什么是時(shí)鐘呢 時(shí)鐘信號的關(guān)鍵指標(biāo)

電子產(chǎn)品系統(tǒng)中有一個(gè)非常重要的部位 - 時(shí)鐘。多數(shù)工程師意識不到它的重要性，覺得只要板子上的晶體/晶振能工作就可以了，其實(shí)不然，在今天數(shù)字邏輯、數(shù)字計(jì)算統(tǒng)治的世界里，幾乎所有的操作都是在時(shí)鐘的作用下實(shí)現(xiàn)的，因此時(shí)鐘對于電子產(chǎn)品來講就如同人的心臟一樣重要。

時(shí)鐘是電子系統(tǒng)的心臟

我們今天的這一講就先看看時(shí)鐘信號的一些關(guān)鍵指標(biāo)：

什么是時(shí)鐘呢？

簡單的來講就是由電路產(chǎn)生的具有周期性的脈沖信號，它不一定就是方波，更不一定就是50%占空比的方波，系統(tǒng)中時(shí)鐘信號被用來為系統(tǒng)中多個(gè)同步執(zhí)行的電路之間、為不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸提供參考基準(zhǔn)。微處理器的指令執(zhí)行也都是在時(shí)鐘的節(jié)拍下進(jìn)行操作的，很多時(shí)候我們以處理器的時(shí)鐘頻率高低來粗暴地評價(jià)該系統(tǒng)的性能。

信號鏈路中時(shí)鐘的重要性 - 數(shù)字域離不開時(shí)鐘

首先，我們看一下時(shí)鐘信號中最常見到的波形 - 矩形波（尤其是方波更常用）。在較低時(shí)鐘頻率的系統(tǒng)中我們看到的基本上都是以矩形波為主的時(shí)鐘信號，因?yàn)殡娐坊旧隙际强繒r(shí)鐘的邊沿（上升沿或下降沿）進(jìn)行同步的，時(shí)鐘的邊沿要求比較快，而時(shí)鐘的周期則比較長，至少相對于時(shí)鐘的邊沿會長很多，因此我們通常以方波來表征時(shí)鐘（如下圖）。雖然我們理想中畫的時(shí)鐘邊沿時(shí)間為0，實(shí)際數(shù)字電路在高、低電平之間的翻轉(zhuǎn)是需要時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，也就是說矩形波時(shí)鐘的上升沿和下降沿都是有一定的持續(xù)時(shí)間的，50%占空比的方波看起來最對稱、最完美，但實(shí)際的系統(tǒng)中矩形波的高低電平持續(xù)的時(shí)間未必是1:1，因此矩形波時(shí)鐘信號常用5個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)指標(biāo)來描述：

矩形波時(shí)鐘（包括50%占空比的方波）

時(shí)鐘上升沿和下降沿的定義

時(shí)鐘信號的幅度（也稱為電平，比如5V、3.3V、TTL、LVCOMS等）

時(shí)鐘信號的周期T 或頻率F = 1/T

時(shí)鐘信號的脈沖寬度- 高電平持續(xù)的時(shí)間

上升沿時(shí)間

下降沿時(shí)間（未必跟上升沿時(shí)間一樣）

實(shí)際的時(shí)鐘上升沿（充電）和下降沿（放電）的時(shí)間是不同的

有時(shí)我們會用到脈沖時(shí)鐘信號，本質(zhì)上它是矩形波時(shí)鐘信號的一種，只是我們更關(guān)注的是其高、低電平的持續(xù)時(shí)間，而不是其信號的上升沿和下降沿。

脈沖時(shí)鐘信號波形

當(dāng)時(shí)鐘信號頻率變高到一定程度，由于時(shí)鐘信號的周期長度已經(jīng)跟時(shí)鐘的上升、下降沿接近，因此此時(shí)的時(shí)鐘信號就變成了正弦波。

