深度解析｜ARM Cortex-M4内核高性能微控制器STM32F407中OSC仿真分析

本期是平台君和您分享的第125期内容

STM32F407是意法半导体推出的一款，使用Cortex-M4 CPU，拥有多种外设接口，时钟频率最高可达168MHz的MCU芯片。芯片内部可以使用多种时钟源作为系统时钟，高速时钟由PLL提供，我们来了解一下他的另外的内部时钟源——OSC。

OSC概述

振荡器(oscillator)是一种不需要外部信号激励、自身能将直流电能转换为周期性交流输出信号（通常为电压信号）的电路。振荡器的核心是一个在振荡频率处呈正反馈的环路。下图给出了一个反馈系统的通用模型。

图1  OSC反馈系统通用模型

振荡器的类型有LC振荡器、RC振荡器、环形振荡器和晶体振荡器。

STM32F407中的OSC

STM32F407中的OSC属于RC振荡器。RC振荡器为低频振荡器，优点是可以通过增大电阻阻值来降低频率。因为增大电阻阻值的成本很低，所以RC振荡器广泛用于各种的低频振荡器。STM32F407中内部共有两种RC振荡器：

STM32F407的Low-speed internal (LSI) RC oscillator可作为低功耗时钟源在停机和待机模式下保持运行。时钟频率在32kHz 左右。用于驱动独立看门狗(IWDG)和提供给RTC，用于停机/待机模式下的自动唤醒单元(AWU)使用。在未使用时可单独打开或者关闭，以降低功耗。

STM32F407的High-speed internal (HSI) RC oscillator时钟信号由内部16MHz压控RC振荡器生成，可直接用作系统时钟，或者用作PLL输入。

图2  STM32F407 block diagram（图源：芯片规格书）

图3  STM32F407-DF概貌图

图4  HSI和LSI模块局部放大图

图5  STM32F407-M4概貌图

图6  HSI和LSI模块局部放大图

RC振荡器（LSI）的仿真分析

STM32F407的LSI是一种RC振荡电路，主要由电阻（R）和电容（C）组成。电容负责存储电荷，电阻则消耗电流来提高振荡电路的稳定性。当振荡器接通外部电源后，电容开始逐渐充电，电阻通过消耗电流来维持电路的稳定工作状态。

图7  STM32F407中LSI的电路图

图8 STM32F407中LSI-DF的局部功能模块

图9 电容充放电和施密特反相器输出波形图

如图9所示，当振荡器接通外部电源后，电容开始充电，其电压呈一定规律的指数增长。将电容电压放大后，利用施密特反相器的滞后性将锯齿波变换成占空比较小的矩形波,如图7所示。反相器的输出反馈给晶体管（等效电子开关）控制电容的充放电，形成振荡回路。

图10  矩形波的单个脉冲波形图

常见的时钟源均为占空比为50%的方波，因此需要将就矩形波转换为方波。STM32F407中采用T触发器对振荡器产生器的矩形波进行2分频，以得到占空比为50%，频率为32kHz左右的方波。

T触发器具有保持和翻转的功能，在数字逻辑电路中较多的被用在分频电路中，其输入和输出波形如下：

图11  T触发器输入输出波形（图源：IPBrain平台）

该RC振荡器的电阻阻值和电容容值均固定不可变，因此输出频率不可变。

压控RC振荡器（HSI）的仿真分析

STM32F407的HSI是压控RC振荡器，也叫VCO（Voltage Controlled Oscillator），即输出频率受输入电压控制的一种RC振荡器。HSI和LSI类似也是控制电容充放电形成振荡回路，区别在于HSI是差分结构，LSI是单端输入。

图12  STM32F407中HSI的电路图

图13  STM32F407中HSI的振荡核心区域电路图

图14  STM32F407中HSI的电压检测模块

图15  STM32F407中HSI的振荡器模块

由电路图可知，该VCO通过一个LDO产生一个可变的基准电压（VC）来调控振荡频率，而该VCO在振荡器的输出后增加了一个时钟检测模块，时钟检测模块在初始时刻会把LDO调节电压的功能禁用，在振荡两个周期后再将该功能启用，如图16所示，图17为局部放大波形图。

图16 VCO启动阶段波形

图17  VCO启动阶段波形（局部放大）

VCO的时钟检测模块可以使整个VCO模块的时钟输出在振荡器起振若干个周期后再输出，如图18所示。

图18  VCO时钟检测模块输出波形图

图19为频率随时间的变化关系。可以看出初始时刻频率不稳定，而时钟检测模块会让振荡器起振若干个周期后再输出，正好将频率不稳定的区间过滤掉，从而保证了频率的稳定。

图19  频率变化波形图（VC=581.5mV）

图20为频率与VC的关系，可以看出，VC与频率呈一定的线性关系。即在一定电压区间内，VC电压越大，频率越高。

图20  频率与VC的关系

总结

以上就是平台君的小伙伴们对STM32F407中RC OSC的深度分析。对时钟频率要求不是太高的应用环境，采用内部的振荡器既可以节省面积，又可以保证其工作的可靠性。

出于功耗和性能的考虑，芯片往往设计多种工作模式。当芯片空闲时，为了节省功耗，可以让芯片进入休眠模式。在休眠模式下，芯片主时钟会被关闭。为了使芯片能从休眠模式中被唤醒，芯片仍然需要一个低频的时钟信号。因此，多种不同频率的OSC设计被广泛的应用到各种芯片中。    

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