如何校准 STM32L1xx 内部 RC 振荡器4 o2 g& Q9 a# J* }' W+ y " y0 m' k* w; _ 前言 M0 ^9 P2 e" l* x # L8 h- `. q* e$ ?& J STM32L1xx 微控制器有两个内部 RC 振荡器可做为系统时钟源。它们是 HSI(高速内部)和MSI(多速内部)振荡器。HSI 振荡器的典型频率为 16 MHz。MSI 振荡器为低速、低功耗时钟源。 9 l! a: h( m# N. | e! n 工作温度对 RC 振荡器的精度有影响。在 25 ℃时,HSI 和 MSI 振荡器的典型精度为 ±1%,但在 -40 到 105 ℃温度范围,精度会降低。 为补偿温度对内部 RC 振荡器精度的影响,STM32L1xx 微控制器的内置一些功能可帮您校准HSI 和 MSI 振荡器及测量 MSI 和 LSI (低速内部)振荡器频率。 本应用笔记侧重如何校准内部 RC 振荡器:HSI 和 MSI。它展示了两个方法:第一个方法基于寻找具有最低误差的频率,第二个方法是寻找具有最大允许误差的频率。两个方法都通过提供精确参考信号的方式实现。 1 z- H6 _7 y2 J6 F7 a) b( v MSI 和 LSI 振荡器的测量都是通过将振荡器连至定时器输入捕获执行。 注 : 1 在本文中, STM32L1xx 指超低功耗大容量、中容量增强型、中容量器件。2 超低功耗中容量器件为 STM32L151xx 和 STM32L152xx 微控制器,其闪存密度范围为 64至 128K 字节。3 超低功耗中容量增强型器件为 STM32L151xx、 STM32L152xx 和 STM32L162xx 微控制器,其闪存密度为 256 K 字节。4 超低功耗大容量器件为 STM32L151xx、STM32L152xx 和 STM32L162xx 微控制器,其闪存密度为 384 K 字节。7 B6 e: q* Y# u0 d1 N& I+ x. b! G) \ , b- s& U" r+ Y& l: U. M 1 STM32L1xx 系统时钟 ; Y9 \- H7 h- J6 X4 ? STM32L1xx 微控制器系列有多个时钟源可用于驱动系统时钟: 6 b9 x- ]4 d( {) N ● 16 MHz 高速内部 (HSI) RC 振荡器时钟 : v3 L+ v7 c! c) j8 R9 p% l ● 1 至 24 MHz 高速外部 (HSE)振荡器时钟 ● 65.5 kHz 至 4.2 MHz 多速内部 (MSI) RC 振荡器时钟 5 A4 ]8 C1 ?9 b% q ● 2 至 24 MHz 锁相环 (PLL),由 HSI 或 HSE 振荡器提供时钟 ; s3 G* N% u$ j i% _ 高速内部 (HSI) RC 振荡器一般频率为 16 MHz,耗电 100 µA。 多速内部(MSI)RC 振荡器提供了七个频率范围:65.5 kHz、131 kHz、262 kHz、524 kHz、1.05 MHz、 2.1 MHz (默认值)和 4.2 MHz。它的设计为工作电流与频率成正比 (请参考产品手册以获得 MSI 耗电与所选频率范围之间关系的更详细信息),因此当 CPU 在低频运行时,内部振荡器耗电可最小化。在从复位重启、从停止唤醒、待机低功耗模式后, MSI 时钟被用作系统时钟。 4 w2 C4 k/ ~; S- l8 i! [ m+ V" _2 ^% @, w7 [& M 内部 RC 振荡器 (HSI 和 MSI)提供了低成本时钟源 (不需外部元件),这是其优点。它还具有比外部振荡器更快的启动时间和更低的功耗。可校准 HSI 和 MSI 振荡器以提高其精度。但即使校准后,内部RC振荡器频率也不如外部晶振或陶瓷谐振器的频率精度(几十ppm)高。 \5 f$ T- A, } 注 : 若外部振荡器发生故障,内部 RC 振荡器 (HSI 和 MSI)还可作为备份时钟源 (辅助时钟)使用。0 T1 i) L4 `8 ?" Q7 u! n * W2 K1 }0 z |4 @) ] . K. y9 W! z7 ?. b u- {# j STM32L1x 器件还有两个次级时钟源 (不能用作系统时钟源): ● 37 kHz 低速内部 (LSI) RC,设计为驱动独立看门狗,也可驱动实时时钟 (RTC)。该 LSI 振荡器无法校准,但可对其测量以评估 (由温度和电压变化引起的)频率偏差 : K. {8 ^. w2 h6 f; O0 Z& w# W& f● 32.768 kHz 低速外部晶振 (LSE 晶振),用于驱动实时时钟 (RTC) 2 内部 RC 振荡器校准 ' M) B- t/ j; u由于生产过程的不同,每个芯片的内部 RC 振荡器的频率都可能不同。