孔徑時間

在模/數轉換過程中，模擬輸入值由輸出數字表示，轉換器取得輸入信號的時刻處在一段時間之內，但並不確定在此段時間內的某點，此段時間叫做孔徑時間。如果使用採樣-保持電路，孔徑時間基本上等於採樣時間。如果沒有採樣保持電路，它基本上等於數字轉換時間。

基本介紹

• 中文名：孔徑時間
• 外文名：aperture time
• 定義：輸入信號的時刻所處的一段時間
• 學科：電子工程
• 特性：在採樣保持電路中等於採樣時間
• 別名：轉換時間

簡介

在模擬量輸入通道中，數模轉換器將模擬信號轉換成數字量需要一定的時間，完成一次數模轉換所需的時間稱為孔徑時間。孔徑時間與數模轉換器的類型有關，並行比較型一般在幾十納秒，逐次比較型在幾十微秒，雙積分型在幾十毫秒數量級。孔徑時間也常常稱為轉換時間。

孔徑時間誤差

將模擬量轉換為數字量是需要時間的，在沒有採樣保持器的系統中，這就是數模轉換器的轉換時間。如果在系統中採用採樣保持器，則由於從採樣到保持狀態，開關動作不能是瞬時的，在採樣保持放大器的輸出端就出現時間上的不確定，這段時間稱為孔徑時間。因為在這段時間“窗孔”範圍內，從模擬量輸入系統能看到輸入信號。在套用實例中，如輸入信號相對於時間的關係很重要的話，則在這時間內如果輸入信號明顯地變化時，孔徑時間的有限寬度就會帶來誤差。這種誤差或者表現為給定測量瞬時下信號瞬時值的誤差，或者表現為繪乏信號瞬時值下進行測量的時間誤差，如圖1所示。

圖1 孔徑時間誤差圖

減少孔徑時間

為了提高輸入模擬信號的頻帶容量。我們可以使用採樣器和保持器，以減少孔徑時間。其原理介紹如下：

圖2 採樣器和保持器

在採樣時刻，將輸入模擬信號的瞬時值存貯在電容上，這就保證在整個變換時間內都能保持不變。如圖2所示，在採樣時刻，緩衝放大器的輸出通過阻抗Z_s對電容充電；一旦達到穩定狀態，就將開關打開，以後根據保持在電容C上的電壓進行數位化。這樣，孔徑時間就減小為採樣開關動作時間和向電容器充電並穩定到規定的精度所需的時間。在用FET作採樣開關時，這一時間很可能是100毫微秒或更少。

實際問題套用

時序元件與動態約束

時序元件的孔徑時間分別用時鐘沿前的建立時間和時鐘沿後的保持時間定義。正如靜態約束限制我們使用在禁止區域外的邏輯電平，動態約束限制我們使用孔徑時間處改變的信號。利用動態約束，我們可以認為時問是基於時鐘周期的離散單元，正如我們將信號電平認為是離散的1和0。一個信號可以有毛刺，也可以在有限時間內反覆振盪。

在面對真實的世界時。動態約束往往是不可能的滿足。比如，考慮一個通過按鈕輸入的電路。一隻猴子可能在時鐘上升時按下了按鈕。此時觸發器捕獲了一個0~1之間的值，這個值不可能穩定到一個正確的邏輯值，這種現象稱為亞穩態。解決這種異步輸入的方法是使用同步器，同步器產生非法邏輯值的機率非常小(但是不為0)。