim kwarcem, słyszelibyśmy nieprzyjemny dźwięk. Została zatem wybrana o 1 wyższa potęga, aby uniknąć takiej sytuacji.
Zapis w pamięci
Wygenerowane w ten sposób impulsy są zliczane i zapisywane do pamięci w którą każde RTC jest wyposażone. W poszczególnych komórkach pamięci są zapisywane informacje o aktualnej, godzinie, minucie, sekundzie itp. Po każdym zliczonym impulsie wartości te są aktualizowane. Samo RTC „wie” już która jest godzina. Musi teraz przekazać tą informacje dalej do np. mikro-kontrolera. Zazwyczaj jest to realizowane za pomocą protokołu komunikacyjnego I2C. RTC prawie gotowe… a co jeśli zabraknie zasilania? W takiej sytuacji impulsy nie będą zliczane i po ponownym uruchomieniu, godzina nie będzie się zgadzać. Z tego powodu większość układów RTC wyposażona jest w baterię podtrzymującą zasilanie.
Układy RTC na zajęciach Akademii Elektroniki
Układ RTC używamy podczas zajęć Rozszerzonej Elektroniki w układzie podlewaczki do kwiatów. Uczestnicy budują automatyczny sterownik do podlewania, korzystając z układów cyfrowych, a ponadto programują tryb dzień/noc, który pozwala na ustawienie konkretnych godzin pracy pompy. Dzięki temu podlewaczka nie obudzi nas w nocy. Ten tryb jest możliwy m.in. dzięki modułowi zegara czasu rzeczywistego (RTC).
Partnerem szkolenia jest firma Kradex (www.kradex.com.pl), produkująca obudowy do elektroniki.
To już wszystko na dziś. Głodni wiedzy elektronicznej? Wkrótce wrócimy do was z kolejnymi informacjami, a już teraz możesz zapisać się do newslettera. Dzięki niemu poinformujemy Cię o nowych artykułach na blogu, czy o ciekawostkach z życia Akademii.
