本系列教程，将会从最基础的理论及实践开始，详尽的介绍和分析如何构建STM32F103C8T6最小系统。行文上会将最小系统分为若干模块依次介绍，将详细的分析电路拓扑结构和电路中每一个元器件在电路中的作用及其选型原因。确保读者大大们尿不湿级的享受。学嵌入式，我们一般从单片机学起。学单片机，不能只学软件，硬件知识也要跟上。软硬件相结合的设计，才是真正优秀的设计。

一、什么是最小系统？

最小系统的目的在于为我们提供一个简单、成本效率高的方式来开始开发、测试、学习和实验STM32F103C8T6。
在嵌入式系统领域，最小系统（Minimal System），有时也称为最小启动系统或最小可运行系统，指的是运行单片机所需的最基本的硬件。它是单片机能够启动并执行基本操作的最简配置。即能实现最基础的功能的最简化设计。以 STM32 F103C8T6单片机为例，最小系统无非是这几部分：电源、复位、时钟、启动模式、下载调试。

二、STM32 F103C8T6的最小系统由什么组成？

STM32F103C8T6的最小系统由以下几个基本组件构成：

  1. STM32F103C8T6微控制器：顾名思义，就是为了这碟子醋才包的这顿饺子。

  2. 电源供应：STM32F103C8T6需要3.3V的稳定供电。可以使用线性稳压器（如LD1117V33）、开关稳压器或直接从稳定的3.3V电源输入获得

  3. 晶振：虽然STM32F103C8T6有内部RC振荡器，但为了系统时钟的稳定性和精确性，通常会外接一个8MHz或12MHz的晶振。除了晶振，还需要两个与晶振频率相匹配的负载电容。

  4. 复位电路：一个复位按钮，它通常连接到微控制器的NRST引脚以允许手动复位。复位引脚还需要一个上拉电阻确保在没有按下复位按钮时，该引脚保持高电平状态。

  5. 调试/编程接口：STM32F103C8T6支持JTAG和SWD接口，因此至少需要连接SWD接口的数据线（SWDIO）和时钟线（SWCLK）以及GND和3.3V以进行编程和调试。

  6. 去耦电容：在微控制器的电源引脚附近放置小容量（如100nF）的去耦电容，用于滤除电源线上的高频噪声。

  7. LED指示灯（可选）：一般在最小系统板上会有一个LED（通过限流电阻连接到某个GPIO引脚），用于基本的输出测试。

  8. I/O引脚扩展：将微控制器的I/O引脚引出到排针，以便外部连接。
    完整电路图：

    三、电源部分

    先看电路图：

    此电源电路的作用是将外部输入的5v电压转换为3.3v，给单片机进行供电，起到电压转换功能的元器件是RT9193-33

    RT9193-33

    RT9193-33是一个线性稳压器（Linear Voltage Regulator）元器件，由Richtek公司生产。它的输出电压被固定在3.3V，末尾的数字“33”通常代表输出电压值。这类稳压器广泛用于需要低压降（low dropout, LDO）和低功耗的应用场景。
    引脚定义图：

    RT9193系列稳压器特点包括：

  • 低压降：由于其LDO特性，这种稳压器在输入电压与输出电压差值较小的情况下仍可以正常工作。
  • 高输出精度：输出电压具有高精度。
  • 高效率：适用于电池供电的应用，因为它们可以在较低的输入电压下工作。
  • 低功耗：适合于待机功耗敏感的电子设备。
  • 稳定性好：能够为下游电路提供稳定的电压输出。
    此类元件常用于便携式设备、微控制器电源供应、无线通信设备等。它们通常封装为SOT-23、SOT-89、SOT-223等多种形式，以适应不同的板上空间要求和功率需求。在设计电路时，为了保证稳压器工作正常，通常还需要在输入端和输出端分别接上适当的电容。

