Clock e temporizzazione

I dispositivi clock e timing comprendono un'ampia gamma di componenti utilizzati per creare, gestire, contare e distribuire i clock digitali. I clock digitali sono forme d'onda periodiche, tipicamente onde quadre. Tutti i circuiti digitali dotati di memoria richiedono le transizioni edge dei clock per aggiornare e archiviare gli stati successivi dei processi. Si chiama sincronizzazione, e i processi che utilizzano clock sono chiamati processi sincroni. Le applicazioni che richiedono l'uso dei clock sono ovunque; quasi tutti i dispositivi digitali che l'uomo ha costruito sin dai primi calcolatori fanno affidamento sui clock.
Un oscillatore di riferimento timing tipicamente genera i clock. Questo è un circuito risonante regolato o regolabile su una frequenza specifica. Quando viene fornita l'alimentazione un loop di feedback positivo fa circolare l'energia acustica associata nell'energia della sezione risonante. Poiché la sezione risonante è un filtro passa banda, l'energia alla frequenza di risonanza è amplificata, mentre tutte le altre sono soppresse fino al punto in cui l'oscillatore continua a risuonare a un'unica frequenza. Se questa energia raggiunge i limiti di ampiezza diventa un'onda sinusoidale tagliata e infine un'onda quadra.
Fondamentalmente un circuito di clock può essere costruito a partire da componenti separati sotto forma di un oscillatore Hartley o Colpittes. Questi solitamente non sono molto precisi. È molto comune trovare circuiti di risonanza in cristallo (ad esempio i cristalli dell'orologio a 32,768 kHz) collocati dall'ingresso all'uscita su un buffer CMOS invertente per produrre un clock (come in molti microcontroller). Gli oscillatori a cristallo di quarzo (XO) sono i dispositivi più comunemente usati oggi. Anche gli oscillatori con circuito di risonanza di onde acustiche superficiali su ceramica sono comuni. Sono disponibili in diverse forme per fornire ulteriore accuratezza e controllo.
Molti circuiti di risonanza sono basati su materiali che cambiano caratteristiche con il tempo, la temperatura e la tensione. Queste caratteristiche riguardano la precisione, la frequenza e la "pullability" (quanto lontano la frequenza può essere sintonizzata in entrambe le direzioni dalla frequenza di risonanza centrale). Gli oscillatori a cristallo a temperatura controllata (TCXO) hanno incorporate reti di compensazione per ridurre la deriva causata dalle variazioni di temperatura. Gli oscillatori in cristallo a temperatura stabilizzata (OCXO) hanno incorporati riscaldatori e loop di controllo temperatura che migliorano ulteriormente l'accuratezza attraverso il controllo dei materiali. Gli oscillatori a cristallo controllato in tensione (VCXO) forniscono una porta di controllo che permette di aggiustare la frequenza più in alto o più in basso a seconda della tensione.
I riferimenti del clock possono essere usati per sintetizzare le altre frequenze utilizzando generatori di clock, moltiplicatori di clock, phase locked loop e sintetizzatori di frequenza. Possono essere memorizzati su buffer e distribuiti su PCB e backplane usando buffer del clock e distributori di clock fan-out. È possibile applicare il dither ai clock nel dominio di frequenza per ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI) (generatore di clock di spettro di diffusione). Il rumore del clock può essere ridotto con gli attenuatori di distorsione. Molti protocolli di comunicazione inseriscono il clock nella transizione dei dati per il recupero nel ricevitore con un phase locked loop (PLL). .I dati vengono quindi recuperati usando un blocco di recupero dati e clock (CDR)- I dati recuperati possono essere ritrasmessi e sincronizzati al clock rigenerato usando un reclocker. Questo permette l'uso di più prolunghe consentendo la comunicazione di dati ad alta velocità a distanze estremamente elevate.
I clock real-time hanno un counter incorporato che accumula oscillazioni per creare informazioni di timing. Possono essere aggiornati al tempo attuale e mantenere una misura del tempo tanto precisa quanto quella che fornirebbe la tecnologia dell'oscillatore. I clock real time tipicamente hanno un sistema di alimentazione di riserva; sono disponibili opzioni interne ed esterne. I moduli GPS sono una fonte diffusa di riferimento temporale altamente accurato per i progetti. Un modulo GPS generalmente fornisce informazioni sul tempo assoluto e può generare eventi di timing di 1 secondo (epoche).