DE10231155B4

DE10231155B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Analog-Digitalumwandlung unter Verwendung eines zeitvariierenden Referenzsignals

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Publication number: DE10231155B4
Application number: DE10231155A
Authority: DE
Inventors: Linda Argon Calif. Kamas; Jochen Calif. Rivoir
Original assignee: Verigy Singapore Pte Ltd
Current assignee: Advantest Singapore Pte Ltd
Priority date: 2001-07-14
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2022-07-11
Also published as: DE10231155A1; JP2003124810A; JP4049630B2; US6429799B1

Abstract

Verfahren (100) zum Umwandeln eines analogen Signals (S) in eine digitale Darstellung, wobei das Verfahren (100) folgende Schritte aufweist: Erzeugen (110) einer Quantität N von zeitvariierenden Referenzsignalen, deren Amplitudenwerte eine vorbekannte Funktion der Zeit sind, wenn N eine Ganzzahl größer als 1 ist; Vergleichen (120; 120') einer Amplitude des Analogsignals mit einer Amplitude von jedem Referenzsignal, um zu bestimmen, ob die Analogsignalamplitude größer als, kleiner als oder gleich jeder Referenzsignalamplitude ist; und Erzeugen (130, 130') eines Zeitstempels, wenn die Analogsignalamplitude gleich der Amplitude von jedem Referenzsignal ist, wobei jeder Zeitstempel der Zeit des Auftretens eines Amplitudengleichheitsereignisses entspricht, und wobei die digitale Darstellung ein Satz von Zeitstempeln ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verarbeitung von analogen Signalen. Speziell bezieht sich die Erfindung auf die Analog-Digitalumwandlung von analogen Signalen unter Verwendung von Zeitstempeln von charakteristischen Signalereignissen.
Die analogen Signale werden durch eine große Vielfalt an verschiedenen Vorrichtungen und Systemen erzeugt und/oder in denselben verwendet. In vielen dieser Systeme dienen die analogen Signale als eine Einrichtung zum Übertragen von Informationen von einem Abschnitt des Systems zum anderen. Die Vorrichtungen, die die Systeme bilden, die analoge Signale verwenden, funktionieren, um die analogen Signale zu erzeugen, zu modifizieren, zu empfangen und/oder zu erfassen. Beispiele von Systemen oder Vorrichtungen, die analoge Signale verwenden, umfassen Sensoren zum Überwachen von Umgebungs- oder anderen Systembedingungen und eine große Vielfalt an unterschiedlichen Kommunikationssystemen.
In vielen praktischen Situationen, die in der Realität anzutreffen sind, ist es notwendig oder zumindest wünschenswert, analoge Signale in eine digitale Darstellung zu transformieren. Dies gilt besonders in Fällen, wo eine digitale Methodik größtenteils dazu verwendet wird, die analogen Signale zu verarbeiten und zu analysieren. Zum Beispiel verwenden die meisten Hersteller von integrierten Schaltungen (ICs) eine bestimmte Form von automatisierter Testausrüstung (ATE), um die IC-Produkte, die hergestellt werden, zu prüfen. Obgleich die ATEs überwiegend auf Basis der Digitaltechnologie implementiert sind, erzeugen oder verwenden viele der modernen ICs, die hergestellt und getestet werden, analoge Ausgangssignale. Dies erlangt insbesondere immer mehr Gültigkeit, wenn moderne System-auf-Chip-Vorrichtungen von der Konzept- zur Produktphase übergehen. Das Problem für die Konstrukteure und Benutzer von ATEs besteht darin, wie man analoge Signale in ein Format transformiert, daß durch die digitale ATE genutzt werden kann. Ein darauf bezogenes Problem ist die Rekonstruktion des analogen Signals aus der digitalen Darstellung.
Der herkömmliche Lösungsansatz zum Umwandeln eines analogen Signals in eine digitale Darstellung ist, einen Analog-Digitalwandler (ADW) zu verwenden. Herkömmliche ADWs tasten die Amplitude des analogen Signals oder den Signalverlauf in aufeinanderfolgenden regelmäßig voneinander beabstandeten Zeitpunkten ab. Die abgetasteten Amplitudenwerte werden durch einen von mehreren Lösungsansätzen, die in der Technik hinreichend bekannt sind, in ein digitales Format umgewandelt (d. h. digitalisiert). Nach der Digitalisierung wird das analoge Signal durch eine Sequenz von digitalen Werten, die die durch ADW abgetasteten Amplituden darstellen, dargestellt. Normalerweise ist die Zeitgebung der digitalen Werte in der Amplitudensequenz implizit aus dem Umwandlungsschema, das verwendet wird, bekannt. Zu den allgemein verwendeten ADW-Lösungsansätzen, die in der Technik bekannt sind, gehören die Überabtastungswandler, wie z. B. die Delta-Sigma-modulatorbasierten-ADWs, die Sukzessivannäherungs-ADWs und sogenannten Flash-ADWs. Jede dieser Technologien erzeugt schließlich eine Zeichenfolge von digitalen Worten, in einer Zeitsequenz in gleichmäßig voneinander beabstandeten Zeitintervallen, wobei jedes Wort einen abgetasteten Amplitudenwert in digitaler Form darstellt.
Das analoge Signal kann von den digitalen Worten, die durch den herkömmlichen ADW unter Verwendung eines Digital-Analog-Wandlers (DAW) erzeugt wurden, rekonstruiert werden. Der DAW „liest” oder verarbeitet jedes aufeinanderfolgende digitale Wort in der Zeitsequenz und erzeugt einen analogen Spannungspegel am DAW-Ausgangstor, der jedem dieser Worte entspricht. Indem die digitalen Worte in einer Weise gelesen werden, die mit der Ordnung und Zeitgebung der ursprünglichen Analog-Digitalumwandlung übereinstimmt, kann der DAW das analoge Signal exakt rekonstruieren.
Obgleich die herkömmliche amplitudenabgetastete Analog-Digitalumwandlung oder Amplitudensequenz-Analog-Digitalumwandlung eine Umwandlung hoher Wiedergabetreue von analogen Signalen in eine digitale Form liefern kann, können herkömmliche ADWs in manchen Fällen kostspielig in der Ausführung sein. Speziell sind viele der herkömmlichen ADW-Technologien für einfache, exakte Auf-Chip-Implementierungen nicht besonders geeignet. Dies gilt besonders, wenn man eine Auf-Chip-Umwandlung von analogen Signalen für die Zwecke eingebauter Selbsthilfetests (BIST; BIST = built-in-self-test) oder im Entwurf für Testfälle, (DFT; DFT = design for test), die in Verbindung mit einer externen digitalen ATE verwendet werden, berücksichtigt. Desgleichen kann die Verwendung von herkömmlichen ADW-Lösungsansätzen als eine Schnittstelle zwischen einer Analogvorrichtung und einer ATE viele Probleme aufwerfen, von denen das geringste nicht der Bedarf an zusätzlichen zweckgebundenen Betriebsmitteln in der ATE ist, um die oftmals eine hohe Datenrate aufweisenden digitalen Signale, die durch einen herkömmlichen zeitabtastenden ADW erzeugt werden, zu realisieren. Schließlich ist die Bandbreite von vielen herkömmlichen ADWs streng durch den Schaltungsaufbau eingeschränkt, der notwendig ist, um die Analog-Digitalumwandlung zu beeinflussen, insbesondere, wenn viele Bits einer Amplitudengenauigkeit gewünscht sind.
Folglich wäre es von Vorteil, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Transformieren eines analogen Signals in eine digitale Darstellung zu schaffen, die die Schlüsselcharakteristika des analogen Signals bewahren und die optional die exakte Signalrekonstruktion von der digitalen Darstellung liefern könnten. Zusätzlich wäre es von Vorteil, wenn ein solches Verfahren und Vorrichtung auf ein beliebiges analoges Signal angewendet werden könnten, eine hohe Bandbreitenkapazität aufwiesen und entweder auf einem Chip oder außerhalb eines Chips effizient implementiert werden könnten. Ein solches Verfahren und Vorrichtung würden einen seit langem bestehenden Bedarf im Bereich der Analog-Digitalsignalumwandlung befriedigen, insbesondere, da die Umwandlung auf die Verarbeitung und das Testen von analogen Signalen durch digitale Systeme, wie z. B. ATEs, bezogen ist.
