如何在 STM32U5 系列上校准内部 RC 振荡器

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STMCU小助手发布时间：2022-11-10 17:00

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文章简介:	如何在 STM32U5 系列上校准内部 RC 振荡器

前言
STM32U5 系列微控制器内嵌两个可选为系统时钟源的内部 RC 振荡器。它们是 HSI16（高速内部）和 MSI（多速内部）振荡器，其可驱动两个独立的输出：MSIS（用于系统时钟）和 MSIK（用于某些外设作为内核时钟）。HSI16 振荡器的典型频率为 16MHz。MSI 振荡器为多速低功耗时钟源。
STM32U5 系列微控制器（称为 STM32U5 器件）具有三个辅助内部时钟源：
• LSI：32kHz（内部低速）
• HSI48：48MHz（内部高速），可直接用于 USB、RNG（真随机数发生器）和 SDMMC（SD/SDIO MMC 卡主机接口）。
• SHSI：48MHz（+抖动）内部安全 RC 振荡器，专用于为 SAES 外设提供时钟
工作温度对 RC 振荡器的精度有影响。在 30°C 时，HSI16 精度为±0.5%，MSI 精度为±0.6%，HSI48 精度为±4%。但在–40°C 至125°C 的温度范围内，精度会降低。为补偿温度对内部 RC 振荡器精度的影响，STM32U5 器件内置一些功能用于校准 HSI16、
MSI 和 HSI48 振荡器及测量 LSI 振荡器频率。
当系统中有 32.768kHz 的 LSE（低速外部）时钟源可用时，MSI 振荡器的频率可通过硬件自动微调，从而达到优于±0.25%的精度。这种使用 LSE 进行的自动硬件校准被称为 PLL（锁相环）模式。本应用笔记尚未对 PLL 模式进行介绍，仅侧重于用户微调。
本文档还详细介绍了如何校准 HSI16、MSI 和 HSI48 内部 RC 振荡器，方法如下：
• 基于找到具有最小误差的频率的方法
• 基于找到最大允许频率误差的方法
• 制定一个预先测量值的表然后在其中搜索相应变化的方法
LSI 振荡器的测量是通过将振荡器连接到定时器输入捕获来实现的。
本应用笔记随附的 X-CUBE-RC-CALIB 扩展包包含执行这些内部振荡器校准的源代码，以及运行示例所需的所有嵌入式软件模块。

1 STM32U5 系统时钟
STM32U5 器件具有下列时钟源可用于驱动系统时钟：
• HSI16：16 MHz 高速内部 RC 振荡器时钟
• HSE：4 至 50 MHz 高速外部振荡器时钟
• MSI（MSIS）：100 kHz 到 48 MHz 多速内部 RC 振荡器时钟
• PLL：1 MHz 到 160 MHz 锁相环（PLL），由 HSI16、MSI 或 HSE 振荡器提供时钟
HSI16 振荡器的典型频率为 16 MHz，功耗为 150 μA。
MSI RC 振荡器基于四个内部 RC 振荡器：MSIRC0 = 48 MHz、MSIRC1 = 4 MHz、MSIRC2 = 3.072 MHz、MSIRC4 = 400 kHz。每个 MSIRCx 振荡器具有四个分频器：/1、/2、/3 和/4。MSI 共提供了 16 个频率范围，可选
择用于两种输出：MSIS（用于系统时钟）和 MSIK（用于外设内核时钟）。MSI 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 功耗与所选频率范围之间关系的更详细信息），当 CPU 在低频运行时，可最小化内
部振荡器功耗。在从复位重启或待机、关断低功耗模式唤醒后，MSIS 时钟被用作系统时钟。从停机模式唤醒后，
可选择 MSI 时钟而不是 HSI16 作为系统时钟。
HSI48 时钟信号由内部 48 MHz RC 振荡器生成，可直接用于 USB、RNG 和 SDMMC。
内部 RC 振荡器（HSI16、MSI 和 HSI48）提供了一个低成本时钟源（无需外部元件）。它们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 HSI16、MSI 和 HSI48 振荡器以提高其精度。但即使校准后，内部 RC 振荡
器频率精度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，则 MSI 内部 RC 振荡器还可作为备份时钟源（辅助时钟）使用。

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STM32U5 器件还嵌入了以下次级时钟源（不能用作系统时钟）：
• LSI：32kHz 低速内部 RC，可在停机和待机模式下保持运行用于 IDWG（独立看门狗）、RTC 和 LCD。LSI振荡器无法校准，但可通过测量来评估任何频率偏差（由于温度和电压变化）。
• LSE 晶振：32.768 kHz 低速外部晶振 RC，可选地驱动 RTC（实时时钟）
• HSI48：48 MHz 高速内部 RC，设计用于通过特制 CRS（时钟恢复系统）电路为 USB 外设提供高精度时钟。它还可驱动 RNG 和 SDMMC。
• MSIK：多速内部 RC 振荡器时钟，用于外设内核时钟（源自 MSIRCx 振荡器）
• SHSI：48 MHz 内部 RC 振荡器，专为 SAES 外设提供时钟

