1.时钟的作用

时钟是整个电路的心脏，它为电路提供了一个计时的量度。一般来说我们经常用占空比为百分之五十的方波（当然是理想情况下）来充当电路的心脏，它存在的意义很明确，就是当这个方波上升沿的时候此电路应该发生那些动作，当方波处于下降沿的时候此电路应该发生那些动作。

2.最原始的时钟信号从哪里来？

整个PCB板子最原始的信号源于晶体或者晶振（二者的区别下文会提到），他们能够产生方波信号的原理如下：
从二氧化硅上切割下来一个任意形状的小薄片，然后在薄片的两个面上分别做一层电镀来作为通电的电极，之后引出来两根金属线，在用外壳将其封装就构成了一个比较简易的晶体振荡器。晶体振荡器能够产生脉动的原理在于压电效应，下图为某些晶振的图片：

2.1压电效应

**压电效应：**如果对压电材料（这里指的是晶体薄片）施加压力，那么在它的两个面上就会产生电位差（这种称为正压电效应），反之如果在两个面上施加电压，那么晶体薄片就会产生机械应力（这种称为逆压电效应）。因此在晶体的两面增加交变的电压，晶体就会产生震动，由于晶体的震动就会产生交变的电场。随着晶体外部施加的电压的频率变化，晶体的震荡频率以及由于震荡形成的电场也会改变，总会有某个特定的电压频率使得这两个值达到最大。

2.2晶振的等效

想要比较近似的做出晶振内部的等效电路，就需要清楚晶振内部的构成；首先比较重要的是晶体薄片，此薄片可以等效成电容，这个电容的容值与切割时晶体薄片的形状，薄厚，面积等都有一定的关系，因此等效的容值可以在人为的控制范围之内；当晶体薄片在震荡的时候，由于通电极性的变化，晶体薄片的机械振荡惯性可以用电感来进行等效；另外晶体薄片在震荡的过程中能量一定存在损耗，损耗就用电阻来进行等效；这样就形成了电感、电容、电阻串联在一起的等效电路；最后由于晶体薄片两面上镀的镀层，也是电容的等效，但是此电容的值并不随着晶体薄片的震荡与否做出任何的改变，因此此电容与上述的电路是并联的关系；综合下来，晶体在震荡的过程中形成的等效电路如下图所示：

上图中，根据电路知识可知，此网络存在两个谐振点；第一个谐振是串联网络中电感和电容之间组成的谐振，这个谐振的频率为：

另外一个谐振频率为并联谐振，这个时候电路表现出纯感性。在这种工作模式下，等效电路表现出纯感性，那么晶振的工作频率就由负载电容决定，对于并联谐振状态下的晶振，晶振的规格书会指定负载电容的大小。并联谐振的频率计算公式为：

在并联谐振的情况下，通过调整负载阻抗的值，就可以改变晶体的震荡频率；

2.3晶体振荡器的等效电路

晶体振荡器内部由一个反相器，两个电阻和一个电容组成的π型网络，如下图所示：

上图中C1和C2的值为晶体振荡器的负载电容，这两个电容值决定了晶体的震荡频率（实际上还是根据等效的CL震荡得来的）；但是我们在实际买来晶振使用的时候，并不需要关注这些东西，因为我们拿到手的产品已经将晶体振荡器、反向器、负载电容等封装在如上边第一张图所示的小盒子里，不同频率的晶振对应不同的小盒子，因此不必自己去手动调节晶片的外围电路。

3.晶振的分类

晶振在总体上可以分为有源晶振和无源晶振，如果细说的话，无源的叫crystal（晶体）有源的叫oscillator（振荡器）

3.1无源晶振

1.无源晶振的优点：
①引脚数量少，只有两个，并且这两个引脚没有极性上的差别
②便宜
2.无源晶振的缺点：
①无源晶振自身不可起振，需要额外的时钟震荡输入才可以起振，并且需要自己手动搭建适合的外部电路（选择合适的电容电阻等），只要是晶振的频率需要改变，那么晶体外围电路的值就需要跟着更改
②精度相比于有源晶振特别低，不管是什么样的场合，为了避免后期出现问题，都比较推荐使用有源晶振
2.一张无源晶振的外部匹配电路示例如下所示：

