STM32晶振 选型

news/2024/10/30 19:24:26/
  1. 频率

STM32有5个时钟源,有高速内部时钟(HSI)和低速内部时钟(LSI),还有高速外部时钟(HSE)和低速外部时钟(LSE),而这里的外部高速时钟HSI就是我们图中的Y1,8MHz的晶振,外部低速时钟则是图中的Y2,32.768KHz的晶振,只有通过8MHz的晶振才可以最终达到72MHz,而32.768KHz正好是2的15次方。

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  1. 负载电容

  • 晶振内部存在石英晶体,受到外部撞击或跌落时易造成石英晶体断裂破损,进而造成晶振不起振,所以在设计电路时要考虑晶振的可靠安装,其位置靠近CPU 芯片优先放置,远离板边。

  • 在手工焊接或机器焊接时,要注意焊接温度。晶振对温度比较敏感,焊接时温度不能过高,并且加热时间尽量短。

  • 耦合电容应尽量靠近晶振的电源引脚,位置摆放顺序:按电源流入方向,依容值从大到小依次摆放,容值最小的电容最靠近电源引脚,形成Π型滤波。

  • 晶振的外壳必须接地,可以晶振的向外辐射,也可以屏蔽外来信号对晶振的干扰。

  • 晶振下面不要布线,保证完全铺地,同时在晶振的300mil范围内不要布线,这样可以防止晶振干扰其他布线、器件和层的性能。

  • 时钟信号的走线应尽量短,线宽大一些,在布线长度和远离发热源上寻找平衡。

  • 进行包地处理

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我们常说的晶振,包含两种:

无源晶振(crystal) —— 即谐振器,内部没有独立的起振电路,需要借助时钟才能产生振荡信号,通常需要精准匹配外部电容,成本较低,信号质量较差,一般建议采用精度较高的石英晶体,多应用于对频率稳定性要求不高的产品中;

有源晶振(oscillator) —— 即振荡器,内部有独立的起振元件,需要外加额定的供电电源,成本较高,但输出信号质量好,稳定度高,多应用于需要高精度频率的产品中。

一般晶振选型时需要考虑的主要参数有:核心频率(MHz)温度频差(ppm)、负载电容(pf)、封装形式、工作温度等。

2. 晶振外匹配电容CL1及CL2计算方法

我们一般外接匹配电容,是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容,对于要求高的场合还需要考虑IC输入端的对地电容,这样便可以使得晶振工作的频率达到标称频率。

负载电容CL(load capacitance), 寄生电容CS(shunt capacitance)的值在确定好晶振时已给定,在晶振的datasheet中可查询到。

负载电容公式为:

​ CL = CS + (CD*CG)/(CD+CG)

其中,CL(load capacitance)、CS(shunt capacitance)查晶振手册可知,

​ CG(晶体振荡电路输入引脚对地总电容) = Cpcb(走线电容) + Ci(芯片管脚寄生电容) + CL1(需外加的匹配电容1)

​ CD(晶体振荡电路输出引脚对地总电容) = Cpcb(走线电容) + Co(芯片管脚寄生电容) + CL2(需外加的匹配电容2)

一般令CG = CD,且Cpcb、Ci、CO取值为几pF,则有:CL = CS + CG/2 = CS + CD/2

​ ☞ 即CD = CG = 2*(CL -CS)

​ 则 CL1 = CG - (Cpcb + Ci) = 2(CL -CS) - (Cpcb + Ci)*

​ CL2 = CD - (Cpcb + Co) = 2(CL -CS) - (Cpcb + Co)*

举个栗子:

​ 假设Ci = Co = 5pf, Cpcb = 4pf, 查晶振手册CL =20pf, CS= 5pf,

​ 则CL1 = CL2 = 2*(20pf-5pf) - (4pf +5pf) = 21pf(若此处计算的容值不常见,则选个最接近的常见容值即可)

温度频差即是指在规定条件下,晶振输出频率(指定工作温度范围内,如-40~+85℃)相对于基准温度时(+25℃)晶振工作频率的最大偏离值。

温度频差Frequency Temperature Stability,亦如同调整频偏一样,是以PPM为计量单位。一般是采用摄氏25°C作为参考温度点的频率来定义在工作环境温度范围内的频率变动的稳定性。在定义这项频率对温度稳定性参数的同时,也应该一同规范出相对应的工作环境温度范围。如晶振温度频差为±30PPM(-20°C+70°C),即是在-20°C+70°C温度范围内,晶振相对于25°C的频差不超过30PPM。

PPM含义为百万分之一(part per million 1/10^6),表示晶体频率会偏离标称频率多少。值越小精度越高。在产品规格书中,ppm通常会用最大值(max)来表示,例如30ppm max,产品实际的误差值会更小。常见的晶振精度为0.5ppm, 1ppm, 5ppm, 10ppm, 20ppm, 30ppm等等。其中OCXO精度最高,最少可达到3ppb = 0.003ppm。

调整频差(Frequency Tolerance)用单位ppm表示。25℃基准温度下,工作频率相对于标称频率所允许的偏差。

问:SMD3225, 12MHz, ±30ppm,频率误差?

答: 频率误差为±30/100万*12MHz=±360Hz.

温度频差(Frequency Stability vs Temp)表示在特定温度范围内,工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离,单位也是ppm。

问:10MHz, -20~+70℃中误差为±20ppm,频率误差范围是多少?

答:在-20℃~+70℃温度范围内:温度误差范围 ±(10MHz × 20ppm)=±200Hz; 晶振的频率为 9.999800MHz ~ 10.000200MHz.


http://www.ppmy.cn/news/359631.html

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