什么是占空比(Duty Cycle/Symmetry )?什么是周期?什么是频率?

晶振知识

什么是占空比?什么是周期?什么是频率?晶诺威科技解释如下:

一、什么是占空比?

占空比(Duty Cycle/Symmetry )是脉冲信号中高电平持续时间与整个周期时间的比率。它通常用于描述脉冲宽度调制(PWM)信号,其中信号在一定频率下在高电平和低电平之间切换。

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60%占空比信号

占空比计算公式如下:

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脉冲高电平持续时间(Ton):是脉冲信号处于高电平状态的时间。

脉冲周期(T):是脉冲信号从开始到重复出现所需的时间长度。

例如:如果一个脉冲信号的高电平持续时间为6毫秒(ms),而其总的周期为10毫秒(ms),那么它的占空比就是:

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占空比单位:% (0%~100%)

除此之外,占空比平均电压也是一个关键参数。平均电压(Average Voltage)是指在一段时间内电压的平均值。对于周期性信号,如正弦波、方波、三角波或脉冲信号等,平均电压是指一个完整周期内电压的平均值。通俗点讲,咱们平时用万用表直流电压档测的就是平均电压。

需要注意的是,平均电压不是有效值电压。

那么,占空比的平均电压怎么计算呢?如下图:

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平均电压计算方法

平均电压 = 峰值电压 * 占空比;

如上图,最高幅度电压(峰值电压)为5V,那么 平均电压 = 5V * 60% = 3V。

也就是说:占空比越大,则平均输出电压越大。如下图所示:

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其他占空比下的平均电压

二、什么是周期?

周期是描述脉冲信号或任何周期性信号的一个基本参数。它指的是信号完成一次完整循环所需要的时间。对于脉冲信号而言,周期是指从一个脉冲的起点下一个相同脉冲起点的时间间隔。

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不同波形的周期T

如上图,方波波形 选择上升沿为起点,那么与 下一个脉冲上升沿的起点的时间间隔就是周期;同理,正弦波波形都是下降沿。

周期T 可以用以下公式来表示:

什么是占空比(Duty Cycle/Symmetry )?什么是周期?什么是频率?

f 是频率,单位通常是赫兹(Hz)。

T是周期,即脉冲信号完成一次完整循环所需要的时间,单位通常是秒(s)。

例如,如果一个脉冲信号的频率为1KHz,那么它的周期为:

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三、什么是频率?

频率是指单位时间内脉冲信号重复出现的次数。频率的单位通常是赫兹(Hz),表示每秒的周期数。

频率的计算公式为:

什么是占空比(Duty Cycle/Symmetry )?什么是周期?什么是频率?

f 是频率,单位通常是赫兹(Hz)。

T是周期,即脉冲信号完成一次完整循环所需要的时间,单位通常是秒(s)。

例如:如果脉冲周期为10毫秒(ms),那么频率为多少呢?

我们首先将 10毫秒(ms) 转换为 秒(s) 来计算频率。1毫秒等于0.001秒,因此周期T为:

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现在我们可以计算频率了:

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所以,如果脉冲信号的周期为10毫秒(ms),那么它的频率是100赫兹(Hz)。这意味着每秒钟脉冲信号会重复出现100次。

附:晶诺威科技产晶体振荡器OSC7050系列占空比为45%~55%,如下图所示:

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拓展阅读:关于晶振上升/下降时间与占空比对信号质量的影响

晶振频率正确也可能导致系统采样错误、通信异常或启动不稳定,这通常与信号边沿速度和占空比有关。

时钟信号不仅控制系统节拍,还定义每一拍的时序边界。在微控制器(MCU)、现场可编程逻辑器件(FPGA)、以及串行器/解串器(SerDes)等高速器件中,信号边沿的微小偏差或抖动会影响采样精度。

在FPGA系统中,如果时钟上升沿过慢,不同逻辑通道间的采样触发点可能出现微秒级偏差,导致时序裕量被压缩;若占空比偏离50%,触发信号提前或滞后,也会增加抖动与误码风险。

当上升/下降时间过慢或波形不对称时,时钟边界模糊,设备容易出现采样偏差。

一、参数含义

上升时间Tr:信号从低电平的10%Vdd上升到高电平90%Vdd所需的时间。下降时间Tr:信号从高电平的90%Vdd下降到低电平10%Vdd所需的时间。占空比Duty Cycle:一个周期内,高电平持续时间占总周期的比例,理想值为50%。

二、影响晶振波形质量的主要因素

不同输出类型的晶振适用于不同场景:差分输出晶振(LVDS、HCSL、LVPECL):边沿快、幅度低、抗干扰强,适合高速数字接口或高同步精度系统。CMOS/TTL输出:性能稳定,适合控制类电路或通用逻辑系统。射频/GPS系统:常用Clipped Sine或纯Sine输出,保证模拟信号完整性。

1、输出驱动结构

CMOS输出采用推挽电路,性能受晶振驱动能力和输出端负载影响,负载过大或驱动不足会减慢边沿速度。LVDS/HCSL采用恒流差分驱动,信号变化快、对称性好,抗干扰能力强。

2、负载电容和PCB走线

晶振内部有典型负载电容(如15pF),保证波形稳定。实际电路中,PCB 走线、电路输入端和其他器件的电容会与晶振内部电容一起形成总负载:总负载过大:上升/下降沿变慢;总负载过小:波形尖锐但易振铃或抖动。

3、电源噪声

晶振对电源纹波敏感,电源噪声会导致输出抖动。设计时应加滤波电容,保持地平面连续,让高速信号有稳定返回路径,减少反射和干扰。

4、设计建议

总负载尽量接近规格书推荐值,可通过PCB走线长度、控制阻抗、匹配电容实现;时钟走线短,阻抗约50Ω;差分线等长,保证同时到达,减少干扰和失真;走线远离高速信号和噪声源,必要时增加地隔离线。

在高性能应用的设计中,应该特别关注晶振的关键性能指标,如上升/下降时间(Rise/Fall Time)、占空比(Duty Cycle)等,以确保输出信号符合目标器件的接口要求。

电话:0755-23068369