单片机最小系统的设计方法和原理分析

写在前面

本文以STM32F401RCT6为例，讲解单片机最小系统的设计方法，以及一些相关的原理。

上图所示即为单片机最小系统电路，我们将其分为三个部分，即电源电路、复位电路、时钟电路。在了解最小电路之前，我们先看看下面几个问题

1. 设计最小系统电路的时候，常常在芯片的VDD和VSS之间连接一个104电容，为什么这些电容要放得离引脚足够近？
2. VDD和AVDD有什么区别？VSS和AVSS又有什么区别？
3. 同样是接地，为什么会有AGND和GND？为什么又会有VCC和AVCC？这些不同的电源和地在PCB设计的时候有什么注意事项？
4. 为什么两个标上OSC的引脚上都需要接晶振？这两个引脚有什么不同吗？晶振的作用是什么？
5. 复位电路是如何实现复位的？单片机复位的具体原理是什么？
6. VCAP引脚为什么需要接2.2uF电容？这跟芯片的供电有什么关系吗？

如果这几个问题难不倒你，那么本文的内容你也已经不需要再看了。如果你看懵了，那我们接下来就一个一个解决这些问题。

旁路电容和电源滤波

细心的朋友应该也发现了，放置的100nF电容的数量，正好和VDD、VSS引脚的数量相同。因此，在PCB设计时，需要把这些电容放置得距离芯片引脚足够近，这些电容也被称为旁路电容。

我们都知道，电容很重要的一个作用就是滤波，因此在供电电路中，经常需要放置电容来滤除杂波，使得高电平的电压值更加稳定。因此，旁路电容的作用就是滤波。如果这些旁路电容距离单片机的VSS、VDD引脚太远，就有可能导致滤波后的电平在传输过程中又产生了杂波，使得单片机的输入输出电压参考出现了不准确的问题。

同样的道理，AVCC和AGND之间的电容则需要放置在AVDD和AVSS之间，那么这就需要说到模拟信号和数字信号之间电路分割的问题了。

为了防止串扰，我们在设计PCB的时候常常会将模拟信号的电路和数字信号的电路分开，并在接地处仅仅使用一根铜导线连接。这里也是一样，理论上AVCC和VCC的电平是一样的，但是只能分开供电，因为模拟信号是具有连续性的，连在一起会干扰到数字信号的电平参考。

为什么AGND和GND需要用一根铜线相连？

因为整个板子需要共地。我们需要理解清楚的是，电流是从高电平流向低电平的，那么最后就必然会流回GND，而模拟信号是以不同大小的电平，数字信号却只有高电平和低电平之分，因此，如果将整块板子的GND都连接到一起，就会导致错误的回流。比如，我们的外设电路中有一个ADC采样采集到了2V的电压，如果这个时候的高电平参考是3.3V，那么就必须防止从这个2V高电平流出来的电流流入VSS引脚，而只能让其流入AVSS引脚。而实际上，我们又需要保证GND和AGND的电平一致，所以就采取了这种多点接地的方式。

时钟电路

设计单片机的时钟电路就必须先了解单片机时钟信号的发生机制。《STM32F4xx参考手册》中有这么一张时钟树

相信用过STM32CubeMX进行工程配置的小伙伴应该不会感到陌生。STM32可以使用三种不同的时钟源来驱动系统时钟 (SYSCLK)，即 HSI振荡器时钟、HSE振荡器时钟和主PLL时钟 。对于每个时钟源来说，在未使用时都可单独打开或者关闭，以降低功耗。

在这个时钟树里面，我们可以看到下图红框里的四个引脚，对应的就是我们时钟电路的引脚。可以看到，在OSC32_IN和OSC32_OUT两个引脚内部，标注的是LSEOSC 32.768kHz，在OSC_OUT和OSC_IN内部，标注的是4-26MHz HSE OSC。

细心的小伙伴应该发现了，OSC32引脚连接的晶振刚好是32.768kHz，OSC引脚连接的晶振是8MHz，正好介于4-26MHz之间。这里就要说到单片机的HSE时钟和LSE时钟了

