STM32外部晶振電的主時鐘方案

STM32F103有兩種主時鐘方案，一個是依靠內部RC振蕩器的HSI（內部高速時鐘），另一個是HSE（外部高速時鐘）。

內部高速時鐘源（HSI）

看數據手冊，內部的HSI是由ST出廠時校準過的，但是精度并不高，在0到70℃下誤差范圍達到 -1.3%到2%，即便是在標準的25℃下，也有 -1.1%到1.8% 的誤差（如下圖）。

對于高波特率的異步串口通訊，或者需要高精度定時的場合（如：需要跑積分算法的時候），用HSI就有隱患，甚至根本達不到設計要求。

外部高速時鐘源（HSE）

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

對于外部無源晶振，需要做一些匹配工作。當然，直接baidu一個原理圖，啥也不想，直接照著抄也可以運行。但是這樣的設計，批量生產會不會出問題？某些特定環境下會不會崩潰？系統穩定性會不會很低？……都是未知數。這就是給自己的設計埋下隱患，說不定什么時候就崩了。

所以還是來看看怎么匹配吧–

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

1. 負載電容匹配

負載電容就是下圖中的CL1、CL2，一般取CL1 = CL2，這兩個電容和晶體Q構成三點式電容振蕩器。

那么要把CL1、CL2跟誰匹配呢？其實就是跟晶振的參數：Load Capacitance匹配，簡稱CL，從晶振的數據手冊可以查到，見下圖：

我們選擇的是20pF系列的晶振，所以CL = 20pF

當然我們知道，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，這部分也要考慮進去。從ST手冊可以查到，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：

由于我們取了CL1 = CL2，公式就可以變為：CL1 = 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. 晶振跨導計算

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

首先看STM32F103手冊，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定跨導gmcrit相比較。gmcrit是要我們計算一下的：

這里面的幾個未知參數的意義是：

ESR——晶振的等效串聯電阻，手冊里查到

F——晶振的振蕩頻率

C0——晶振的Shunt Capacitance

CL——晶振的負載電容Load Capacitance

好，下面看晶振的手冊，找這幾個參數：

F = 8MHz，C0 = 7pF，CL = 20pF，ESR = 80Ω。參數Get√，計算：

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

gmcrit = 0.1886

現在gm、gmcrit都有了，可以比一下了

比值 = gm/gmcrit = 25/0.1886 = 132

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

3. 驅動電平DL（Drive Level）

驅動電平其實就是指晶振工作消耗的功率，如果這個功率過大，超過晶振承受能力，則晶振壽命將減少，容易過早失效。晶振的推薦功率，可以在上圖（晶振數據手冊）中找到，我們選擇的這個晶振的DL范圍是1到500uW，推薦是100uW。如果實際工作功率過大，就串聯一個Rext來限制功耗。實際功耗怎么獲得？這個得自己用示波器測量，然后帶入ESR計算出來。

4. 反饋電阻Rf （Feedback Resistance）

把這個放最后，其實不是因為他沒啥用，而是因為ST已經把他集成到芯片里面了，我們不用太多關心這個問題了。這個Rf的作用就是讓放大器Vin = Vout，來強制工作在放大區間