Aus der DE 29 33 070 C2 ist ein Verfahren zur Umwandlung analoger elektrischer Signalwerte in digitale elektrische Signalwerte bekannt, bei dem zur Digitalisierung einer elektrischen Spannungs-Zeit-Funktion die Ordinate der elektrischen Signalwerte in Rasterzeilen zerlegt wird, indem eine kleinste Vorgabespannung angelegt wird, und bei dem ein digitaler Hochpegel-Signalwert dann entsteht, wenn die in einem ersten Messzyklus durch einen ersten Ultraschallimpuls erzeugte analoge elektrische Signalspannung diese Vorgabespannung überschreitet, während ein digitaler Niederpegel-Signalwert entsteht, wenn dies nicht der Fall ist. In zweiten und weiteren Messzyklen wird dies für zweite und weitere Ultraschallimpulse mit jeweils heraufgesetzten Vorgabespannungen wiederholt. Die so ermittelten digitalen Signalwerte werden zeitrasterrichtig addiert.
Aus der DE 34 90 308 C1 sind ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum frequenzunabhängigen Abtasten und Abspeichern von Signalen mit unbekannter Steilheit bekannt, wobei das Signal mit Überwachungspegeln verglichen wird und als Abtastinformation diejenigen Zeitpunkte erfasst werden, bei denen der Wert des Signals mit dem Wert des einzelnen Überwachungspegels identisch ist. Eine Gruppe von Überwachungspegeln wird gleichzeitig erzeugt und das zu erfassende Signal wird gleichzeitig mit allen erzeugten Überwachungspegeln der Gruppe verglichen.
Die DE 100 07 148 A1 offenbart einen Digitalisierer zum Umwandeln eines von einer Halbleitervorrichtung ausgegebenen analogen Signals in ein digitales Signal. N Analog/Digital-Wandler sind vorgesehen, die aufeinanderfolgend das analoge Signal von der Halbleitervorrichtung in das digitale Signal umwandeln. Eine N-Weg-Zeitverschachtelungseinheit ist vorgesehen, die die von den Analog/Digital-Wandlern ausgegebenen digitalen Signale in Folge verschachtelt und eine Datenfolge erzeugt. Abtastphasenfehler werden mittels einer Schmetterlingsoperationseinheit, die in einer FFT-Verarbeitungseinheit enthalten ist, korrigiert.
N. Sayiner, H. V. Sorensen and T. R. Viswanathan, „A Level-Crossing Sampling Scheme for A/D Conversion,” IEEE Transactions an Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing, Bd. 43, Nr. 4, S. 335–339, Apr. 1996, offenbaren ein Schema für eine Analog/Digital-Wandlung, bei dem Abtastwerte eines Eingangssignals dadurch erzeugt werden, dass die Zeitpunkte, zu denen das Signal feste Quantisierungspegel überschreitet, aufgezeichnet werden. Die dadurch erzeugte nicht gleichmäßige Abtastsequenz wird durch eine Polynom-Interpolation in gleichmäßige Abtastwerte transformiert.
Aus I. Bar-David, „An Implicit Sampling Theorem for Bounded Bandlimited Functions,” Information and Control, Bd. 24, S. 36–44, 1974, ist ein implizites Abtasttheorem für bandbegrenzte Funktionen bekannt, bei dem Abtastwerte einer Funktion zu vorausgewählten Zeitpunkten genommen werden. Zum Abtasten der Funktion werden Zeitpunkte bestimmt, die Schnittpunkten mit einer Funktion Ccos2πωt entsprechen. Zusätzlich wird der Wert der Funktion am Zeitpunkt Null bestimmt, so dass aus diesen Werten Rückschlüsse auf die ursprünglich abgetastete Funktion gezogen werden können.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung, die einen geringen Aufwand erfordern, zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch Verfahren gemäß Anspruch 1 und 11 und Vorrichtungen gemäß Anspruch 14, 18 und 19 gelöst.
Die vorliegende Erfindung ist ein neuartiges Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln von analogen Signalen in eine digitale Darstellung, die aus Zeitstempeln besteht. Die digitale Darstellung des analogen Signals, das durch das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, basiert auf einer Zeitsequenz und nicht auf einer herkömmlichen Amplitudensequenz. Statt dessen erzeugen das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Sequenz von digitalisierten Zeitstempeln bei oder entsprechend dem Auftreten eines Satzes von vorbestimmten Amplitudenereignissen innerhalb des analogen Signals. In anderen Worten bildet die vorliegende Erfindung das analoge Signal auf eine Serie von Ereignissen ab und zeichnet die Zeit des Auftretens dieser Ereignisse auf. Die Ereignisse gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch eine Amplitudenbeziehung zwischen einem analogen Signal oder einem Testsignal (SUT; SUT = signal under test) und einem oder mehreren zeitvariierenden Referenzsignalen definiert. Die Zeitaufzeichnung des Auftretens der Ereignisse, die durch das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, ist eine Sequenz von Zeitstempeln oder kann zumindest teilweise als eine solche betrachtet werden. Die Zeitstempelsequenz, die für ein analoges Signal durch das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, die mit dem Wissen um die Ereignisse, die der Zeitstempelsequenz zugeordnet sind, kombiniert ist, kann genügend Informationen liefern, um die Rekonstruktion des Signals von den Zeitstempeln zu erlauben.
Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Umwandeln eines analogen Signals in eine Zeitstempeldarstellung vorgesehen. Speziell kann das analoge Signal entweder ein Signal sein, das an einem Ausgang eines Testobjekts erzeugt wird, ein Signal innerhalb des Testobjekts oder ein Signal, das von einer unspezifizierten analogen Signalquelle empfangen wurde. Das Verfahren weist die Schritte des Erzeugens einer Quantität N von zeitvariierenden Referenzsignalen auf. Die Quantität N ist eine Ganzzahl gleich oder größer als eins. Das Verfahren weist ferner den Schritt des Vergleichens des analogen Signals mit der Quantität N von zeitvariierenden Referenzsignalen auf. Während des Schritts des Vergleichens wird eine Bestimmung vorgenommen, ob eine Amplitude des analogen Signals größer als, gleich oder kleiner als ein oder mehrere der Amplituden der N zeitvariierenden Referenzsignale ist. Das Verfahren weist ferner den Schritt des Erzeugens eines Zeitstempels auf, jedesmal wenn bestimmt wird, daß die Analog-Signalamplitude gleich der Amplitude von einem der zeitvariierenden Referenzsignale ist. Das Verfahren zum Umwandeln weist ferner einen optionalen Schritt des Speicherns der Zeitstempel und einen optionalen Schritt des Rekonstruierens des analogen Signals von den Zeitstempeln auf. Ferner weist der Schritt des Vergleichens entweder ein gleichzeitiges Vergleichen des analogen Signals mit der Quantität N von Referenzsignalen in paralleler Weise oder ein sequentielles Vergleichen des analogen Signals mit jedem der Quantität N von Referenzsignalen auf, bis alle Referenzsignale verglichen worden sind.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Schritt des Erzeugens eines Zeitstempels den Schritt des Einrichtens von logischen Pegeln in einer Quantität N von digitalen Signalen auf, wobei ein digitales Signal jedem unterschiedlichen der N Referenzsignale entspricht. Ein erster logischer Pegel wird separat in jedem der N digitalen Signale eingerichtet, während die analoge Signalamplitude größer als die Amplitude der entsprechenden der N Referenzsignale ist. Ein zweiter logischer Pegel wird separat in jedes der digitalen Signale eingerichtet, während die analoge Signalamplitude weniger als die Amplitude der entsprechenden der N Referenzsignale ist. Ein Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten logischen Pegel in dem digitalen Signal ist ein Zeitstempel, der die Zeit markiert, wenn die analoge Signalamplitude gleich der Amplitude des entsprechenden Referenzsignals ist.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Verfahren zum Umwandeln eines analogen Signals ferner den optionalen Schritt des Messens und Erzeugens eines digitalen Zeitstempels entsprechend der Zeit des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten logischen Pegel auf. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Zeitstempel, der in dem Schritt des Erzeugens erzeugt wird, ein digitales Wort, das direkt von den Ergebnissen des Schritts des Vergleichens erzeugt wird. Zum Beispiel kann das digitale Wort durch einen Übergangsintervall-Analysator (TIA) erzeugt werden.
