信号完整性培训课件

高速数字系统设计中的信号完整性安琪中国科学技术大学快电子学实验室2005年4月9日高速数字系统设计中的信号完整性安琪1第3讲：时钟技术3-1一些基本概念和定义3-2时钟的产生3-3时钟的传输和分布2第3讲：时钟技术3-1一些基本概念和定义2系统时钟系统时钟在高速数字系统中扮演着举足轻重的角色，就像一个“节拍”发生器，协调着高速数字系统各部分的工作。如同一个交响乐队的指挥，是核心和灵魂。

系统时钟的性能好坏，直接关系着整个高速数字系统的工作和整体性能。因此，系统时钟的产生，传输和分布在高速数字系统设计中是一个关键所在，其重要性是这么强调都不过分。系统时钟设计的基本目标是在满足系统对时钟抖动（）、时钟偏差（），信号完整性（）等性能指标的要求，将时钟信号传递到系统的各个部件中去。

系统时钟设计的任务基本可以分为两部分：高质量时钟信号的产生。时钟信号的传输与分布。

在讨论高速数字系统的时钟设计之前，首先说明有关时钟的一些基本概念。3系统时钟系统时钟在高速数字系统中扮演着举足轻重的角色，就3-1一些基本概念和定义3-1-1时钟偏差（）

时钟偏差：时钟信号的理想“沿变”和实际上的“沿变”之差。在实际系统中，造成时钟信号的“沿变”与理想“沿变”存在着差别的一个主要原因是因为数字信号经过逻辑器件时，其传输延迟时间上存在着差别。因此，人们也常直观地将时钟偏差定义为器件输出时钟信号的传输延迟时间之差。ABCACB图3-1-1时钟偏差的定义43-1一些基本概念和定义3-1-1时钟偏差（）内部时钟偏差和外部时钟偏差从更广义的角度出发，由于器件之间连线延迟的不同，或者负载条件的不同，都有可能引起时钟信号的实际“沿变”与理想的“沿变”不同。因此可以将时钟偏差分为两类：内部时钟偏差（）：一种是由逻辑器件内部产生的，表现为逻辑器件输出之间信号延迟上的差别。外部时钟偏差（）：另一种是由于连线延迟和负载条件不同引起的延迟差别，被称为外部时钟偏差（）。图4-1-2时钟信号的内、外源示意图5内部时钟偏差和外部时钟偏差从更广义的角度出发，由于器时钟性能损失为了度量由于时钟偏差引起的系统时钟性能损失，人们引进了一个指标，称为时钟性能损失（），它的定义如下：

时钟性能损失=（4-1-1）

其中，F为系统时钟频率，单位为赫兹（）；D为时钟偏差,单位为秒（s）。

时钟性能损失的大小是系统时钟频率和时钟偏差的函数。对于一个给定时钟偏差大小的系统，随着系统时钟频率的提高，时钟性能损失增大；同样，对于一个给定的系统时钟频率，时钟偏差的大小也直接影响着时钟性能损失。6时钟性能损失为了度量由于时钟偏差引起的系统时图4-1-3时钟性能损失的示意图图4-1-3给出了时钟性能损失随系统时钟频率变化和时钟偏差大小变化的例子。

7图4-1-3时钟性能损失的示意图图4时钟性能损失事实上，时钟性能损失表征的是时钟偏差占时钟信号周期的百分比，也就是相对比值。因此，时钟性能损失可以直接用时钟偏差占时钟信号周期的比值来定义：

时钟性能损失=（4-1-2）

其中，T=1为系统时钟的周期为秒（s）。

对于前例，时钟性能损失==5(1/25)=540=0.1258时钟性能损失事实上，时钟性能损失表征的是时钟4-1-2内部时钟偏差的分类由逻辑器件内部产生的时钟偏差，或者说内部时钟偏差，从时钟偏差产生的机制上考虑，可以被划分为三种：1．占空比偏差（）（4-1-3）

时钟信号上升沿的传输延迟时间与下降沿的传输延迟时间之间的差。和的差会导致时钟脉冲的宽度失真。有时也称其为脉冲偏差（）。占空比偏差实质上是表征一个逻辑芯片的同一个管脚对时钟信号不同沿变（或称：跳变）的传输延迟特性，因此定义参数来表征占空比偏差的大小：

图4-1-4时钟信号的占空比偏差

tPLHtPHL理想时钟实际时钟94-1-2内部时钟偏差的分类由逻辑器件内部产生时钟信号的脉宽之差由图4-1-4可看出：时钟信号沿的传输延迟时间与之间的之差就等于时钟信号正负脉冲的宽度之差。因此也可以用时钟信号的脉宽之差来表示：（4-1-4）时钟信号的占空比可以用百分比的形式表示，如45%:55%，经常将%忽略，直接表示为：45:55。当存在时，时钟信号的频率越高，对大小的要求就越高。如：对于一个频率为25的系统时钟，若要求其占空比为45：55%时，则不能超过4。这时要求：18，同时有22；或者18，同时有22。而对于一个50的系统时钟，则不能超过2，即要求：9，同时有11；或者9，同时有11。

图4-1-5时钟信号的脉冲偏差tHIGHtLOW10时钟信号的脉宽之差由图4-1-4可看出：时钟2．输出管脚间偏差（）输出管脚间偏差（）被定义为在一个器件内各输出管脚之间的最大传输延迟之差，因此也称为：。在一般的逻辑器件手册中，输出时钟信号的传输延迟时间定义有两种：输出时钟信号由高到低的传输延迟时间和由低到高的传输延迟时间，所以输出管脚间偏差也有两个定义，即:（）（）其具体定义为：（4-1-5）（4-1-6）图4-1-6时钟信号的输出管脚间偏差tOSHL理想时钟output1output2tOSLH112．输出管脚间偏差（）输出管脚间偏差（）被定义3.器件间偏差（）定义：在一个系统中，不同器件的输出上升沿（下降沿）之间的延迟时间差别。用表示。对各种产品手册给出的指标，我们需要特别给予关注，必须明确所给指标的限定条件。这是因为的大小与两个因素有关：一是时钟传输过程的变化，或者说是时钟传输的具体形式不同。二是不同器件所处环境的变化。电源电压变化和环境温度变化是硅器件中影响传输延迟的两个主要因素，对指标来说，这是非常重要的限定条件。对于单电源的单板系统来说，板上各元件使用相同的电源。电源的变化对影响就小一些。而在多电源、多板系统中，电源的变化对影响就成为一个重要的因数。即使不同的板使用同一电源，但由于各处对电源电流的需求不同，使得各板上实际得到电源电压也不同。环境温度变化的影响更为复杂，由于各元件本身产生的热量不同，元件分布的密度不同，散热条件不同，使得个元件所处位置的实际温度差别很大。因而，会产生较大的。123.器件间偏差（）定义：在一个系统中，不同器件的输出上4-1-3时钟抖动（）时钟偏差虽然对系统时钟的性能影响很大，但其影响可以认为基本上是一种静态因素，或者说，其影响是固定的。定义：当实际时钟信号的边沿与理想时钟边沿的偏离由于受某种因素（如噪声、串扰、电源电压变化等）不断发生变化时，而且这种变化是随机的，这种现象就是我们常说的时钟抖动，或者说时钟晃动。这种偏离相对于理想位置可能是超前，也可能是滞后的，如图7-1-7所示。时钟抖动的数值表示通常有两种：时钟抖动的最大值，即：峰-峰值（），单位一般为皮秒，常用来表示。时钟抖动的均方根值，即所谓的标准方差（），单位一般也为皮秒。图4-1-7时钟抖动示意图134-1-3时钟抖动（）时钟偏差虽然对系统时钟抖动的分类

