数字电路的时钟信号是怎么产生呢?

定时元件是电子产品中最普遍的元件之一。几乎所有复杂的设计都需要它们，如果没有它们，我们所有的电子产品都无法工作。为什么时钟在数字电路中如此重要，来一探究竟！

什么是时钟信号？

我们可以将时钟信号定义为在高电平和低电平之间振荡的特定类型的信号。信号就像一个节拍器，数字电路及时跟随它以协调其动作序列。数字电路依靠时钟信号来了解何时以及如何执行编程的功能。

如果设计中的时钟就像动物的心脏，那么时钟信号就是使系统保持运动的心跳。

时钟信号是如何产生的？

产生时钟信号的方法有很多种，但它们都是从晶体谐振器开始的。 晶体谐振器通常称为晶体，为了工作，晶体与放大器电路结合以向晶体附近或晶体上的电极施加电压。

石英晶体是石英的一个细缝，两个表面均已金属化并通过电连接连接。精确切割石英晶体的物理尺寸和形状非常重要，因为这决定了晶体产生的振荡频率。一旦晶体被切割和成型，它就不能在任何其他频率下使用。

石英晶体更常用，因为石英晶体产生的频率更能抵抗温度变化。如果改用内部 RC 谐振器，温度变化会影响振荡器的行为，从而导致输出频率发生变化。

晶体振荡器

晶振具有正弦输出，通常在目标 IC 具有用于内部定时的集成振荡器和片上锁相环 (PLL) 时使用。当晶体和振荡电路组合在同一封装中时，通常称为晶体振荡器。

这种石英压电振荡器输出可用的振荡信号，最常见的是占空比为 50% 的方波。通常，该时钟信号固定在恒定频率，同步可能在每个时钟周期的上升沿或下降沿激活。

时钟发生器

时钟发生器将振荡器与一个或多个 PLL、输出分频器和输出缓冲器组合在一起。当需要多个频率并且目标 IC 都在同一块板或同一 FPGA 中时，时钟发生器和时钟缓冲器非常有用。在某些应用中，FPGA/ASIC 具有用于数据路径、控制平面和存储器控制器接口的多个时域，因此需要多个唯一的参考频率。

在大多数情况下，振荡器位于时钟发生器的外部，尽管为了整合物料清单成本和复杂性以及其他优势，将振荡器组合到与时钟发生器相同的封装中变得越来越普遍。有许多不同类型的时钟发生器，每种都针对不同的性能和成本目标进行了优化，具体取决于应用。

同步和自由运行的设计

系统及其各种子系统的组合可能需要自由运行或同步的时序架构。

如果系统是自由运行的，则无需任何特殊锁相或同步要求即可使用独立时钟。示例包括标准处理器、内存控制器、SoC 和外围组件（例如，USB、PCI Express 开关）。

每个人都熟悉的复杂 IC 的一个例子是微控制器。微控制器依靠来自晶体振荡器的时钟来运行，但在异步电路中使用时除外，例如在异步 CPU 的情况下。大多数常见的微控制器都包含一个内部 RC 振荡器，它足以用于 UART 通信之类的事情，尽管外部晶体振荡器对于 USB 或以太网等其他类型的通信是必要的。

相反，同步定时系统需要跨所有相关系统的持续通信和网络级同步。在这些应用中，基于低带宽 PLL 的时钟提供抖动过滤，以确保保持网络级同步。例如，将所有 SerDes（串行化-解串化）参考时钟同步到高度准确的网络参考时钟（例如，Stratum 3 或 GPS）可保证所有系统节点之间的同步。

同步时钟树的示例包括光传输网络 (OTN)、SONET/SDH、移动回程、同步以太网和 HD SDI 视频传输。但是，除了通信之外，还有各种应用需要准确的频率或定时。一些应用程序需要两个互不连接的子系统之间的长期同步。如果用作实时时钟基础的振荡器仅偏离 0.1%，一周后时钟将偏离近 10 分钟。可能还需要长期准确性，而不必知道实时情况。

例如，假设使用几个蓝牙模块每小时唤醒一次以交换数据几秒钟，然后再回到睡眠状态，以节省电池电量。标准的 20ppm 振荡器每小时仅会关闭几分之一秒，而 1% RC 谐振器可能会关闭半分钟。如果使用 RC 谐振器，蓝牙模块将不得不保持开启更长时间才能相互通信，从而浪费电池电量。

内部和外部振荡器

内部振荡器通常用于为不需要精确计时的 MCU 提供计时。内部振荡器对于低波特率的 UART 通信来说已经足够好了，尽管 CAN、USB 或以太网等对时序精度要求更严格的通信协议需要外部晶体和振荡器。

使用外部振荡器允许更宽的频率范围，其中内部振荡器通常是一个频率，带有少量时钟预分频器选项。在电子学中，时间是一种可以准确且廉价地测量的属性，因此通常问题会转化为测量时间或产生具有准确计时的脉冲。

外部时钟和振荡器的优点

精度 - 内部时钟不精确，可能受噪声影响。

温度无关性 - 振荡器和时钟（尤其是温度补偿振荡器）可用于低温或高温应用或温度变化很大的场合。随着温度的变化，振荡频率可以保持相对相同。

速度 - 内部振荡器可能无法达到 IC 的最高速度，在这种情况下需要外部振荡器。

电压 - 内部振荡器的速度可能取决于它正在运行的电压。如果振荡器驱动可能产生射频干扰的设备，则在其控制输入中添加变化的电压可以分散干扰频谱，使其更接近理想状态。在此示例中，只有外部电压控制器振荡器才能提供该功能。

需要多个时钟 - 如果许多子系统需要同步运行并相互连接，则可以使用单个外部时钟发生器来替代每个子系统的自由运行时序组件。