1. 前言

時鐘是嵌入式系統中非常重要，但又常常被忽視的地方。它的成本只占整個系統的一個零頭，但由于時鐘的停振，或其它異常最終導致廠商付出高昂代價的案例卻并不少見。下面我們看一下在時鐘設計中應該注意的一些問題。

2. 寄存器配置

現在單片機一般會支持四種時鐘工作模式：內部低頻時鐘，內部高頻時鐘，外部低頻時鐘，外部高頻時鐘。低頻時鐘一般可經由單片機內部的鎖頻環倍頻到高頻時鐘。（為啥這么折騰，不直接用高頻時鐘呢？a. 用的最多的32.768 kHz 低頻時鐘，經過15次分頻后正好是1 Hz，可以準確的計時。b. 低頻時鐘功耗更低。c. 提高EMC性能。在低頻時鐘被瞬間干擾掉幾個振蕩周期的情況下，鎖頻環 (FLL) 仍能保證輸出穩定，程序運行不受影響。）

一般單片機上電后默認工作在內部時鐘，需要通過寄存器配置切換到其它時鐘模式。這里需要注意，需要通過查詢監控寄存器狀態，來確認時鐘工作模式。在實際項目中確實發生過電路板上加了外部晶振，但由于寄存器配置錯誤，系統仍工作在內部時鐘的情況。如果配置中有不同的增益模式 (High Gain, Low Gain, or High Drive, Low Drive)，要注意在不同模式下，單片機內部時鐘電路對外部時鐘具有不同的驅動能力。以STM32F030R8為例，在LSE 的Low Drive模式下，內部時鐘電路的跨導為5uA/V。在LSE 的High Drive模式下，內部時鐘電路的跨導為25uA/V。當然高的驅動能力對應著更高些的功耗。如果對功耗沒有太多要求，又需要穩定的時鐘振蕩，可以選擇High Gain, 或 High Drive 模式。

3. 時鐘精度

內部時鐘一般由阻容振蕩電路構成，精度相對要差一些。一般廠家出廠標定 (Trim, or Calibration) 后，全溫度范圍內能達到 3 - 5% 的精度。如果我們基于內部時鐘源去做串口通信等應用，要注意不能使用過高波特率，而且要考慮如果時鐘在精度變得最差的情況下仍能正常工作，而不是僅僅在常溫下進行一下簡單的測試。如果實際工作電壓與手冊中的標定電壓不同，還需要在燒寫代碼時重新做時鐘的標定。

外部時鐘以最常用的晶體振蕩器 (Crystal Quartz) 為例。晶體并不是精確的振蕩在標稱頻率上。如果需要高精度的計時，需要考慮其精度受以下幾方面影響：

a. 標稱公差 (Frequency Tolerance)。

b. 負載電容 (Load Capacitance)。如下圖所示的例子為一個負載電容為12.5pF的晶體，當負載電容變化時其振蕩頻率偏差的隨動特性：

c. 溫度漂移。下圖是一個比較典型的音叉型晶體振蕩頻率偏差隨溫度變化的曲線：

它可以用拋物線方程描述為：

Fdev = B( T - T0 ) + K

Fdev 為晶體在溫度 T 的頻率偏差 ?f/f0，單位為ppm，即百萬分之一。

B 為拋物線系數，跟選取的晶體有關，上圖中的B為 -3.5×(10)^(-8)/℃2，即-0.035ppm/℃2 。

T0 是曲線的轉折溫度點，一般是 25 ±5 ℃ 。

K 為晶體在轉折溫度點的頻率偏差。

可以看到環境溫度的變化對晶體的振蕩頻率有較大的影響。如果需要高精度，就需要考慮溫度補償。我們千萬不要小看幾個ppm的影響。要知道如果有 5ppm 的偏差，那么一天會積累 60*60*24*5ppm = 0.432秒 的誤差。插句題外話：僅僅在智能電表領域，由于我們沒有性價比高的高精度時鐘芯片，日系廠商所獲得的壟斷利潤還是很驚人的。國貨當自強！

4. 可靠起振

下圖是一個典型的單片機使用外部晶體振蕩器的電路。

Rf: Feedback Resistor，反饋電阻。其作用是使反相放大器工作在線性放大工作區。

Rs：Series Resistor, 串行電阻。其作用是限制流過晶體的電流，以免損壞晶體。

CL1, CL2: 負載電容。

有的單片機內部集成了其中一個，或多個元件。

可靠起振需要考慮以下幾個方面：

a. 反饋電阻 (Rf)，選用單片機手冊中的推薦值即可。

b. 負載電容 (CL1, CL2)，應該滿足公式

CL – Cs = CL1 x CL2 / (CL1 + CL2)

CL (Load Capacitance): 晶振廠家給出的負載電容值。

Cs (Stray Capacitance): 為晶振兩引腳之間的寄生電容（分路電容，shunt capacitance，晶體手冊中 會給出），加上PCB雜散電容。

CL1, CL2：晶振兩腳對地電容。其電容值需要我們根據前兩者計算得出。

此公式可理解為：

晶振兩引腳對地電容并聯 + 晶振引腳間寄生電容 + PCB雜散電容 = 晶振負載電容

c. 增益裕量 (Gain Margin)

Gain Margin = gm / gmcrit

gm 為反相放大器的跨導。一般由單片機廠家給出。

gmcrit 由晶體參數決定。

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

ESR：Equivalent Series Resistance.

C0 ：Shun Capacitance.

CL ：Load Capacitance.

保證可靠起振需要Gain Margin > 5

d. 激勵功率 (Drive Level)

晶振手冊會給出最大值。我們要保證激勵功率不要超出此最大值。

Drive Level = ESR x I2

I: 為流經晶振的電流。可以用帶電流感應測量探頭的示波器直接測量晶振管腳得出。也可以通過通過測量反相放大器輸入端引腳電壓，然后計算間接得出 (參考附錄應用手冊)。

e. 看門狗 (Watchdog)

單片機上電一般會工作在內部時鐘，在上電過程中干擾會比較強。使能的看門狗能在時鐘沒有起振的情況下可以強制系統復位，時鐘再次起振。需要強調的是要注意檢查代碼中(包括廠家提供的啟動代碼)有沒有先停掉，之后再打開關門狗的地方。

在實際應用中，有的官方代碼也會犯這種錯誤：為了簡化啟動代碼，先把看門狗關掉，初始化完成后再打開。我們要知道這樣做是實驗室風格的，是有很大隱患的。在關掉的瞬間如果正好碰到強干擾，會導致單片機直接掛掉。這種問題很難發現，但真的會發生！

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總結

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