一.周期抖动（）周期抖动也被称为短时间抖动（）。它是指相对于理想输入的时钟周期而言，输出时钟跳变偏离其理想位置的偏离量，如图4-1-8所示。理想的输入时钟周期是时钟信号频率的倒数，但是实际输出时钟的每个周期与理想周期都有差值，经过多次测量得到的这种差值的最大值即为周期抖动的峰-峰值，如式(4-1-7)所示。通常把时钟抖动分为三类：周期抖动（），抖动和长期时钟抖动（）其中：()为周期抖动的峰-峰值，()n为在单次测量中，时钟的实际周期与理想周期的偏差，n为整数。图4-1-8周期抖动示意图（4-1-7）14时钟抖动的分类一.周期抖动（）通常把时钟抖动分为三类时钟周期抖动的均方差值

时钟抖动的均方根值经常也用表示，如式（4-1-9）所示。按照数理统计的理论，时钟周期抖动的均方差值可以由式（4-1-8）描述。其中，表示时钟周期抖动的均方差值，表示时钟周期的第i次测量值，T表示时钟周期的理想值。（4-1-8）（4-1-9）15时钟周期抖动的均方差值时钟抖动的均方根值经常也用表示，抖动的均方差值与峰-峰值按照数理统计的理论，时钟周期抖动的均方差值与峰-峰值的关系可以由式（4-1-10）描述。（4-1-10）16抖动的均方差值与峰-峰值按照数理统计的理论，时钟周期半周期抖动（）近年来一种新的高速数据传输技术，即：双数据率（，简称：）得到了大量的应用。与传统的时钟同步传输技术不同，数据传输技术利用时钟信号的两个边沿，即时钟的上升沿和下降沿进行数据传输，从而使数据的传输速率提高了一倍。由于有了这种新的数据传输机制，所谓的“”的新概念被提出。“”是指相对于理想输入时钟周期而言，在半个时钟周期里，输出时钟跳变偏离其理想位置的最大偏离量，如图4-1-9所示。（4-1-10）图4-1-9显示了一个差分时钟信号的完整周期，即两个半时钟周期。理想的输入时钟的半个周期应是两倍的时钟信号频率的倒数，但是实际输出时钟的每半个周期与理想的半周期都有差值，经过多次测量得到的这种差值的最大值即为半周期抖动的峰-峰值，如式4-1-10所示。图4-1-9Half-PeriodJitter示意图17半周期抖动（）近年来一种新的高速数据传输技术，二.前后周期抖动（）前后周期抖动（）是指后一个输出时钟周期相对于前一个输出时钟周期的变化量，如图4-1-10所示。1为第2个时钟周期与第1个时钟周期之间的时钟抖动，而2则是第3个时钟周期与第2个时钟周期之间的时钟抖动。前后周期抖动一般用抖动的最大值表示，即经过多次测量，其测量最大值()就是其最大的。（4-1-11）图4-1-10Half-PeriodJitter示意图18二.前后周期抖动（）前后周期抖动（）是指后一个的测量在时钟抖动测量中，这种的测量是最为困难的，因为需要连续测量两个相邻的时钟周期，这对测量仪器的精度要求非常高，而且为了掌握最大的情况，需要测量大量的数据，需要大量的存储、计算和比较。通常使用专用的时间间隔分析仪（）进行测量。另一种测量方法是使用具有足够内存容量的宽带数字存储示波器。在这种方法中，先用数字存储示波器一次存取大量周期的被测时钟信号，然后使用商业有效的软件或自己编写的专用软件进行分析和计算，得到测试结果。图4-1-10是使用公司的数字存储示波器测试的一个41时钟的。:8600A(6):066(7.5)图4-1-10一个41时钟的19的测量在时钟抖动测量中，这种的测量是最为困难的，三.长时间时钟抖动（）

长时间时钟抖动指的是测量经过大量的时钟周期后，输出时钟跳变偏离其理想位置的最大偏离量。实际的时钟周期数量取决于时钟频率和具体的应用。对于机主板和图像应用，这通常是10-20S。图4-1-11长时间时钟抖动20三.长时间时钟抖动（）长时间时钟抖动指的是测量经时钟抖动的表示方法用绝对时间来表示抖动量，即变化沿偏离理想位置的时间。在叙述上面几种度量方法时，均以绝对时间来表示。用百分比来表示抖动量，即绝对抖动量在一个周期中所占的百分比。用角度来表示抖动量。把一个周期定义为360，抖动被表示为360中一个角度。用均方根值Δ（）来表示抖动量，这是抖动的统计量，可以用峰-峰间的抖动值（）来近似地表示抖动的均方根值Δ，它们之间的近似关系为：例：假定时钟频率为155.52，那么它的周期为1/155.52=6.43=360。假定峰-峰抖动的绝对时间为100，那么：抖动的绝对时间：100＝1.5552（百分比抖动）＝5.598（角度抖动）抖动的统计量：均方根值为：100/7=14.286占周期的百分比：0.015552/7=0.22217（4-1-12）21时钟抖动的表示方法用绝对时间来表示抖动量，即变化沿偏离同步时序方程同步数据传输机制-时序方程：建立方程：保持方程：22同步时序方程同步数据传输机制-时序方程：建立方程：保持方程：本节小结

实际的时钟信号总是存在着误差，指的是“时钟信号的理想“沿变”和实际上的“沿变”之差”。时钟信号的误差，按误差性质来分，可以分为两种：时钟偏差（）：静态误差。时钟抖动（）：动态误差。时钟偏差的大小可用“时钟性能损失”来表示，也可以用偏差的绝对数值表征。时钟抖动一般采用两种方法度量：峰-峰值（）均方根值（）同步时序方程23本节小结实际的时钟信号总是存在着误差，指的是“时钟信号4-2时钟的产生石英晶体振荡器是目前数字电路设计中使用最为广泛的一种时钟源。

在石英谐振器问世之前，人们主要使用振荡器，其频率稳定性只能达到10-4量级。自1880年法国物理学家比埃尔居里兄弟共同发现“压电效应”起，揭开了使用“石英稳频”的序幕。1921年，在居里兄弟发现“压电效应”41年后，英国人用X切50晶体制成了世界上第一个晶体振荡器，频率稳定性达到10-5量级，比振荡器高出一个数量级。随后被用于无线电广播，播出了当时稳定性最高的无线电信号，引起了强烈反响。1927年，石英钟问世，作为“一级频率标准”使用。科学家由此发现了地球自转的不均匀性，结束了以地球自转为基础的“地球时钟”的历史使命。

