數位時脈效能的表現，最重要的規格之一就是準確度，這項數據通常用PPM做單位。準確度在通訊系統中非常重要，不同的通訊技術，對於時脈源的準確度有不同程度的要求。現今已有多種時脈產生器技術，普遍應用於不同層級的需求。
本文將帶您深入瞭解晶體與時脈產生器，究竟是如何共同運作而達到所需的準確性與精確性，這將有助於發展適合的通訊系統時脈解決方案。
時脈系統所能提供的準確程度，除了根據時脈源的石英晶體特性外，還有數位鎖相迴路(PLL)時脈產生器的設定與技術，依照參考源而產生頻率。現在已經有許多時脈產生器的技術，它們提供了不同層級的準確性，以符合各式的應用需求。有效地使用這些技術可以提供更好的準確性，同時也可減少高準確度與精確度的石英晶體所需數量。
時脈準確度的定義為時脈頻率與理想時脈頻率互相比較的結果。這與精確度不同，精確度是指每個測量單位、經過數年之後、或在某個溫度範圍中，時脈頻率的一致性如何。圖1所顯示的就是這兩個不同的觀念。在圖1中，箭與箭之間的平均距離還有靶心是在評量準確度，而箭與箭之間的平均距離則是用來評量精確度。要命中靶心，則準確性與精確性缺一不可。精確度需要在多個單位下的量測，而準確度只需要一項量測。因此，準確度常被拿來當成合格與否的評估要求。
在時脈技術中，準確度與精確度最常使用的單位分別是百分比(%)以及百萬分率(Parts Per Million, PPM)。PPM與百分比類似，差別在於小了一萬倍。一個百分比是一百份之中的一份，而一個 PPM 則是一百萬份中的一份。1%就相當於10,000 PPM。要從PPM轉換到百分比時，只要將PPM的小數點往左移四位即可。
當系統內部需要與外部一致動作時，準確度就十分重要，序列式通訊就是最好的例子。因為在序列式通訊中，系統會預期在某個傳送速率範圍內接收到位元序列，而時脈準確性就變得相當關鍵。如果位元的時序超出預期範圍，就可能會使得接收電路無法鎖定輸入位元序列，導致通訊發生錯誤。
在資料的流量管理與緩衝暫存方面也會需要準確的時脈。如果資料來的速度比系統處理速度還要快，尚未處理的資料就會在緩衝區暫存起來。若經過一段時間後，資料持續送來，而系統依然來不及處理的話，那麼緩衝區空間就會被填滿，導致緩衝區溢位(Buffer Overrun)的狀況，資料也會因而遺失。接收端可以透過流量控制(發送信令通知傳送端降低速度)彌補這種狀況，或是利用資料流中的空白區域(例如 Ethernet上的Inter-Packet Gap，或光纖通道(Fiber Channel)和DVB-ASI的Comma Character)。若資料送入的速度比預期的要慢，並且接收端所預期的是穩定的資料流，此時就可能發生緩衝區資料不足(Buffer Under-run)的情況。這會造成資料流斷續現象，並且可能會對一些像是連續影音的應用造成問題。
通訊技術都會規定資料速率的準確性限制，如此系統才能在最差的狀況下仍保持正常運作。表1所列的是一些常見的序列式通訊協定，與它們在準確度上的規定。值得注意的是，這些都是在實體層上訊號速率的限制，以及這些協定相關的晶片組與零件，可能有自己更嚴格的時脈輸入要求，以符合它們自己特定的製程與誤差容許要求。
時脈抖動與準確度是時脈系統中完全不同的特性，但常常會被混淆。時脈抖動是指平均時脈週期與個別量測的時脈週期之間的差。由於每個個別量測的週期會因時脈抖動而有所變化，但時脈抖動的時脈仍會趨向於平均的週期。從圖1的射箭與箭靶的例子來說，平均的時脈週期就好比箭的平均位置。時脈的平均週期就跟量測準確度時，所用的理想系統時脈週期是一樣的。在計算準確性時與時脈抖動分析是互不相干的。在圖2中我們可以看到，在具有高斯隨機時脈抖動的時脈訊號上，要如何測定時脈的準確度。
石英晶體的特性影響了準確度與精確度。石英晶體主要有三個參數會影響準確性與精確性，即為誤差值(Tolerance)、老化(Aging)和溫度。「誤差值」(Tolerance)是指在相同許多批產品中，預期的石英振盪頻率與實際的石英振盪頻率最大的差異度。而經過一段時間後，在其他條件相同下所測量到的石英晶體振盪頻率可能還會飄移掉，這即為「老化」 (Aging)。石英晶體的振盪頻率也會因為溫度的不同而不同。這些因素共同影響了這些個別的石英晶體與理想的振盪頻率，或與其他石英晶體的頻率之間有多少差異。
我們可以輕易地透過數位鎖相迴路的時脈產生器，利用參考源石英晶體振盪，產生時脈訊號。這類的裝置可以利用單一顆石英晶體產生數種不同的時脈頻率，也可以從一個標準的、常用的石英晶體產生一個特殊的、非標準的頻率。這類的裝置利用封閉迴路與一些除頻器追蹤輸入參考源，如圖3所示。其中，參考輸入頻率 (Reference Input)會被除以一個數值Q，所得到的結果再和電壓控制振盪器(Voltage Controlled Oscillator, VCO)除以P的結果相比較。P與Q的設定必須要使得相位偵測器(Phase Detector)所看到的兩個除頻器出來的結果具有相同的頻率(FREF/Q = FVCO/P)。相位偵測器調整控制VCO的電壓，使得兩個除頻器出來的結果都具有相同的相位差和頻率，並且會設法一直穩定的保持這種狀況。