2 内部 RC 振荡器校准
由于生产过程的不同，每个器件的内部 RC 振荡器的频率都可能不同。因此，MSI 和 HSI16 RC 振荡器由意法半导体在 TA = 30 °C 时进行工厂校准。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 HSI16 振荡器，复位后校准值加载于 HSICAL[11:0]中。使用五个微调位 HSITRIM[4:0]进行微调。默认微调值为 16。增加/降低此微调值会增加/降低 HSI16 频率。HSI16 振荡器微调步长为 0.18%（约 29 kHz），具体如下：
• 将微调值写为 17 至 31 会增加 HSI16 频率。
• 将微调值写为 0 至 15 会降低 HSI16 频率。
• 将微调值写为 16，HSI16 频率会保持为默认值。
下图显示了随校准值变化的 HSI16 振荡器行为。HSI16 振荡器频率随校准值增加（校准值 = 默认的 HSICAL[11:0]+ HSITRIM[4:0]）。

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对于 MSIRCx 振荡器（x = 0..3），复位后校准值加载于 MSICALx[4:0]位中。五个微调位 MSITRIM[4:0]使微调范围更宽。校准基于将默认的 MSICALx[4:0]（复位值）加上 MSITRIMx[4:0]。
结果存储在 MSICALx[4:0] = 默认 MSICALx[4:0] + MSITRIMx[4:0]中。

示例
假设默认的 MSI 校准值 MSICALx[4:0]为 0x10：
1. 将 0x01 和 0x0F 之间的值写入 MSITRIM[4:0]，会使校准值 MSICALx[4:0]处于 MSICALx[4:0] = 0x10 + 0x01= 0x11 到 MSICALx[4:0] = 0x10 + 0x0F = 0x1F 的范围内。
这些结果大于 0x10（默认的 MSICALx[4:0]值），因此 MSIRCx 频率增加 1 步（0x11 - 0x10）至 15 步（0x1F - 0x10）。
2. 将 0x11 和 0x1F 之间的值写入 MSITRIM[4:0]，会使校准值 MSICALx[4:0]处于 MSICALx[4:0] = 0x10 + 0x11 =0x01 到 MSICALx[4:0] = 0x10 + 0x1F = 0x0F 的范围内。这些结果小于 0x10（默认的 MSICALx[4:0]值），因此 MSIRCx 频率降低 1 步（0x01）至 15 步（0x0F）。
3. 在 MSITRIM[4:0]中写入默认校准值 0x10 会导致校准值 MSICALx[4:0]等于MSICALx[4:0] = 0x10 + 0x10 = 0x00，因此 MSIRCx 频率会降低 16 步（最低频率）。

下图显示了 MSIRCx 相比于 MSICALx[4:0]在 4MHz 时的行为。

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对于 HSI48 振荡器，复位后校准值加载于 HSI48CAL[8:0]中。使用六个微调位 TRIM[6:0]（在 CRS_CR 寄存器中）进行微调。默认微调值为 64。增加/降低此微调值会增加/降低 HSI48 频率。
HSI48 振荡器微调步长为 0.12%（约 57 kHz），具体如下：
• 将微调值写为 65 至 127 会增加 HSI48 频率。
• 将微调值写为 0 至 63 会降低 HSI48 频率。
• 将微调值写为 64，HSI48 频率会保持为默认值。
下图显示了随校准值变化的 HSI48 振荡器行为。HSI48 振荡器频率随校准值增加（校准值 = 默认的 HSI48CAL[8:0]
+ TRIM[6:0]）。

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2.1 校准原理
校准原理包括以下步骤：
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（HSI16 或 MSIRCx）频率。
3. 计算每个微调值的频率误差。
4. 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 节用例 2：其他源用作参考频率）。
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（HSI16 或 MSIRCx），因此与参考信号有关的内部 RC 振荡器生成的真正频率为：
测量频率 = (IC1ReadValue2 – IC1ReadValue1) × REFERENCE_FREQUENCY
误差（单位 Hz）为测量频率与典型值之差的绝对值。
因此，内部振荡器频率误差表示为：
频率误差(Hz) = 测量频率 - 系统时钟频率

稳定时间和频率过冲/下冲
写入微调值后，振荡器频率从原始频率变为最终频率。这种频率变化需要一定的时间才能稳定到新的频率值。
HSI16、HSI48 和 MSI 振荡器的稳定时间约为 15 μs（设置最终频率的时间）。
在稳定时间内，频率值可以高于（当新的频率值大于原来的频率值时）或低于（当新的频率值小于原来的频率值时）最终频率。该过冲/下冲值取决于应用于微调值的微调步长大小。最坏情况下的过冲变化（整个范围内的微调变化）约为 2.5%。中等变化约为 1.5%。
校准过程须在微调值变化和振荡器频率读取之间实施等待时间。
对每个微调值计算误差之后，算法会决定最优微调值（对应于最接近典型值的频率），编程于微调位中（请参考第 2.3 节）。

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