电容分析

举个栗子：C5，此电容在原理图中的标注是：105,0805

  • 105 表示电容器的容量。电容器的容量代码是一个三位数，其中前两位是有效数字，第三位是后面跟随的零的数量。所以，105 中的 10 表示基本数字，5 表示这个数字后面跟着5个零，即 100000 皮法（pF），换算成微法就是1.0 uF。

  • 0805 表示电容器的物理尺寸。在这个例子中，0805 尺寸指电容器的长度和宽度大约是0.08英寸 x 0.05英寸，或者大约是2.0毫米 x 1.25毫米。这是一种常见的贴片组件尺寸。

RT9193-33稳压器的VIN（输入电压）和BP（Bias Pin，偏置引脚）引脚连接电容器是为了提高电路的性能和稳定性。具体地，电容器的作用包括：

VIN引脚的电容器：

- C5 `105` 电容器：这是一个1.0微法拉（uF）的电容器，它的作用是对VIN引脚提供去耦（decoupling）功能。去耦电容器可以平滑输入电压，滤除高频噪声和尖峰电压，保证稳压器输入稳定，从而让稳压器能够提供更稳定的输出。
- C7 `104` 电容器：这是一个0.1微法拉（uF，即100纳法拉或nF）的电容器，它通常与1.0uF的电容器一起使用，以改善滤波性能，特别是在高频范围内。这是因为不同值的电容器在不同的频率下有不同的滤波效果，0.1uF的电容器更擅长滤除高频噪声。

为什么要同时使用一个大电容和一个小电容捏？

电容器在电路中用作滤波元件时，其对不同频率信号的过滤作用取决于其频率响应特性。电容器的阻抗（impedance）与频率有关，由以下公式给出：

$$\[ Z = \frac{1}{j2\pi fC} \]$$

其中 ( Z ) 是阻抗，( j ) 是虚数单位，( f )是信号频率，( C ) 是电容值。

**对于高频信号**：
- 高频信号使得 2πf值大。

- 当f （频率）增加时，整个阻抗  Z  减小。
- 因此，对于高频信号，小电容（C较小）的阻抗足够低，可以很容易地将这些信号通过到地线，起到滤波作用。

**对于低频信号**：
- 低频信号使得 2πf 值小。

- 当  f （频率）减少时，整个阻抗  Z  增大。
- 对于低频信号，只有大电容（C较大）才能提供足够低的阻抗，以便于将这些信号导向地线。

有聪明的同学又要问了，按照公式看来，一个大电容完完全全够了呀，为什么要多此一举加个小电容？

公式确实表明电容器的阻抗确实与其容值成反比，但同时也与频率成正比。所以，虽然大电容在任何给定频率上的阻抗都比小电容低，但是对于高频信号来说，即使是大电容也可能具有足够低的阻抗来进行有效的滤波？

问题的关键在于实际电路中电容器的行为不仅仅由理想的电容阻抗决定。在高频应用中，其他因素变得至关重要，如电容器的等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）。

等效串联电感（ESL） 是高频时电容器的一个重要参数。所有实际电容器都具有一定的电感，这在高频时会与电容形成谐振。在某个频率点上电容器的阻抗会达到最小值，这个点称为谐振频率。在谐振频率以上，电容器的阻抗实际上会随着频率的增加而增加，因为此时电感效应占主导地位。

因此，尽管大电容在低频时阻抗较小，它们的较高ESL限制了它们在高频下的过滤效果。小电容通常具有较低的ESL，所以在高频时它们能有效地工作，提供较低的阻抗路径来过滤掉高频噪声。

等效串联电阻（ESR） 是另一个影响电容器在高频时性能的参数。ESR是电容器内部的电阻成分，它会导致电容器的损耗。在高频下，ESR会导致功率损耗，从而影响电容器的滤波性能。

总结来说，对于大电容由于它们的等效串联电感和电阻，它们在高频上的实际性能通常不如小电容器。因此，设计师经常在电路中同时使用大电容和小电容并联，以利用它们各自在不同频率上的优势。

