1. 前言

时钟在嵌入式系统中是非常重要的，但常常被忽视的一个方面。尽管时钟的成本相对较低，但由于时钟停振或其他异常情况而导致的问题却时有发生，给厂商带来了昂贵的代价。接下来我们将讨论在时钟设计中需要注意的一些问题。

2. 寄存器配置

现在的单片机通常支持四种时钟工作模式：内部低频时钟、内部高频时钟、外部低频时钟和外部高频时钟。低频时钟通常可以通过单片机内部的锁相环进行倍频以获得高频时钟。（为什么要经过这个过程而不直接使用高频时钟呢？原因如下：a. 最常用的32.768 kHz的低频时钟可以通过15次分频后得到1 Hz，可以精确计时。b. 低频时钟的功耗更低。c. 可以提高电磁兼容性性能。即使在低频时钟被短暂干扰几个振荡周期的情况下，锁相环（FLL）仍然可以确保输出稳定，程序不受影响。）

通常，在单片机上电后，默认工作在内部时钟模式，需要通过寄存器配置切换到其他时钟模式。这里需要注意的是，我们需要查询监控寄存器的状态来确认时钟的工作模式。实际项目中确实发生过这样的情况，即在电路板上加了外部晶振，但由于寄存器配置错误，系统仍然处于内部时钟模式下运行。如果配置中存在不同的增益模式（High Gain、Low Gain或High Drive、Low Drive），我们需要注意在不同模式下，单片机内部时钟电路对外部时钟的驱动能力是不同的。以STM32F030R8为例，在LSE（低速外部时钟）的Low Drive模式下，内部时钟电路的跨导为5uA/V；而在LSE的High Drive模式下，内部时钟电路的跨导则为25uA/V。当然，更高的驱动能力对应着更高的功耗。如果对功耗没有太多要求，同时需要稳定的时钟振荡，我们可以选择High Gain或High Drive模式。

3. 时钟精度

内部时钟一般由阻容振荡电路构成，精度相对要差一些。一般厂家出厂标定 (Trim, or Calibration) 后，全温度范围内能达到 3 – 5% 的精度。如果我们基于内部时钟源去做串口通信等应用，要注意不能使用过高波特率，而且要考虑如果时钟在精度变得最差的情况下仍能正常工作，而不是仅仅在常温下进行一下简单的测试。如果实际工作电压与手册中的标定电压不同，还需要在烧写代码时重新做时钟的标定。

外部时钟以最常用的晶体振荡器 (Crystal Quartz) 为例。晶体并不是精确的振荡在标称频率上。如果需要高精度的计时，需要考虑其精度受以下几方面影响：

a. 标称公差 (Frequency Tolerance)。

b. 负载电容 (Load Capacitance)。如下图所示的例子为一个负载电容为12.5pF的晶体，当负载电容变化时其振荡频率偏差的随动特性：

c. 温度漂移。下图是一个比较典型的音叉型晶体振荡频率偏差随温度变化的曲线：

它可以用抛物线方程描述为：

Fdev = B( T – T0 ) + K

Fdev 为晶体在温度 T 的频率偏差 ∆f/f0，单位为ppm，即百万分之一。

B 为抛物线系数，跟选取的晶体有关，上图中的B为 -3.5×(10)^(-8)/℃²，即-0.035ppm/℃² 。

T0 是曲线的转折温度点，一般是 25 ±5 ℃ 。

K 为晶体在转折温度点的频率偏差。

可以看到环境温度的变化对晶体的振荡频率有较大的影响。如果需要高精度，就需要考虑温度补偿。我们千万不要小看几个ppm的影响。要知道如果有 5ppm 的偏差，那么一天会积累 606024*5ppm = 0.432秒 的误差。插句题外话：仅仅在智能电表领域，由于我们没有性价比高的高精度时钟芯片，日系厂商所获得的垄断利润还是很惊人的。国货当自强！

4. 可靠起振

下图是一个典型的单片机使用外部晶体振荡器的电路。

Rf: Feedback Resistor，反馈电阻。其作用是使反相放大器工作在线性放大工作区。

Rs：Series Resistor, 串行电阻。其作用是限制流过晶体的电流，以免损坏晶体。

CL1, CL2: 负载电容。

有的单片机内部集成了其中一个，或多个元件。

可靠起振需要考虑以下几个方面：

a. **反馈电阻 (Rf)**，选用单片机手册中的推荐值即可。

b. **负载电容 (CL1, CL2)**，应该满足公式

CL – Cs = CL1 x CL2 / (CL1 + CL2)

CL (Load Capacitance): 晶振厂家给出的负载电容值。

Cs (Stray Capacitance): 为晶振两引脚之间的寄生电容（分路电容，shunt capacitance，晶体手册中 会给出），加上PCB杂散电容。

CL1, CL2：晶振两脚对地电容。其电容值需要我们根据前两者计算得出。

此公式可理解为：

晶振两引脚对地电容并联 + 晶振引脚间寄生电容 + PCB杂散电容 = 晶振负载电容

c. 增益裕量 (Gain Margin)

Gain Margin = gm / gmcrit

gm 为反相放大器的跨导。一般由单片机厂家给出。

gmcrit 由晶体参数决定。

gmcrit = 4 x ESR x (2πF)² x (C0 + CL)²

ESR：Equivalent Series Resistance.

C0 ：Shun Capacitance.

CL ：Load Capacitance.

保证可靠起振需要Gain Margin > 5

d. 激励功率 (Drive Level)

晶振手册会给出最大值。我们要保证激励功率不要超出此最大值。

Drive Level = ESR x I²

I: 为流经晶振的电流。可以用带电流感应测量探头的示波器直接测量晶振管脚得出。也可以通过通过测量反相放大器输入端引脚电压，然后计算间接得出 (参考附录应用手册)。

e. 看门狗 (Watchdog)

单片机上电一般会工作在内部时钟，在上电过程中干扰会比较强。使能的看门狗能在时钟没有起振的情况下可以强制系统复位，时钟再次起振。需要强调的是要注意检查代码中(包括厂家提供的启动代码)有没有先停掉，之后再打开关门狗的地方。

在实际应用中，有的官方代码也会犯这种错误：为了简化启动代码，先把看门狗关掉，初始化完成后再打开。我们要知道这样做是实验室风格的，是有很大隐患的。在关掉的瞬间如果正好碰到强干扰，会导致单片机直接挂掉。这种问题很难发现，但真的会发生！

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