如何使用振荡器和时钟在微控制器中产生可靠的时序 来源 : 华清远见     2025-01-17

在微控制器中，可靠的时序是确保系统功能正确执行的关键因素。时钟和振荡器是生成时序信号的基本组件，它们提供了系统中所有时间控制的基础。

本文以华清远见的STM32G030及U575开发板为例，主要对如何使用振荡器和时钟在微控制器中产生可靠时序进行详细分析。

1. 概述

振荡器（Oscillator） 是一个电子电路，用于生成连续的周期性信号，通常是正弦波或方波。这个信号作为时钟源，驱动微控制器的时序操作。

时钟（Clock） 是一种周期性变化的信号，通常由振荡器提供。时钟信号的周期决定了系统操作的速度。

关联与区别

关联：振荡器是时钟信号的主要来源之一。时钟信号是振荡器输出的周期性电信号的一种具体应用。

区别：振荡器是一个电路或设备，而时钟信号是一种电信号。振荡器可以产生多种波形和频率的信号，而时钟信号通常指具有特定频率和波形的周期性信号。

振荡器作为时钟信号的生成器，为系统提供了稳定、准确的周期性信号；而时钟信号则作为系统的“心跳”，协调和控制着系统的各种操作。

2. 振荡器的类型及其工作原理

振荡器是能够生成稳定、周期性波形的电子电路。它的输出波形通常是正弦波或方波。振荡器的关键特性是振荡频率和稳定性，影响系统的时序精度。

常见的振荡器类型

1. 晶体振荡器（Crystal Oscillator）

利用石英晶体的机械振动特性来产生时钟信号。

原理：石英晶体在受到外部电场激励时会发生机械振动，振动的频率非常稳定，因此可以用来生成精确的时钟信号。

优点：高精度、高稳定性，适合需要精确时序的应用。

缺点：成本较高，体积较大，对温度、湿度敏感。

2. RC振荡器（Resistor-Capacitor Oscillator）

由电阻和电容的组合构成，通过电容的充放电过程产生时钟信号。

原理：电阻和电容的充放电过程会产生周期性的电压波动，这种波动就可以转化为时钟信号。

优点：设计简单、成本低、体积小。

缺点：时钟精度差，易受温度、电源等因素影响。

3. LC振荡器（Inductor-Capacitor Oscillator）

通过电感和电容的组合产生时钟信号。

原理：电感和电容的组合会形成一个LC回路，在该回路中，电流和电压会进行周期性的变化，从而产生稳定的时钟信号。

优点：比RC振荡器更精确，适用于较高频率的应用。

缺点：对电源噪声、温度等比较敏感。

1. 陶瓷振荡器（Ceramic Oscillator）

类似于晶体振荡器，但使用陶瓷材料来产生振荡信号。

优点：相对于晶体振荡器，成本更低、体积更小。

缺点：精度和稳定性较差，通常仅用于低精度的应用。

选择振荡器的标准

1. 精度要求：如果系统对时序要求很高，通常需要选择晶体振荡器或陶瓷振荡器。

2. 稳定性要求：如果微控制器需要在不同的环境条件下运行，选择具有较高温度稳定性的振荡器（如晶体振荡器）是一个更好的选择。

3. 功耗要求：低功耗应用通常使用内部RC振荡器或陶瓷振荡器。

3. 时钟源的选择与配置

微控制器通常有多种时钟源的选择，可以使用内部时钟源（内部RC振荡器）或外部时钟源（外部晶体振荡器）。

时钟源配置

内部时钟源：

特点：集成在微控制器内，通常为RC振荡器或高速内部PLL（锁相环）。配置简单，不需要外部组件。

优点：成本低、体积小、设计简单、启动快。

缺点：精度差、稳定性差，通常受温度、电源波动影响较大。

适用场景：低精度、低成本要求的应用，或对时钟要求不高的系统。

外部时钟源：

特点：通过外部连接的晶体振荡器、陶瓷振荡器或其他稳定的时钟源来提供时钟信号。

优点：可以提供更高精度和更好的稳定性，适合需要长时间可靠运行的系统。

缺点：成本较高、系统设计复杂，可能需要更多的外围组件。

适用场景：需要高精度、高稳定性的应用，如通信、精密计时等。

时钟源的选择依据

1. 精度：外部晶体振荡器和陶瓷振荡器提供更高的时钟精度。内部时钟源适用于精度要求不高的场合。

2. 功耗：内部时钟源一般功耗较低，适合低功耗应用。

3. 成本和体积：内部时钟源不需要额外的组件，因此具有较低的成本和更小的体积。

4. 环境适应性：如果系统需要在温度变化较大的环境中工作，选择外部晶体振荡器可以提供更好的稳定性。