Die Schritte des Erzeugens und Vergleichens werden ausgeführt, bis das digitale Signal Darstellungen für eine Mehrzahl von analogen Signalamplitudenereignissen aufweist. Allgemein wird durch einen Kompromiß zwischen einer Testzeit und einer Testqualität bestimmt, wie viele Amplitudenereignisse in der Mehrzahl enthalten sind. Ein Fachmann kann bezüglich einer gegebenen Testsituation und eines gegebenen Signals, das getestet wird, ohne weiteres eine ausreichende Anzahl von Amplitudenwerten für die Mehrzahl ohne unnötiges Experimentieren bestimmen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Umwandeln eines analogen Signals in eine Quantität N von digitalen Signaldarstellungen vorgesehen. Speziell kann das digitale Signal entweder ein Signal sein, das am Ausgang eines Testobjekts (DUT) erzeugt wird, ein Signal im Inneren des DUT oder ein Signal, das von einer unspezifizierten analogen Signalquelle empfangen wird. Die Vorrichtung weist einen Vorrichtungseingang, eine Referenzsignalquelle, eine Quantität N von Komparatoren und eine Quantität N von Vorrichtungsausgängen auf, wobei N eine Ganzzahl gleich oder größer als eins ist. Die Referenzsignalquelle erzeugt eine Quantität N von zeitvariierenden Referenzsignalen, wobei sich die Referenzsignale voneinander unterscheiden. Jeder Komparator weist einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang auf. Der erste Eingang von jedem Komparator ist mit dem Vorrichtungseingang verbunden und empfängt ein analoges Signal, wobei die Amplitude des analogen Signals als eine Funktion der Zeit variiert. Der zweite Eingang von jedem Komparator empfängt ein unterschiedliches der Quantität N Referenzsignalen, die durch die Referenzsignalquelle erzeugt werden. Jeder Komparator erzeugt ein digitales Signal am Komparatorausgang. Der Ausgang von jedem Komparator ist mit einem unterschiedlichen der N Vorrichtungsausgänge verbunden. Die Vorrichtung kann als eine alleinstehende Einheit implementiert sein oder sie kann in eine Vorrichtung als Teil eines eingebauten On-Board-Test-Schaltungsaufbaus eingebaut sein.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist eine Vorrichtung zum Umwandeln eines analogen Signals in eine digitale Signaldarstellung vorgesehen. Bei dem alternativen Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung einen Vorrichtungseingang, eine Referenzsignalquelle, einen Komparator und einen Vorrichtungsausgang auf. Die Referenzsignalquelle erzeugt sequentiell eine Quantität N von zeitvariierenden Referenzsignalen, wobei sich jedes Referenzsignal in der Sequenz von anderen der Referenzsignale unterscheidet und jedes Referenzsignal für eine endliche Zeitperiode erzeugt wird. Der Komparator weist einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang auf. Der erste Eingang des Komparators ist mit dem Vorrichtungseingang verbunden und empfängt ein analoges Signal, wobei die Amplitude des analogen Signals als eine Funktion der Zeit variiert. Der zweite Eingang des Komparators ist mit der Referenzsignalquelle verbunden und empfängt die Sequenz von Referenzsignalen, die durch die Referenzsignalquelle erzeugt werden. Der Komparator erzeugt ein digitales Signal am Komparator ausgang, wobei das digitale Signal von einem Vergleich zwischen dem analogen Signal und jedem der Referenzsignale im Hinblick auf die Zeit sequentiell abhängig ist. Die Vorrichtung kann als eine alleinstehende Einheit implementiert sein, oder sie kann in eine Vorrichtung als Teil eines eingebauten On-Board-Test-Schaltungsaufbaus eingebaut sein.
Bei noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Umwandeln eines analogen Signals in eine digitale Darstellung vorgesehen. Das System weist die Analog-Digitalumwandlungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung auf. Die Vorrichtung weist einen Eingang auf, der ein analoges Signal und eine Quantität N von Vorrichtungsausgangssignalen empfängt, wobei N eine Ganzzahl gleich oder größer als eins ist. Die Vorrichtung vergleicht das analoge Signal mit einer Quantität N von zeitvariierenden Referenzsignalen und erzeugt eines einer Quantität N von digitalen Signalen an jedem Vorrichtungsausgang. Die logischen Zustände der digitalen Signale werden durch die Vergleiche bestimmt. Das System weist ferner eine Quantität N von Übergangsintervallanalysatoren (TIAs) auf. Jeder TIA weist einen Eingang und einen Ausgang auf, so daß jeder Vorrichtungsausgang mit dem Eingang von einem TIA verbunden ist. Jeder TIA codiert die Zeitgebung der logischen Übergänge in einem jeweiligen digitalen Signal. Optional weist das System ferner ein Testsystem zum Testen eines Testobjekts mit einer Quantität N von Toren auf. Jedes Tor des Testsystems ist mit dem Ausgang von einem TIA verbunden. Das Testsystem verwendet die codierten Zeitgebungsinformationen in den digitalen Signalen aus den TIA als Zeitstempel der Ereignisse in dem analogen Signal, um zu bestimmen, ob das Testobjekt die Spezifikationen erfüllt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen identische Bezugszeichen identische Strukturelemente bezeichnen, näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Umwandeln eines analogen Signals in eine digitale Darstellung unter Verwendung einer Analog-Zeitumwandlung der vorliegenden Erfindung;
2 ein Flußdiagramm eines bevorzugen Ausführungsbeispiels des Schritts des Erzeugens eines Zeitstempels des Verfahrens, das in 1 gemäß der Erfindung dargestellt ist;
3 eine graphische Darstellung der Analog-Zeitumwandlung eines analogen Signals in eine digitale Signaldarstellung gemäß dem Verfahren, das in 1 dargestellt ist;
4A ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Analog-Digitalumwandlungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
4B ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Analog-Digitalumwandlungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung; und
5 ein Blockdiagramm eines Systems zum Testen eines Testobjekts unter Verwendung der Analog-Digitalumwandlungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung ist ein neuartiges Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln eines analogen Signals S(t) in eine digitale Darstellung, wobei die digitale Darstellung eine Sequenz von Zeitstempeln aufweist. Zusätzlich erleichtern das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung das Testen eines Testobjekts, das ein analoges Signal entweder als ein Ausgangssignal oder ein Signal im DUT erzeugt. Die digitale Darstellung, die durch das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, zeichnet die Zeit des Auftretens einer Mehrzahl von Amplitudenereignissen im analogen Signal als Zeitstempel auf. Die Amplitudenereignisse werden durch zeitvariierende Amplituden von einem oder mehreren Referenzsignalen definiert. Als solche kann die digitale Darstellung der analogen Signalamplitudenereignisse als eine analoge Zeitstempeldarstellung des analogen Signals betrachtet werden.
Die Zeitstempeldarstellung und Informationen bezüglich des Referenzsignals oder der Referenzsignale können verwendet werden, um ein abgetastetes analoges Signal von dem Zeitstempel basierend auf der digitalen Darstellung zu rekonstruieren. Unter anderem kann das rekonstruierte analoge Signal dann durch ein Testsystem verwendet werden, um das Signal an sich auszuwerten oder um die Leistung eines Testobjekts, das das Signal erzeugte, auszuwerten. Alternativ können die Zeitstempel direkt ohne Signalrekonstruktion verwendet werden, um das analoge Signal und/oder das DUT zu testen oder auszuwerten. Ein solcher Testvorgang kann einen Bestanden/Durchgefallen-Test und/oder einen Analog-Charakteristik-Test basierend auf Vorrichtungsspezifikationen und einer Signaturanalyse umfassen, ist jedoch nicht auf dieselben beschränkt. Der Begriff „Signaturanalyse”, wie hierin verwendet, bezieht sich auf das Vergleichen von Zeitstempeln, die für das DUT erzeugt wurden, mit äquivalenten Zeitstempeln, die für eine Vorrichtung erzeugt wurden, das als ein „gutes Objekt” bekannt ist. Mit einem „guten Objekt” ist gemeint, daß die Vorrichtung gemäß den Vorrichtungspezifikationen arbeitet.
Das analoge Signal S(t) ist für den Zweck der hierin enthaltenen Erörterung als ein Signal mit einer Amplitude s(t) definiert, die variiert oder nichtdiskrete Werte als eine Funktion der Zeit annimmt. Vorzugsweise weist das analoge Signal eine zeitvariierende Signalamplitude s(t) auf, die durch eine kontinuierliche Funktion der Zeit beschrieben werden kann. Noch bevorzugter ist, wenn die zeitvariierende Signalamplitude s(t) durch eine glatte, kontinuierliche Funktion der Zeit beschrieben werden kann. Der Begriff „glatt”, der hierin unter Bezugnahme auf eine Funktion der Zeit verwendet wird, bedeutet, daß zumindest die erste Ableitung nach der Zeit im Hinblick auf die Funktion, die die zeitvariierende Signalamplitude s(t) beschreibt, existiert und für die gesamte Zeit t größer Null, jedoch kleiner als eine maximale Zeit T_max definiert ist.
Bei einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Umwandeln 100 eines analogen Signals S(t) in eine digitale Signaldarstellung vorgesehen. 1 stellt ein Flußdiagramm des Verfahrens zum Umwandeln 100 der vorliegenden Erfindung dar. Das Verfahren zum Umwandeln 100 weist den Schritt des Erzeugens 110 einer Quantität N von zeitvariierenden Referenzsignalen R_i(t) auf, wenn i = 1, ..., N und N gleich oder größer als 1 ist. Jedes Mitglied der Quantität N von zeitvariierenden Referenzsignalen R_i(t) unterscheidet sich voneinander. Daher ist ein i-tes Referenzsignal R_i(t) nicht gleich einem j-ten Referenzsignal R_j(t) für alle i ≠ j, wenn i, j gleich 1, ..., N ist.
