"Bästa" klockkretsen?

[Gimbal]

Om man ska bygga sig en klocka som inte kopplar upp sig mot något nät eller tar emot radiosändingar utan är helt standalone, vilken RTC eller motsvarande är bäst? Och med bäst menas hålla korrekt tid i rumstemperatur, inom rimlig hobbykostnad.

Eget surfande ger DS3231 som en bra kandidat, men någon kanske känner till en ännu bättre modul?

[Klas-Kenny]

Rtc-kretsen i sig spelar ju inte särskilt stor roll. Det intressanta är en stabil oscillator (i nämnd krets är ju oscillatorn inbyggd så där är det såklart detsamma).

Vill du ha något "extremt" stabilt så lär det du ska kolla på vara en bra oscillator. Vad som är mest prisvärt där beror på applikation, tex. förekommande temperaturväxlingar etc. Men i princip så skulle jag gissa att det är ett hyggligt linjärt förhållande mellan pris och prestanda, så att det inte finns så många som är "bäst till rimlig kostnad" utan mer "tillräckligt bra inom budget".

[Icecap]

Vi använder DS323x och den är jag nöjd med.

Har kollat runt och inte hittat mycket annat som duger så väl.

[Gimbal]

Jag får väl börja med en sådan, finns ju att köpa hos närmsta kjell och company i form av någon arduino plug (eller vad det nu var).

Men hade hoppats att det skulle finnas något bättre med tanke på att det finns quartz armbandsur specade till +-10sec per år, de är dock inte helt gratis men de har en del andra speciella krav på storlek och strömförsörjning också.

Snubblade på "fe 5680a rubidium frequency standard" men det var för mycket peng för ett eventuellt labbprojekt som inte blir något.

[mrfrenzy]

Du kan relativt enkelt och billigt bygga en klocka som håller en noggrannhet av några få sekunder per år genom att utnyttja nätfrekvensen för att kalibrera din mikroprocessors oscillator.

På kort sikt kan frekvensen som bekant variera +/- 2 Hertz.
Däremot på lång sikt (flera timmar upptill ett dygn) så är den väldigt exakt.
Nätet regleras hela tiden för att medelfrekvensen över tid ska vara 50.00 Hz.

I svenska kraftnäts kontrollrum sitter två klockor på väggen, en kopplad till ett atomur och en kopplad till nätfrekvensen. När de går lika vet operatörerna att frekvensen legat genomsnittligt rätt över en längre tid.

Ett framgångsrecept borde alltså vara liknande:
Tag valfri mikroprocessor
Låt en ingång räkna cykler på nätfrekvensen med ett interrupt från en optokopplare eller transformator.

Från nätfrekvensen baserar du "långtidsklockan". Den kan tillfälligt visa 5-10 sekunder fel under perioder med hög belastning men totalt sett ska den vara +/- 1 sekund per år.

Från interna oscillatorn/kristallen baserar du korttidsklockan.
23:59 varje dygn jämförs korttidsklockan och långtidsklockan. Om korttidsklockan visar X% mer än långtidsklockan så minskas oscillatorn med X% och vice versa.

24:00 varje dygn nollställs korttidsklockan till att visa exakt samma som långtidsklockan.

På displayen visas den tid som korttidsklockan just nu har.

Edit: Jag var givetvis inte den första att komma på detta!
Hittade lite appnotes från olika tillverkare:
Cypress Teori om Real-Time Clock Based on Power-Line Frequency
Cypress kodexempel och inkopplingsschema för MCU
Intersil schema för inkoppling av vanlig RTC till en nätdriven PLL (helt utan MCU).
Maxim kodexempel för elmätar-mcu (dom kräver exakt klocka för tidstariff).

[E Kafeman]

Största enskilda källan till att kristaller driver är temperaturdrift. Många hobby-byggare bygger därför egen kristall-ugn med konstant temperatur. I enklaste form, limma ett effektmotstånd på kristallhuset och reglera temperaturen på huset inom någon 10-dels grad vid typ 40 grader.
Det finns färdiga temperatur-kompenserade kristaller att köpa även i lågpris-klassen, inte perfekta men stabilare än de vanliga oscillatorerna. Exempel
Precisionen ökar med 5-50 ggr jämfört med ostabiliserad krets, beroende på hur temperaturvariationerna verkligen ser ut.
Steget ovan dessa är kristaller brukar man titta på två olika typer av drift-avvikelse, dels fas-jitter i radio-system, dels långtidsdrift. för t.ex. tid-ur. Vilket som är mest viktigt beror på applikationen.
Rubidium oscillatorer kan köpas begagnade för under tusenlappen på Ebay. Dessa kan få både lågt fas-jitter och god långtids-stabilitet.