由於VCO的輸出端會持續追蹤參考輸入的頻率，因此輸出端的精確度就等同於參考輸入的精確度。這就表示如果參考輸入頻率會隨溫度或時間而飄移，那麼時脈產生器的輸出訊號也會隨之飄移。這項特性有一個重要的好處，就是如果參考輸入端是非常精確的，那麼整個時脈產生器不需要花額外的功夫就能得到非常精確的輸出。然而，時脈產生器可能會有一個固定的準確度誤差，這端視P與Q計數器的解析度，及數位的位元數，以及參考輸入頻率與VCO頻率之間的關係。大部分的時候，時脈產生器的輸出準確性可達零誤差，但有些時候還是會有少許的誤差值出現。
舉例來說，若想利用13.5MHz的參考輸入，同時搭配7-bitQ除頻器和8-bitP除頻器，得到83.3330MHz的輸出，最好的設定就是 P=179，Q=29。由於FREF/Q=FVCO/P(相位偵測頻率)，FVCO就可以表示成 FVCO=P/Q×FREF。
在這個例子中，FVCO=(179/29)13.5MHz =83.327586 MHz。這表示了VCO頻率比理想頻率低了5.414kHz，或者說低了65PPM。這個結果包含了石英晶體本身的誤差值、溫度、與老化所帶來的影響。
如果把P的解析度增加到9bits會如何呢？這能讓我們採用更好的設定值：P=500，Q=81。此時FVCO=500/81×13.5MHz= 83.333333MHz。這個結果只比理想的頻率高了333Hz，即4PPM，和之前的–65PPM 比較起來，準確度可說大幅增加了。
而我們要如何計算特定晶體的時脈產生器的最大與最小頻率呢？如果該時脈產生器的準確度誤差為+4PPM，則我們還需要加入晶體誤差值、老化、溫度等特性。
舉例來說，若一顆石英晶體的誤差為+/-30PPM，溫度範圍的影響為+/-50PPM，另外每年頻率飄移的程度最大為+/-5PPM。所以在3年內，採用這顆石英晶體的時脈產生器，最大可能會有+4+30+50+3(5)=+99PPM的誤差，最小可能會有+4–30–50–3(5)=-91PPM的誤差。因此，如果我們的需求為+/-100PPM，那麼這顆石英晶體所製作的時脈產生器在3年內都可符合需求。
有一種時脈產生器的計數稱為Fractional N，它可以進一步改善準確性。在前一段落裡，我們可以設定兩組P與Q得到負的準確度誤差(-65PPM)，以及正的準確誤度差(+4PPM)。如果將P與 Q的值進行動態的變化，我們就可以有效地形成快速切換的Ps與Qs，這讓我們可以幾乎無限制地提高我們的準確度。動態變化的速度必須要夠快，這樣才可以讓鎖相迴路的迴路濾波器將兩種輸出頻率平均起來。以前一節所舉的例子來說，我們可以找出某個Duty Cycle的時間比例給–65PPM的設定，另一部份的時間比例就給4PPM的設定，使得平均起來接近0 PPM。因此，
(公式請見新通訊42期第93頁)
所以只要把94%的時間撥給+4PPM的設定，剩下的6%時間給–65PPM的設定，如此就可以把平均的準確度誤差縮小至–0.14PPM這麼小。若將Duty Cycle的解析度提升，則準確度誤差就可以再更進一步的縮小(例如：千分之942而非百分之94)。
在通訊系統中還有另一項影響時脈準確性的技術，那就是電壓控制晶體振盪器(Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCXO)。這個方法是利用改變石英振盪電路中的電容值，讓石英振盪出來的頻率準確度誤差為正負數百個PPM之間。
這個方法通常是在VCXO的輸入端，輸入類比控制電壓，此外也可以透過一些時脈產生器的序列數位介面達成。在一個具有VCXO的時脈系統中，資料接收系統通常會具備一個外部的控制迴路，以偵測接收到的時脈和自己時脈之間的頻率差或相位差，並且會調整自己VCXO的頻率，一直到頻率與相位皆相符為止。
這樣做雖然會增加部分系統複雜度，但對於一些需要準確性與精確性的應用來說卻是非常重要的。因為VCXO能夠正確無誤地追蹤資料流，因此利用VCXO可以避免緩衝區溢位或資料不足的狀況，如此便不需花費額外的功夫在資料流間隔與流量控制上。圖4所表示的就是VCXO如何與通訊系統連接。
由於VCXO的輸出端會鎖定遠端用來傳送資料的時脈訊號，因此這個輸出時脈也具備有遠端時脈訊號的準確度與精確度的特性。
VCXO的時脈產生器也能搭配使用數位鎖相迴路，如此便可利用被鎖定的晶體振盪頻率當成參考源，產生其他的時脈頻率。因此，電路上的所有時脈訊號皆與遠處傳輸端的時脈具有相同的晶體誤差值、老化、受溫度影響的特性。在廣播型態的應用，如電台廣播、有線廣播、衛星廣播等，都是接收端遠多於傳送端，在這些系統傳送端就可能會使用高準確度與精確度的昂貴石英振盪晶體。這讓所有接收裝置僅需使用便宜的晶體當成參考源，就能接收到的精準的時脈頻率。
時脈準確性對於通訊系統的效能有重大的影響。時脈產生器，例如數位鎖相迴路、Fractional N、或是VCXOs，都可透過石英晶體振盪器產生所需的準確頻率，以建立可靠的通訊連結。在系統中使用最準確的石英晶體，或利用VCXO的鎖定技術產生系統時脈的參考源，都能提升系統其他部分的精準度，同時也可降低額外高精準度晶體的數量與成本。因此，透過瞭解晶體與時脈產生器是如何共同運作，來達到所需的準確性與精確性，將對於發展適合的通訊系統時脈解決方案有莫大的助益。