3.1有源晶振

有源晶振有四个脚，它是一个完整的振荡器，除了石英晶体之外，黑盒子里还有阻容器件，因此体积相对来说会比较大。有源晶振的四个引脚一般都是GND、VCC、OUT（时钟输出）、NC(空脚)
1.有源晶振的优点
有源晶振不需要外部提供震荡，信号稳定度高，信号质量好，而且连接方式也比较简单（最主要的就是做好电源输入处的滤波工作）
2.有源晶振的缺点
有源晶振需要的电平输入是固定的，这一点相对于无源晶振来说并不是特别灵活；并且有源晶振价格要比无源晶振高很多。

3.2有源晶振的分类

3.3普通晶体振荡器（SPXO）

这是一种在结构上最为简单的晶体振荡器，晶振的输出就是由晶体的等效电感结合负载电容完成的，温度等各方面因素对于石英晶体的谐振器震荡有很大的影响，但是在普通晶体振荡器中不存在任何的补偿网络，因此这种晶振一般都是用在对于稳定度场合不高的场景上。

3.4恒温晶体振荡器（OCXO）

恒温晶体振荡器（Oven Controlled Crystal Oscillator）是将石英晶体谐振器的问题保持恒定，使得周围温度的变化对于晶体震荡的影响做到最小。恒温晶体振荡器内部是由恒温槽以及震荡电路组成，恒温晶体振荡器的关键参数如下所示：
1.频率准确度：按照规定的条件，在基准的温度下进行测试，晶体振荡器的频率相对于其规定标称值的最大偏差，公式为：（f-fo）/fo,其中fo为晶体振荡器的标称频率，f为晶体振荡器在测试过程中输出的最大或者最小频率。
2.频率-温度稳定度：按照规定的条件要求，在规定的温度范围内，晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值，即±（fmax-fmin）/(fmax+fmin)
3.频率老化：晶体振荡器的输出频率随时间的变化，通常用某一时间间隔的频率来进行衡量。比如在一个月内预定总频率的变化
4.工作温度范围：振荡器能正常工作，其频率及其其他特性均不超过其允许的偏差。
5.稳定时间：振荡器从初始加点到稳定工作在极限值所需要的时间
6.相位噪声：指的是信号功率与噪声功率的比值，是表征其频率颤抖的技术指标，在对预期信号既定补救处，以1Hz单位带宽来测量相位噪声。
7.频谱纯度：频率稳定度的一种频域量度，它通常用信号边带的噪声功率谱中每赫兹带宽的噪声功率相对于总信号功率的分贝数来进行表示
8.谐波失真：用不希望的信号频谱分量和有用信号频谱的谐波关系描述非线性失真
9.再现性：振荡器经过一定的时间间隔，在重新加电一段时间后返回原来频率的能力
10.输出电压：施加规定的电压和负载，在规定的时间内达到稳定之后，用RF表测试得到的有效值或者用示波器测量电压峰峰值后换算得到的有效值。

3.4.1相位噪声与抖动的关系

很多情况下，晶振的规格书中会出现相位噪声和抖动这两个指标，上述中也给出了相位噪声的定义。在这里对二者做出一些说明，首先可以明确的是，相位噪声和抖动是对于同一种现象的两种不同度量方式，在理想的情况下，一个1MHz频率的脉冲信号的持续时间应该恰好为一微秒，每经过500ns就会有一个跳变沿。但是实际和理想是一定存在偏差的，在实际中，信号的周期长度不可能每一次都是一微秒，它一定会有变化的，这种变化导致的一个结果就是下降沿或者上升沿到来的时间变得不确定。这种不确定就是相位噪声，也就是所谓的抖动