Im Einzelfall kann das zeitvariierende Referenzsignal R_i(t) der Quantität N der Referenzsignale ein beliebiges Signal mit einer Amplitude sein, die variiert oder nichtdiskrete Werte als eine Funktion der Zeit in einer Weise annimmt, die a priori bekannt ist. Das soll heißen, daß das Referenzsignal R_i(t) ein „bekanntes” Signal ist. Vorzugsweise weist das i-te zeitvariierende Referenzsignal R_i(t) eine zeitvariierende Signalamplitude r_i(t) auf, die durch einen Signalverlauf beschrieben werden kann, der eine kontinuierliche Funktion der Zeit ist. Im allgemeinen kann der Signalverlauf entweder periodisch, mit einer Periode T wiederholend, oder aperiodisch, nichtwiederholend sein. In der Praxis werden periodische Signalverläufe bevorzugt, da periodische Signalverläufe leichter zu erzeugen sind als aperiodische Signalverläufe. Noch mehr bevorzugt wird, wenn ein Signalverlauf oder Signalverläufe gewählt werden, die einfach und ohne großen Kostenaufwand erzeugt werden können.
Zusätzlich, obwohl dies nicht erforderlich ist, wird bevorzugt, daß die zeitvariierenden Signalamplituden r_i(t) der Referenzsignale R_i(t) einen erwarteten Amplitudenbereich des analogen Signals S(t) umspannen. Das Umspannen des erwarteten Bereichs trägt dazu bei, sicherzustellen, daß das analoge Signal S(t) adäquat durch die Referenzsignale R_i(t) abgetastet wird. Die zeitvariierenden Signalamplituden r_i(t) umspannen einen erwarteten Amplitudenbereich des analogen Signals S(t), wenn zumindest eines der Referenzsignale R_p(t) einen minimalen Amplitudenwert r_p(t) = rmin_p aufweist, der kleiner oder gleich einem erwarteten Mindestwert smin der Amplitude s(t) des analogen Signals S(t) ist, und zumindest eines der Referenzsignale R_q(t) einen maximalen Amplitudenwert r_q(t) = rmax_q aufweist, der größer oder gleich einem erwarteten maximalen Wert smax der Amplitude s(t) des analogen Signals S(t) ist.
Beispiele von Signalverläufen, die zur Verwendung beim Beschreiben des zeitvariierenden Referenzsignals R_i(t) geeignet sind, umfassen eine Sinuswelle, einen Sägezahnverlauf, einen Dreiecksverlauf, einen Chirp, eine Rampe, eine Rechteckswelle, einen mehrpegelgestuften Verlauf und einen Verlauf mit einer Pseudozufalls-Amplitudenvariation im Hinblick auf die Zeit, sind jedoch nicht auf dieselben beschränkt. Allgemein werden Signalverläufe mit einer endlichen Neigung, wie z. B. eine Sinuswelle oder ein Chirp, bevorzugt, da Diskontinuitäten in der Neigung oder in den Bereichen der nichtfiniten Neigung zu Mehrdeutigkeiten in die digitale Darstellung einführen können. Signalverläufe, wie der Sägezahnverlauf, die nicht einen oder mehrere Bereiche einer nichtfiniten Neigung aufweisen, können in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, indem die Zeitstempel, die den Zeitintervallen der Bereiche einer nichtfiniten Neigung zugeordnet sind, entfernt werden. Die Zeittorsteuerung ist ein Lösungsansatz zum Entfernen von Zeitstempeln, die im Verlauf von Bereichen einer nichtfiniten Neigung in dem Signalverlauf des Referenzsignals R_i(t) erzeugt werden. Ein Fachmann würde ohne weiteres andere geeignete Signalverläufe zur Verwendung beim Definieren des Referenzsignals R_i(t) identifizieren. All solche Signalverläufe eines zeitvariierenden Referenzsignals R_i(t) bewegen sich innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung.
Das Verfahren zum Umwandeln 100 weist ferner den Schritt des Vergleichens 120 des analogen Signals S(t) mit jedem Referenzsignal R_i(t) in der Quantität N von Referenzsignalen auf. Während des Schritts des Vergleichens 120 wird die analoge Signalamplitude s(t) mit jedem der Referenzsignale R_i(t) in der Quantität N von Referenzsignalen verglichen. Eine Bestimmung wird dahingehend vorgenommen, ob die analoge Signalamplitude s(t) zu einem Zeitpunkt des Vergleichs t_c entweder größer als, kleiner als oder gleich der zeitvariierenden Signalamplitude r_i(t) des Referenzsignals R_i(t) ist.
Die Vergleiche 120 können entweder parallel durch simultanes Vergleichen 120 der analogen Signalamplitude s(t) mit allen N der Referenzsignalamplituden r_i(t) oder sequentiell durch Vergleichen 120' der analogen Signalamplitude s(t). mit einer ersten Referenzsignalamplitude r₁(t) erfolgen, gefolgt von einem Vergleichen 120' der analoge Signalamplitude s(t) mit einer zweiten Referenzsignalamplitude r₂(t) usw., bis die analoge Signalamplitude s(t) mit der N-ten Referenzsignalamplitude r_N(t)-verglichen worden ist. In dem Fall, wo das analoge Signal S(t) ein periodisches Signal ist, kann der Schritt des sequentiellen Vergleichens 120' das Vergleichen 120' der analogen Signalamplitude s(t) mit unterschiedlichen der Referenzsignalamplituden r_i(t) während sukzessiver Perioden des analogen Signal S(t) aufweisen.
Vorzugsweise wird der Schritt des Vergleichens 120, 120' kontinuierlich oder nahezu kontinuierlich im Hinblick auf die Zeit ausgeführt. In anderen Worten ist eine Zeitdifferenz zwischen zwei benachbarten Zeiten des Vergleichs t_c1, t_c2, die als „Vergleichsintervall” bezeichnet wird, vorzugsweise klein und noch bevorzugter sehr klein. Der Schritt des Vergleichens 120, 120' kann als eine Umwandlung des analogen Signals S(t) mit einer Zeitdarstellung betrachtet werden, wenn die „Zeit” die Zeit des Auftretens einer Kreuzung oder eines Gleichheitsereignisses ist. Das Kreuzungs- oder Gleichheitsereignis tritt auf, wenn die Amplitude s(t) des analogen Signals S(t) die Amplitude r_i(t) des Referenzsignals R_i(t) kreuzt oder demselben entspricht.
Das Verfahren zum Umwandeln 100 weist ferner den Schritt des Erzeugens 130 eines Zeitstempels auf, der der Zeit des Auftretens eines gegebenen Referenzsignals R_i(t) und einem Gleichheitsereignis des analogen Signals S(t) entspricht. Daher wird ein Zeitstempel jedesmal erzeugt 130, wenn die Amplitude s(t) des analogen Signals S(t) Beobachtungen zufolge gleich der Amplitude r_i(t) von einem der Referenzsignale R_i(t) ist oder dieselbe kreuzt, was zu einer Sequenz von Zeitstempeln führt. Die Sequenz von Zeitstempeln kann als ein Satz von N Sequenzen von Zeitstempeln dargestellt werden, wobei jede Sequenz aus Zeitwerten t_k besteht, wenn k = 1, ..., K, und wenn K größer als oder gleich eins ist. Da jedes der Referenzsignale R_i(t) a priori bekannt ist, sind die Amplitudenwerte r_i(t_k) ebenfalls für alle Zeitwerte t_k bekannt. Daher entspricht die Sequenz von Zeitstempeln einer Sequenz von Amplitudenwerten s(t_k) des analogen Signals S(t). Die Schritte des Vergleichens 120 und des Erzeugens 130 werden für die gesamte Zeit t kleiner als die maximale Zeit T_max wiederholt. Im wesentlichen kann der Schritt des Erzeugens 130 als eine Umwandlung von einer Zeitdarstellung in eine digitale Darstellung betrachtet werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 führt der Schritt des Erzeugens 130' von Zeitstempeln logische Übergänge in einer Quantität N von digitalen Signalen D_i ein, wobei die relative Zeitgebung des logischen Übergangs die Zeitstempel darstellt. Ein Flußdiagramm des bevorzugten Ausführungsbeispiels des Schritts des Erzeugens 130' ist in 2 dargestellt. Der Schritt des Erzeugens 130' weist den Schritt des Einrichtens 132 eines logischen Pegels in jedem der digitalen Signale D_i auf. Jedes der digitalen Signale D_i ist ein zeitvariierendes Signal mit einer Amplitude d_i(t), das vorzugsweise nur einen von zwei möglichen logischen Zuständen oder Pegeln zu einem gegebenen Punkt der Zeit t annehmen kann. Während des Schritts des Einrichtens 132 wird ein erster der logischen Pegeln im i-ten digitalen Signal D_i erzeugt 132, wenn die analoge Signalamplitude s(t) größer als die i-te Referenzsignalamplitude r_i(t) ist. Ein zweiter des logischen Pegels wird in dem i-ten digitalen Signal D_i erzeugt 132, wenn die analoge Signalamplitude s(t) kleiner als die i-te Referenzsignalamplitude r_i(t) ist.