石英谐振器的技术水平和性能指标决定了石英晶体振荡器的技术水平和性能指标。前者的设计水平和制造工艺技术的每一次突破，都带来了后者在性能指标上的一次突破。大体上，其频率准确性每二十年提高一个数量级。例如：1940年为10-3~10-4；1980年为10-5~10-6；2000年约为10-6~10-7。频率稳定性大约每十年提高一个数量级。4-2-1晶体振荡器244-2时钟的产生石英晶体振荡器是目前数字电路4-2-2锁相环电路图4-2-13是锁相环电路的基本组成。尽管锁相环的设计方法多种多样，但所有的设计都包含了图4-2-13中的三个基本成分：鉴相器（，简称为：）低通滤波器（，简称为：）压控振荡器（，简称为：）。

锁相环实质上就是自动相位控制，它是一个典型的负反馈系统。它的基本功能是跟踪输入信号的相位，这一功能是通过鉴相器产生一个与输入信号和压控振荡器输出信号的相位差成比例的电压而完成的。相位误差电压通过低通滤波器，在那里抑制了噪声和高频信号成分。经滤波后的相位误差电压调制了频率，重新在鉴相器中与输入信号比较，直到输出以固定的相位关系锁住输入信号。锁相环通过跟踪信号的相位，频率同步和频率跟踪便获得了。图4-2-13锁相环的三个基本组成部分254-2-2锁相环电路图4-2-13是锁相环电路的4-2-3直接数字合成（）直接数字合成（，简称为：）直接数字合成是用数字控制的方法从一个参考时钟来产生多种频率的输出时钟。输出时钟的频率可以在大范围内变化，并且具有良好的频率分辨率。在要求多种采样率，且变化灵活、范围较大的应用情况下，采用技术来产生系统时钟不失为一个很好的途径。（一）的工作原理图4-2-20是一个的基本原理框图。它的基本技术是所谓的数字控制振荡器技术（：）。图4-2-20的基本原理框图264-2-3直接数字合成（）直接数字合成（，简称相位累加器的工作原理的核心是相位累加器，如图4-2-20中（虚线框）所示。相位累加器由三部分组成，即相位寄存器，相位寄存器和加法器。

相位累加器的输出随系统参考时钟（）的每一个周期更新一次，即在每一个时钟周期，相位累加器的输出都增加M大小。所以我们称M为相位增量。

假定相位寄存器的M值为00001，而相位寄存器的初始值设定为00000，则每一个时钟周期，相位累加器的输出增加00001。如果相位累加器的字长为32位，即n=32，则相位累加器的输出重新返回到00000的初始值需要个时钟周期。

很显然，M值的大小决定了相位累加器全部输出值循环一次的周期（T）,我们有：输入相位寄存器寄存器寄存器相位MSIN存储器DAC滤波器低通fofcnnnnnN相位累加器由式（4-2-20）可看出，T与M成反比。M值越大，相位累加器全部输出值循环一次的周期就越小，反之依然。（4-2-20）27相位累加器的工作原理的核心是相位累加器，如图4-2-

如图4-2-20中所示：相位累加器的输出用来作为一个正弦波数据存储器的地址。该存储器存有一个完整周期正弦波所对应的全部幅度值，所以，当相位累加器的输出对该存储器寻址时，就得到从0度到360度正弦波波形中的一个相位点。因此，随着相位累加器的输出不断变化（每次增加M大小），正弦波数据存储器中的对应正弦波幅度值就不断被读出。当相位累加器全部输出值被循环一次时（周期为T），则正弦波数据存储器正好输出一个完整周期的正弦波幅度数据。该数据通过一个和一个低通滤波器输出，形成一个完整的正弦波波形。

对于一个n位的相位累加器，一共有个可能的相位点，而相位寄存器中的M值则决定了相位累加器每次增加的量。相位累加器的输出值全部循环一次所需要的周期（T），就是正弦波数据存储器输出一个完整正弦波幅度数据的周期。因此，输出正弦波的频率（f0）就是相位累加器的输出值全部循环一次所需要的周期（T）的倒数。我们有：（4-2-21）式（4-2-21）是的基本关系式，被称为“”。输入相位寄存器寄存器寄存器相位MSIN存储器DAC滤波器低通fofcnnnnnN相位累加器28如图4-2-20中所示：相位累加器的输出用来作为一

数字相位轮很形象地解释了相位累加器的工作原理。

相位轮一周的相位点数量取决于n，最大值为：。

M数值给出了每次相位变化的增量。M大意味着相位轮旋转一周需要的时间少，输出的信号频率就高；M小则意味着相位轮旋转一周需要的时间多，输出的信号频率就低。

输出频率的数值取决于三个因素：M，n和工作时钟。图4-2-21相位累加器的数字相位轮表示29数字相位轮很形象地解释了相位累加器的工作原理。取样输出信号的频谱类似于,当中的正弦数字数据通过一个形成正弦波信号时，输出信号中也同时含有其混叠信号（）的频谱成份。-3.92dB图4-2-23取样输出信号的频谱30取样输出信号的频谱类似于,当中的正弦数字数据通过一个低通滤波器（）按照仙农取样定理，输出频率可高达1/2的时钟频率。但必须有理想的滤波器。理想滤波器是不现实的。物理上可实现的滤波器将输出频率限制在时钟频率的40%以内。DDSLPFfo图4-2-24低通滤波器31低通滤波器（）按照仙农取样定理，输出频DDSLPFfo的特点输出频率范围大从的基本关系式可以看出，改变相位增量M值可以很方便地改变的输出频率。理论上（仙农取样定理），M值的取值范围可以从121，变化范围非常大。当M从121变化时，f0的变化范围可以从2n2，M值越大，输出频率越高。频率分辨率高式（4-2-21）中M值的取值变化最小为1，这意味着其频率变化的最小值为2n，即：频率分辨率相当高。若125M；32，则f=1252320.02910相位连续性如图4-2-20所示，相位寄存器中的M值可以以字串行方式或字节串行方式先送入到一个输入数据寄存器中，然后由同步，并行地一次输入相位寄存器中。所以说当改变M值来改变输出频率时，输出信号的相位是连续的。因此，可以输出频率分辨率非常小,频率变化范围很大的时钟信号，这正是与其它时钟技术相比最大的优点。另外，的控制方式是全数字化的，使人们可以很容易地利用技术获得能够精细调节，改变非常快，且在频率改变时，相位连续的输出时钟信号。32的特点输出频率范围大324-2-4大频率范围，精细可调的频率合成器频率合成器提供一个频率粗调（N）。在频率粗调之间提供频率的精细调节。总的频率分辨取决于的频率分辨，通常〈1。为了使输出调节连续，应有的输出频率带宽。PhaseDetectorLoopFilterVCONLPFBPFPDDSfREFfOUTOptional334-2-4大频率范围，精细可调的频率合成器频输出频率和频率分辨电路中的P分频器是可选的，因而有两种情形：