3.4.1.1抖动

抖动是一个时域上的概念，它是对于信号时域上变化结果的一个测量，它从本质上描述了实际信号周期距离其理想的值偏差了多少。通常情况下，10MHz以下信号的周期并不归入抖动一类，而是归入偏移或者漂移。抖动主要有两种类型：确定性抖动和随机抖动。确定性的抖动通常是由可以识别的干扰信号造成的。具备特定的产生原因。而且不能用随机抖动分析来进行统计，造成确定性抖动的来源主要有以下四种：
1.1：相邻信号走线之间的串扰，当一根导线的自感增大以后，会将其相邻信号线周围的感应磁场转换为感应电流，而感应电流会使得感应电压增大或者减小，从而造成抖动。
1.2：敏感信号通路上EMI辐射：电源、AC电源线和RF信号源都属于EMI源，与串扰原理类似，当时钟信号的走线附近存在EMI辐射的时候，时序信号通路上感应到的噪声电流会调制时序信号的电压值。
1.3:多层基地中的电源噪声：这种噪声可能会改变逻辑门的阈值电压，或者改变阈值电压的参考地电平，从而改变开关门电路所需要的电压值
1.4：多个门电路同时转换为同一种逻辑状态：这种情况可能会导致电源层和地层上感受到尖峰电流，从而可能使得阈值电压发生变化。
随机抖动指的是比较难预测的因素导致的时序上的变化，比如能够影响半导体性能的温度因素，可能会造成载流子的随机变化，另外半导体加工工艺的变化，例如掺杂密度不均衡，也会造成抖动。随机抖动最基本的一个特性就是随机性，因此我们可以使用高斯分布统计来描述其特性，例如对一个只包含随机抖动因素的时钟振荡器周期进行100次的连续测量，结果会呈现高斯分布（或者是正太分布）。从这种正太分布中我们可以得到常见两种抖动的定义：
1.峰峰值抖动：正太曲线上最小测量值到最大测量值之间的差距，在大多数电路中，该值会随着样本数量的增加而变大，在理论上可以达到无限大，因此峰峰值抖动并没有什么意义。
2.均方根抖动：均方根抖动就是正态分布下一阶标准差的值，该值随样本量的增加变化不大，因此这种测试结果比较有意义。但是这种测试只在纯净高斯分布中才有效，如果分布中存在任何的确定性的抖动，那么利用整个抖动直方图上的一阶方差来估计抖动出现的可能性就是错误的。

3.4.1.1相位噪声

相位噪声是对于时序变化测试的另外一种测量方式，其结果在频域内进行显示，如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都会集成在频率f=fo处，但是相位噪声的出现会将振荡器的一部分功率扩散到相邻的频率之中，从而产生边带。在距离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm。其中fm是该频率偏离中心频率的差值。相位噪声通常定义为在给定某一频率偏移处dbc/HZ的值，其中dbc是以db为单位的该频率处功率与总功率的比值，一个震荡器在某一频率偏移处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率的比值。

3.4压控晶体振荡器（VCXO）

3.4.1压控晶体振荡器简介

1.压控晶体振荡器（voltage controlled oven-controlled crystal oscillator，VCXO）是石英晶体振荡器的一种，主要用于锁相环环路以及频率微调电路；由于压控晶体振荡器具有频率可调的特性，在通信领域中成为了各种接收机和应答机中不可或缺的部分。在这些设备中，为了补偿晶振在长期使用过程中出现的老化以及收发信号中多普勒频移等因素的影响，通常需要压控晶体振荡器需要有比较宽的频率控制范围；并且为了使得产品能够适应野外空间等多种环境的因素，还要求在比较宽的温度范围内有比较好的频率温度稳定性。

3.4.2压控晶体振荡器的工作原理

压控晶体振荡器中通常使用的是AT切石英谐振器，通过在震荡回路中引入一个可调元器件，来实现振荡频率可以随着压控电压调节的功能，可调元器件通常是变容二极管。
2.关于变容二极管的补充：变容二极管又称为”可变电抗二极管“主要是利用PN结反偏的时候结电容大小随着外加外加电压大小的变化而变化制成的，反偏电压增大的时候，结电容减小，反之结电容的值会增大

3.4.2压控晶体振荡器比较重要的指标参数

1.频率压控范围：将频率控制电压从基准电压调节到规定的终点电压，晶体振荡器的最小峰值改变量
说明：例如某个压控晶体振荡器的基准电压为＋2.5V，规定的终点电压为＋0.5V和＋4.5V，压控晶体振荡器在＋0.5V的时候频率控制电压时频率该变量为-2ppm，在＋4.5V频率控制电压时频率该变量为+ 2.1ppm，则电压控制频率范围表示为≥±2ppm的（2.5V±2V），斜率为正，线性为+ 2.4％。
2.频率压控线性：与理想（直线）函数相比的输出频率 -输入控制电压传输特性的一种量度，它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。
说明：典型的VCXO频率压控线性度都会小于等于百分之十，其中频率压控线性度的公式为：
频率压控线性= ±（（fmax-fmin）/ f0）×100％
其中FMAX：VCXO在最大压控电压时的输出频率
FMIN：VCXO在最小压控电压时的输出频率
FO：压控中心的电压频率