Man beachte, da die analoge Signalamplitude s(t) und die i-te Referenzsignalamplitude r_i(t) beide durch eine kontinuierliche Funktion der Zeit t beschrieben sind, daß die Amplitude d_i(t) des i-ten digitalen Signals D_i ebensogut durch eine kontinuierliche Funktion der Zeit t beschrieben sein kann. Außerdem, wenn man davon ausgeht, daß die analoge Signalamplitude s(t) zu bestimmten Zeitpunkten die i-te Referenzamplitude r_i(t) überschreitet, während sie zu anderen Zeiten die i-te Referenzamplitude r_i(t) nicht überschreitet, verbringt die i-te digitale Signalamplitude d_i(t) einen Abschnitt der Zeit t auf dem ersten logischen Pegel und einen anderen Abschnitt der Zeit t auf dem zweiten logischen Pegel. Ferner entsprechen die Punkte der Zeit t, zu denen die i-te digitale Signalamplitude d_i(t) zwischen den logischen Zuständen übergeht, den Punkten der Zeit t = t_k, wenn die analoge Signalamplitude s(t) entweder vom größer als zum kleiner als die i-te Referenzamplitude r_i(t) wechselt oder vom kleiner als zum größer als die i-te Referenzamplitude r_i(t) wechselt. Daher wird infolge der Anwendung des Verfahrens des Umwandelns 100 der vorliegenden Erfindung ein logischer Übergang in dem i-ten digitalen Signal D_i zu einer Zeit t = t_k induziert, die der Zeit entspricht, wenn die analoge Signalamplitude s(t) die Referenzamplitude r_i(t) kreuzt (d. h. ein i-tes Gleichheitsereignis). Daher dienen die Übergänge als Zeitstempel der Gleichheitsereignisse.
Der Schritt des Erzeugens 130' des bevorzugten Ausführungsbeispiels des Verfahrens 100 weist ferner den optionalen Schritt des Messens und Erzeugens 134 von digitalen Zeitstempeln für die logischen Übergänge im i-ten digitalen Signal D_i auf. Der optionale Schritt 134 wird als ein Feld mit einer Abgrenzung in gestrichelten Linien in 2 dargestellt. Der optionale Schritt des Messens und Erzeugens 134 mißt die Zeit des Auftretens t_k eines logischen Übergangs in dem i-ten digitalen Signal D_i und wandelt die Zeit des Auftretens t_k eines Übergangs in ein Format um, das zum Speichern in einem Computerspeicher geeignet ist. Die umgewandelte Zeit des Auftretens t_k eines Übergangs ist ein digitaler Zeitstempel. Eine bevorzugte Umwandlung ist eine binäre Codierung der verstrichenen Zeit basierend auf einer Zeitgebungsuhr. Der optionale Schritt des Messens und Erzeugens 132 wird für jeden logischen Übergang in jedem der digitalen Signale D_i wiederholt. Optional können zusätzliche Informationen zu den digitalen Zeitstempeln hinzugefügt werden, um die Zeitstempel eines i-ten digitalen Signals D_i von jenen eines j-ten digitalen Signals D_j zu unterscheiden.
Das Verfahren 100 zum Umwandeln weist optional ferner den Schritt des Speicherns 140 der Zeitstempel auf. Der optionale Schritt des Speicherns 140 speichert die Zeitstempel für eine spätere Verarbeitung. Die Zeitstempel können optional im Computerspeicher gespeichert 140 werden. Der Schritt des Speicherns 140 ist optional, da statt dessen die Zeitstempel unmittelbar verwendet werden können, sobald sie erzeugt 130, 130' worden sind. Der optionale Schritt des Speicherns 140 ist als ein Feld mit einer Abgrenzung in „gestrichelten Linien” in 1 dargestellt.
Man berücksichtige nun das Beispiel, das in 3 dargestellt ist, in dem ein einzelnes Referenzsignal R(t) verwendet wird (d. h. N = 1), um ein analoges Signal S(t) zu analysieren. Das Referenzsignal R(t) ist als eine gestrichelte Sinuswelle dargestellt, und das analoge Signal S(t) ist als eine durchgehende Linienwelle dargestellt. Die Amplitude s(t) des analogen Signals S(t) überschreitet wiederholt die Amplitude r(t) des Referenzsignals R(t) und ist anschließend kleiner als dieselbe. Eine Sinuswelle wird ausschließlich zu Anschauungszwecken für das Referenzsignal R(t) in dem in 3 dargestellten Beispiel verwendet und soll in keinster Weise den Schutzbereich der Erfindung einschränken.
Ferner ist für dieses Beispiel anzunehmen, daß, wenn während des Schritts des Vergleichens 120 bestimmt wird, daß die analoge Signalamplitude s(t) größer als die Referenamplitude r(t) ist, eine logische „1” (z. B. d(t) = 1) durch den Schritt des Erzeugens 130' in einem ausgegebenen digitalen Signal D erzeugt wird. Andererseits, wenn während des Schritts des Vergleichens 120 bestimmt wird, daß die analoge Signalamplitude s(t) kleiner als die Referenzamplitude r(t) ist, wird durch den Schritt des Erzeugens 130' in dem ausgegebenen digitalen Signal D eine logische „0” (z. B. d(t) = 0) erzeugt. Die Ergebnisse der Anwendung des Verfahrens des Umwandelns 100 in die analoge Signalamplitude s(t) werden in der unteren Hälfte von 3 als digitales Signal D dargestellt, das einen logischen Übergang aufweist, der jedesmal auftritt, wenn die analoge Signalamplitude s(t) die Referenzamplitude r(t) kreuzt. Die Entsprechung zwischen der Zeitgebung der Übergänge in dem digitalen Signal D und den Punkten, wo die analoge Signalamplitude s(t) die Referenzamplitude r(t) kreuzt, ist zur Vereinfachung der Darstellung durch die vertikalen gestrichelten Linien in 3 angezeigt.
Wie ein Fachmann ohne weiteres erkennen würde, gestaltet sich die Wahl, welcher der zwei logischen Werte verwendet wird, um anzuzeigen, daß die analoge Signalamplitude s(t) die Referenzamplitude r(t) übersteigt, erfindungsgemäß vollkommen willkürlich. Bei dem in 3 dargestellten Beispiel könnte genausogut eine logische „0” verwendet worden sein, um anzuzeigen, daß die Signalamplitude s(t) größer als die Referenzamplitude r(t) ist, und eine logische „1” ist, um anzuzeigen, daß die Signalamplitude s(t) kleiner als die Referenzamplitude r(t) ist, und sich immer noch innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung befindet. Desgleichen, wenn die analoge Signalamplitude s(t) und die Referenzamplitude r(t) gleich sind, kann der Effekt auf den logischen Zustand des digitalen Signals D willkürlich definiert sein, um für eine spezielle Anwendung geeignet zu sein. Zum Beispiel kann der Fall der Gleichheit willkürlich definiert sein, um im digitalen Signal D einen der zwei logischen Zustände zu erzeugen 130'. Alternativ kann der Gleichheitsfall dabei belassen werden, einen undefinierten Effekt auf den logischen Zustand des digitalen Signals D aufzuweisen, da häufig davon ausgegangen werden kann, daß die Amplituden s(t) und r(t) für eine erweiterte Periode nicht gleich sind. Ein Fachmann würde ohne weiteres eine solche Definition bestimmen können, die für eine spezielle Anwendung geeignet ist. All diese Definitionen bewegen sich innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung.
