專利名稱：高速dac線性的測量的制作方法
背景技術：
本發明涉及數字模擬轉換，并且更特別涉及存在噪聲、量化誤差和其它失真時高速數字模擬轉換器(DAC)線性測量的方法。
線性在利用DAC的各種廣泛應用中是一項重要的規范。出于速度的緣故，可能需要每個DAC值(輸出電平)一個時鐘周期。由于不相關的和相關的這兩種的(如像素時鐘)噪聲、失真和其它信號損傷，在界定DAC輸出電平的開始和結束中可能出現問題。
圖1示出了放大的從視頻圖形卡上的DAC輸出的每一視頻電子標準協會(VESA)標準的最低有效位(LSB)步長階梯“斜坡”信號。斜坡信號通過具有8比特數據采集部的數字示波器利用低抖動信號的500波形均值來采集。注意在波形的很多區域內缺乏明顯的跳變。
為了遵守現有的VESA標準，計算機圖形卡生產商必須自動測量存在噪聲和其它失真時DAC的分辨率、單調性、微分線性(DNL)和積分線性(INL)。為了速度和方便起見，VESA標準規定視頻線斜坡輸入信號被用于這種用途。由于必須測量每一視頻線上的采樣數目和DAC輸出電平的數目，這些斜坡經常以每一秒許多兆像素的像素速率被限制到每一電平一個像素。在這些速率上圖形卡經常具有抖動和/或其它像素時鐘誤差。
目前，高帶寬數字示波器的8比特數據采集被用于這種測量，盡管事實上這種測量被用于具有比8比特更高的分辨率，即10比特分辨率的DAC上。因此除上述信號損傷之外，測試工具平臺(數字示波器)也引入量化誤差和噪聲。
在用于計算機圖形卡的已知的自動方法中，DAC線性的測量包括(i)待測電平定位(時間窗)的先驗知識，包括在電壓測量發生的同時測量保持輸出恒定的“DC電平”，或者(ii)關于時鐘頻率、斜坡上的電平位置、等等的動態信號知識。相關的先前的自動方法不適用于專業的和電視視頻線性測量，是因為在這些有限帶寬的視頻應用中利用重建濾波器過濾斜坡步長，即斜坡上的所有步長被消除而消除了分辨率信息。VESA標準需要分辨率的測量，這意味著不存在所需要的斜坡上有多少步長的先驗知識。視頻線斜坡需求意味著可能不使用較低速度途徑。
所需要的是用于存在隨機噪聲、量化誤差和其它非線性與線性失真以及干擾時DAC的分辨率、單調性、微分線性和積分線性的自動測量的高速方法。
發明簡述因此本發明在存在噪聲、量化誤差和其它失真時提供自動測量DAC線性的高速方法。該方法采集并量化相應于數字斜坡輸入從DAC輸出的模擬斜坡以產生量化的斜坡，確定量化的斜坡的開始和結束以估算理想的斜坡，獲得量化的斜坡和理想的斜坡之間的差以產生量化的周期信號(三角形的或正弦的)，從量化的周期信號的FFT中確定合格峰值的頻率，從合格峰值周圍的iFFT中產生屏蔽過濾的周期信號，并在屏蔽過濾的周期信號的每一周期內確定跨越局部最大值和最小值的采樣窗口。每一斜坡步長相應于每一周期的采樣窗口，并且斜坡步長級是在每一采樣窗口內的采樣的均值。從DAC LSB中的步長電平中，確定DAC的分辨率、單調性、微分線性和積分線性。
當結合附加的權利要求和附圖閱讀之后的詳細描述時這些目標、優點和其它新特征是很清楚的。
附圖的幾個視圖的簡單描述圖1是響應數字斜坡輸入從DAC輸出的模擬斜坡一部分的波形圖。
圖2是依照本發明DAC線性的自動測量的高速方法的流程框圖。
圖3是從DAC輸出的采集的和量化的斜坡的一部分波形圖。
圖4是依照本發明示出了估算的或理想的線性斜坡的圖3的波形圖。
