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RTC (DS3231) の誤差変動の測定

このところPCの入れ替え作業をやっているので電子工作の方は進展がありません。そんな中で、あまり手間を掛けずに出来ること、ということで、RTC(DS3231)の誤差の時間変化を測定してみました。

以前の記事で DS3231 の偽物は時間精度が悪く、短時間でもふらふらとタイミングが変化しているという話を書きました。これが実際にどれくらいの変化なのか、定量的に比較してみましょう、というのが今回の記事の目的です。

▼測定方法
RTCの誤差変化を記録

左のArduino UNO で作った DS3231を使ったデジタル時計から出ている1秒パルスと、窓際に置いたGPSモジュール (neo-8m) から引っ張ってきた1PPSパルスとの位相差を中央の Arduino UNOで測定し、右側のタブレットで記録しました。
RCTモジュールはコネクタで差し替えが可能なので、簡単にモジュールの違いによる特性の差を比較することが出来ます。

以下は測定結果で、1200秒(20分間)の位相の変化と、位相の変化率です。

位相の変化率は1秒値当たりの位相の変化量で求めていて、これはRTCの絶対誤差と考えることが出来ます。なお、この変化率は、60回(60秒)の位相データーを使って最小二乗法で求めた近似直線の傾きの値です。なお、この値は Arduino で計算してシリアルに出力しています。

◆モジュールA (本物、と思われるもの)
・位相変化
モジュールAの位相変化
位相差は4μsステップの値でしか出力されないので、階段状のグラフになっています。

・誤差変化
モジュールAの誤差変化
位相の測定結果は4μsステップの離散値しか得られません。でも最小二乗法で求めた直線近似直線の傾きには、見えなかったた傾向が見えてきているようです。

時々大きな揺らぎがありますが、それを除くと変動は±0.02ppm 程度に収まっているようです。あと、少し右上がり傾向なのは温度変化の影響なのかも知れません。

◆モジュールB(偽物と思われるもの)
・位相変化
モジュールBの位相変化
エージングレジスタの値が十分調整出来ていないようで、右上がりの位相変化があります。ちなみに、位相差が増えているので、RTCのオシレーターの周波数が低いことになります。

・誤差変化
モジュールBの誤差変化
右上がりの位相変化があるので、グラフの中心が 0.3ppm くらいゼロから上にシフトしています。変動幅は、±0.2ppm くらいあって、Aのモジュールの約10倍もあります。こういうデーターを取ると、偽物の化けの皮が剥がれてきます。

◆モジュールC(偽物と思われるもの)

・位相変化
モジュールCの位相変化
4μs の階段状に値が変化していますが、Aのモジュールより振れ幅が大きくなっています。エージングレジスタが適切に調整されていたようで、中心値はほぼ一定になっています。

・誤差変化
モジュールCの誤差変化
変動は±0.4ppm くらいはありそうです。やはりこれも偽物です。

◆まとめ
本物(と思える物)と偽物の DS3231 の誤差変動を詳しく測定してみました。偽物の変動範囲は本物の10倍程度あることが判りました。そうは言っても 1ppm 以下の話なので、細かいこと言わなければOKなレベルではあります。

こういう測定を簡単に出来るのは、GPSモジュールから出ている正確な1PPSパルスのおかげです。これが7ドルちょっとで手に入るのだから、良い時代になったものです。残念なのは、このモジュール(u-block neo-8)が日本製では無いことです。

最小二乗法による傾向の抽出は思ってたよりうまくいっている感じです。Arduino UNO のCPU (ATmega328P) で計算した場合の1回の処理時間は50ms程度でした。これ以外に過去データーを蓄積しないといけないのでレスポンスが悪化します。そんなことで、タイミング的に厳しい場合は無理ですが、そうでなければこのテクニックはけっこう使えると思います。なお、計算精度が32ビット浮動小数点なので、桁落ちには注意が必要です。

今回調べたのは20分程度の短期変動です。もっと長時間では傾向が変わってくるかも知れません。多分それ以上に、温度変化の影響の方がずっと大きいと思います。
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