P=1：

P>1：PhaseDetectorLoopFilterVCONLPFBPFPDDSfREFfOUT34输出频率和频率分辨电路中的P分频器是可选的，因而有两种情形：频率合成器

NP

特点：提供一个频率粗调（N）。在频率粗调之间提供频率的精细调节。总的频率分辨取决于的频率分辨，通常〈1。

35频率合成器NP特点：35芯片举例：9952M：1232-1；n：32输出频率：输入频率：=400频率分辨：f=4002320.09313：14位输出频率：=400倍增系数：420时钟源：内部振荡器，外部输入时钟电压比较器：=20036芯片举例：9952369952应用举例（1）频率合成器379952应用举例（1）频率合成器3799520应用举例（2）带有独立零点调节的调制载波频率发生器3899520应用举例（2）带有独立零点调节的调制载波频率发生器3-3时钟信号的传输和分布目标：

将高精度的时钟源产生的时钟信号在符合系统对时钟的频率，相位要求，时钟的抖动（）和偏差（）要求，以及信号完整性要求的传输和分布的条件下传递到数字系统的各个部分，满足时序设计的需求。

3-3-1基本概念393-3时钟信号的传输和分布目标：3-3-1基本概念3基本时序设计基本时序设计可以大致分为５类：

逻辑单元电路的工作时序与最高工作频率存储器的最小读写周期处理器的工作频率和操作电路单元之间的同步数据传输非同步时钟情况下的数据同步

40基本时序设计基本时序设计可以大致分为５类：40高速数字系统中时钟信号传输和分布的特点单频率时钟，或多频率的不同时钟信号的传输和分布。同相位时钟，或不同相位时钟的传输和分布。不同电平，不同摆幅的数字逻辑共存。

一般来说，整个系统的的不同时钟信号之间具有相位关系，是由同一个时钟源产生，但也有例外。时钟传输和分布的规模可以相差很大，可以是板级的，单机箱级，甚至是多机箱，数十机箱范围。高扇出（）。41高速数字系统中时钟信号传输和分布的特点单频率时钟，或多频3-3-2时钟信号传输和分布的技术措施主要考虑的问题时钟抖动（）时钟偏差（）信号完整性（）串扰地反弹噪声谐振反射容性负载高扇出（）。423-3-2时钟信号传输和分布的技术措施主要考虑的问题42一.集成电路类型选择高速集成电路上升/下降时间，传输延迟时间;;满足需要即可低摆幅

高集成度

差分电路低功耗工艺3.3V;2.5V;1.7V43一.集成电路类型选择高速集成电路43二．减少系统噪声稳定的电源设备和器件直流电源和稳压器电源滤波电源系统与地系统设计多层板和最小电感原则设计旁路电容考虑过孔考虑地“隔离”设计按电流大小分区布局，减少大电流器件对其它电路的影响很好的电磁屏蔽，防止大的电磁干扰。选择器件封装（，），减少地反弹噪声尽可能采用差分电路44二．减少系统噪声稳定的电源设备和器件44三．同相位时钟分布两方面考虑：

交流驱动能力和“时钟树”设计

控制时钟偏差

45三．同相位时钟分布两方面考虑：45（一）交流驱动能力和“时钟树”设计直流驱动能力与交流驱动能力

一般数字集成电路（,）的直流驱动能力都比较大，可以驱动几十，甚至上百个同类电路。由于要保证时钟信号的完整性，电路的交流驱动能力一般都比较小（主要是因为过多的电路负载带来严重的容性负载，导致时钟的上升时间变大，时钟抖动增加）。简单的总线式驱动是不可行的（上升沿增大，时钟抖动增加，反射增大）。并行的串连点到点驱动需要很大的驱动电流，实际使用时也受到了很大的限制。图4-3-2总线式时钟驱动图4-3-3并行的串联点-点时钟驱动46（一）交流驱动能力和“时钟树”设计直流驱动能力与交流驱“时钟树”概念多级1驱动级数的多少取决于需要驱动的电路数目。

每级1:4（根据实际情况）驱动。级数的越多，时钟偏差也越大。先前没有专用的1时钟驱动器，一般是采用N个普通门电路输入并联。图4-3-4”时钟树“原理示意图“时钟树”设计

为了保证同相位传输和分布，1驱动的实现，通常都是采用所谓的“时钟树”设计。47“时钟树”概念多级1驱动图4-3-4”时钟树“原理“时钟树”的拓扑形式图4-3-5三种不同的”时钟树“拓扑形式48“时钟树”的拓扑形式图4-3-5三种不同的”时钟树“拓当前的“时钟树”设计虽然现代高速数字电路的系统越来越复杂，但随着集成电路芯片的集成度快速增加，需要驱动的集成电路数目并没有增加，反而减少。

单片时钟驱动电路的能力大大增加

1驱动器的通道数（N）大大增加锁相环电路1驱动器可产生多组不同的时钟信号输出零延迟1驱动器以上两方面的因素，使得当前的“时钟树”级数减少许多，绝大部分系统单级即可。

49当前的“时钟树”设计虽然现代高速数字电路的系统越来越复杂单级1驱动1:NN图4-3-6单级1驱动50单级1驱动1:NN图4-3-6单级1驱动50（二）控制时钟偏差采用高速时钟驱动电路控制连线延迟延迟线芯片基于和的可程控时间延迟（）集成电路51（二）控制时钟偏差采用高速时钟驱动电路51控制连线延迟蛇行线（）为了在大面积板上使各个部分，各个器件得到同相位的时钟，一个简单的方法是利用所谓的蛇行线产生等长度的板连线。图4-3-5是一个蛇行线产生等长度板连线的原理示意图。图4-3-7利用蛇形线产生等长度板连线采用高速时钟驱动电路时钟驱动电路的速度越高，传输延迟时间越小，偏差也越小。52控制连线延迟蛇行线（）图4-3-7利用蛇形线可调整的连线延迟有时候，需要进行时间延迟的调整，图4-3-8给出了一个5级时间延迟调整的方法。采用等长度的蛇行线和5个跳线器（）可以完成５级调整．图4-3-85级时间延迟调整53可调整的连线延迟有时候，需要进行时间延迟的调整，图4另一种可调整的连线延迟方案采用4个不等长度（基本长度的1，2，4，8倍）的蛇行线和8个跳线器（）可以组合成16级不同的时间延迟。图4-3-916级时间延迟调整54另一种可调整的连线延迟方案采用4个不等长度（基本长度的1，2跳线器图4-3-10跳线器普通跳线器（）使用方便，但串联电感较大，带来阻抗不连续。使用频率需低于100。焊盘跳线器（）可以使用在较高的频率。连接时用焊锡可以很容易焊接在一起，断开是需使用吸锡绳将焊锡清除，因此不能反复焊接和断开。55跳线器图4-3-10跳线器普通跳线器（）5蛇行线的信号完整性若蛇行线平行部分相互之间靠的比较近，信号的串扰就会发生。通过蛇形线平行部分之间的互容和互感，信号的一部分会沿着与蛇行线平行部分垂直的方向直接传输，到达信号的接收端。其结果是，信号的一部分成分将较早的到达信号接收端，使信号的完整性受到破坏，并影响到延迟。图4-3-11蛇行线的信号完整性5In直线的波形平行部分的间隔越小，畸变越大。台阶的高度，取决于间隔大小，间隔越小，越高。台阶的宽度与间隔无关，只取决于平行部分的长度，长度越长，宽度越宽。信号沿越快，台阶越明显。较慢的沿，台阶被平滑，效果是信号延迟变小，沿变慢。56蛇行线的信号完整性若蛇行线平行部分相互之间靠的比较近使用蛇行线注意事项在板布线条件的允许下，尽量增大蛇行线的平行部分之间的间隔，至少是信号层与信号参考层间距的3~4倍。这个措施将减少蛇行线的各平行部分之间的耦合。在板布线条件的允许下，尽量减少蛇行线的平行部分的长度。事实上，这将减少蛇行线的平行部分占信号线总长度的比值，从而在整体上减少蛇行线对信号质量的影响。

