如何校准 STM32L1xx 内部 RC 振荡器

前言
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- t% i' H# {. G. h7 VSTM32L1xx 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。
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3 _$ s$ M3 v3 ~' Z( h7 g( w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。
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( d4 P) n) g7 h5 G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。
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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。
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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。

1 STM32L1xx 系统时钟
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* A! k4 E! `* L+ i& c6 }# MSTM32L1xx 微控制器系列有多个时钟源可用于驱动系统时钟：
/ F" q! O# Y( w! z● 16 MHz 高速内部 （HSI） RC 振荡器时钟
, C# ]: J# I$ f6 e/ r: k2 p● 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
● 2 至 24 MHz 锁相环 （PLL），由 HSI 或 HSE 振荡器提供时钟
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/ b9 {8 a5 c) r3 L" n+ \! I高速内部 （HSI） RC 振荡器一般频率为 16 MHz，耗电 100 µA。
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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。
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' A6 P5 n/ @" k; ?5 R* S+ s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。

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。
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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

● 32.768 kHz 低速外部晶振 （LSE 晶振），用于驱动实时时钟 (RTC)

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2 内部 RC 振荡器校准

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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。

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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。

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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）。

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● 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。

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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。

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● 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：

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MSICAL[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。

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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. 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）。

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）。

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。

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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。

2.1 校准原理

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校准原理包括：

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1. 将 （需要校准的）内部 RC 振荡器设置为系统时钟，

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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，

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4. 最后，将微调位设置为最优值 （对应于最低频率误差）。

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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）。

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下图显示了怎样使用定时器计数个数测量参考信号周期。

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