RTC 電子時鐘失準問題研究

之前用 ESP8266 做了一支浴室專用定期炸彈造型時鐘，第一個版本有點耗電，兩顆 18650 鋰電池大約只能撐 50-60 小時，之前改版加上光敏電阻改為浴室有開燈才顯示時間，32x8 LED 矩陣原本 24 小時顯示，縮短成一天只亮三到五小時，原本預期會省下不少電，但事實並非如此，電池續航力只延長大約半天。

推敲無線網路一直開啟可能是耗電的主要來源，故打算停用網路功能試試。但原本靠網路對時，現在得找替代方案，有種裝 CR2032 鈕扣電池的 RTC 模組，沒接電源也能繼續走，基本上久久設一次時間就好。網路上便宜的 RTC 模組有兩種： DS1302 跟 DS1307，前者是 SPI 介面，後者是 I2C 介面(延伸閱讀：Coding4Fun - OLED 顯示器 I2C vs SPI 效能評測)，DS1307 再多了方波輸出功能。我的零件箱有一塊陳年 DS1302 剛好可以用，但測試階段時好時壞，時鐘常停掉不走，重裝電池會好，但依據經驗已屬迴光返照，果然，沒多久就死透了。

網購買了一塊 DS1307，順利組裝完成。不過結果有點讓人失望，停掉網路改接 RTC 後反而更耗電，電池續航力只剩一天半，而且 DS1307 時間很不準，一天快 4 ~ 5 秒，比我預期差很多。RTC 不是用晶體振盪嗎？我原本想像要像石英錶、原子鐘一樣準，其實不然，趁此機會做了研究，補充新知識。

下圖左邊是 DS1307 模組，右邊是 DS1302，箭頭指的金屬圓筒就是石英晶體振盪器(Crystal Oscillator)，DS1307 的尺寸較大(直徑 3mm 高 6mm)，DS1302 比較小(直徑 2mm 高 6mm)，旁邊標示 32,768Hz (哦，是魔法數字耶!) 便是 RTC 時鐘振盪器最常用的頻率。

32,768Hz 的意思是一秒固定振盪 32768 次，若用 16 位二進位記錄振盪次數，第 16 位 0, 1 改變時剛好是一秒，RTC 便是用這種方法決定一秒的長度。

DS1307 模組有提供方波輸出，用示波器還真觀察到接近 32,768Hz 的頻率數字：(數字是約略值，示波器自身也有誤差，更何況我這台是玩具等級)

不過，每秒固定 32,768 次是理想值，在真實世界總有誤差，誤差大小跟晶體振盪器品質有關，像是 DS1302 與 DS1307 振盪器的大小品牌不同，精準度也不會一模一樣。晶體振盪器誤差的單位是 ppm (Parts Per Million，百萬分之一)，以一天快 5 秒為例，誤差為 5 / (24 * 60 * 60) = 0.00005787 ，57.87ppm。而查廠商規格，直徑 2mm/3mm 高 6mm 金屬筒狀晶體振盪器的誤差約為 ±20ppm。參考

另外，晶體振盪器頻率也會受溫度影響，出廠時調校成 25°C 32,768Hz 0ppm，當溫度過高或過低時會變慢，例如：當溫度上升到 58°C，誤差約 -43ppm。(資料與圖表來源：STMicroelectronics 研究報告 - Using the typical temperature characteristics of 32 KHz crystal to compensate the M41T83 and the M41T93 serial real-time clocks)

要克服溫度影響，有種溫度補償晶體振盪器(TCXO)可透過測量溫度並調整電壓進行補償，即使溫度變化穩定度也會維持在 ±0.5ppm 至 ±5ppm。參考：選擇晶體振盪器必須考慮的5件事…

由以上研究，若晶體振盪器的誤差為 ±20ppm，我的時鐘運作環境就算在浴室可能因洗澡室溫上升到 40 度好了，溫度誤差約為 -8.9ppm，而且會變慢而非變快，仍無法解釋為什麼一天會快 5 秒。

查了一些文章，對於 DS1307/DS1302 這類低階 RTC，不少 Arduino 玩家都遇到時鐘不準偏快的案例，有一說法是某些便宜的晶體振盪器誤差比想像大，有可能高到 60 或 80 ppm 參考，若是如此，則一天快上 5 ~ 6 秒就合理了。許多人推薦內建溫度補償精準度號稱 2ppm 但價格貴三倍的 DS3231，貴三倍是多貴呢？其實一百塊錢有找(Yes，DS1307 只要 35 塊一片還附電池) ，玩 Arduino/ESP 花費不多樂趣無窮呀。總之我已經下單了，過陣子再報告研究心得。