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应用笔记|如何在 STM32U5 系列上校准内部 RC 振荡器

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发表于 2022-12-12 21:11:03 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
应用笔记|如何在 STM32U5 系列上校准内部 RC 振荡器



目录预览

0.前言
1.STM32U5 系统时钟
2.内部 RC 振荡器校准
3.内部 LSI 振荡器测量
4.X-CUBE-RC-CALIB 演示
5.结论

0.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。

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])。


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0x010x0F和之间的值写入 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。

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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