Wie vorstehend beschrieben ist, können die Zeitstempel, die durch das Verfahren 100 erzeugt 130, 130' wurden, im Computerspeicher für eine Verwendung zu einem späteren Zeitpunkt optional gespeichert 140 werden, oder statt dessen können die Zeitstempel unmittelbar, nachdem sie erzeugt 130, 130' worden sind, verwendet werden. Eine Verwendung der Zeitstempel ist die Rekonstruktion des analogen Signals. Daher weist das Verfahren 100 zur Umwandlung optional ferner den Schritt des Rekonstruierens 150 des analogen Signals von der Zeitstempeldarstellung auf. In dem optionalen Schritt des Rekonstruierens 150 wird das Wissen um die Referenzsignale R_i(t) zusammen mit den erzeugten Zeitstempeln 130, 130' verwendet, um eine analoge Darstellung des ursprünglichen analogen Signals S(t) zu rekonstruieren. Wie hierin vorstehend erörtert wurde, liefert das Wissen um die Zeitstempel und die Referenzsignale R_i(t) ein eindeutiges Wissen um das analoge Signal S(t) zu dem Zeitpunkt, der in den Zeitstempeln dargestellt ist.
Wie vorstehend erwähnt wurde, kann das Verfahren 100 der vorliegenden Erfindung als ein Verfahren der Analog-Digitalumwandlung betrachtet werden, das zuerst das analoge Signal in eine Zeitdarstellung und dann die Zeitdarstellung in eine digitale Signaldarstellung umwandelt. Die Zeitdarstellung ist die Zeitgebung, die einem Gleichheitsereignis im Schritt des Vergleichens 120 zugeordnet ist. Die digitale Darstellung in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Schritts des Erzeugens 130' eines Zeitstempels ist die Quantität N von digitalen Signalen D_i. Die Zeitdarstellung ist in den digitalen Signalen D_i als die Zeit des Auftretens der erzeugten 130' logischen Übergänge codiert. Als eine Analog-Digitalumwandlung können die Ergebnisse des Verfahrens 100 genügend Informationen enthalten, um das analoge Signal von der digitalen Darstellung zu rekonstruieren, vorausgesetzt, die Abtastung wird mit einer ausreichenden Auflösung ausgeführt. Ein Fachmann würde ohne weiteres, ohne unnötiges Experimentieren, eine ausreichende Auflösung zum Rekonstruieren eines gegebenen Signals basierend auf einem Nyquist-Kriterium bestimmen können, das Fachleuten hinreichend bekannt ist. Alternativ kann die Analog-Digitalumwandlung des Verfahrens 100 der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um einen Bestanden/Durchgefallen-Test und/oder eine verwandte analoge charakteristische Analyse eines DUT basierend auf Vorrichtungsspezifikationen auszuführen oder um eine Signaturanalyse eines analogen Signals in einem DUT ausführen.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Analog-Digitalumwandlungsvorrichtung 200 vorgesehen. Die Umwandlungsvorrichtung 200 akzeptiert ein analoges Signal S(t) und wandelt das analoge Signal S(t) in die Quantität N von digitalen Signalen D_i um, wenn i = 1, ..., N und N größer als oder gleich 1 ist. Ein Blockdiagramm der Umwandlungsvorrichtung 200 ist in 4A dargestellt. Die Umwandlungsvorrichtung 200 weist eine Quantität N von Komparatoren 210i auf, die einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweisen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel können anstelle der Komparatoren 210i Schmitt-Trigger 210'i (nicht dargestellt) verwendet werden. In dem in 4A dargestellten Blockdiagramm ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel von N > 1 nur mittels eines Beispiels gezeigt. Der erste Eingang von jedem Komparator 210i ist mit „+” und der zweite Eingang ist mit „–„ bezeichnet. Der Komparator 210i ist eine Vorrichtung, die in der Technik bekannt ist, die die Amplituden von Signalen an ihren Eingängen vergleicht und ein Ausgangssignal an ihren Ausgängen erzeugt, wobei der Pegel des Ausgangssignals durch relative Werte der Signale an den Eingängen bestimmt wird. Durch Konvention, wenn eine Signalamplitude, die an den ersten Eingang „+” angelegt ist, größer als die Signalamplitude ist, die an den zweiten „–„-Eingang angelegt ist, ist das Ausgangssignal des Komparators „hoch”. Die Vorrichtung 200 implementiert im wesentlichen das Verfahren 100 der vorliegenden Erfindung.
Es kann z. B. ein Operationsverstärker als ein Komparator 210i für die Vorrichtung 200 der Erfindung verwendet werden. Ein Operationsverstärker ist eine Vorrichtung, die eine Ausgangsspannung erzeugt, die die verstärkte Differenz zwischen einer Spannung, die an einen Eingangsanschluß angelegt ist, und einer Spannung ist, die an einen zweiten Eingangsanschluß angelegt ist. Typische Operationsverstärker weisen sehr große Skalier- oder Verstärkungsfaktoren auf, die die Differenz multiplizieren oder steigern. Daher, wenn eine Spannung V₁ an den ersten Anschluß eines Operationsverstärkers angelegt ist, und eine zweite Spannung V₂, die kleiner als V₁ ist, an den zweiten Anschluß angelegt ist, ist die Ausgabe ein großer Wert V_out = G·(V₁ – V₂), wenn G eine Leerlaufspannungsverstärkung des Operationsverstärkers ist. Allgemein wird beobachtet, daß der Wert V_out zwischen zwei Spannungen, die durch die Leistungsversorgungsspannungen, die an den Operationsverstärker angelegt sind, für sehr kleine Spannungen in den Spannungen V₁ und V₂ schwingt. Genau dies ist für die Quantität N von Komparatoren 210i der Erfindung gewünscht. Wenn die Spannung V₁ mit der Signalamplitude s(t) verwandt ist, und die Spannung V₂ mit einer der Referenzsignalamplituden r_i(t) verwandt ist, dann liefert der Operationsverstärker die gewünschte Komparatorfunktion für die Vorrichtung 200. Ein Fachmann wird ohne weiteres erkennen, daß es andere geeignete Lösungsansätze zum Implementieren der Quantität N von Komparatoren 210i gibt. Alle solchen geeigneten Lösungsansätze bewegen sich innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung.
Unter erneuter Bezugnahme auf 4A wird das analoge Signal S(t) an den ersten Eingang von jedem der Komparatoren 210i angelegt. Die Vorrichtung 200 weist ferner eine Referenzsignalquelle 220 mit N Ausgängen auf. Die Referenzsignalquelle 220 erzeugt eine Quantität N von Referenzsignalen R_i(t), eine andere der Menge an jedem der N Ausgänge. Ein erstes Referenzsignal R₁(t), das durch die Referenzquelle 220 erzeugt wird, wird an den zweiten Eingang des ersten Komparators 2101 angelegt. Ein zweites Referenzsignal R₂(t) wird an den zweiten Eingang des zweiten Komparators 2102 angelegt usw., bis ein N-tes Referenzsignal R_N(t) an einen zweiten Eingang des N-ten Komparators 210N angelegt ist. Ein Ausgangssignal, das durch den ersten Komparator 2101 erzeugt wird, ist das erste digital Signal D₁. Ein Ausgangssignal, das durch den zweiten Komparator 2102 erzeugt wird, ist das zweite digitale Signal D₂ usw., bis ein Ausgangssignal, das durch den N-ten Komparator 210N erzeugt wird, das N-te digitale Signal D_N ist. Das digital Signal D_i weist eine digitale Darstellung oder ein Format des analogen Signals S(t) auf.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Umwandlungsvorrichtung 200' ist in 4B dargestellt. Die Umwandlungsvorrichtung 200' weist einen Komparator 210 mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang auf. Ein Schmitt-Trigger 210' (nicht dargestellt) kann anstelle des Komparators 210 verwendet werden. Das analoge Signal S(t) ist an den ersten Eingang des Komparators 210 angelegt. Die Umwandlungsvorrichtung 200' weist ferner eine Referenzsignalquelle 220' mit einem Ausgang auf. Der Ausgang der Referenzsignalquelle 220' ist mit dem zweiten Eingang des Komparators 210 verbunden. Die Referenzsignalquelle 220' erzeugt sequentiell eine Quantität N von Referenzsignalen R_i(t). Der mit „R_i(t)” bezeichnete Pfeil in 4B zeigt die Sequenz von Referenzsignalen R_i(t) an. Jedes sequentiell erzeugte Referenzsignal R_i(t) wird durch die Referenzsignalquelle 220' für eine separate, endliche Periode von der Zeit t_g erzeugt und ausgegeben. Daher wird das erste Referenzsignal R₁(t) durch die Referenzsignalquelle 220' erzeugt und mit dem analogen Signals S(t) durch den Komparator 210 für eine erste Periode der Zeit verglichen. Dann wird das zweite Referenzsignal R₂(t) durch die Referenzsignalquelle 220' erzeugt und mit dem analogen Signal S(t) durch den Komparator 210 für eine zweite Periode der Zeit verglichen usw., bis das N-te Referenzsignal R_N(t) erzeugt und verglichen worden ist. Wenn das analoge Signal S(t) ein periodisches Signal ist, kann die Periode der Zeit t_g, während der jedes der Referenzsignale R_i(t) durch die Referenzsignalquelle 220' erzeugt wird, z. B. eine unterschiedliche Periode des analogen Signals S(t) sein. Der Ausgang des Komparators 210 ist eine digitale Signaldarstellung D' des analogen Signals S(t). Die digitale Signaldarstellung D' wird durch den mit D' bezeichneten Pfeil am Komparatorausgang in 4B bezeichnet. Die digitale Signaldarstellung D' dieses alternativen Ausführungsbeispiels weist eine Sequenz von digitalen Signalsegmenten D_i' auf, wobei die Übergänge in jedem Segment Zeitstempel der Gleichheitsereignisse für einen entsprechenden Vergleich des Referenzsignals R_i(t) sind.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein System 300 zum Umwandeln eines analogen Signals S(t) vorgesehen. Ein solches System kann verwendet werden, um ein analoges Ausgangssignal in einem Testobjekt oder aus einer Quelle zu konvertieren. 5 stellt ein Blockdiagramm des Umwandlungssystems 300 der vorliegenden Erfindung dar. Das System 300 weist eine Analog-Digitalumwandlungsvorrichtung 200 der vorliegenden Erfindung auf, die das analoge Eingangssignal S(t) empfängt. Die Umwandlungsvorrichtung wandelt das Signal S(t) in eine Quantität N von digitalen Signalen D_i um, wenn i = 1, ..., N und N größer als oder gleich 1 ist. Wie hierin vorstehend angemerkt ist, codiert die durch die Vorrichtung 200 ausgeführte Umwandlung im wesentlichen die Zeitgebung von bestimmten vordefinierten Amplitudenereignissen als Übergänge in den digitalen Signalen D_i.