尽可能采用隐藏微带线（）和带状线（）构成蛇行线，它们的效果要好于普通的外层微带线。57使用蛇行线注意事项在板布线条件的允许下，尽量增大蛇行线的延迟线芯片固定长度延迟线多抽头延迟线

程控延迟线58延迟线芯片固定长度延迟线58固定长度延迟线无源延迟线（）或无源延迟线(蛇形线)无源延迟线59固定长度延迟线无源延迟线（）592020/21系列无源延迟线图4-3-132020/21系列无源延迟线指标参数602020/21系列无源延迟线图4-3-132020/有源延迟线图4-3-141135L有源延迟线系列芯片举例61有源延迟线图4-3-141135L有源延迟线系列芯1135L有源延迟线系列图4-3-151135L有源延迟线指标参数621135L有源延迟线系列图4-3-151135L有源延多抽头延迟线品种非常丰富,,等各种逻辑电平延迟范围宽广图4-3-16多抽头延迟线原理示意图63多抽头延迟线品种非常丰富图4-3-16多抽头延迟多抽头延迟线举例例1：12H系列图4-3-1712H系列5多抽头延迟线64多抽头延迟线举例例1：12H系列图4-3-1712H系12H系列指标参数图4-3-1812H系列5多抽头延迟线指标参数6512H系列指标参数图4-3-1812H系列5多抽头延迟线例2：18H系列多抽头延迟线图4-3-1718系列5多抽头延迟线66例2：18H系列多抽头延迟线图4-3-1718系列5多18H系列指标参数图4-3-1812H系列5多抽头延迟线指标参数6718H系列指标参数图4-3-1812H系列5多抽头延迟线程控延迟线数字程控延迟,,等各种逻辑电平延迟范围宽广图4-3-19程控延迟线原理示意图DigitalControl68程控延迟线数字程控延迟图4-3-19程控延迟线原程控延迟线举例例1：1020系列程控延迟线图4-3-20程控延迟线原理示意图69程控延迟线举例例1：1020系列程控延迟线图4-3-201020系列程控延迟线两种接口方式：8并行和串行模式选择端使能控制端工艺，低功耗图4-3-211020系列程控延迟线原理示意图图4-3-221020系列程控延迟线指标参数701020系列程控延迟线两种接口方式：图4-3-21基于和的可程控时间延迟（）集成电路零延迟或可调节延迟时间集成电路(2305/2309)延迟锁定环（，简称：）技术

实际芯片举例71基于和的可程控时间延迟（）集成电路零延迟或可调节延迟延迟锁定环（，简称：）技术延迟锁定环（）的原理类似于锁相环（）电路的原理，也是一个负反馈的机制。延迟锁定环电路的设计目标，是产生不受温度和电源电压变化影响，精确的信号延迟时间，这在时钟技术，时序设计和精确时间测量中有着广泛地应用。图7-3-25压控延迟线（）基本原理1．压控延迟线我们知道，任何半导体数字逻辑门电路的输入和输出之间都存在着一个传输延迟时间，而且传输延迟时间的大小与门电路的电源电压相关。在所允许的电源电压范围内，工作电压越大，逻辑门电路的传输延迟时间就越小，反之依然。因此，我们可以适当调节逻辑门电路的电源电压（）来改变它的传输延迟时间。压控延迟线简称为：，是英文“”的缩写。思路：72延迟锁定环（，简称：）技术延迟锁定环（2．延迟时间频率转换为了将逻辑门电路的传输延迟时间的变化转化为电源电压的变化，我们首先考虑将传输延迟时间的变化转换为一个频率的变化，因为这种转换相对是比较容易的。如图所示：将三个反向器门电路串接起来，最后一个门电路的输出再与第一个门电路的输入连接，就形成了一个振荡器。这样，我们就利用压控延迟线构成了一个压控振荡器，其输出信号的频率由三个门电路的总延迟时间所决定。我们有：图7-3-25基于压控延迟线的压控振荡器（）如果我们有一个精密的参考信号源，给出一个稳定的参考时钟，就可以将上图中的压控振荡器输出频率与参考时钟相比较，将比较结果滤波后来控制电源电压，实现输出频率的稳定，这就是锁相环的原理。

锁相环方案需要给电路提供一个稳定的参考时钟信号。732．延迟时间频率转换为了将逻辑门电路3．频率转换电压转换图7-3-25基于的延迟线原理示意图在集成芯片内部产生精密的参考时钟是相对不现实的。一般是在集成芯片中产生稳定的参考电压源，而将压控振荡器的输出频率转化成电压后与参考电压进行比较，用比较的结果来控制压控振荡器的频率。右图是一个原理示意图反馈电压：恒流源电流压控电阻的阻值反比于输出频率。压控电阻：转换。参考电压：恒流源电流差分放大器比较反馈和参考电压差分放大器输出经滤波后控制压控振荡器的输出。743．频率转换电压转换图7-3-25基于的延迟线原型延迟电路图4-3-25基于的延迟线原理示意图在集成芯片内部集成与电路中压控延迟线（）工艺完全相同的一组压控延迟线。因而可以用相同的压控信号来保证延迟电路的精确时间延迟。相关的产品75型延迟电路图4-3-25基于的延迟线原理示意图在集成的另一种形式基本构成：三部分压控延迟线（）鉴相器（）充电泵（）工作原理：类似于的反馈机制输入时钟与其本身的延迟信号相比较鉴相器比较两者的相位差充电泵将相位差转换为供电电压，调整的传输时间延迟。76的另一种形式基本构成：三部分76的应用:时间内插（分相时钟）CLK0CLK1CLK8CLK9Tclk77的应用:时间内插（分相时钟）CLK0CLK1CLK8CLK实际芯片举例图7-3-29

