如何校准 STM32L1xx 内部 RC 振荡器

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STMCU小助手发布时间：2022-7-17 22:41

技术帖
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文章简介:	如何校准 STM32L1xx 内部 RC 振荡器

前言
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。
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。
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。

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1 STM32L1xx 系统时钟
STM32L1xx 微控制器系列有多个时钟源可用于驱动系统时钟：
●16 MHz 高速内部（HSI） RC 振荡器时钟
●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
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。
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)

2内部 RC 振荡器校准
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）。
●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。
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：
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。
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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2.1校准原理
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，
4. 最后，将微调位设置为最优值（对应于最低频率误差）。
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）。
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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启用定时器计数后，当第一个参考信号上升沿发生时，捕捉定时器计数值，储存于IC1ReadValue1 中。在第二个上升沿，又捕捉到定时器计数，储存于 IC1ReadValue2 中。在两个连续上升沿之间的时间（IC1ReadValue2 - IC1ReadValue1）表示了参考信号的整个周期。
因为定时器计数器的时钟由系统时钟提供（内部 RC 振荡器 HSI 或 MSI），因此与参考信号
有关的内部 RC 振荡器生成的真正频率为：

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