STM32外部晶振電的主時(shí)鐘方案

STM32F103有兩種主時(shí)鐘方案，一個(gè)是依靠?jī)?nèi)部RC振蕩器的HSI（內(nèi)部高速時(shí)鐘），另一個(gè)是HSE（外部高速時(shí)鐘）。

內(nèi)部高速時(shí)鐘源（HSI）

看數(shù)據(jù)手冊(cè)，內(nèi)部的HSI是由ST出廠時(shí)校準(zhǔn)過(guò)的，但是精度并不高，在0到70℃下誤差范圍達(dá)到 -1.3%到2%，即便是在標(biāo)準(zhǔn)的25℃下，也有 -1.1%到1.8% 的誤差（如下圖）。

對(duì)于高波特率的異步串口通訊，或者需要高精度定時(shí)的場(chǎng)合（如：需要跑積分算法的時(shí)候），用HSI就有隱患，甚至根本達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

外部高速時(shí)鐘源（HSE）

為了更高的時(shí)鐘精度，就要用HSE做主時(shí)鐘源，起碼做到30ppm還是很容易的。無(wú)源晶振相對(duì)便宜一些，要求不是非常高的話也足夠了。

對(duì)于外部無(wú)源晶振，需要做一些匹配工作。當(dāng)然，直接baidu一個(gè)原理圖，啥也不想，直接照著抄也可以運(yùn)行。但是這樣的設(shè)計(jì)，批量生產(chǎn)會(huì)不會(huì)出問(wèn)題？某些特定環(huán)境下會(huì)不會(huì)崩潰？系統(tǒng)穩(wěn)定性會(huì)不會(huì)很低？……都是未知數(shù)。這就是給自己的設(shè)計(jì)埋下隱患，說(shuō)不定什么時(shí)候就崩了。

所以還是來(lái)看看怎么匹配吧–

就以 STM32F103 和晶技HC-49SMD 8M 20pF 20ppm 的匹配為例

1. 負(fù)載電容匹配

負(fù)載電容就是下圖中的CL1、CL2，一般取CL1 = CL2，這兩個(gè)電容和晶體Q構(gòu)成三點(diǎn)式電容振蕩器。

那么要把CL1、CL2跟誰(shuí)匹配呢？其實(shí)就是跟晶振的參數(shù)：Load Capacitance匹配，簡(jiǎn)稱CL，從晶振的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以查到，見下圖：

我們選擇的是20pF系列的晶振，所以CL = 20pF

當(dāng)然我們知道，在電路板走線上還有寄生電容，連接的芯片輸入端也有等效電容，這部分也要考慮進(jìn)去。從ST手冊(cè)可以查到，STM32F103的晶振輸入電容是5pF，而PCB走線的寄生電容一般可以估值3pF到5pF。我們這里就取Cs = 10pF。下面看公式：

由于我們?nèi)×薈L1 = CL2，公式就可以變?yōu)椋篊L1 = CL2 = 2 * （CL - Cs）

把Cs = 10pF，CL = 20pF帶入上面的公式，能求出：CL1 = CL2 = 20pF

因此CL1、CL2均取為20pF。

2. 晶振跨導(dǎo)計(jì)算

為了確保晶振能順利起振，并運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)，就得有足夠的增益來(lái)維持。一般要求就是，單片機(jī)的gm比晶振的gmcrit大5倍以上就可以。下面就求一下這個(gè)比值，看看是否大于5倍。

首先看STM32F103手冊(cè)，可以直接獲知：gm = 25mA/V

有了gm = 25mA/V，就要用它跟晶振的最小穩(wěn)定跨導(dǎo)gmcrit相比較。gmcrit是要我們計(jì)算一下的：

這里面的幾個(gè)未知參數(shù)的意義是：

ESR——晶振的等效串聯(lián)電阻，手冊(cè)里查到

F——晶振的振蕩頻率

C0——晶振的Shunt Capacitance

CL——晶振的負(fù)載電容Load Capacitance

好，下面看晶振的手冊(cè)，找這幾個(gè)參數(shù)：

F = 8MHz，C0 = 7pF，CL = 20pF，ESR = 80Ω。參數(shù)Get√，計(jì)算：

gmcrit = 4*80*(2Π*8*10^6)^2*(7*10^-12 + 20*10^-12)^2

gmcrit = 0.1886

現(xiàn)在gm、gmcrit都有了，可以比一下了

比值 = gm/gmcrit = 25/0.1886 = 132

可見，這個(gè)比值是132，遠(yuǎn)大于5倍的最低要求，所以我們選擇的晶振是合適的。如果算出來(lái)是不合適的，那就要選用更小ESR，更低CL的晶振。其實(shí)STM32對(duì)于高速晶振的要求不高，但是對(duì)于外部低速RTC晶振的要求高一些，選型時(shí)要多加留意。

3. 驅(qū)動(dòng)電平DL（Drive Level）

驅(qū)動(dòng)電平其實(shí)就是指晶振工作消耗的功率，如果這個(gè)功率過(guò)大，超過(guò)晶振承受能力，則晶振壽命將減少，容易過(guò)早失效。晶振的推薦功率，可以在上圖（晶振數(shù)據(jù)手冊(cè)）中找到，我們選擇的這個(gè)晶振的DL范圍是1到500uW，推薦是100uW。如果實(shí)際工作功率過(guò)大，就串聯(lián)一個(gè)Rext來(lái)限制功耗。實(shí)際功耗怎么獲得？這個(gè)得自己用示波器測(cè)量，然后帶入ESR計(jì)算出來(lái)。

4. 反饋電阻Rf （Feedback Resistance）

把這個(gè)放最后，其實(shí)不是因?yàn)樗麤](méi)啥用，而是因?yàn)镾T已經(jīng)把他集成到芯片里面了，我們不用太多關(guān)心這個(gè)問(wèn)題了。這個(gè)Rf的作用就是讓放大器Vin = Vout，來(lái)強(qiáng)制工作在放大區(qū)間