应用举例例1：2305/0978实际芯片举例图7-3-29应用举例例1：2305/02305/09芯片特征792305/09芯片特征79输出相位调节80输出相位调节802305/09芯片应用（1）812305/09芯片应用（1）812305/09芯片应用（2）图7-3-29应用举例822305/09芯片应用（2）图7-3-29应用举例82系列全数字调节类型基于原理。输出时钟信号的相位（延迟时间）可调节。输出时钟信号的频率可调节。的反馈输入端可根据需要与相应输出时钟相连。4组独立的相位调节。独特的3电平输入控制：高，中，低。生产厂商：图4-3-29系列全数字调节类型原理示意图83系列全数字调节类型基于原理。图4-3-29系列例2：7B995084例2：7B9950847B9950芯片特征（Peak-Peak）857B9950芯片特征（Peak-Peak）857B9950芯片应用867B9950芯片应用86100E1019687100E1019687100E196部分参数88100E196部分参数88.03杂志“”专栏作家“”论坛89.0389其它参考书目—A

H.,W.&A.:&

.I.—A

.高速数字电路设计与噪声控制技术谢金明编著，电子工业出版社电磁兼容技术－设计实践顾海洲马双武著，清华大学出版社90其它参考书目—A90Thanks91Thanks91演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！92高速数字系统设计中的信号完整性安琪中国科学技术大学快电子学实验室2005年4月9日高速数字系统设计中的信号完整性安琪93第3讲：时钟技术3-1一些基本概念和定义3-2时钟的产生3-3时钟的传输和分布94第3讲：时钟技术3-1一些基本概念和定义2系统时钟系统时钟在高速数字系统中扮演着举足轻重的角色，就像一个“节拍”发生器，协调着高速数字系统各部分的工作。如同一个交响乐队的指挥，是核心和灵魂。

系统时钟的性能好坏，直接关系着整个高速数字系统的工作和整体性能。因此，系统时钟的产生，传输和分布在高速数字系统设计中是一个关键所在，其重要性是这么强调都不过分。系统时钟设计的基本目标是在满足系统对时钟抖动（）、时钟偏差（），信号完整性（）等性能指标的要求，将时钟信号传递到系统的各个部件中去。

系统时钟设计的任务基本可以分为两部分：高质量时钟信号的产生。时钟信号的传输与分布。

在讨论高速数字系统的时钟设计之前，首先说明有关时钟的一些基本概念。95系统时钟系统时钟在高速数字系统中扮演着举足轻重的角色，就3-1一些基本概念和定义3-1-1时钟偏差（）

时钟偏差：时钟信号的理想“沿变”和实际上的“沿变”之差。在实际系统中，造成时钟信号的“沿变”与理想“沿变”存在着差别的一个主要原因是因为数字信号经过逻辑器件时，其传输延迟时间上存在着差别。因此，人们也常直观地将时钟偏差定义为器件输出时钟信号的传输延迟时间之差。ABCACB图3-1-1时钟偏差的定义963-1一些基本概念和定义3-1-1时钟偏差（）内部时钟偏差和外部时钟偏差从更广义的角度出发，由于器件之间连线延迟的不同，或者负载条件的不同，都有可能引起时钟信号的实际“沿变”与理想的“沿变”不同。因此可以将时钟偏差分为两类：内部时钟偏差（）：一种是由逻辑器件内部产生的，表现为逻辑器件输出之间信号延迟上的差别。外部时钟偏差（）：另一种是由于连线延迟和负载条件不同引起的延迟差别，被称为外部时钟偏差（）。图4-1-2时钟信号的内、外源示意图97内部时钟偏差和外部时钟偏差从更广义的角度出发，由于器时钟性能损失为了度量由于时钟偏差引起的系统时钟性能损失，人们引进了一个指标，称为时钟性能损失（），它的定义如下：

时钟性能损失=（4-1-1）

其中，F为系统时钟频率，单位为赫兹（）；D为时钟偏差,单位为秒（s）。

时钟性能损失的大小是系统时钟频率和时钟偏差的函数。对于一个给定时钟偏差大小的系统，随着系统时钟频率的提高，时钟性能损失增大；同样，对于一个给定的系统时钟频率，时钟偏差的大小也直接影响着时钟性能损失。98时钟性能损失为了度量由于时钟偏差引起的系统时图4-1-3时钟性能损失的示意图图4-1-3给出了时钟性能损失随系统时钟频率变化和时钟偏差大小变化的例子。

99图4-1-3时钟性能损失的示意图图4时钟性能损失事实上，时钟性能损失表征的是时钟偏差占时钟信号周期的百分比，也就是相对比值。因此，时钟性能损失可以直接用时钟偏差占时钟信号周期的比值来定义：

时钟性能损失=（4-1-2）

其中，T=1为系统时钟的周期为秒（s）。

对于前例，时钟性能损失==5(1/25)=540=0.125100时钟性能损失事实上，时钟性能损失表征的是时钟4-1-2内部时钟偏差的分类由逻辑器件内部产生的时钟偏差，或者说内部时钟偏差，从时钟偏差产生的机制上考虑，可以被划分为三种：1．占空比偏差（）（4-1-3）

时钟信号上升沿的传输延迟时间与下降沿的传输延迟时间之间的差。和的差会导致时钟脉冲的宽度失真。有时也称其为脉冲偏差（）。占空比偏差实质上是表征一个逻辑芯片的同一个管脚对时钟信号不同沿变（或称：跳变）的传输延迟特性，因此定义参数来表征占空比偏差的大小：

图4-1-4时钟信号的占空比偏差

tPLHtPHL理想时钟实际时钟1014-1-2内部时钟偏差的分类由逻辑器件内部产生时钟信号的脉宽之差由图4-1-4可看出：时钟信号沿的传输延迟时间与之间的之差就等于时钟信号正负脉冲的宽度之差。因此也可以用时钟信号的脉宽之差来表示：（4-1-4）时钟信号的占空比可以用百分比的形式表示，如45%:55%，经常将%忽略，直接表示为：45:55。当存在时，时钟信号的频率越高，对大小的要求就越高。如：对于一个频率为25的系统时钟，若要求其占空比为45：55%时，则不能超过4。这时要求：18，同时有22；或者18，同时有22。而对于一个50的系统时钟，则不能超过2，即要求：9，同时有11；或者9，同时有11。

