2023年03月17日 | 单片机如何才能不死机之内外部时钟

1. 前言

时钟是嵌入式系统中非常重要，但又常常被忽视的地方。它的成本只占整个系统的一个零头，但由于时钟的停振，或其它异常最终导致厂商付出高昂代价的案例却并不少见。下面我们看一下在时钟设计中应该注意的一些问题。

2. 寄存器配置

现在单片机一般会支持四种时钟工作模式：内部低频时钟，内部高频时钟，外部低频时钟，外部高频时钟。低频时钟一般可经由单片机内部的锁频环倍频到高频时钟。（为啥这么折腾，不直接用高频时钟呢？a. 用的最多的32.768 kHz 低频时钟，经过15次分频后正好是1 Hz，可以准确的计时。b. 低频时钟功耗更低。c. 提高EMC性能。在低频时钟被瞬间干扰掉几个振荡周期的情况下，锁频环 (FLL) 仍能保证输出稳定，程序运行不受影响。）

一般单片机上电后默认工作在内部时钟，需要通过寄存器配置切换到其它时钟模式。这里需要注意，需要通过查询监控寄存器状态，来确认时钟工作模式。在实际项目中确实发生过电路板上加了外部晶振，但由于寄存器配置错误，系统仍工作在内部时钟的情况。如果配置中有不同的增益模式 (High Gain, Low Gain, or High Drive, Low Drive)，要注意在不同模式下，单片机内部时钟电路对外部时钟具有不同的驱动能力。以STM32F030R8为例，在LSE 的Low Drive模式下，内部时钟电路的跨导为5uA/V。在LSE 的High Drive模式下，内部时钟电路的跨导为25uA/V。当然高的驱动能力对应着更高些的功耗。如果对功耗没有太多要求，又需要稳定的时钟振荡，可以选择High Gain, 或 High Drive 模式。

3. 时钟精度

内部时钟一般由阻容振荡电路构成，精度相对要差一些。一般厂家出厂标定 (Trim, or Calibration) 后，全温度范围内能达到 3 - 5% 的精度。如果我们基于内部时钟源去做串口通信等应用，要注意不能使用过高波特率，而且要考虑如果时钟在精度变得最差的情况下仍能正常工作，而不是仅仅在常温下进行一下简单的测试。如果实际工作电压与手册中的标定电压不同，还需要在烧写代码时重新做时钟的标定。

外部时钟以最常用的晶体振荡器 (Crystal Quartz) 为例。晶体并不是精确的振荡在标称频率上。如果需要高精度的计时，需要考虑其精度受以下几方面影响：

a. 标称公差 (Frequency Tolerance)。

b. 负载电容 (Load Capacitance)。如下图所示的例子为一个负载电容为12.5pF的晶体，当负载电容变化时其振荡频率偏差的随动特性：

c. 温度漂移。下图是一个比较典型的音叉型晶体振荡频率偏差随温度变化的曲线：

它可以用抛物线方程描述为：

Fdev = B( T - T0 ) + K

Fdev 为晶体在温度 T 的频率偏差 ∆f/f0，单位为ppm，即百万分之一。

B 为抛物线系数，跟选取的晶体有关，上图中的B为 -3.5×(10)^(-8)/℃²，即-0.035ppm/℃² 。

T0 是曲线的转折温度点，一般是 25 ±5 ℃ 。

K 为晶体在转折温度点的频率偏差。

可以看到环境温度的变化对晶体的振荡频率有较大的影响。如果需要高精度，就需要考虑温度补偿。我们千万不要小看几个ppm的影响。要知道如果有 5ppm 的偏差，那么一天会积累 60*60*24*5ppm = 0.432秒 的误差。插句题外话：仅仅在智能电表领域，由于我们没有性价比高的高精度时钟芯片，日系厂商所获得的垄断利润还是很惊人的。国货当自强！

4. 可靠起振

下图是一个典型的单片机使用外部晶体振荡器的电路。

Rf: Feedback Resistor，反馈电阻。其作用是使反相放大器工作在线性放大工作区。

Rs：Series Resistor, 串行电阻。其作用是限制流过晶体的电流，以免损坏晶体。

CL1, CL2: 负载电容。

有的单片机内部集成了其中一个，或多个元件。

可靠起振需要考虑以下几个方面：

a. 反馈电阻 (Rf)，选用单片机手册中的推荐值即可。

b. 负载电容 (CL1, CL2)，应该满足公式

CL – Cs = CL1 x CL2 / (CL1 + CL2)

CL (Load Capacitance): 晶振厂家给出的负载电容值。

Cs (Stray Capacitance): 为晶振两引脚之间的寄生电容（分路电容，shunt capacitance，晶体手册中 会给出），加上PCB杂散电容。

CL1, CL2：晶振两脚对地电容。其电容值需要我们根据前两者计算得出。

此公式可理解为：

晶振两引脚对地电容并联 + 晶振引脚间寄生电容 + PCB杂散电容 = 晶振负载电容

c. 增益裕量 (Gain Margin)

Gain Margin = gm / gmcrit

gm 为反相放大器的跨导。一般由单片机厂家给出。

gmcrit 由晶体参数决定。

gmcrit = 4 x ESR x (2πF)² x (C0 + CL)²

ESR：Equivalent Series Resistance.

C0 ：Shun Capacitance.

CL ：Load Capacitance.

保证可靠起振需要Gain Margin > 5

d. 激励功率 (Drive Level)

晶振手册会给出最大值。我们要保证激励功率不要超出此最大值。

Drive Level = ESR x I²

I: 为流经晶振的电流。可以用带电流感应测量探头的示波器直接测量晶振管脚得出。也可以通过通过测量反相放大器输入端引脚电压，然后计算间接得出 (参考附录应用手册)。

e. 看门狗 (Watchdog)

单片机上电一般会工作在内部时钟，在上电过程中干扰会比较强。使能的看门狗能在时钟没有起振的情况下可以强制系统复位，时钟再次起振。需要强调的是要注意检查代码中(包括厂家提供的启动代码)有没有先停掉，之后再打开关门狗的地方。

在实际应用中，有的官方代码也会犯这种错误：为了简化启动代码，先把看门狗关掉，初始化完成后再打开。我们要知道这样做是实验室风格的，是有很大隐患的。在关掉的瞬间如果正好碰到强干扰，会导致单片机直接挂掉。这种问题很难发现，但真的会发生！