电子产品的心脏-时钟 - 时钟旗子暗记的关键指标

时钟是电子系统的心脏

我们本日的这一讲就先看看时钟旗子暗记的一些关键指标：

什么是时钟呢？

大略的来讲便是由电路产生的具有周期性的脉冲旗子暗记，它不一定便是方波，更不一定便是50%占空比的方波，系统中时钟旗子暗记被用来为系统中多个同步实行的电路之间、为不同系统之间的数据传输供应参考基准。
微处理器的指令实行也都是在时钟的节拍下进行操作的，很多时候我们以处理器的时钟频率高低来粗暴地评价该系统的性能。

旗子暗记链路中时钟的主要性 - 数字域离不开时钟

首先，我们看一下时钟旗子暗记中最常见到的波形 - 矩形波（尤其是方波更常用）。
在较低时钟频率的系统中我们看到的基本上都因此矩形波为主的时钟旗子暗记，由于电路基本上都是靠时钟的边沿（上升沿或低落沿）进行同步的，时钟的边沿哀求比较快，而时钟的周期则比较长，至少相对付时钟的边沿会长很多，因此我们常日以方波来表征时钟（如下图）。
虽然我们空想中画的时钟边沿韶光为0，实际数字电路在高、低电平之间的翻转是须要韶光来实现的，也便是说矩形波时钟的上升沿和低落沿都是有一定的持续韶光的，50%占空比的方波看起来最对称、最完美，但实际的系统中矩形波的高低电平持续的韶光未必是1:1，因此矩形波时钟旗子暗记常用5个关键的参数指标来描述：

矩形波时钟（包括50%占空比的方波）

时钟上升沿和低落沿的定义

时钟旗子暗记的幅度（也称为电平，比如5V、3.3V、TTL、LVCOMS等）时钟旗子暗记的周期T或频率F = 1/T时钟旗子暗记的脉冲宽度 - 高电平持续的韶光上升沿韶光低落沿韶光（未必跟上升沿韶光一样）

实际的时钟上升沿（充电）和低落沿（放电）的韶光是不同的

有时我们会用到脉冲时钟旗子暗记，实质上它是矩形波时钟旗子暗记的一种，只是我们更关注的是其高、低电平的持续韶光，而不是其旗子暗记的上升沿和低落沿。

脉冲时钟旗子暗记波形

当时钟旗子暗记频率变高到一定程度，由于时钟旗子暗记的周期长度已经跟时钟的上升、低落沿靠近，因此此时的时钟旗子暗记就变成了正弦波。

正弦波时钟旗子暗记波形

理解了上述关键指标的涵义，就可以看懂所有的数字器件中最主要的时序信息，比如下面便是SPI接口数据传输的时序图，在利用详细的SPI器件的时候，我们不仅要根据这个时序图看懂各个干系的数字旗子暗记之间的时序关系，更主要的是要根据起数据手册中的详细数据（比如高电平持续韶光、时钟上升沿韶光等）来设计系统的时钟旗子暗记及相应的时序以知足器件数据手册中的规格哀求。

SPI的时序图

精准度和稳定度

不同的系统对时钟这些参数的哀求是不同的，如果你仅仅是让单片机实行一些大略的指令，比如采集一些信息（传感器旗子暗记）、输出一些旗子暗记（点亮LED等），而这些动作并不须要精准的时钟频率，对频率的精度哀求就可以很低，系统只须要一个RC震荡的时钟就可以了。
但如果你想用单片机或非常大略的数字逻辑做一个数字钟表，经由校准往后，你希望一周、一个月往后这个钟表还能够分秒不差，那你的时钟源不仅哀求精准度要足够高，而且长期的稳定度也要高，并且不要随着温度发生漂移。

高速的通信系统对系统时钟的精度、准确度、各种环境下的稳定度哀求更高，普通的晶体振荡器也不能知足系统的哀求了。

边沿抖动（Jitter）

数字电路的事情都是在时钟的边沿进行同步的，因此即便是时钟的频率稳定、高精度，如果时钟的边沿发生抖动，也会导致系统的性能低落。

时钟的边沿抖动（jitter）

如下图，在一个仿照/数字转换的系统中，通过时钟的上升沿对输入的仿照旗子暗记进行采样，如果采样时钟的上升沿发生了抖动，其上升沿采样的仿照旗子暗记的韶光点相对付空想的时钟旗子暗记该当采样的韶光点发生了比较大的偏差，造成了采样偏差，也就相称于对输入的仿照旗子暗记带来了噪声，而这种噪声有可能非常严重，导致系统的性能大大降落。
纵然你利用了高性能器件（当然价钱也很高），如果你利用的时钟由于各类缘故原由导致边沿发生了抖动，也会让你的系统产生灾害性的后果。

实际电路中的时钟旗子暗记会发生变形

多数情形下，你会看到你板子上的时钟旗子暗记如下图所示，矩形波已经不再是好看的矩形波，时钟沿涌现了过冲和振铃，如果严重就会对你的电路性能造成影响。

用示波器不雅观看到的时钟旗子暗记的波形

实际电路上时钟旗子暗记的过冲和振铃

还有下面图中所示的各种环境，都有可能在电路中涌现，导致这种波形失落真的缘故原由可以根据图中所示进行剖析。

系统中会导致时钟旗子暗记变形的一些缘故原由

从理论上剖析就要借助神奇的傅立叶变换 - 任何一个旗子暗记都可以分解成n个不同频率的正弦波， 通过不雅观察旗子暗记的波形变革，可以剖析出相对应的各个频率的旗子暗记幅度的变革，进而判断出你的电路设计中存在的问题。