因此,MSI 和 HSI RC振荡器由 ST 工厂校准,以获得 TA = 25 ℃时 1% 的精度。复位后,工厂校准值自动加载到内部校准位中。 可微调内部 RC 振荡器的频率,以在更宽的温度和供电范围内达到更好的精度。这就是微调位的作用。 对于 HSI 振荡器,复位后校准值加载于 HSICAL[7:0] 位中。有五个微调位 HSITRIM[4:0] 用于微调。默认微调值为 16。增加 / 降低此微调值会增加 / 降低 HSI 频率。 HSI 振荡器微调步长为 0.5% (在 80 kHz 周围)。 X$ T4 l$ }; N% u1 l9 E● 将微调值写为 17 至 31 会增加 HSI 频率。 ● 将微调值写为 0 至 15 会降低 HSI 频率。 ● 将微调值写为 16, HSI 频率会保持为默认值。 / g2 u. @# M: X, M& \下图显示了随校准值变化的 HSI 振荡器行为。HSI 振荡器频率随校准值增加(校准值 = 默认的 HSICAL[7:0] + HSITRIM[4:0]),除了在模 16 处。在这些校准值处,负步进会达到正步进的三倍。 $ G- g* }7 p. [, a3 \1 y0 x● 对于 MSI 振荡器,复位后校准值加载于 MSICAL[7:0] 位中。使用了八个微调位MSITRIM[7:0],因此有更宽的调整范围。校准基于将默认的 MSICAL[7:0] 位 (复位值)加上 MSITRIM[7:0] 位。结果储存于 MSICAL[7:0] 中: * r4 B& V- t; o6 R5 UMSICAL[7:0] = 默认的 MSICAL[7:0] + MSITRIM[7:0] 示例:假设默认的 MSI 校准值 MSICAL[7:0] 为 0x80。 1. 将 0x01 到 0x7F 之间的值写入 MSITRIM[7:0] 会导致校准值 MSICAL[7:0] 的范围为:MSICAL[7:0] = 0x80 + 0x01 = 0x81及 MSICAL[7:0] = 0x80 + 0x7F = 0xFF这些结果大于 0x80 (默认的 MSI[7:0] 值),因此 MSI 频率增加 1 步 (0x81 -0x80)至 127 步 (0xFF - 0x80)。 2 |: r8 f+ J- \( h' w- |2. 将 0x81 到 0xFF 之间的值写入 MSITRIM[7:0] 会导致校准值 MSICAL[7:0] 的范围为:MSICAL[7:0] = 0x80 + 0x81 = 0x01及 MSICAL[7:0] = 0x80 + 0xFF = 0X7F这些结果小于 0x80 (默认的 MSI[7:0] 值),因此 MSI 频率降低 1 步 (0x01)至127 步 (0x7F)。 1 {0 n+ o3 y" C# B( }3. 在 MSITRIM[7:0] 中写入默认校准值 (0x80)会导致校准值 MSICAL[7:0] 等于MSICAL[7:0] = 0x80 + 0x80 = 0x00,因此 MSI 频率会降低 128 步 (最低频率)。 4 i2 a3 ^% W0 }' \) L( [+ F3 z下面的图 3 显示了在范围 6 (4194304 Hz)处 MSI 行为随 MSICAL[7:0] 的变化。 请注意当两个 MSB 位从 “00” 到 “01”、从 “01” 到 “10”、从 “10” 到 “11” 时的负步进。对六个LSB 的更改会导致每步大约 0.5% 的微调。 3 U$ {9 o6 ?/ U2.1 校准原理 ) r. v8 f( Z8 Y$ Y' V8 z4 m* i校准原理包括: 1. 将 (需要校准的)内部 RC 振荡器设置为系统时钟, 2. 测量每个微调值的内部 RC 振荡器 (HSI 或 MSI)频率, 3. 计算每个微调值的频率误差, 9 j! T' a: V3 s% @/ q; k9 m0 W4. 最后,将微调位设置为最优值 (对应于最低频率误差)。 / I. v. h0 d/ o内部振荡器频率并非直接测量,而是使用定时器计算时钟脉冲个数,与典型值比较。为此,必须有一个非常精确的参考频率,比如由外部 32.768 kHz 晶振或 50 Hz/60 Hz 电源频率(请参考第 2.2.2 章节 : 其它源用作参考频率的情况)。 0 S! V5 l6 K0 o( y4 Z1 m/ G下图显示了怎样使用定时器计数个数测量参考信号周期。 % F4 @: w' u" s! y; G: a. D' P7 i |
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