3.4.2压控晶体振荡器的内部原理

3.5压控恒温振荡器（VC-OCXO）

压控恒温振荡器是压控振荡器与恒温振荡器的结合体，其具体工作原理请参见上述文章即可

3.6温度补偿晶体振荡器（TCXO）

3.4.1温度补偿晶体振荡器简介

1.温度补偿晶体振荡器是通过其附加的温度补偿电路使周围温度变化产生频率变化削减的一种石英晶体振荡器，他的温度补偿原理就是通过改变震荡回路中的负载电容，使其随温度变化来补偿谐振器由于环境温度变化产生的频率漂移。
2.传统的TCXO采用的是模拟器件进行补偿，随着温度补偿技术的发展，很多数字化技术的温度补偿也随之出现，当前很大一部分温度补偿晶体振荡器采用数字补偿技术，这种数字补偿技术的温度补偿晶体振荡器也叫做DCXO,还有一种用单片机进行补偿的温补晶振称为MCXO。相比于模拟补偿来说，数字化补偿可以实现晶振的自动温度补偿，并且能够适应更加宽泛的温度范围。但是具体的补偿电路也比较复杂，成本也比较高。

3.4.2温度补偿晶体振荡器的补偿方式

温度补偿晶体微振荡器的补偿方式可以分为两大类，第一类是间接补偿晶体振荡器，就是在压控振荡器的前端增加温度补偿电阻网络，用补偿网络的输出电压来控制VCXO的控制端电压；另外一种是直接补偿晶体振荡器（简称直补晶振）即直接在晶体振荡电路的震荡槽路增加具有温度敏感性的补偿阻容网络，从而达到补偿的目的。后者的补偿网络省去的VCXO，也不需要对于震荡电路进行稳压，因此在电路的体积，功耗等方面都会比前者优越很多。

3.4.2温度补偿晶体振荡器的特征参数

1.标称频率;就是振荡器上标明的频率
2.工作温度范围：振荡器能正常进行工作，其频率以及其他性能均不超过规定的允许偏差范围
3.温度准确率：按照规定的要求，在基准温度（23℃±2℃）下进行测试，晶体振荡器的频率相对于其规定标称值的最大允许偏差，即（f-f0）/f0

4.常见并且比较知名的晶振厂商

1.日系晶振品牌
爱普生 Epson
日本电波 NDK
东京电波 Tew
西铁城 Citizen
日本大河 RIVER
2.台系晶振品牌
台湾晶技 TCX
希华 Szward
3.欧美晶振品牌
Fox
CES

4.时钟的连接方式

3.1时钟的耦合方式

1.耦合的定义：能量从一种媒介传输到另外一种媒介，当中的传输过程（或者传输方式）就叫耦合，例如电能从金属电线到光缆的传输过程是一种耦合。可以理解成耦合是一种传输方式。在电路中耦合有两种方式，一种是直流耦合另外一种是DC耦合。
2.DC耦合：
DC耦合能够同时允许电路中交流直流信号与直流信号同时通过。DC耦合的传输方式就是一条导线，也可以理解成DC耦合这种传输方式不对于任何信号造成拦截效应。因此DC耦合能够展现出一个信号最原始的模样。但是在电路分析中，往往需要的是一个信号源中有用的信号，比如一个信号：

这个信号源就含有一个交流信号与一个直流偏置的组合。如果我们只需要其中对电路分析有用的信号，比如当中的交流信号。那么将该信号通过AC耦合即可。下面是对AC耦合的简介
3.AC耦合
AC耦合的这种方式只允许交流信号通过，就拿常用的示波器来说，当示波器显示AC耦合输入的方式的时候，其实就是在输入端增加一个电容。从而起到隔离直流信号的目的，目的就是为了让示波器的屏幕上只显示信号中交流的成分。总之说白了DC耦合这种传输方式就是对与信号传输过程中不做任何处理，AC耦合就是滤除信号中的直流成分，只对信号中的交流成分进行传输。

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