STM32F10xxx内部 RC 振荡器（HSI）校准

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STMCU小助手发布时间：2022-7-17 19:01

技术帖
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文章简介:	STM32F10xxx内部 RC 振荡器（HSI）校准

前言
STM32F10xxx 微控制器提供了适合运行的内部 RC 振荡器（典型地，有 8 MHz 的 HSI：高速内部振荡器）。在 25 ℃时， HSI 的典型精度为 ±1%。在 –40 到 105 ℃， RC 频率精度值扩大为 ±3%。因此，温度对 RC 精度有影响。
为补偿应用中的温度影响，用户可使用运行时校准程序，进一步微调 STM32F10xxx HSI 振荡器的输出频率，提高 HSI 的频率精度。对通信外设来说，这可能是至关重要的。
本应用笔记给出了两个校准内部 RC 振荡器的方法：找到具有最小误差的频率或找到最大允许的频率误差。两者都通过提供精确的参考源，如 RTC/64 信号或主动信号实现。
这两个方法都基于相同的原理：计算 RC 频率 vs. 参考频率，计算 HSI 频率误差，设置RCC_CR 寄存器中的 HSITRIM 位。

1 STM32F10xxx 的内部时钟：HSI 时钟
HSI 时钟信号由内部 8 MHz RC 振荡器生成，可直接用作系统时钟，或者除以 2 用作 PLL 输入。 HSI RC 振荡器的优点是成本较低（无需使用外部组件）。它还比 HSE 晶振具有更快的启动时间。但即使校准后，频率也不如外部晶振或陶瓷谐振器的频率精度高。 HSI 信号还可作为备份时钟源（辅助时钟）使用，以防 HSE 晶振发生故障。
1.1 校准
由于生产过程的不同，每个芯片的 RC 振荡器的频率都可能不同。因此，每个器件都由 ST做工厂校准，在 TA = 25 ℃时达到 1% 精度。
复位后，工厂校准值将加载到时钟控制寄存器 RCC_CR 的 HSICAL[7:0] 位中。
通过设置 RCC_CR 寄存器中的 HSITRIM[4:0] 位进行用户校准。可对这些位编程，以考虑电压和温度变化对内部 HSI RC 振荡器频率的影响。默认值为 16，加上 HSICAL 值，应能将HSI 微调至 8 MHz ±1%。前后两个 HSICAL 步进之间的微调步长（Fhsitrim）约为 40 kHz。

2 RC 校准
2.1 校准原理
校准的原理为首先测量 HSI 频率，然后计算频率误差，最后设置 RCC_CR 寄存器中的HSITRIM 位。
HSI 频率并不是直接测量的，而是使用定时器对 HSI 时钟沿计数方式算出，然后与理想值 8 000 000 Hz 比较。为此，必须有一个非常精确的参考频率，比如由外部 32 kHz 晶振提供的RTC/64 信号或 50 Hz/60 Hz 主频（请参考第 2.2.2 章节）。对于 RTC 时钟源的情况，参考频率等于 512 Hz （32768 Hz/64）。
图 1 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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在每个上升沿会发生两个中断：捕获比较 1 中断和更新事件中断。后者用于在参考信号周期对计数器溢出计数。因为在每个新周期开始时两个中断同时发生，所以会发生额外的溢出。
这就是为什么我们必须对计数器溢出的数目减 1：N – 1。
因此 HSI 时钟沿计数数目如下：
TimerPeriodCount N 1 – ( ) × 65535 + Capture1，其中：
– N 为一个参考频率周期期间定时器溢出的数目
– Capture1 为从定时器 CCR1 寄存器中读取的值。
因为定时器由内部 RC 提供时钟，所以微控制器可计算 HSI 产生的真正频率并与参考频率比较。
FrequencyRC TimerPeriodCount FrequencyRef
误差（单位 Hz）为 RC 频率（FrequencyRC）与 8 000 000 Hz 之差的绝对值。
因此， RC 频率误差表示为：
Error Hz ( ) = FrequencyRC – 8000000
计算误差之后，算法会确定写入 RCC_CR 寄存器中 HSITRIM 位的校准值（若需更详细信息，请参考第 3 章节）。

2.2 硬件实现
2.2.1 RTC/64 用作参考频率的情况：512 Hz
STM32F10xxx 可将 RTC 信号 64 分频输出至 GPIO PC13 （TAMPER-RTC 引脚）。
TAMPER-RTC 信号可用作 RC 校准的参考频率。要达到该目的，此引脚必须配置为复用功能推挽，连至定时器通道输入。
注：在本应用笔记的后续部分，使用的通道为定时器 3 通道 1 （TIM3_CH1）。
图 2 显示了使用 RTC/64 作为校准的精确频率源时， RC 校准需要的硬件连接。

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2.2.2 主频用作参考频率的情况：
50 Hz/60 Hz
本节说明了使用 AC 主频作为参考频率方法的硬件需求。图 3 显示了向微控制器提供 DC 电源（约 3.3 V）的电路实现：
保护定时器输入所需的唯一元件为一个电阻。因此若不需要电源，则只需在 TIM3_CH1 输入上有一个电阻以保护定时器输入的过电流。
此电路包括一些无源元件，以将 220 V/50 Hz 的 EU 电源或 110 V/60 Hz 的 US 电源转换为3.3 V DC 电源。对于具有较高耗电电流的应用，可使用功率转换器（请参考应用笔记AN1357：VIPower：在非隔离应用中使用 VIPer12A 作为低成本电源）。

注意：
若电流变化太大，则参考信号调节和电源电路无法使用。
对于噪声主频的情况，建议使用输入功率线性滤波器（请参考应用笔记 AN2326：使用主频校准 ST7ULTRALITE MCU RC 振荡器）

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