電子產(chǎn)品系統(tǒng)中有一個非常重要的部位 - 時鐘。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，其實不然，在今天數(shù)字邏輯、數(shù)字計算統(tǒng)治的世界里，幾乎所有的操作都是在時鐘的作用下實現(xiàn)的，因此時鐘對于電子產(chǎn)品來講就如同人的心臟一樣重要。

時鐘是電子系統(tǒng)的心臟

我們今天的這一講就先看看時鐘信號的一些關(guān)鍵指標(biāo)：

什么是時鐘呢？

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)中時鐘信號被用來為系統(tǒng)中多個同步執(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)行也都是在時鐘的節(jié)拍下進行操作的，很多時候我們以處理器的時鐘頻率高低來粗暴地評價該系統(tǒng)的性能。

信號鏈路中時鐘的重要性 - 數(shù)字域離不開時鐘

首先，我們看一下時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鐘信號，因為電路基本上都是靠時鐘的邊沿（上升沿或下降沿）進行同步的，時鐘的邊沿要求比較快，而時鐘的周期則比較長，至少相對于時鐘的邊沿會長很多，因此我們通常以方波來表征時鐘（如下圖）。雖然我們理想中畫的時鐘邊沿時間為0，實際數(shù)字電路在高、低電平之間的翻轉(zhuǎn)是需要時間來實現(xiàn)的，也就是說矩形波時鐘的上升沿和下降沿都是有一定的持續(xù)時間的，50%占空比的方波看起來最對稱、最完美，但實際的系統(tǒng)中矩形波的高低電平持續(xù)的時間未必是1:1，因此矩形波時鐘信號常用5個關(guān)鍵的參數(shù)指標(biāo)來描述：

矩形波時鐘（包括50%占空比的方波）

時鐘上升沿和下降沿的定義

時鐘信號的幅度（也稱為電平，比如5V、3.3V、TTL、LVCOMS等）

時鐘信號的周期T 或頻率F = 1/T

時鐘信號的脈沖寬度- 高電平持續(xù)的時間

上升沿時間

下降沿時間（未必跟上升沿時間一樣）

實際的時鐘上升沿（充電）和下降沿（放電）的時間是不同的

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

脈沖時鐘信號波形

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

正弦波時鐘信號波形

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序信息，比如下面就是SPI接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序圖，在使用具體的SPI器件的時候，我們不僅要根據(jù)這個時序圖看懂各個相關(guān)的數(shù)字信號之間的時序關(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)時間、時鐘上升沿時間等）來設(shè)計系統(tǒng)的時鐘信號及相應(yīng)的時序以滿足器件數(shù)據(jù)手冊中的規(guī)格要求。

SPI的時序圖

精準(zhǔn)度和穩(wěn)定度

不同的系統(tǒng)對時鐘這些參數(shù)的要求是不同的，如果你僅僅是讓單片機執(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（點亮LED等），而這些動作并不需要精準(zhǔn)的時鐘頻率，對頻率的精度要求就可以很低，系統(tǒng)只需要一個RC震蕩的時鐘就可以了。但如果你想用單片機或非常簡單的數(shù)字邏輯做一個數(shù)字鐘表，經(jīng)過校準(zhǔn)以后，你希望一周、一個月以后這個鐘表還能夠分秒不差，那你的時鐘源不僅要求精準(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鐘的邊沿進行同步的，因此即便是時鐘的頻率穩(wěn)定、高精度，如果時鐘的邊沿發(fā)生抖動，也會導(dǎo)致系統(tǒng)的性能下降。

時鐘的邊沿抖動（jitter）

如下圖，在一個模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)中，通過時鐘的上升沿對輸入的模擬信號進行采樣，如果采樣時鐘的上升沿發(fā)生了抖動，其上升沿采樣的模擬信號的時間點相對于理想的時鐘信號應(yīng)該采樣的時間點發(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)然價錢也很高），如果你使用的時鐘由于種種原因?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。

實際電路中的時鐘信號會發(fā)生變形

多數(shù)情況下，你會看到你板子上的時鐘信號如下圖所示，矩形波已經(jīng)不再是好看的矩形波，時鐘沿出現(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鐘信號的波形

實際電路上時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)圖中所示進行分析。

系統(tǒng)中會導(dǎo)致時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 - 任何一個信號都可以分解成n個不同頻率的正弦波， 通過觀察信號的波形變化，可以分析出相對應(yīng)的各個頻率的信號幅度的變化，進而判斷出你的電路設(shè)計中存在的問題。