图4-1-5时钟信号的脉冲偏差tHIGHtLOW102时钟信号的脉宽之差由图4-1-4可看出：时钟2．输出管脚间偏差（）输出管脚间偏差（）被定义为在一个器件内各输出管脚之间的最大传输延迟之差，因此也称为：。在一般的逻辑器件手册中，输出时钟信号的传输延迟时间定义有两种：输出时钟信号由高到低的传输延迟时间和由低到高的传输延迟时间，所以输出管脚间偏差也有两个定义，即:（）（）其具体定义为：（4-1-5）（4-1-6）图4-1-6时钟信号的输出管脚间偏差tOSHL理想时钟output1output2tOSLH1032．输出管脚间偏差（）输出管脚间偏差（）被定义3.器件间偏差（）定义：在一个系统中，不同器件的输出上升沿（下降沿）之间的延迟时间差别。用表示。对各种产品手册给出的指标，我们需要特别给予关注，必须明确所给指标的限定条件。这是因为的大小与两个因素有关：一是时钟传输过程的变化，或者说是时钟传输的具体形式不同。二是不同器件所处环境的变化。电源电压变化和环境温度变化是硅器件中影响传输延迟的两个主要因素，对指标来说，这是非常重要的限定条件。对于单电源的单板系统来说，板上各元件使用相同的电源。电源的变化对影响就小一些。而在多电源、多板系统中，电源的变化对影响就成为一个重要的因数。即使不同的板使用同一电源，但由于各处对电源电流的需求不同，使得各板上实际得到电源电压也不同。环境温度变化的影响更为复杂，由于各元件本身产生的热量不同，元件分布的密度不同，散热条件不同，使得个元件所处位置的实际温度差别很大。因而，会产生较大的。1043.器件间偏差（）定义：在一个系统中，不同器件的输出上4-1-3时钟抖动（）时钟偏差虽然对系统时钟的性能影响很大，但其影响可以认为基本上是一种静态因素，或者说，其影响是固定的。定义：当实际时钟信号的边沿与理想时钟边沿的偏离由于受某种因素（如噪声、串扰、电源电压变化等）不断发生变化时，而且这种变化是随机的，这种现象就是我们常说的时钟抖动，或者说时钟晃动。这种偏离相对于理想位置可能是超前，也可能是滞后的，如图7-1-7所示。时钟抖动的数值表示通常有两种：时钟抖动的最大值，即：峰-峰值（），单位一般为皮秒，常用来表示。时钟抖动的均方根值，即所谓的标准方差（），单位一般也为皮秒。图4-1-7时钟抖动示意图1054-1-3时钟抖动（）时钟偏差虽然对系统时钟抖动的分类

一.周期抖动（）周期抖动也被称为短时间抖动（）。它是指相对于理想输入的时钟周期而言，输出时钟跳变偏离其理想位置的偏离量，如图4-1-8所示。理想的输入时钟周期是时钟信号频率的倒数，但是实际输出时钟的每个周期与理想周期都有差值，经过多次测量得到的这种差值的最大值即为周期抖动的峰-峰值，如式(4-1-7)所示。通常把时钟抖动分为三类：周期抖动（），抖动和长期时钟抖动（）其中：()为周期抖动的峰-峰值，()n为在单次测量中，时钟的实际周期与理想周期的偏差，n为整数。图4-1-8周期抖动示意图（4-1-7）106时钟抖动的分类一.周期抖动（）通常把时钟抖动分为三类时钟周期抖动的均方差值

时钟抖动的均方根值经常也用表示，如式（4-1-9）所示。按照数理统计的理论，时钟周期抖动的均方差值可以由式（4-1-8）描述。其中，表示时钟周期抖动的均方差值，表示时钟周期的第i次测量值，T表示时钟周期的理想值。（4-1-8）（4-1-9）107时钟周期抖动的均方差值时钟抖动的均方根值经常也用表示，抖动的均方差值与峰-峰值按照数理统计的理论，时钟周期抖动的均方差值与峰-峰值的关系可以由式（4-1-10）描述。（4-1-10）108抖动的均方差值与峰-峰值按照数理统计的理论，时钟周期半周期抖动（）近年来一种新的高速数据传输技术，即：双数据率（，简称：）得到了大量的应用。与传统的时钟同步传输技术不同，数据传输技术利用时钟信号的两个边沿，即时钟的上升沿和下降沿进行数据传输，从而使数据的传输速率提高了一倍。由于有了这种新的数据传输机制，所谓的“”的新概念被提出。“”是指相对于理想输入时钟周期而言，在半个时钟周期里，输出时钟跳变偏离其理想位置的最大偏离量，如图4-1-9所示。（4-1-10）图4-1-9显示了一个差分时钟信号的完整周期，即两个半时钟周期。理想的输入时钟的半个周期应是两倍的时钟信号频率的倒数，但是实际输出时钟的每半个周期与理想的半周期都有差值，经过多次测量得到的这种差值的最大值即为半周期抖动的峰-峰值，如式4-1-10所示。图4-1-9Half-PeriodJitter示意图109半周期抖动（）近年来一种新的高速数据传输技术，二.前后周期抖动（）前后周期抖动（）是指后一个输出时钟周期相对于前一个输出时钟周期的变化量，如图4-1-10所示。1为第2个时钟周期与第1个时钟周期之间的时钟抖动，而2则是第3个时钟周期与第2个时钟周期之间的时钟抖动。前后周期抖动一般用抖动的最大值表示，即经过多次测量，其测量最大值()就是其最大的。（4-1-11）图4-1-10Half-PeriodJitter示意图110二.前后周期抖动（）前后周期抖动（）是指后一个的测量在时钟抖动测量中，这种的测量是最为困难的，因为需要连续测量两个相邻的时钟周期，这对测量仪器的精度要求非常高，而且为了掌握最大的情况，需要测量大量的数据，需要大量的存储、计算和比较。通常使用专用的时间间隔分析仪（）进行测量。另一种测量方法是使用具有足够内存容量的宽带数字存储示波器。在这种方法中，先用数字存储示波器一次存取大量周期的被测时钟信号，然后使用商业有效的软件或自己编写的专用软件进行分析和计算，得到测试结果。图4-1-10是使用公司的数字存储示波器测试的一个41时钟的。:8600A(6):066(7.5)图4-1-10一个41时钟的111的测量在时钟抖动测量中，这种的测量是最为困难的，三.长时间时钟抖动（）

长时间时钟抖动指的是测量经过大量的时钟周期后，输出时钟跳变偏离其理想位置的最大偏离量。实际的时钟周期数量取决于时钟频率和具体的应用。对于机主板和图像应用，这通常是10-20S。图4-1-11长时间时钟抖动112三.长时间时钟抖动（）长时间时钟抖动指的是测量经时钟抖动的表示方法用绝对时间来表示抖动量，即变化沿偏离理想位置的时间。在叙述上面几种度量方法时，均以绝对时间来表示。用百分比来表示抖动量，即绝对抖动量在一个周期中所占的百分比。用角度来表示抖动量。把一个周期定义为360，抖动被表示为360中一个角度。用均方根值Δ（）来表示抖动量，这是抖动的统计量，可以用峰-峰间的抖动值（）来近似地表示抖动的均方根值Δ，它们之间的近似关系为：例：假定时钟频率为155.52，那么它的周期为1/155.52=6.43=360。假定峰-峰抖动的绝对时间为100，那么：抖动的绝对时间：100＝1.5552（百分比抖动）＝5.598（角度抖动）抖动的统计量：均方根值为：100/7=14.286占周期的百分比：0.015552/7=0.22217（4-1-12）113时钟抖动的表示方法用绝对时间来表示抖动量，即变化沿偏离同步时序方程同步数据传输机制-时序方程：建立方程：保持方程：114同步时序方程同步数据传输机制-时序方程：建立方程：保持方程：本节小结