GPS-klockor är relativ billiga och exakta. Själv har jag använt pilottonen från FM P3-sändare för billig och enkel oscillator-referens.

Oscillatorernas uppgift är att dela upp det vi kallar tid i binära delar.
Definitionen av hur en tids-rymd bäst kan mätas med en "bästa klock-krets", är däremot krångligare. En klockas uppgift är att visa antal av olika period-längder.

Är man mest ute efter exaktare tid-mätning över viss tid finns olika naturliga och skapade grund-perioder vars längd i mycket även är beroende av rummet och som man på något sätt vill kunna mäta med precision.
Solen och månen är använda sedan länge som indikatorer på förfluten tid, liksom jordens omloppstid runt solen i form av upplevda årstider. Problemet uppstår när man vill konvertera ena tiden till den andra eftersom de inte är stabila relativt varandra. I kort perspektiv finns en oscillerande variation och i längre perspektiv är de inte stabila relativt varandra.
Dessa avvikelser kunde man bortse ifrån ända tills man började sjö-navigera efter solen och planeters positioner och behövde en exaktare mätare av jordens rotationshastighet för att kunna navigera med tillräcklig precision.
För ändamålet togs det fram mekaniska klockor som var temperatur-kompenserade och även klarade sjögång utan att påverkas nämnvärt.
Det behöves även tabeller för att ta hänsyn till solens årstidsberoende avvikelser och lokala avvikelser då jorden inte är helt cirkelrund.
Dessa tabeller var beroende av en tidsstandard som exakt kunde ange datum och när ett dygn började relativt tiden i tabellerna. Det skapades därför en sådan tids-standard som vi nu kallar GMT.

Solur och GMT-styrda klockor är inte i takt med varandra varken i dygnsperspektiv eller över längre tid och GMT måste därför justeras regelbundet för att inte halka efter allt för mycket. Alternativet att istället justera soltiden har diskuterats .
Numera har vi många andra behov av period-baserad tidsmätning som inte GMT passar för.
Bland viktiga perioder finns Stjärntid, och soltid, som bägge skiljer sej från GMT.
Relationen dom emellan har en inte helt enkel definition.

Från https://sv.wikipedia.org/wiki/Stj%C3%A4rntid:
Stjärntiden ökar med 24 stjärntimmar per stjärndygn som i soltid är 23 timmar 56 minuter 4,09 sekunder. Stjärntiden är 00:00 när vårdagjämningspunkten passerar en orts lokala meridian i övre kulmination, alltså när den står i söder på norra halvklotet.

GMT är ett försök att och periodisera jordens rotation runt egen axel med avsikt att mäta hur långt rotationen hunnit på en viss tid.

En lite udda klockkrets är den som visar SBB-tid.
Tiden visas som 60 sekunder per minut, varav en sekund är dubbelt så lång som övriga sekunder.
Det är den typ av klockor som används på bl.a. Tyska och Schweiziska järnvägs-stationer. Finns numera även som armbandsur.

Ett relativt nyligen uppkommet problem är om Mars koloniseras, behöver kolonisatörerna klockor som går i en takt anpassad efter lokala dygns-tiden som är 40 minuter längre än jord-dygnet och man behöver en kalender-mätning anpassad efter Mars-året som är ungefär två jord-år.
Detta då man på sikt måste man kunna navigera sej fram på Mars även om det inte finns några hav att segla på.
Solur fungerar både som årstid och tim-visare även på Mars men det blir en helt annan tid än den vi mäter på jorden och jordens GMT är helt meningslös på Mars.
Man kan inte ha med sej elektroniska klockor som drivs av engångs-batterier, så antagligen måste man bygga gamla mekaniska skepps-ur men anpassade för Mars-tid.
Utöver navigation blir det praktiska problem om man vill t.ex. upprätta radio-kommunikation mellan mars och jorden på dagtid utan att ha gemensamma klockor.

[Gimbal]

@mrfrenzy, kul idé.

Jag hade fått för mig att 50Hz inte längre var så noggrann, inte ens över en längre tid. Vet inte varför jag fått för mig det så det kan mycket väl vara helt åt skogen.

