DACs 大集合
電路改造 - 時脈升級
2017/7
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這並不是最近才有的問題，只要是數位的裝置，就一定會需要 clock 這東西，這篇不會深入太多，因為相關知識網路上已經太多了，主要就是以我在最近遭遇到的一些規格上的名詞，還有一些實作上的感想，以我自己的認知方式，來稍作一些整理。
一般的數位裝置裡面用的時脈零件，用的頂多是台幣幾十元的零件（我相信大部分的都是這樣），所以也一直讓人產生一個誤解：時脈就是便宜的零件，就像電阻一樣，處理器能動就是沒問題了。在某些領域上也許是這個樣子就能說過去，但是有些地方也是很斤斤計較的，計較到一個時脈零件要比設備本體還昂貴好幾倍價錢也是有的。
那時脈實務上又怎麼產生的？最常見的就是用震盪器來實現，震盪器也已經太多種類，這個部分大家自己上網找就好了，這邊不做太多介紹。
以我手邊的 DAC 裝置來看，最常用到的時脈其實也就四種：10MHz、12MHz、22.5792MHz、24.576MHz，但是在選購震盪器的過程中，就碰到相當多的問題。
一般的數位裝置裡面用的時脈零件，用的頂多是台幣幾十元的零件（我相信大部分的都是這樣），所以也一直讓人產生一個誤解：時脈就是便宜的零件，就像電阻一樣，處理器能動就是沒問題了。在某些領域上也許是這個樣子就能說過去，但是有些地方也是很斤斤計較的，計較到一個時脈零件要比設備本體還昂貴好幾倍價錢也是有的。
再回來講時脈這東西，剛剛用最常見的震盪器來當例子產生時脈，時脈只有兩個字是很簡單，但會延伸出相當多的細節：輸出波形類型、輸出頻率準度、輸出頻率精度、輸出波形是否漂亮、使用電壓、耗電量、要暖機多久、輸出電容、工作溫度範圍，啦哩啦雜隨便講就這麼多需要注意的。
為了方便計算，我以下跟數學相關的計算會都以 10MHz 的震盪頻率作為例子。
Frequency Tolerance
首先是這個東西，頻率公差，這個指的就是你買的 10MHz 震盪器是不是就是真的剛好 10MHz 頻率準，比較像 Accuracy 準度。
一般電子材料行的震盪器什麼牌子的都不知道，有很多連規格都找不到，像這種的公差大都是落在 ±50pmm 或 ±100pmm 甚至更大，我就先用 ±100pmm 來算好了，意思就是說這樣規格的震盪器公差範圍就落在 10MHz ± 1KHz。
這個數據通常東西一買來就決定好了，你買了兩顆 10MHz 的震盪器，有可能一顆是 10.001MHz 的頻率，另一顆是 9.999MHz 的頻率。
而有些高規的震盪器已經能做到 ±50ppb 的公差，換算成實際數值就是 10MHz ± 0.5Hz，公差加起來才 1Hz ㄟ，這已經算非常準的。不過這個數據我並不是非常介意，因為這個公差不是變動的，東西買來就已經決定了，就算不準那至少還算是穩定的數據。除了有些震盪器在通電後暖機前這個數據是真的會跑來跑去的，但震盪器穩定後公差也穩定了。
Frequency Stability
頻率穩定性，比較像 Precision 精度，這也是所有參數中我最在意的一個項目。
穩定性的範圍跟頻率公差差不多，單位也一樣。我們一樣用 ±100pmm 來估算，就表示你買的 10MHz 震盪器每一秒鐘震動的頻率會在 ±1KHz 之間飄動，這種情況下這個 1KHz 就很大了。
9.999MHz 的震盪器（假設你買到就是這樣公差的震盪器）有時候會多震 1KHz 下（剛好變成 10MHz 準了）有時候會少震 1KHz 下（結果變成 9.998MHz 更不準），而且這個參數還會隨著你的使用環境而變動，我們就可以說這個震盪器根本是不準的，但也跟上面提到的，一般電子材料電買到的就是這樣的震盪器（大部分 3C 產品用的料也不會多好），所以或許可以說我們早就習慣這樣不準的頻率了。
通常規格比較好的震盪器頻率穩定性是比頻率公差要好的，以 ±5ppb 為例，就表示你這震盪器的穩定度在 ±0.05Hz 內，遠遠低於 1Hz，若以小數取四捨五入來看，就表示你的震盪器每一秒的頻率都維持在 10MHz（或 9.999MHz）整，這樣的震盪器就很準。
Waveform
就是震盪器的輸出波形，通常是正弦波跟方波這兩種，就看你的裝置是接收哪一種波型，通常是方波，有些機種這兩種都能用。正弦波的話就要注意輸出的電壓，通常是 dBm 或 Vrms，還有諧波抑制的問題。方波也不會比較簡單，扯出的問題也沒比較少，也不知道為什麼大部分的震盪器都是方波輸出，我們就朝這個方向繼續談下去。
Duty Cycle
工作週期，這個是看來是比較沒問題的部份，就是一個方波週期內，0 跟 1 的時間所佔的比例，大部分的規格都可以做到 45%~55% 之間。
Rise / Fall Time
方波要從 0 變換成 1 的過程就是脈波上升時間，要從 1 變換成 0 的過程就是脈波衰減時間，大部分都使用單位為 ns（10 的 -9 次方秒），理想當然是接近 0，數值越大就表示你這方波的波形越像個梯形，要判定是 0 還是 1 的狀態變數就增加，數值越小也表示這個方波是越漂亮的，就以目前看到的規格，很少有接近或超過 10ns 的。
Phase Noise
相位噪音，就以我自己的認知，既然方波在 0 與 1 之間變換狀態，實務上都難免會有上升時間與衰減時間。
所以當在維持狀態時，也不太可能是保持著一條理想上的水平線，一定會有雜訊在裡面，這個部分就是相位噪音，單位是 dBc / Hz，其值是越接近 -∞ 越好。
這個部分就跟聲音有直接關係了，頻率低的聲音，噪音就較大，頻率高的聲音，噪音反而小。絕大部分的震盪器在 1Hz 時都大於 -80 dBc/Hz，少部分高階的震盪器能夠小於 -100 dBc/Hz。
這東西站長我是完全外行的，所以用我理解的方式來試著解釋，就變成這種超白話可能還有些超白痴的解釋方式。跟震盪器相關的項目還不只這些，我只列出我曾經關心過的，因為也怕以後自己看不懂，所以也可能很多地方講錯。
震盪器的規格還有描述了：頻率老化程度、Jitter、有些類型的震盪器還可以微調頻率。不過這些都不是我們現在要討論的細節。
最後還是回到我一開始的出發點：就是用在 DAC 上，這樣又多幾個必須要關心的問題，工作電壓、啟動電流、工作電流、暖機時間，其實還真是個挺麻煩的東西。
這也帶出一個議題，優良的震盪器其實是相當昂貴的東西，雖然現在很多數位產品都內建 DAC，所以這也表示一定有時脈這個東西存在，價錢兩位數跟六位數的震盪器功能其實都一模一樣，就差在精度跟準度，但人的耳朵也是挺神奇的器官，其實還真的聽得出差別。
在寫這篇之前，站長也已經實作過一些成品來測試，以後有機會慢慢將圖文補上，大家就可以先試著想像看看，原本聽的 DAC 用的是時脈不準的震盪器，現在將時脈改進了，聲音會產生多少變化，由於我並不是發燒友，對聲音的形容很不在行，只能說將時脈改進，文字上能夠形容的名詞就能超過十種。
