专栏首页电子电路开发学习[踩坑]STM32外部8M晶体不起振会有什么现象?

[踩坑]STM32外部8M晶体不起振会有什么现象?

8M晶体不起振是什么现象?

最近公司做了几块基于STM32的板子,芯片是用的F103CBT6,打样焊接回来,先测试一下硬件是否能正常工作,简单写了个测试代码,看看程序下载运行,GPIO控制这些是否正常,很简单的一个程序,LED每100ms翻转一次:

#include "main.h"

int main(void)
{
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    delay_init();
    led_init();

    while(1)
    {
        led_set(1, ON);
        led_set(2, ON);
        led_set(3, ON);
        led_set(4, ON);
        delay_ms(100);

        led_set(1, OFF);
        led_set(2, OFF);
        led_set(3, OFF);
        led_set(4, OFF);
        delay_ms(100);  
    }
}

程序下载,运行,有一些奇怪的地方,程序中是每100ms变化一次,可实际观察却是近1s闪烁一次。

示波器一测,实际上是900ms闪烁一次。改了个其他的时间1ms,10ms等,发现都是实际设置的9倍时间,这是为什么呢?

8M晶体为什么不起振

示波器探头一量晶振的两个管脚,没有波形

难道是焊接问题,我又拿了另外一块新板子,没烧程序的,同样是没有波形。

为了排除程序配置的问题,我又找了一块正常的开发板,运行正常,延时时间也能对上,说明程序是没问题的!

我又量了开发板上的晶振波形,两个管脚都是1v-3.3v,8M频率的正弦波,如下图所示:

8M无源晶振波形

于是便开启了硬件调试模式,一顿操作猛如虎:先拆了外部8M无源晶振和两颗匹配电容,使用信号发生器输出3.3v的8M方波,接到OSC_IN上,再次上电,完美运行,延时是准确的!

可以确定是晶振部分电路的问题,一共就3个元件,两个电容和1个8M的无源晶体,晶体一般不会有什么问题,最有可能的就是匹配电容的大小不对。

拿起万用表一量,高高的100nF!换上个39pF的电容,焊接上晶振,波形完美,程序运行正常!

最后一查,是硬件工程师的物料BOM错了,误把这两颗关键性的电容和100nF的电容合并到一起了。

怎么看8M晶体是否起振了

当然,最简单的方法,就是烧录好程序,直接使用示波器测量晶振的两端。如果是焊接的全新的芯片,还没有烧写程序,直接测量晶振是没有波形的。或者是使用调试器进行全片擦除,也是量不到波形的。

能不能从程序中读出当前晶振是否起振了呢?

printf("当前系统主频:%d, 外部晶振状态: %d\r\n",SystemCoreClock, RCC->CR & RCC_CR_HSERDY);

从STM32的启动流程可以看出,在执行main主函数之前,会通过SystemInit()函数完成系统时钟的配置,RCC->CR & RCC_CR_HSERDY这个值就表示当前外部晶振是否准备就绪,0为异常,1为正常。

当外部晶振无法就绪时,会自动启用内部HSI 8M RC晶振作为系统主频,即主频只有8MHz,这也就是为什么延时时间相差9倍的原因

static void SetSysClockTo72(void)
{
    __IO uint32_t StartUpCounter = 0, HSEStatus = 0;

    /* SYSCLK, HCLK, PCLK2 and PCLK1 configuration ---------------------------*/
    /* Enable HSE */
    RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON);

    /* 如果外部晶振没有其中,RCC->CR & RCC_CR_HSERDY恒为0 */
    do
    {
        HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;
        StartUpCounter++;
    }
    while ((HSEStatus == 0) && (StartUpCounter != HSE_STARTUP_TIMEOUT));

    if ((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) != RESET)
    {
        HSEStatus = (uint32_t)0x01;
    }
    else /* 满足这个条件 */
    {
        HSEStatus = (uint32_t)0x00;    
    }

    /* HSEStatus=0,不满足,无法完成PLL配置 */
    if (HSEStatus == (uint32_t)0x01)
    {
        /*  PLL configuration: PLLCLK = HSE * 9 = 72 MHz */
        RCC->CFGR &= (uint32_t)((uint32_t)~(RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE |
                                            RCC_CFGR_PLLMULL));
        RCC->CFGR |= (uint32_t)(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL9);
    }
}

顺手量了RS232串口的波形 :

RS232和TTL串口波形

上面是3.3v TTL串口信号,也就是普通的单片机IO口串口信号,下面的是MAX232转换之后的232电平的串口信号,大小正负5v,上升和下降时间比TTL电平要长一些 。

总结

一般来说,无源晶体的负载电容越大,其振荡越稳定,但是会增加起振时间,太大会导致完全不能起振,为了稳定波形,可以在晶振两端并联一个1M到10M的反馈电阻。

这次遇到的问题,可总结为两点:

  • 新板子+新芯片,没烧程序,晶振没有波形是正常的
  • 新板子烧写正确配置的程序,延时时间相差9倍,是因为外部晶振无波形,主频不对
  • 外部晶振无波形是因为匹配电容100nF太大了,无法起振。

以STM32F103CBT6,外部8M无源晶振为例,以下是我实践得出的结论:

  • 刚做回来的板子,STM32还没有下载程序,8M晶振是测不到波形的。
  • STM32芯片下载过程序,并配置正确,8M晶振会有波形,最小1v,最大3.3v,8M频率的正弦波,两个管脚都可以测到。
  • STM32芯片下载过程序,再整片完全擦除,8M晶振测不到波形。
  • STM32芯片8M无源晶振匹配电容太大,会导致晶振不能起振,无波形。
  • 一般无源晶振是正弦波,有源晶振是方波。

本文分享自微信公众号 - 电子电路开发学习(mcu149),作者:wcc149

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原始发表时间:2020-06-20

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