时钟配置和调整

微控制器的时钟系统不仅依赖于时钟源的选择，还需要通过一些配置来优化系统性能。

1. 时钟分频器（Prescaler）

时钟分频器的作用是将输入时钟信号的频率降低，得到所需的时钟频率。例如，系统时钟频率可能过高或过低，需要通过分频器来调整。

应用：如果系统需要不同的外设工作在不同的时钟频率下，可以通过时钟分频器对时钟信号进行调整。

微控制器的支持：如STM32系列微控制器中，用户可以通过修改RCC寄存器配置时钟分频器，以便为不同的外设提供不同的时钟频率。

2. 锁相环（PLL, Phase-Locked Loop）

PLL 是一种频率合成技术，能够通过倍频将输入时钟信号的频率提高到所需的水平。 PLL对于需要高频时钟的应用尤为重要。

功能：PLL 将外部低频时钟信号（如低精度的晶体振荡器信号）倍频后产生一个更高频率的时钟信号。

应用场景：在微控制器中，PLL常用于提高系统时钟频率，以获得更高的处理速度。

3. 时钟源切换（Clock Switching）

动态时钟切换：可以在正常运行模式和低功耗模式之间动态切换时钟源。在低功耗模式下，微控制器可能使用内部低速时钟源，而在全速模式下则使用外部高精度时钟源。

4.  如何保障时钟可靠性

影响因素

温度变化

1. 温度对晶体振荡器的频率影响较小，一般情况下，温度每变化1℃，振荡器频率会偏移几PPM（百万分之一）。

2. 对于RC振荡器和LC振荡器，温度变化的影响更加显著，频率漂移可能达到几十到几百PPM。因此，在温度变化较大的环境中，选择晶体振荡器会更有优势。

电源波动

1. 电源电压的波动会直接影响振荡器的工作状态，特别是RC和LC振荡器对电压变化非常敏感。

2. 在电源不稳定的情况下，使用外部稳定的电源模块或稳压器来确保时钟信号的稳定性，尤其是在高精度应用中至关重要。

电磁干扰（EMI）

1. 时钟信号是高频信号，容易受到外部电磁干扰。电磁干扰会导致时钟信号的相位抖动，进而影响时序的准确性。

2. 可以通过PCB设计中的电源隔离、接地平面设计、滤波电容等措施来减少电磁干扰的影响。

老化效应

1. 振荡器的精度随时间变化会逐渐下降，这种效应通常被称为老化。对于晶体振荡器，随着使用时间的延长，频率会发生微小变化。为了减少老化效应的影响，一些高精度的振荡器会在出厂时进行补偿。

2. 外部噪声与振荡器的精度

3. 振荡器常常受外部噪声源影响，特别是对于低频和低精度的时钟源。使用低噪声电源和过滤技术，减少外部噪声源的影响，可以提高时钟系统的精度。

解决措施

为了确保时钟系统在微控制器中产生可靠时序，可以采取以下措施：

1. 使用高稳定性振荡器：选择高精度和高稳定性的振荡器（如晶体振荡器），特别是在对时钟精度要求较高的系统中。

2. 电源和时钟隔离：使用独立的电源和接地系统来隔离时钟信号，减少电源噪声和电磁干扰的影响。

3. 温度补偿：一些高精度振荡器支持温度补偿功能，能够在不同温度条件下保持稳定的输出频率。

4. 时钟监控和自校准：通过内建的时钟监控机制或外部设备对时钟信号进行监控，及时发现时钟偏移并进行校准。

5.  时钟配置实例

以 STM32 微控制器为例，以下是配置时钟的一些步骤：

1. 选择时钟源：选择使用外部晶体振荡器或内部时钟源。可以通过配置 RCC（时钟控制寄存器）来选择。

2. 配置 PLL：如果需要更高的系统时钟频率，可以启用 PLL，将输入时钟倍频后输出到系统时钟。

3. 分频器设置：使用分频器调整外设时钟频率，以适应不同的工作要求。

4.时钟切换：可以在运行时根据需要切换时钟源，例如从高精度时钟切换到低功耗时钟。

6.  如何确保时序可靠性

1. 使用外部时钟源：对于高精度要求的系统，优先使用外部晶体振荡器。

2. 合理配置分频器和PLL：根据应用需求选择合适的时钟频率，避免时钟频率过高导致功耗增加或过低导致性能下降。

3. 校准时钟：某些微控制器提供时钟校准功能，可以根据实际运行情况进行微调，以提高时钟的准确性。

4. 添加滤波电路：为了减少电源噪声对时钟的影响，可以在时钟输入端添加滤波电路。

综上所述，使用振荡器和时钟在微控制器中产生可靠的时序，需要选择合适的振荡器和时钟频率、优化时钟电路布局、利用微控制器的时钟分频和倍频功能、编写可靠的时序控制程序，并进行充分的测试和验证。