Dock vore det lite fusk (i min egen lilla tankevärld) då jag hade tänkt mig klockan helt utan yttre påverkan. Det är ok med extern matning men inte med externa styrande signaler. (Idiotiskt förstås om målet enbart är en exakt klocka, men ibland kan man snöa in på någon ide och denna gång är det en exakt klocka utan yttre styrning.)

@E Kafeman
Att bygga en egen tempreglerad klocka vore kul, kanske är det det spåret man ska gå? Frågan är hur bra man kan få det Nåja det är väl bara att testa antar jag.

RTC modulen DS3231 är också tempreglerad, fast tvärtom. Den mäter tempen och kompenserar därefter. Den reglerar alltså inte själva temperaturen. Förmodligen fungerar den bättre än en hemmasnickrad variant, men en hemmasnickrad är å andra sidan roligare.

[E Kafeman]

Hur bra resultat man kan få av temperatur-kompensation är nog inget man "bygger och testar" för det lär inte ge vad man tänkt om man förväntar sej bättre resultat än vad som kan köpas som billig hyllvara.
Du kan inte ens mäta slutresultatet om du inte har en bättre referens att mäta med.

Bättre att skaffa sej lite kunskap innan bygget än spilla tid på något som du inget lär dej på.
Finns mycket material på nätet, teori, tabeller och kurvor. Bra börjanl
Tillverkarna av kristaller har ofta användbara datablad där de själva mätt temperatur-beroende och andra parametrar och toleranser. Genom att förbättra/eliminera/kompenser det som orsakar toleranserna kan man öka precisionen.
En kristall har ofta även andra kringkomponenter att ta hänsyn även i de fall där det är integrerat med elektrisk drivkrets och har den inte det så är det upp till dej att välja yttre aktiv lastkrets som bildar oscillator tillsammans med återkopplingskretsen. Lider yttre krets av temperaturberoende eller drivs av spänningsmatning som är mer instabil än förväntade precisionen kräver så ger det påverkan på totala resultatet.

Temperaturkompenserade kristallen jag länkade till tidigare har angivna data som är lätta att tolka. Läs den!!!
Vad som gör D3231 bättre än en genomsnittlig kristall-oscillator vet jag inte. Angiven noggrannhet är ±2ppm vilket är normal förväntad precision. Temperaturkompensationen av resonansfrekvensen är inget som jag hittar eller som verkar ge något enligt datablad.
Vilken precision gav den jag länkade till? Och det gav dej ingen fundering?
Som referens, en bra men ändå en av de billigaste standard oscillatorerna på Mouser är denna.

Vad ger databladens kurvor och toleranser om du jämför några vanliga varianter på kristalloscillatorer?
Kristall på 32 kHz är närmast standard i armbandsur, typisk stabilitet sämre än 100ppm. Har du ställt dej frågan varför man inte väljer 32 MHz om det möjliggör bättre precision?
Leta upp en kommersiell temp-reglerad kristall av dyrare slag och jämför skillnader mot enklare alternativ.
Plöj lite data om kristaller i allmänhet, olika resonansmoder, sätt att skära kristaller och olika smarta knep att ta till med yttre kretsar för att få kristallen att mekaniskt vibrera frekvens-stabilt, innan du bygger i blindo.
Slutresultatet blir bättre om man vet vad och hur något förväntas fungera och har en plan för hur det ska uppnås.
Alternativet är bara slöseri med tid och bra lödtenn.

[GFEF]

mrfrenzy

>På kort sikt kan frekvensen som bekant variera +/- 2 Hertz.

Är inte toleransen +/- 0,2 Hertz. ?

http://www.svk.se/drift-av-stamnatet/kontrollrummet/

Gimbal

>quartz armbandsur specade till +-10sec per år

Använder inte armbandsur temperaturen på armen som standard ?

För att upp den så hög noggrannhet fodras att armbandsuret ständigt bärares på en arme med normal temperatur.

[Gimbal]

Givetvis väljer jag inte komponenterna på slump, när jag skrev "bara att testa" så menar jag att det finns så många andra variabler inblandade att man inte bara väljer en kristall med angiven ppm värde och så är det den precisionen det kommer att bli.