正弦波時(shí)鐘信號波形

理解了上述關(guān)鍵指標(biāo)的涵義，就可以看懂所有的數(shù)字器件中最重要的時(shí)序信息，比如下面就是SPI接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序圖，在使用具體的SPI器件的時(shí)候，我們不僅要根據(jù)這個(gè)時(shí)序圖看懂各個(gè)相關(guān)的數(shù)字信號之間的時(shí)序關(guān)系，更重要的是要根據(jù)起數(shù)據(jù)手冊中的具體數(shù)據(jù)（比如高電平持續(xù)時(shí)間、時(shí)鐘上升沿時(shí)間等）來設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)鐘信號及相應(yīng)的時(shí)序以滿足器件數(shù)據(jù)手冊中的規(guī)格要求。

SPI的時(shí)序圖

精準(zhǔn)度和穩(wěn)定度

不同的系統(tǒng)對時(shí)鐘這些參數(shù)的要求是不同的，如果你僅僅是讓單片機(jī)執(zhí)行一些簡單的指令，比如采集一些信息（傳感器信號）、輸出一些信號（點(diǎn)亮LED等），而這些動作并不需要精準(zhǔn)的時(shí)鐘頻率，對頻率的精度要求就可以很低，系統(tǒng)只需要一個(gè)RC震蕩的時(shí)鐘就可以了。但如果你想用單片機(jī)或非常簡單的數(shù)字邏輯做一個(gè)數(shù)字鐘表，經(jīng)過校準(zhǔn)以后，你希望一周、一個(gè)月以后這個(gè)鐘表還能夠分秒不差，那你的時(shí)鐘源不僅要求精準(zhǔn)度要足夠高，而且長期的穩(wěn)定度也要高，并且不要隨著溫度發(fā)生漂移。

高速的通信系統(tǒng)對系統(tǒng)時(shí)鐘的精度、準(zhǔn)確度、各種環(huán)境下的穩(wěn)定度要求更高，普通的晶體振蕩器也不能滿足系統(tǒng)的要求了。

邊沿抖動（Jitter）

數(shù)字電路的工作都是在時(shí)鐘的邊沿進(jìn)行同步的，因此即便是時(shí)鐘的頻率穩(wěn)定、高精度，如果時(shí)鐘的邊沿發(fā)生抖動，也會導(dǎo)致系統(tǒng)的性能下降。

時(shí)鐘的邊沿抖動（jitter）

如下圖，在一個(gè)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)中，通過時(shí)鐘的上升沿對輸入的模擬信號進(jìn)行采樣，如果采樣時(shí)鐘的上升沿發(fā)生了抖動，其上升沿采樣的模擬信號的時(shí)間點(diǎn)相對于理想的時(shí)鐘信號應(yīng)該采樣的時(shí)間點(diǎn)發(fā)生了比較大的偏差，造成了采樣誤差，也就相當(dāng)于對輸入的模擬信號帶來了噪聲，而這種噪聲有可能非常嚴(yán)重，導(dǎo)致系統(tǒng)的性能大大降低。即使你使用了高性能器件（當(dāng)然價(jià)錢也很高），如果你使用的時(shí)鐘由于種種原因?qū)е逻呇匕l(fā)生了抖動，也會讓你的系統(tǒng)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。

實(shí)際電路中的時(shí)鐘信號會發(fā)生變形

多數(shù)情況下，你會看到你板子上的時(shí)鐘信號如下圖所示，矩形波已經(jīng)不再是好看的矩形波，時(shí)鐘沿出現(xiàn)了過沖和振鈴，如果嚴(yán)重就會對你的電路性能造成影響。

用示波器觀看到的時(shí)鐘信號的波形

實(shí)際電路上時(shí)鐘信號的過沖和振鈴

還有下面圖中所示的各種情形，都有可能在電路中出現(xiàn)，導(dǎo)致這種波形失真的原因可以根據(jù)圖中所示進(jìn)行分析。

系統(tǒng)中會導(dǎo)致時(shí)鐘信號變形的一些原因

從理論上分析就要借助神奇的傅立葉變換 - 任何一個(gè)信號都可以分解成n個(gè)不同頻率的正弦波， 通過觀察信號的波形變化，可以分析出相對應(yīng)的各個(gè)頻率的信號幅度的變化，進(jìn)而判斷出你的電路設(shè)計(jì)中存在的問題。