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STM32无线MCU HSE调谐:精度提升与方法详解
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更新于2024-06-15
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本应用笔记AN5042详细探讨了如何在STM32WB和STM32WL系列无线微控制器(MCU)上精确调谐用于射频(RF)应用的高频外部时钟源(HSE)。STM32无线MCU利用内置负载电容优化振荡器精度,降低了外部电容成本和晶振限制,提高了系统的成本效益。 文章首先介绍了晶体振荡器的基本原理,强调HSE精度对于RF系统性能的重要性。接下来,文档分为两个主要部分:一是晶体振荡器解决方案,解释了不同类型的HSE频率调谐方法,包括手动调谐、自动调谐以及基于STM32CubeMonitor-RF的高级自动化调谐技术,后者仅适用于STM32WB系列。 在STM32WB和STM32WLNucleo开发板的应用示例中,作者提供了使用STM32Cube扩展包X-CUBE-CLKTRIM的固件和脚本样例。特别关注的是,有一节内容着重于配置HSE,确保其在启动阶段的稳定性,以优化针对STM32WB系列微控制器的工作表现。 每个调谐流程样本都包括详细的步骤说明、硬件设置、软件实现以及可能使用的脚本,以便开发者能够理解和复制这些调谐过程。无论是STM32WB还是STM32WL系列,都有特定的指南,以帮助工程师们准确地进行频率微调,从而达到最佳的系统性能。 本文档强调了与STM32的数据手册和参考手册的配合使用,以便读者获取完整的技术支持。AN5042是一个实用的指南,对于在无线MCU上进行HSE频率调谐和优化启动时间的开发人员来说,是一份不可或缺的参考资料。
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HSE 振荡器 AN5042
8/46 AN5042 Rev 1 [English Rev 12]
1.2 STM32 无线 MCU 架构
这些 MCU 嵌入了一个具有成本效益的高效晶体振荡器系统,具有用于微调的内部电容。用于负载
电容调谐的内部机制具有双重优势:
减少了对外部晶体的精度限制
减少了 PCB 的全局 BOM(和封装)。
图
2 展示了嵌入在 STM32 无线 MCU 中的晶体振荡器系统。晶体是唯一的外部组件。无需额外的
负载电容。
图 2. 晶体振荡器系统概述
晶体振荡器系统由两个焊盘(OSC_IN 和 OSC_OUT)及其各自的电容组,以及放大器级组成。
对于 STM32WB 系列,输入组和输出组的电容值相同。该值与振荡器增益和检测(用于优化启动
阶段的参数)一起由寄存器驱动,并对系统行为进行控制。这些参数在
第
1.3
节
中进行了说明。
对于 STM32WL 系列,输入组和输出组的电容值是独立的。这两个值由两个 sub-GHz 射频寄存器
驱动,并对系统行为进行控制。这些参数在
第
1.4
节
中进行了说明。
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AN5042 HSE 振荡器
AN5042 Rev 1 [English Rev 12] 9/46
1.3 HSE 配置参数-STM32WB 系列
可以设置三个参数来控制振荡器模块。这些参数可在下述 RCC_HSECR 寄存器中访问。
RCC_HSECR
地址 0x09C
复位 0x0000 0030
访问 该寄存器具有实时修改保护。
在任何单次写入访问之前,必须在寄存器地址写入密钥(0xCAFECAFE)以将其解锁,
之后会再次锁定。
在寄存器访问流程中,必须关闭 HSE 时钟,以免发生不可预知的行为。请注意,在该
步骤中,不得将 HSE 用作 CPU 时钟源。
在本文档中,复位启动后,使用默认 MSI 时钟作为系统时钟源。
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Res.
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HSETUNE[5:0]
Res.
HSEGMC[2:0]
HSES
Res.
Res.
未锁定
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rw
负载电容:HSETUNE[5:0]
这是负责时钟精度的参数。它选择在输入和输出焊盘上添加的电容值。可调范围设置为具有 12 至
16 pf 的全局负载电容。最小值(0x00)和最大值(0x3F)分别对应于最小和最大负载电容。
默认值为 0x00(最小负载电容)。
电流控制:HSEGMC[2:0]
该参数(在其他 STM32 产品文档中称为 Gm 或 Gm_crit_max,其具有固定值)是振荡器的最大临
界晶体跨导。它控制系统的启动性能,其值必须大于 gmcrit(请参阅
第
8
节
)。值越小,功耗越低,
而值越高,启动时间越短。
最小值(0b000)对应于 Gm=0.18 mA/V,最大值(0b111)对应于 Gm=2.84 mA/V。默认值为
0x3(Gm=1.13 mA/V)。
HSES 检测放大器阈值
该参数控制振荡器启动的内部比较阈值。当将此位置(1)时,启动时间减少(从大约 15 μs),
但电流功耗更高,因为 HSE 启动得更早。
默认值为 0x0(1/2 比率)。
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HSE 振荡器 AN5042
10/46 AN5042 Rev 1 [English Rev 12]
1.4 HSE 配置参数-STM32WL 系列
对于 STM32WL 系列,可以设置两个参数来控制振荡器模块。它们可在 SUBGHZ_HSEINTRIMR
和 SUBGHZ_HSEOUTTRIMR sub-GHz 射频寄存器中访问,这些寄存器分别包含输入组和输出组
的电容值。相关值由其六个较低位表示(这些寄存器的其余位必须保持在其复位值)。
对于两个寄存器:
0x00 对应于最小电容(~11.3 pF)
0x2F 对应于最大电容(~33.4 pF)
值不得超过 0x2F,并且微调步长为~0.47 pF
复位值为 0x12,对应于~20.3 pF。
如前所述,SUBGHZ_HSEINTRIMR 和 SUBGHZ_HSEOUTTRIMR 是 sub-GHz 射频的一部分,而
不是系统 CPU 的一部分。要修改其值,用户代码必须通过其 SPI 接口与 sub-GHz 射频通信。考虑
到该 SPI 接 口 , 这 些 寄 存 器 的 地 址 如 下 : SUBGHZ_HSEINTRIMR 为 0x911 ,
SUBGHZ_HSEOUTTRIMR 为 0x912。
1.5 板实现
振荡器焊盘采用不同的引脚(命名为 OSC_IN 和 OSC_OUT),具体取决于封装。
表
2 展示了
STM32WB 系列 Nucleo 和 USB Dongle 板中使用的不同封装的引脚号。
表 2. STM32WB 系列振荡器引脚数
封装
OSC_IN
OSC_OUT
UFQFPN48
25
24
WLCSP49
F1
F2
VFQFPN68
35
34
WLCSP100
J1
J2
BGA129
M13
N13
晶体直接插到焊盘上,没有额外的电容,并且尽可能靠近器件,以尽量减少寄生电容。
图
3 展示了 STM32WB 系列的典型 UFQFPN48 封装。
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