STM32F103系列微控制器（MCU）是意法半导体（STMicroelectronics）推出的32位ARM Cortex-M3架构的处理器，广泛应用于嵌入式系统、物联网设备、工业控制、智能家居等领域。为了使得STM32F103能够高效稳定地工作，设计一个最小系统是必不可少的。

本文将介绍STM32F103最小系统的原理和PCB设计，包括最小系统所需的基本电路、元器件选择、PCB设计注意事项等内容。

一、STM32F103最小系统概述

最小系统通常是为了验证芯片的基本功能，简化外设接口，只包含必要的电路来支撑芯片的正常工作。对于STM32F103来说，最小系统电路通常包括以下几个部分：

1. 电源电路：提供稳定的3.3V电源，供给STM32F103工作。

2. 时钟电路：STM32F103内置了一个高频的HSE（外部高速时钟）和LSE（外部低速时钟）系统，但在最小系统中，通常需要添加外部晶振或陶瓷谐振器。

3. 复位电路：确保芯片在上电时能够正确启动。

4. 编程和调试接口：通过SWD（Serial Wire Debug）或JTAG接口与开发工具连接，进行调试和程序烧录。

5. 其他辅助电路：如电容、电阻等用来保证芯片稳定运行。

二、STM32F103最小系统原理电路

1. 电源电路

STM32F103的工作电压通常为3.3V，因此需要提供一个稳定的3.3V电源。常用的电源方案是通过LDO（低压差稳压器）将5V降至3.3V，或者使用3.3V的DC-DC降压转换器。

典型的电源电路如下：

• 输入5V（或更高电压）

• LDO（如AMS1117-3.3）或DC-DC转换器，将电压降至3.3V

• 输出3.3V接到STM32F103的VDD和VSS（电源和地）

2. 时钟电路

STM32F103通常会使用外部晶振来提供系统时钟，通常选择8MHz的晶振或者更高频率的晶振。

• HSE（外部高速时钟）：为STM32F103提供高精度时钟，通常接入一个8MHz的石英晶振（或陶瓷谐振器）。

• LSE（外部低速时钟）：用于提供低频时钟信号（例如32.768kHz的晶振）以驱动实时时钟（RTC）。

电路设计时，HSE晶振需要通过两颗电容（通常为15pF到22pF）与晶振相连接，确保晶振的稳定工作。

3. 复位电路

STM32F103的复位电路一般使用外部复位芯片（如RT1），或者使用简单的RC复位电路。RC电路由一个电阻和电容组成，通过电阻限制电流，电容确保上电延迟。

常见的复位电路设计：

• VDD通过一个电阻接到复位芯片的输入端

• 复位芯片输出一个复位信号给STM32F103的NRST引脚

• 复位电路需要一个电容（例如100nF）与地连接，用于滤除噪声

4. 编程和调试接口

STM32F103支持多种调试方式，包括SWD和JTAG。最常见的是使用SWD（Serial Wire Debug）接口，它只需要使用两个引脚（SWDIO和SWCLK）即可进行编程和调试。

• SWD接口：通过SWDIO和SWCLK与调试器连接，通常还需要一个地线。

• JTAG接口：如果需要JTAG调试支持，可以使用更多的引脚，但SWD接口足够满足大部分应用。

5. 其他辅助电路

除了上面提到的主要电路外，还需要在设计时添加一些辅助电路：

• 去耦电容：为了保证电源的稳定性，常在VDD和VSS之间加上100nF的去耦电容，避免电源噪声对系统的干扰。

• LED指示灯：可以通过GPIO口连接一个LED用于指示系统的工作状态。

三、STM32F103最小系统PCB设计

在设计STM32F103最小系统PCB时，需要特别注意以下几个方面：

1. 电源布局

STM32F103对电源的稳定性要求较高，因此在PCB设计时需要做到以下几点：

• 电源和地的连接要尽量短且宽，以减少电源干扰。

• 需要在电源引脚附近放置去耦电容（如100nF），以提高系统的抗干扰能力。

• 电源走线应尽量避免与高频信号走线平行，以避免噪声干扰。

2. 时钟电路布局

时钟信号具有较强的干扰性，设计时需要注意：

• 晶振与STM32F103的连接线尽量短，避免时钟信号在走线过程中衰减或反射。

• 外部晶振的布局要考虑到其电容匹配，通常需要将两个电容放置在离晶振最接近的位置。

• 确保时钟电路附近没有大的电磁干扰源。

3. 信号完整性

在设计高频信号（如时钟信号、调试信号等）时，走线应尽量短，避免不必要的弯曲，以减少信号反射和时延。特别是对于SWD和时钟信号，要使用高质量的走线和适当的终端匹配。

4. 地线布线

确保地线宽度足够，并将VSS（地）和VDD（电源）尽量放在相对较近的位置，这有助于减少噪声干扰。合理的地平面设计能够提高整个电路的抗干扰能力，减少电磁干扰。

5. PCB尺寸和层数

最小系统的设计通常比较简单，一层或者双层的PCB即可满足需求。如果设计较为复杂，可能需要多层PCB，但一般来说，最小系统使用双面板足矣。对于较为简单的应用，单面板设计更为经济。

四、常见问题及解决方案

1. 电源噪声问题：确保电源和地线连接牢靠，使用多个去耦电容以减少电源噪声对系统的影响。

2. 晶振不稳定：确保晶振与电容的匹配，避免时钟信号走线过长。

3. 复位不正常：检查复位电路的电容和电阻，确保复位芯片或者RC电路工作正常。

五、结语

STM32F103作为一款功能强大的单片机，其最小系统设计和PCB布局至关重要。通过合理的电源设计、时钟电路布局、复位电路设置以及调试接口设计，可以有效提高系统的稳定性和可靠性。在设计过程中，要注意信号的完整性，保证系统能够稳定工作。希望本文的介绍能够为你的STM32F103最小系统设计提供有价值的参考。