大家好，这里是大话硬件。
今天想分享一篇关于大话硬件群里的，时钟预留电容工位的问题。
01 问题背景
前段时间在大话硬件群里有人提问，SPI的时钟信号线上串接上了电阻，并且预留了电容C的工位，该如何解释？
群里有几个人对这个问题进行了解答，一致认为是EMC的需求。在RE测试时，预留的电容焊接上能起到非常大的作用。
背后详细的原理和原因到底该怎么解释呢？
02 单板时钟辐射
在电磁兼容辐射测试时，出现超标比较多的案例都是单板上的时钟辐射超标。例如下面这张图，高频段辐射明显超标。在不进行后续分析的情况下，可以初步判断，80%的概率是时钟辐射引起的。
根据傅里叶变换，我们看到的时钟信号，实际上是由很多基波组成。只不过在时域上测试到的是固定周期信号，而在频域上测试就是离散的频谱。
例如下面这张图中（图片来源于网络），左边看到的是时域方波，而右边看到的是频域方波。
在实际的电路中，时钟是方波，数据也是方波，但我们一般都会认为高频单支辐射超标是时钟引起，而不认为是数据引起，这又是为什么呢？
可以借助下面一张图来解释：（图片来源于网络）
时钟是固定的频率，在频域上是有规律间隔的单支能量，而数据在传输过程中，时域上的频率并不是固定的，几个时钟周期内可能都为高电平或者低电平。因此数据的辐射，不是单支的能量，更多的是以包络的形式出现。
根据上面的分析可知，图2中辐射超标为单支能量，而且都是高频，因此大概率是时钟的辐射引起。
03 时钟预留RC
大话硬件群里的提问，他们设计的有源晶振电路下图所示。
电阻R1放置33Ω的原因是用来做阻抗匹配。IC半导体内部管脚输出脚的阻抗一般在22~55Ω之间，外面放置33Ω的电阻可以起到阻抗匹配的作用，降低信号的反射。
要分析电阻R的作用需要做信号完整性方面的仿真，可以仿真出来在源端接不同的电阻发生反射电压的大小。目前在一块没有对应的软件储备，详细的仿真和分析，后面学会了再补上。
在信号线上加电容，对于信号的影响，可以两个维度解释。
维度一：滤波的角度
电阻R1和电容C1形成了低通滤波器，对于高频信号有衰减的作用。因此对于时钟辐射的高频信号，RC可以在一定程度上让高频信号能量往外辐射更少，因此可以降低辐射。
详细的原理共和仿真可以看以前的文章《RC无源高低通滤波器》。这里不再赘述。
维度二：傅里叶变换
根据傅里叶变换，对于一个时钟信号，其频谱的包络在频域上有两个转折点，一个是半峰值时间Tp，一个是上升沿时间Tr。
时钟频谱的第一个转折点由时钟半峰宽度决定，经过该转折点时，幅度以-20dB/dec的斜率下降。
第二个转折点由上升沿或下降沿的时间决定，经过该转折点时，幅度以-40dB/dec的斜率下降。最后包络和横坐标的频率相交于一点。
那么，要降低时钟的高频辐射，比较有效的方式是增大时钟上升和下降的时间，第二个转折点就会更快地到来，对应的高频辐射就会更少。
例如下面的图所示，Tr越小，高频段的辐射能量越多，对应的辐射频段就会越高。
04 实际仿真
很明显，时钟电路中增加了电容C可以增大Tr，因此时钟的包络第二个转折点会向横轴前移，因此高频段的衰减就会更快。有利于RE辐射的测试。
使用下面的图进行仿真，V1模拟时钟信号，输出为标准的5V方波，频率为50MHz，串阻33Ω
进行傅里叶分析后的频谱
从仿真上可以看出，时钟的频谱呈现单支的能量辐射，目前示波器只显示到了100MHz。换个Agient的示波器看起来效果更好一点。
在时钟输出端增加22pF的电容，继续仿真。
从仿真结果可以看出，加电容后时钟的高频段的单支能量明显比未加电容要少。在中心频点400M以上的部分几乎没有，而未加电容时，400M以上的还有2个单支的能量。
05 EMC能力提升
根据上面对时钟分析的相关结果，可以把相关的理论用在静电，浪涌防护的接口设计中。
例如，静电测试标准的静电波形，根据波形的上升时间Tr=0.7~1ns，可以计算出静电的频谱宽度会达到450MHz。
如果要在接口做静电的滤波设计，比如使用电容将静电泄放到地上，必须选择100pF，470pF，1000pF这样容值小的电容，而不是选一个200uF的大电容去做静电的滤波设计。
同样，在EFT测试中，标准波形是下面这样，根据Tr时间是5ns，那么可以计算出频谱的宽度达到65Mz
此时选择EFT的滤波器件，就要选择0.1uF的滤波电容，或者镍锌磁环，镍锌磁环的滤波频段基本都在50MHz以上。而不是再去选用一个1000pF的电容。
06 问题总结
根据前面的分析可以，在时钟上预留一个RC工位，在做辐射测试是很有必要的措施。一般电容C不焊接，如果EMC摸底测试发现时钟信号超标，那可以将该电容焊接上，对整机的EMC辐射是有帮助的。
这个电容在取值时，不是随便取值，10~100M的时钟信号，经验值一般取10~30pF即可，既要保证时钟上升沿不能太缓，又要保证RE的通过。
同时，对于这个辐射包络的问题，还可以用在EMC其他防护器件的选型上。值得大家深入的研究。