1. 前言
时钟是嵌入式系统中很是重要，但又经常被忽视的地方。它的成本只占整个系统的一个零头，但因为时钟的停振，或其它异常最终致使厂商付出高昂代价的案例却并很多见。下面咱们看一下在时钟设计中应该注意的一些问题。web
2. 寄存器配置
如今单片机通常会支持四种时钟工做模式：内部低频时钟，内部高频时钟，外部低频时钟，外部高频时钟。低频时钟通常可经由单片机内部的锁频环倍频到高频时钟。（为啥这么折腾，不直接用高频时钟呢？a. 用的最多的32.768 kHz 低频时钟，通过15次分频后正好是1 Hz，能够准确的计时。b. 低频时钟功耗更低。c. 提升EMC性能。在低频时钟被瞬间干扰掉几个振荡周期的状况下，锁频环 (FLL) 仍能保证输出稳定，程序运行不受影响。）微信
通常单片机上电后默认工做在内部时钟，须要经过寄存器配置切换到其它时钟模式。这里须要注意，须要经过查询监控寄存器状态，来确认时钟工做模式。在实际项目中确实发生过电路板上加了外部晶振，但因为寄存器配置错误，系统仍工做在内部时钟的状况。若是配置中有不一样的增益模式 (High Gain, Low Gain, or High Drive, Low Drive)，要注意在不一样模式下，单片机内部时钟电路对外部时钟具备不一样的驱动能力。以STM32F030R8为例，在LSE 的Low Drive模式下，内部时钟电路的跨导为5uA/V。在LSE 的High Drive模式下，内部时钟电路的跨导为25uA/V。固然高的驱动能力对应着更高些的功耗。若是对功耗没有太多要求，又须要稳定的时钟振荡，能够选择High Gain, 或 High Drive 模式。性能
3. 时钟精度
内部时钟通常由阻容振荡电路构成，精度相对要差一些。通常厂家出厂标定 (Trim, or Calibration) 后，全温度范围内能达到 3 - 5% 的精度。若是咱们基于内部时钟源去作串口通讯等应用，要注意不能使用太高波特率，并且要考虑若是时钟在精度变得最差的状况下仍能正常工做，而不是仅仅在常温下进行一下简单的测试。若是实际工做电压与手册中的标定电压不一样，还须要在烧写代码时从新作时钟的标定。测试
外部时钟以最经常使用的晶体振荡器 (Crystal Quartz) 为例。晶体并非精确的振荡在标称频率上。若是须要高精度的计时，须要考虑其精度受如下几方面影响：ui
a. 标称公差 (Frequency Tolerance)。spa
b. 负载电容 (Load Capacitance)。以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误差的随动特性：.net
c. 温度漂移。下图是一个比较典型的音叉型晶体振荡频率误差随温度变化的曲线：设计
它能够用抛物线方程描述为：orm
Fdev = B( T - T0 ) + Kblog
Fdev 为晶体在温度 T 的频率误差 ∆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，通常是 25 ±5 ℃ 。
K 为晶体在转折温度点的频率误差。
能够看到环境温度的变化对晶体的振荡频率有较大的影响。若是须要高精度，就须要考虑温度补偿。咱们千万不要小看几个ppm的影响。要知道若是有 5ppm 的误差，那么一天会积累 60*60*24*5ppm = 0.432秒 的偏差。插句题外话：仅仅在智能电表领域，因为咱们没有性价比高的高精度时钟芯片，日系厂商所得到的垄断利润仍是很惊人的。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。其做用是使反相放大器工做在线性放大工做区。
Rs：Series Resistor, 串行电阻。其做用是限制流过晶体的电流，以避免损坏晶体。
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。
可靠起振须要考虑如下几个方面：
a. 反馈电阻 (Rf)，选用单片机手册中的推荐值便可。
b. 负载电容 (CL1, CL2)，应该知足公式
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。其电容值须要咱们根据前二者计算得出。
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。通常由单片机厂家给出。
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.
保证可靠起振须要Gain Margin > 5
d. 激励功率 (Drive Level)
晶振手册会给出最大值。咱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。能够用带电流感应测量探头的示波器直接测量晶振管脚得出。也能够经过经过测量反相放大器输入端引脚电压，而后计算间接得出 (参考附录应用手册)。
e. 看门狗 (Watchdog)
单片机上电通常会工做在内部时钟，在上电过程当中干扰会比较强。使能的看门狗能在时钟没有起振的状况下能够强制系统复位，时钟再次起振。须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，以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。咱们要知道这样作是实验室风格的，是有很大隐患的。在关掉的瞬间若是正好碰到强干扰，会致使单片机直接挂掉。这种问题很难发现，但真的会发生！
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