ds1302时钟模块的工作原理_ds1302时钟模块

为什么在单片机的电子时钟设计中基本上都用的DS1302时钟芯片？　　在基于51-52的单片机电子时钟设计中，我查阅到的资料基本上都是DS1302时钟芯片，我想问问为什么都用的这个，它有其他的替代品吗，比起其他的它的优势在哪？　　就像乐队演奏离不开指挥，打工人上下班离不开时间，对于芯片来说，要让这么一个复杂精细的系统运转起来，也离不开一个节拍器，它就是被誉为电子系统脉搏的时钟芯片。时钟信号是时钟芯片的基础，时钟信号就像脉搏一样，按照相对稳定的时间间隔连续发出，单位时间内产生的脉冲次数就叫频率。人体的脉搏是由心脏的收缩和舒张产生的，时钟信号则是由作为压电材料的石英晶体在被施加电场后产生机械震荡，当该机械震荡和施加的电场频率同频时产生谐振频率，进而变为时钟信号，这种信号也叫原始时钟信号，由晶体和振荡电路组成的能产生原始时钟信号的器件就叫晶振，下图为典型的晶振原理，C和E之间夹一颗石英晶体，就构成了一个简单的晶振。

　　上述晶振产生的原始信号频率较低，一般是几MHz到几百MHz，频率比较低，我们平时常用的电脑，CPU主频一般都要1GHz以上，并且满足各类芯片工作的的所需的频率也各不相同，因此原始时钟信号无法直接使用，需要通过时钟发生器（也叫时钟频率合成芯片），给原始时钟信号提高频率，并把单一频率的输入变成多频率的输出，这其中的核心部件叫锁相环（Phase-locked loop，简称PLL），它的由鉴相器（也叫相位比较器）+低通滤波器+压控振荡器+分频器组成，比如输入100MHz的信号，要让它输出1600MHz的信号，则需要把输出的1600MHz的信号通过16倍分频率拆成100MHz反馈给相位比较器，相位比较器比较出差异，通过低通滤波器后，让压控振荡器去调节输出，消除差异，下图为锁相环工作原理，感受一下即可。

　　经过时钟发生器后能产生各路不同频率的输出，有些类别芯片的工作频率相同，因此需要多路同一频率的输出，这个时候我们需要时钟驱动器，也叫时钟缓冲器（Lock buffer），来把一路频率的输入，复制为相同频率的多路输出。以上由晶振、时钟产生器、时钟驱动器三类共同组成了一个产生可使用时钟信号的最基本的环路，也是时钟信号芯片的基石。在这个基础上，由于在芯片内外部需要实现信号同步，尤其是在通讯网络中，需要时钟信号相位同步，确保同步分布式网络通讯中各个结点的实时时钟同步，满足整体网络时钟频率需求，又产生了时钟同步芯片；同时，在时钟信号传输过程中，由于相邻周期间会产生时钟抖动，实际频率周期和理想频率周期之间会产生差异的抖动，噪声功率相对于信号总功率来说也会产生抖动，为了降低抖动和降低噪声，又产生了去抖时钟芯片；另外还可以通过对晶体震荡次数计数，将其转换为时分秒用于计时，这种由晶振和RTC（Real-time clock）芯片构成的叫实时时钟。以上六类（时钟源、时钟发生器、时钟驱动器、时钟同步芯片、去抖时钟芯片、RTC时钟芯片）共同构成了时钟芯片的大家族，他们结合起来工作如下图所示：

　　从应用上来看，几乎所有使用芯片的地方都需要时钟芯片，但是根据对芯片频率和精度要求不同，各应用所需的时钟芯片种类略有差异，从大类上讲，时钟芯片主要应用在通信领域、汽车、消费电子等领域。以通信基站为例，BBU/DU 和RRU/AAU 均需要一颗时钟同步芯片，一个宏基站与小基站均需要1 颗实时时钟RTC 芯片与1 颗时钟同步芯片，下图通信基站中时钟芯片应用的示意图：

　　在汽车电子领域，时钟产品主要运用在娱乐与远程通信系统、安全电子系统、胎压监测系统、安全电子系统、车身系统、高级驾驶员辅助系统、电池管理系统中。随着汽车的电动化、智能化、网联化趋势越来越明显，新能源汽车渗透率的不断提升，汽车内部电子件的种类和应用数量也不断提高，直接推动时钟产品市场需求，在汽车内部通信速率越来越快，在车载serdes速率逐步提高的背景下，对去抖时钟芯片的需求也相应增加，下图为中高端汽车对时钟芯片的需求图：

　　在智能水表，电表，IoT等领域，对RTC时钟芯片的需求量较大。从全球市场规模来看，根据第三方数据综合可知，时钟发生器规模约60亿人民币，时钟驱动器21亿人民币左右，时钟同步芯片10亿人民币左右，去抖时钟芯片近50亿人民币左右，RTC时钟芯片全球规模近120亿人民币左右。合计是近300亿的蛋糕。从市场竞争格局来讲，晶振已经发展了很多年，属于成熟行业了，市场格局已经形成日本台湾最强，占据高端市场，国内占据低端市场，但也以产能过剩，全球排名前三的企业分别是台湾晶技（TXC）、日本Epson、日本NDK（苏州有工厂），合计占据全球30%的份额，国内有惠伦晶体，泰晶科技等上市公司，晶振领域一级市场可以投资的机会不大。时钟芯片国产化率较低，由于其技术含量较高，涵盖设计和制造，基本上是半导体热潮之后才开始发展起来，国产替代还属于起步期，目前还没有跑出一家上市公司，作为一个蛋糕并不小的市场，还是很值得期待，通过翻阅宁波奥拉的招股说明书，我们可以了解到大概格局如下：

　　具体到国内的企业，目前龙头的两家分别是大普技术和奥拉电子，均在申报IPO的过程中，大普技术成立较早，主要做专用时钟芯片（ASIC）和RTC芯片，在通信和汽车领域耕耘较深，有望成为首家时钟领域IPO的内资公司；宁波奥拉成立较晚（2018年），由双城药业董事长王成栋操盘，依靠引进国外的技术，在技术含量最高的去抖时钟芯片上发力，抱上了华为的大腿，产品用在了5G基站上，但由于其产品过于单一，股权激励过于激进，导致公司财务数据不太好看，在如今IPO严审核的环境下，能否闯关成功，变数还是蛮大。中间梯队的包括有容微，发展很猛，获得了中芯聚源、毅达、海旺等明星资本加持，走得也比较快；另外还有新港海岸、赛思电子、核芯互联、锐星微等也都在虎视眈眈着时钟芯片的市场，近两年还有华时嘉库、极景微等新入场的选手，基本上形成了第一第二和第三梯队。可以肯定的是，这个赛道的格局还没有形成，各家都在你追我赶，谁是最后赢家还有待观察，我们期待时钟芯片的国产替代来的更快更猛一些。

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