实际的时钟信号总是存在着误差，指的是“时钟信号的理想“沿变”和实际上的“沿变”之差”。时钟信号的误差，按误差性质来分，可以分为两种：时钟偏差（）：静态误差。时钟抖动（）：动态误差。时钟偏差的大小可用“时钟性能损失”来表示，也可以用偏差的绝对数值表征。时钟抖动一般采用两种方法度量：峰-峰值（）均方根值（）同步时序方程115本节小结实际的时钟信号总是存在着误差，指的是“时钟信号4-2时钟的产生石英晶体振荡器是目前数字电路设计中使用最为广泛的一种时钟源。

在石英谐振器问世之前，人们主要使用振荡器，其频率稳定性只能达到10-4量级。自1880年法国物理学家比埃尔居里兄弟共同发现“压电效应”起，揭开了使用“石英稳频”的序幕。1921年，在居里兄弟发现“压电效应”41年后，英国人用X切50晶体制成了世界上第一个晶体振荡器，频率稳定性达到10-5量级，比振荡器高出一个数量级。随后被用于无线电广播，播出了当时稳定性最高的无线电信号，引起了强烈反响。1927年，石英钟问世，作为“一级频率标准”使用。科学家由此发现了地球自转的不均匀性，结束了以地球自转为基础的“地球时钟”的历史使命。

石英谐振器的技术水平和性能指标决定了石英晶体振荡器的技术水平和性能指标。前者的设计水平和制造工艺技术的每一次突破，都带来了后者在性能指标上的一次突破。大体上，其频率准确性每二十年提高一个数量级。例如：1940年为10-3~10-4；1980年为10-5~10-6；2000年约为10-6~10-7。频率稳定性大约每十年提高一个数量级。4-2-1晶体振荡器1164-2时钟的产生石英晶体振荡器是目前数字电路4-2-2锁相环电路图4-2-13是锁相环电路的基本组成。尽管锁相环的设计方法多种多样，但所有的设计都包含了图4-2-13中的三个基本成分：鉴相器（，简称为：）低通滤波器（，简称为：）压控振荡器（，简称为：）。

锁相环实质上就是自动相位控制，它是一个典型的负反馈系统。它的基本功能是跟踪输入信号的相位，这一功能是通过鉴相器产生一个与输入信号和压控振荡器输出信号的相位差成比例的电压而完成的。相位误差电压通过低通滤波器，在那里抑制了噪声和高频信号成分。经滤波后的相位误差电压调制了频率，重新在鉴相器中与输入信号比较，直到输出以固定的相位关系锁住输入信号。锁相环通过跟踪信号的相位，频率同步和频率跟踪便获得了。图4-2-13锁相环的三个基本组成部分1174-2-2锁相环电路图4-2-13是锁相环电路的4-2-3直接数字合成（）直接数字合成（，简称为：）直接数字合成是用数字控制的方法从一个参考时钟来产生多种频率的输出时钟。输出时钟的频率可以在大范围内变化，并且具有良好的频率分辨率。在要求多种采样率，且变化灵活、范围较大的应用情况下，采用技术来产生系统时钟不失为一个很好的途径。（一）的工作原理图4-2-20是一个的基本原理框图。它的基本技术是所谓的数字控制振荡器技术（：）。图4-2-20的基本原理框图1184-2-3直接数字合成（）直接数字合成（，简称相位累加器的工作原理的核心是相位累加器，如图4-2-20中（虚线框）所示。相位累加器由三部分组成，即相位寄存器，相位寄存器和加法器。

相位累加器的输出随系统参考时钟（）的每一个周期更新一次，即在每一个时钟周期，相位累加器的输出都增加M大小。所以我们称M为相位增量。

假定相位寄存器的M值为00001，而相位寄存器的初始值设定为00000，则每一个时钟周期，相位累加器的输出增加00001。如果相位累加器的字长为32位，即n=32，则相位累加器的输出重新返回到00000的初始值需要个时钟周期。

很显然，M值的大小决定了相位累加器全部输出值循环一次的周期（T）,我们有：输入相位寄存器寄存器寄存器相位MSIN存储器DAC滤波器低通fofcnnnnnN相位累加器由式（4-2-20）可看出，T与M成反比。M值越大，相位累加器全部输出值循环一次的周期就越小，反之依然。（4-2-20）119相位累加器的工作原理的核心是相位累加器，如图4-2-

如图4-2-20中所示：相位累加器的输出用来作为一个正弦波数据存储器的地址。该存储器存有一个完整周期正弦波所对应的全部幅度值，所以，当相位累加器的输出对该存储器寻址时，就得到从0度到360度正弦波波形中的一个相位点。因此，随着相位累加器的输出不断变化（每次增加M大小），正弦波数据存储器中的对应正弦波幅度值就不断被读出。当相位累加器全部输出值被循环一次时（周期为T），则正弦波数据存储器正好输出一个完整周期的正弦波幅度数据。该数据通过一个和一个低通滤波器输出，形成一个完整的正弦波波形。

对于一个n位的相位累加器，一共有个可能的相位点，而相位寄存器中的M值则决定了相位累加器每次增加的量。相位累加器的输出值全部循环一次所需要的周期（T），就是正弦波数据存储器输出一个完整正弦波幅度数据的周期。因此，输出正弦波的频率（f0）就是相位累加器的输出值全部循环一次所需要的周期（T）的倒数。我们有：（4-2-21）式（4-2-21）是的基本关系式，被称为“”。输入相位寄存器寄存器寄存器相位MSIN存储器DAC滤波器低通fofcnnnnnN相位累加器120如图4-2-20中所示：相位累加器的输出用来作为一

数字相位轮很形象地解释了相位累加器的工作原理。

相位轮一周的相位点数量取决于n，最大值为：。

M数值给出了每次相位变化的增量。M大意味着相位轮旋转一周需要的时间少，输出的信号频率就高；M小则意味着相位轮旋转一周需要的时间多，输出的信号频率就低。

输出频率的数值取决于三个因素：M，n和工作时钟。图4-2-21相位累加器的数字相位轮表示121数字相位轮很形象地解释了相位累加器的工作原理。取样输出信号的频谱类似于,当中的正弦数字数据通过一个形成正弦波信号时，输出信号中也同时含有其混叠信号（）的频谱成份。-3.92dB图4-2-23取样输出信号的频谱122取样输出信号的频谱类似于,当中的正弦数字数据通过一个低通滤波器（）按照仙农取样定理，输出频率可高达1/2的时钟频率。但必须有理想的滤波器。理想滤波器是不现实的。物理上可实现的滤波器将输出频率限制在时钟频率的40%以内。DDSLPFfo图4-2-24低通滤波器123低通滤波器（）按照仙农取样定理，输出频DDSLPFfo的特点输出频率范围大从的基本关系式可以