Unter erneuter Bezugnahme auf 5 weist das System 300 ferner eine Quantität N von Übergangsintervallanalysatoren (TIA) 310i auf, d. h. einen TIA 310i für jedes digitale Signal D_i, das durch die Umwandlungsvorrichtung 300 erzeugt wird. Der TIA 310i ist eine in der Technik bekannte Vorrichtung, die die Zeit des Auftretens von logischen Übergängen in den digitalen Signalen D_i mißt. Ferner sind TIAs 310i in der Technik des Testens von DUTs hinreichend bekannt.
Das System weist ferner optional eine Testausrüstung 320 auf. Die optionale Testausrüstung 320 ist aus diesem Grund als ein Feld mit gestrichelten Linien in 6 dargestellt. Die optionale Testausrüstung 320 kann z. B. ein automatisiertes Testausrüstungssystem (ATE-System) oder ein ähnliches Testsystem sein. Die Testausrüstung 320 weist ein oder mehrere Tore auf, die mit dem Ausgang eines anderen der Quantität N von TIAs 310i verbunden ist. Jeder der TIAs 310i erzeugt eine Sequenz von digitalen Worten, die die Zeitgebung der Übergänge in den jeweiligen digitalen Signalen D_i codieren. Die optionale Testausrüstung 320 weist einen optionalen Speicher zum Speichern der Zeitstempel und einen optionalen Testalgorithmus zum Analysieren der Zeitstempel auf. Zum Beispiel könnte die optionale Testausrüstung 320 die codierten Zeitgebungsinformationen der Zeitstempel verwenden, um die Ereignisse im analogen Signal S(t) zu erkennen und zu analysieren. Bei einer Anwendung kann die Analyse verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein DUT eine Spezifikation, die den Ereignissen zugeordnet ist, die durch die digitalen Signale D_i codiert sind, erfüllt. Im allgemeinen speichert die Testausrüstung 320 die Zeitstempel im Speicher und vergleicht dieselben unter Verwendung eines Testalgorithmus mit erwarteten Zeitstempeln oder äquivalenten Zeitgebungsinformationen. Der durch die ATE 320 mit dem Testalgorithmus ausgeführte Vergleich kann dann z. B. verwendet werden, um die „Bestanden/Durchgefallen”-Bedingung des DUT basierend auf einer Spezifikation für das DUT einzuschätzen oder um die Signaturanalyse unter Verwendung von erwarteten Zeitstempeln, die von einem bekannten guten Objekt erzeugt wurden, auszuführen. Ein Fachmann würde ohne weiteres einen TIA 310i für eine bestimmte ATE 320 auswählen und konfigurieren können und ohne unnötiges Experimentieren einen Testalgorithmus entwickeln können, der für das Testsystem 300 der vorliegenden Erfindung geeignet wäre.
Das System 300 ausschließlich der optionalen Testausrüstung 320 kann als alleinstehende Einheit implementiert sein. Zum Beispiel kann das System 300 als eine DUT-Testplatine implementiert sein, die ein DUT mit einem externen ATE-System schnittstellenmäßig verbindet. Das System 300 kann in ein DUT als Teil des „On-Board”-Testaufbaus des DUTs integriert sein. Ferner kann das System 300 in eine ATE integriert sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das System 300 in ein Objekt (z. B. DUT) als Teil des eingebauten Testschaltungsaufbaus der Vorrichtung integriert. Vorzugsweise ist nur die Vorrichtung 200 in die Vorrichtung integriert. Wenn nur die Vorrichtung 200 eingebaut ist, sind die TIAs 310i und die optionale Testausrüstung 320 einschließlich des optionalen Speichers/Algorithmen typischerweise Teil eines externen Testsystems, das verwendet wird, um die Vorrichtung, wie z. B. eine ATE, zu testen. In anderen Worten kann die Vorrichtung 200 entweder außerhalb des Chips oder vorzugsweise auf dem Chip im Hinblick auf die Vorrichtung implementiert sein. Ein alternatives Ausführungsbeispiel des Systems 300' (nicht dargestellt) weist alle Elemente des Systems 300 mit Ausnahme der Umwandlungsvorrichtung 200 auf, die durch die Umwandlungsvorrichtung 200' im System 300' ersetzt worden ist. Für dieses alternative Ausführungsbeispiel weist das System 300' einen einzelnen TIA 310 zum Empfangen der digitalen Signaldarstellung D' von dem einzelnen Komparator 210 auf.
Folglich ist ein neuartiges Verfahren 100 der Analog-Digitalumwandlung unter Verwendung von zeitvariierenden Referenzsignalen beschrieben worden. Zusätzlich sind eine Vorrichtung 200, 200' zum Umwandeln eines analogen Signals in eine digitale Darstellung und ein System 300, 300' zum Umwandeln und Testen eines analogen Signals beschrieben.

Claims

Verfahren (100) zum Umwandeln eines analogen Signals (S) in eine digitale Darstellung, wobei das Verfahren (100) folgende Schritte aufweist: Erzeugen (110) einer Quantität N von zeitvariierenden Referenzsignalen, deren Amplitudenwerte eine vorbekannte Funktion der Zeit sind, wenn N eine Ganzzahl größer als 1 ist; Vergleichen (120; 120') einer Amplitude des Analogsignals mit einer Amplitude von jedem Referenzsignal, um zu bestimmen, ob die Analogsignalamplitude größer als, kleiner als oder gleich jeder Referenzsignalamplitude ist; und Erzeugen (130, 130') eines Zeitstempels, wenn die Analogsignalamplitude gleich der Amplitude von jedem Referenzsignal ist, wobei jeder Zeitstempel der Zeit des Auftretens eines Amplitudengleichheitsereignisses entspricht, und wobei die digitale Darstellung ein Satz von Zeitstempeln ist.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 1, bei dem jeder Zeitstempel einen Logik-Pegelübergang in einem Digitalsignal aufweist.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 2, das ferner den Schritt des Messens und Erzeugens (134) eines digitalen Zeitstempels für jeden Logik-Pegelübergang im digitalen Signal aufweist.
Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schritt des Vergleichens (120, 120') ein gleichzeitiges Vergleichen der Analogsignalamplitude für jedes der Quantität N von Referenzsignalamplituden auf parallele Weise aufweist.
Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schritt des Vergleichens (120, 120') ein sequentielles Vergleichen der Analogsignalamplitude mit jeder der Quantität N von Referenzsignalamplituden aufweist, bis alle Referenzamplituden verglichen worden sind.
Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Analogsignal ein periodisches Signal ist, und bei dem während des Schritts des Vergleichens (120, 120') jedes der Quantität N von Referenzsignalen mit dem Analogsignal während einer anderen Periode des analogen Signals verglichen wird.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 2, bei dem der Schritt des Erzeugens (130, 130') den Schritt des Einrichtens (132) eines ersten logischen Pegels, der einem jeweiligen der Referenzsignale entspricht, in dem Digitalsignal, wenn die Analogsignalamplitude größer als die jeweilige Referenzsignalamplitude ist, und eines zweiten logischen Pegels in dem entsprechenden Digitalsignal, wenn die Analogsignalamplitude kleiner als die jeweilige Referenzsignalamplitude ist.
Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, das ferner den Schritt des Rekonstruierens (150) des Analogsignals von dem Satz von Zeitstempeln und den Referenzsignalen aufweist.
Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, das ferner den Schritt des Speicherns (140) des Satzes von Zeitstempeln aufweist.
Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, das ferner den Schritt des Rekonstruierens (150) des Analogsignals von dem Satz von Zeitstempeln und den Referenzsignalen aufweist.
Verfahren (100) zum Konvertieren eines Analogsignals von einem Testobjekt in eine digitale Signaldarstellung, das folgende Schritte aufweist: Erzeugen (110) einer Quantität N von zeitvariierenden Referenzsignalen deren Amplitudenwerte eine vorbekannte Funktion der Zeit sind, wenn N eine Ganzzahl größer als 1 ist; Vergleichen (120, 120') einer Amplitude des Analogsignals von dem Testobjekt mit einer Amplitude von jedem Referenzsignal, um zu bestimmen, ob die Analogsignalamplitude größer als, kleiner als oder gleich jeder Referenzsignalamplitude ist; Erzeugen (130, 130') eines ersten logischen Pegels in einem digitalen Signal, der jedem Referenzsignal entspricht, während die Analogsignalamplitude größer als die Referenzsignalamplitude ist, und eines zweiten logischen Pegels in dem Digitalsignal, während die Analogsignalamplitude kleiner als jede Referenzsignalamplitude ist; Wiederholen der Schritte des Vergleichens (120, 120') und Erzeugens (130, 130') für eine Zeitdauer, um die digitale Signaldarstellung des Analogsignals von dem Testobjekt zu erhalten, wobei die digitale Signaldarstellung Darstellungen für eine Mehrzahl von Amplitudengleichheitsereignissen aufweist; und Messen und Erzeugen (134) eines digitalen Zeitstempels für jeden Logik-Pegelübergang im digitalen Signal, wobei jeder Zeitstempel der Zeit des Auftretens des Logik-Pegelübergangs entspricht.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 11, bei dem die digitale Signaldarstellung verwendet wird, um zu bestimmen, ob das Testobjekt Spezifikationen erfüllt.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem die digitale Signaldarstellung verwendet wird, um eine Signaturanalyse des Testobjekts auszuführen.
Vorrichtung (200, 200') zum Konvertieren eines Analogsignals mit einem Amplitudenwert in eine Quantität N von digitalen Signalen, die folgende Merkmale aufweist: einen Vorrichtungseingang; eine Referenzsignalquelle (220') mit einer Quantität N von Referenzsignalausgängen, wobei N eine Ganzzahl größer als 1 ist, wobei an jedem der Referenzsignalausgänge ein unterschiedliches einer Quantität N von Referenzsignalen, deren Amplitudenwerte eine vorbekannte Funktion der Zeit sind durch die Referenzsignalquelle erzeugt wird; eine Quantität N von Komparatoren (210), die jeweils einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweisen, wobei der erste Eingang mit dem Vorrichtungseingang verbunden ist, um das Analogsignal zu empfangen, wobei der zweite Eingang mit einem anderen der Referenzsignalausgänge der Referenzquelle verbunden ist, um ein unterschiedliches der N Referenzsignale zu empfangen, und wobei jeder Komparator (210) ein jeweiliges der Quantität N von Digitalsignalen am Komparatorausgang erzeugt; und eine Quantität N von Übergangsintervallanalysatoren (310i), die jeweils einen Eingang und einen Ausgang aufweisen, wobei jeder Komparatorausgang mit dem Eingang eines jeweiligen Übergangsintervallanalysator verbunden ist, wobei jeder Übergangsintervallanalysator die Zeit von Logik-Übergängen in einem jeweiligen Digitalsignal als Zeitstempel codiert.
Vorrichtung (200, 200') gemäß Anspruch 14, bei der die Komparatoren (210) die Analogsignalamplitude gleichzeitig mit den unterschiedlichen Referenzwerten parallel vergleichen.
Vorrichtung (200, 200') gemäß Anspruch 14, bei der die Komparatoren (210) die Analogsignalamplitude mit den unterschiedlichen Referenzwerten sequentiell vergleichen.
Vorrichtung (200, 200') gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der jeder Komparator (210) aus einem Operationsverstärker und einem Schmitt-Trigger ausgewählt ist.
Vorrichtung (200, 200') zum Umwandeln eines Analogsignals mit einem Amplitudenwert in ein Digitalsignal, die folgende Merkmale aufweist: einen Vorrichtungseingang; eine Referenzsignalquelle (220') mit einem Referenzsignalausgang, wobei ein unterschiedliches einer Quantität N von Referenzsignalen sequentiell durch die Referenzsignalquelle am Referenzsignalausgang erzeugt wird, wobei jedes der Referenzsignale für eine finite Zeitdauer erzeugt wird, und wobei N eine Ganzzahl größer als 1 ist; einen Komparator (210) mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einen Ausgang, wobei der erste Eingang mit dem Vorrichtungseingang verbunden ist und das Analogsignal empfängt, der zweite Eingang mit dem Referenzsignalausgang der Referenzsignalquelle verbunden ist, um die sequentiell erzeugten Referenzsignale zu empfangen und wobei der Komparator (210) ein Digitalsignal an dem Komparatorausgang erzeugt; und eine Quantität N von Übergangsintervallanalysatoren (310i), die jeweils einen Eingang und einen Ausgang aufweisen, wobei jeder Komparatorausgang mit dem Eingang eines jeweiligen Übergangsintervallanalysatoren verbunden ist, wobei jeder Übergangsintervallanalysator die Zeit von Logik-Übergängen in einem jeweiligen Digitalsignal als Zeitstempel codiert.
System (300) zum Umwandeln eines Analogsignals in eine digitale Darstellung, das folgende Merkmale aufweist: eine Analog-Digitalumwandlungsvorrichtung (300) mit einem Eingang, der verbunden ist, um das Analogsignal zu empfangen, und einer Quantität N von Vorrichtungsausgängen, wobei N eine Ganzzahl größer als 1 ist, wobei die Vorrichtung eines einer Quantität N von Digitalsignalen an jedem Vorrichtungsausgang erzeugt; eine Quantität N von Übergangsintervallanalysatoren (310i), die jeweils einen Eingang und einen Ausgang aufweisen, wobei jeder Vorrichtungsausgang mit dem Eingang eines jeweiligen Übergangsintervallanalysator verbunden ist, wobei jeder Übergangsintervallanalysator die Zeit von Logik-Übergängen in einem jeweiligen Digitalsignal codiert.
System (300) gemäß Anspruch 19, das ferner ein Testteilsystem zum Testen eines Testobjekts aufweist, wobei das Testobjekt das Analogsignal erzeugt, das Testteilsystem eine Quantität N von Toren aufweist, wobei jedes Tor mit dem Ausgang eines jeweiligen Übergangsintervallanalysator (310i) verbunden ist und wobei das Testteilsystem codierte Zeitgebungsinformationen in jedem Digitalsignal als Zeitstempel von Ereignissen in dem Analogsignal verwendet, um zu bestimmen, ob das Testobjekt Spezifikationen erfüllt.
System (300) gemäß Anspruch 19 oder 20, bei dem die Analog-Digitalumwandlungsvorrichtung (200) eine Quantität N von Komparatoren (210) aufweist, die jeweils einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweisen, wobei der erste Eingang mit dem Vorrichtungseingang verbunden ist und einen analogen Wert des Analogsignals empfängt, wobei der analoge Wert als eine Funktion der Zeit variiert, der zweite Eingang ein unterschiedliches einer Quantität N von unterschiedlichen zeitvariierenden Referenzsignalen empfängt, und jeder Komparator (210) ein jeweiliges der Digitalsignale an dem Komparatorausgang erzeugt, wobei der Komparatorausgang mit einem jeweiligen Vorrichtungsausgang verbunden ist.
System (300) gemäß Anspruch 21, bei dem die Analog-Digitalumwandlungsvorrichtung (200) ferner eine Referenzsignalquelle (220') aufweist, die die Quantität N von unterschiedlichen zeitvariierenden Referenzsignalen erzeugt.
System (300) gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem das Testteilsystem einen Speicher und einen Testalgorithmus aufweist, wobei der Speicher Vorrichtungsspezifikationen speichert und die analogen Signalzeitstempel speichert und wobei der Testalgorithmus die analogen Signalzeitstempel mit den erwarteten Zeitstempeln vergleicht, die von den Vorrichtungsspezifikationen oder von einer Messung eines bekannten guten Objekts abgeleitet wurden, um das Betriebsverhalten des Testobjekts einzuschätzen.