HSE时钟

HSE为高速外部时钟信号（High-speed external clock），该信号有两个时钟源

1. 外部用户时钟

外部用户时钟是通过外部输入占空比约为 50% 的外部时钟信号（方波、 正弦波或三角波）来驱动 OSC_IN 引脚，同时OSC_OUT引脚保持高阻态。该方法适用于有外部时钟源，或者有其他信号发生器能够提供信号的情况。

2. 外部晶振/陶瓷谐振器

这也是我们设计电路时常常采用的方法，它的特点是精度高。

外部晶振的频率范围为4MHz~26MHz，本系统采用8MHz石英晶体作为系统的外部时钟源，该高速外部时钟可以直接作为系统时钟或者PLL输入。

大家可能会好奇，为什么这里的晶振两端要并联一个1MΩ电阻呢？

在无源晶振应用方案中，两个外接电容能够微调晶振产生的时钟频率。而并联1MΩ电阻可以 帮助晶振起振 。因此，当发生程序启动慢或不运行时，可以给晶振并联1MΩ的电阻。这个1MΩ电阻可以增加电路中的负性阻抗，缩短了晶振起振时间，达到了晶振起振更容易之目的。

假设电路中无任何的扰动信号，那么晶振就不可能起振。因为一般的电路都有扰动信号，所以许多反相门电路中都不加这个电阻，但有个别的反相门电路不加这个电阻就不能起振，因为扰动信号强度不够。同时，并联1MΩ电阻还能够增加振荡电路的稳定性，有时候也给晶振同时串联一个100Ω的电阻，用以减少晶振的频率偏移程度。

这里需要注意的时，给晶振并联电阻不能太小，串联电阻不能太大。否则，在温度较低的情况下不易起振。

LSE时钟

LSE 晶振是 32.768 kHz 低速外部 (Low-speed external clock) 晶振或陶瓷谐振器，可作为实时时钟外设 (RTC) 的 时钟源来提供时钟/日历或其它定时功能，具有功耗低且精度高的优点。

与HSE时钟类似，可以利用方波、三角波等信号驱动OUC32_IN引脚来实现外部时钟源。同样，也可以使用32.768 kHz晶振起振来实现时钟信号的发生，其电路设计方法和HSE类似。

复位电路

在STM32中，共有三种类型的复位，分别为 系统复位 、电源复位和 备份域复位 。关于这三种复位的方式有很多种，比如NRST引脚输入低电平、窗口看门狗计数结束、独立看门狗计数结束等。我们这里需要设计的电路就是NRST引脚低电平输入电路。

有人可能会有疑惑，NRST输入低电平的电路有什么好设计的？

的确没什么好设计的，我们这里采取的是按键复位的方式，只需要让按键按下后，NRST引脚电平拉低即可。唯一需要说的就是按键的硬件消抖，我这里放置抖动的方法是电容滤波。同时，NRST引脚需要通过一个上拉电阻，保证其在按键松开状态下处于高电平。

由于我采用的芯片封装是LQFP64，即芯片只有64个外露的引脚，因此没有电源监视器开关控制管脚，即PDR_ON。这里需要注意的是，在有该引脚的芯片中，当PDR_ON接+3.3V时则为开启电源监视器，当PDR_ON接GND时则为关闭电源监视器。只有当PDR_ON接高电平+3.3V时，系统上电复位电路才会正常工作实现上电复位的功能。

嵌入式线性调压器

嵌入式线性调压器为备份域和待机电路以外的所有数字电路供电。调压器输出电压约为 1.2 V。此调压器需要将两个外部电容连接到专用引脚 VCAP_1 和 VCAP_2，所有封装都配有这两个引脚。为激活或停用调压器，必须将特定引脚连接到 VSS 或 VDD。具体引脚与封装有关，我们这里选的封装是LQFP64，只有一个VCAP引脚，因此只需要连接一个电容。

查阅《STM32F4xx参考手册》，即可知道VCAP需要连接一个2.2uF电容接地，如图所示

最后

本文为我个人设计PCB的总结，希望能够帮助到大家。由于个人能力有限，如有错误，欢迎直接指出，谢谢！