Den du länkade till med 0.28ppm är den bästa jag sett hittills, om siffran går att överföra direkt på slutresultatet så ger det +- 8.83sec på 365dygn. Vilket vore trevligt. Kanske kan det bli bättre om temp regleras noggrant? Kanske blir det sämre på grund av spänningsvariationer eller kringkomponenter?

Men frekvenser ej jämt delbara med en multipel på 2, som standard klockfrekens 32.768kHz ger en del mattematiska problem där jag inte på rak arm kan säga hur bra man kan lösa det i en µprocessor. Det blir många decimaler att bolla med.

Angående armbandsur så finns det "finare" quartzur (HAQ klockor = High Accuracy Quartz) som ex. Grand Seiko Quartz som är temperaturkompenserade och klarar -+10sec. Det finns ännu bättre, ner till +-5sec vill jag minnas. De kostar dock en vacker slant.

[E Kafeman]

Se ovan, läs datablad så får du snabbt en blick vad som kan förbättras för ökad precision.
Kikar man på den billiga oscillatorn på Mouser som jag länkade till ser det ut så här:

xtal.jpg

Se det jag ringat in.
Vill man ha mer detaljer vad dessa parametrar betyder får man gräva vidare på tillverkarens hemsida.
0.28ppm är egentligen riktigt dåligt jämfört med de mer avancerade temp-kompenserade kristallerna som kan bli ytterligare 5-10 ggr bättre.
Ej omnämnt i datablad är hur kristallen är tillverkad och kvalitet på kapsling, som påverkar åldringskurvan, som alla kristaller lider av mer eller mindre.
För sådan data får man lita på mera generella tabeller av gjorda mätningar.
Sedan är frågan vad man ska med precisionen till. GMT måste ruckas betydligt mer än 10-20 sekunder per år då den stämmer dåligt mot verkligheten.
Vilken tid ska du synka mot?

[Gimbal]

Tanken är att jämföra tiden med den tyska tidssignalen DCF77, jag har ett par armbandsur som synkar mot den varje natt. Det ger väl en noggrannhet rent visuellt inom en sekund år ut år in.

[E Kafeman]

Rugby och Mainflingen (DCF-77) stoppar in skott-sekunder lite då och då, så även om klockans kristall har oändlig precision kommer tiden att skilja en hel del relativt tidsnormaler baserade på GMT eller UCT efter en tid. Därför är din eftersökta kristall-precision rätt värdelös om det är exakt GMT-tid du vill åstadkomma.
Somliga apparater som är beroende av noggrann tids-mätning pll-synkar istället mot frekvensnormaler som sänder neråt 15-25 kHz med hög precision, då GMT inte lämpar sej för sådant.
Antag t.ex. att du synkar ett teleskop att natt efter natt följa en viss punkt i universum enligt exakt tids-schema. Om man hämtade tiden från GMT finns risken för att teleskopet plötsligt hoppar fel när GMT stoppar in lite extra sekunder. Samma problem med kristall-styrd klocka, att den plötsligt kan bli efter med flera sekunder.
Vill du ha bra tidsupplösning kan GPS-klocka vara ett billigt alternativ. Dess tidsangivelser är inte bara styrda av atom-ur men det är även lätt att kompensera för tidsfelet som uppstår pga av den tid som förflyter från det att satelliten sänt ut tiden tills att du kan ta emot den. Den kompensationen görs delvis redan i en GPS-mottagares mjukvara. Det är tvunget om man ska få precision eftersom satelliternas avstånd relativt din plats hela tiden varierar.

[Gimbal]

"Rugby och Mainflingen (DCF-77) stoppar in skott-sekunder lite då och då,"

Jag vet, jag observerade insättningen av en skottsekund för något år sedan genom att ställa ett vanligt quartz-ur synkront med den radiokontrollerade klockan kvällen innan. Och minsann, morgonen därpå skiljde det en sekund mellan de två.

Läste precis att det inte sker med GPS-klockan, hur har man löst det med armbandsuren som är GPS styrda?

Nåja, den hembyggda klockan kommer inte ha någon speciell funktion annat än att (förhoppningsvis) hålla tiden ovanligt bra.

[rvl]

GPSsignalen innehåller info om skottsekunder, (hur många de är och när eventuellt nästa kommer) fastän själva "systemet" inte använder dem. Men användarinterface och timestamps (för t.ex. track- och waypoints) använder oftast UTC eller lokala tider, alltså MED offset för ackumulerde skottsekunder jämfört med GPStiden.