BP引脚的电容器：

- `223` 电容器：这是一个22纳法拉（nF）的电容器。BP引脚是为了提供一个偏置电压，用于内部电路，有时用于改善稳压器的性能。连接在BP引脚上的电容器可以帮助稳定偏置电压，减少噪声，从而提高整个稳压器的性能。

对于这些电容器的具体连接方式及其值的选择，通常需要参考RT9193-33的数据手册和应用说明。制造商会根据稳压器的特性提供推荐的电容值和类型，以确保最佳的性能。电容器的选择和布局也会受到电路设计中其他组件的影响、PCB走线和工作环境的影响。

在RT9193-33这种线性稳压器的设计中，输出端VOUT通常会接两个不同值的电容，一个较大的（例如10μF，标记为106）和一个较小的（例如0.1μF，标记为104），每个电容都有其特定的作用：

（3）VOUT端电容分析
上述RT9193-33的VOUT通过两个电容106和104接地，这一大一小俩电容跟上述情况中的用处并不完全的一致，

C6大电容（10μF，标记为106）

  1. 低频滤波：

    • 平滑输出电压中的低频波动，减少负载变化导致的电压纹波（ripple）。
    • 提供能量储存，以响应瞬态负载变化，帮助维持稳定的输出电压。

  2. 能量储备：

    • 在负载突然增加时提供即时的能量需求。
    • 在输入电压波动或暂时下降时，帮助稳定输出电压。

  3. 稳定性支持：

    • 协助稳压器的内部控制回路，确保其稳定运行，防止振荡。

C8小电容（0.1μF，标记为104）

  1. 高频去耦：

    • 滤除由稳压器内部开关噪声、外部电路干扰或电源线传导的高频噪声。
    • 由于小电容的自谐振频率较高，它们在高频时具有较低的阻抗，从而更有效。

  2. 快速瞬态响应：

    • 在负载快速变化（如负载突然减少或增加）时，小电容可以快速充放电，帮助稳定输出电压。

  3. 改善稳压器性能：

    • 改善线性稳压器对高频噪声的灵敏度。
    • 有助于减少由长导线导致的感应噪声。

并联使用这两种电容是因为它们的作用互补。大电容主要负责低频滤波和能量储备，而小电容则负责高频去耦和快速瞬态响应。同时，小电容通常放置得更靠近稳压器的VOUT引脚，以最大化其高频去耦效果。通过这种配置，电路可以在宽阔的频率范围内提供稳定的输出电压，同时最小化噪声和瞬态对电路性能的影响。

（4）去耦电容


这四个电容连接在四个VCC引脚，用于滤波和去耦。这些电容的作用具体如下：

高频去耦

  • 电源稳定性：微控制器在运行时会在其电源引脚产生高频噪声，这些噪声可能来自内部的数字开关活动，比如CPU和外设的时钟和数据传输。
  • 噪声过滤：多个0.1μF电容可以有效地滤除这些高频噪声，确保微控制器的VCC引脚得到干净、稳定的电源。

瞬态响应

  • 快速响应负载变化：当MCU的负载忽然改变时（例如，当外设被打开或关闭时），电容可以迅速提供或吸收电荷以对抗瞬态电压波动。
  • 减少电压下降：这些电容有助于减少由于瞬态负载造成的电源轨上的电压下降。

分布式去耦

  • 局部滤波：在电路板上分布多个电容可以在MCU各个部分提供局部去耦，从而减少电源网络上的阻抗。接近MCU的每个VCC引脚布置一个0.1μF电容，也可以使得每个电源点都有接近的去耦元件，减少导线长度从而减少感应和辐射噪声。（这就是为什么使用四个104电容的原因）而且即使一个电容出现故障，其他电容仍然可以提供去耦。
  • 改善电磁兼容性（EMC）：通过减少由MCU引起的电源线噪声，可以改善整个系统的电磁兼容性。

在设计时，我们除了应该考虑到电容的物理尺寸、成本和可用性。此外，数据手册和应用笔记中通常会提供特定的去耦和滤波指南，以确保最佳性能。