圖5是依照本發明圖3的量化斜坡和圖4的估算線性斜坡之間的差值的放大的波形圖。
圖6是圖5的波形圖一部分的展開圖。
圖7是圖6波形的頻譜圖。
圖8是依照本發明關于頻譜中量化的頻率峰值的圖7的展開的頻譜圖。
圖9是依照本發明從圖8的圖中產生的屏蔽過濾的量化周期波形的波形圖。
圖10是依照本發明關于圖9的屏蔽過濾的量化周期波形的窗口波形圖。
圖11是依照本發明示出了平均斜坡步長電平的合成圖的波形圖。
圖12是依照本發明作為代碼函數的積分線性的圖形。
圖13是依照本發明作為代碼函數的的微分線性的圖形。
圖14是圖13一部分的展開圖。
發明詳述諸如圖3所示的采集的和量化的斜坡，以下如圖2所示進行處理步驟1.查找量化的斜坡的開始和結束(利用最大相關系數—見美國專利No.5,661,527)——開始＝(時間1，電壓1)并且結束＝(時間2，電壓2)。見圖4中相應的估算或理想的斜坡被示為量化斜坡的開始和結束之間的虛線。
步驟2.從量化的斜坡中減去理想的斜坡，僅留下量化的周期三角波，即，從量化的斜坡中減去圖4中估算的斜坡。圖5示出了兩個斜坡之間的差，并且圖6是示出了由包括噪聲和量化誤差的斜坡步長或增量產生的失真的量化周期三角波形的圖5一部分的展開圖。
步驟3.從FFT數據中查找量化峰值的最大幅度的頻率——合格性依賴于這些因素如果相應于已知分辨率的頻率太高或太低(例如低于4比特或高于11比特)；以及是否期望功率是2(或接近功率2)的步長(所有的都是專用的)。如果沒有可利用的合格的信息，則利用相應于來自FFT數據的最大幅度峰值的頻率。圖7示出了關于圖5的量化的周期三角波形的FFT頻譜——最高峰值是時鐘噪聲，因為其相應于比本申請中的最大值還高的分辨率而被排斥。位分辨率是log2(斜坡時間/頻率周期)，其中周期是來自FFT頻譜的1/頻率。在這個圖解中查找的量化的峰值是示出的第一峰值。
步驟4.“屏蔽”濾除掉除了量化的峰值的頻率和少許一次諧波之外的所有頻率——假如在較高的頻率中有過度損傷時諧波也可以被消除的話。峰值周圍較寬的帶寬增加了抖動軌跡(關于從指定位置移動的步長邊緣)同時也通過了更多的噪聲。圖8示出了關于量化的峰值展開的圖7的頻譜的屏蔽部分。
步驟5.執行反FFT以產生屏蔽過濾的量化周期(三角形的或正弦的)波形，該波形具有使用的典型帶寬充分延伸至超出斜坡的開始和結束的持續時間。圖9示出了正弦波形，不過如果已知沒有可以造成諧波的相關噪聲，也可以使用三角波形。
步驟6.對于過濾的周期波形的每一周期在局部最大值上選擇采樣窗口開始并在局部最小值上選擇采樣窗口結束——(i)在斜坡的開始和結束之間，(ii)在斜坡開始之前的一個周期，以及(iii)在斜坡結束之后的一個周期找到時間窗。圖10示出了用于測量每一步長電平的采樣窗口——每一周期的最大值相應于窗口開始并且最小值相應于窗口結束。
步驟7.得到采樣窗口的每一位置上的平均電平，并且如果位置適合(通過相對于由步長總數劃分的斜坡幅度的步長)作為步長電平，則轉換為LSB的。如果接近斜坡開始或結束，如果幅度太低(偽開始或結束)，這種步長可以被忽略。在圖10中，實線階梯圖示了平均測量結果。
來自上述方法的輸出給出了關于給出的DAC代碼的LSB單元的電平。對于每一測量(分辨率、INL、DNL和單調性)的完全的計算，每一VESA規范使用每一電平的平均數并且如下所示步驟8(分辨率).將周期性的(三角形的或正弦的)波形周期劃分為斜坡長度(結束-開始)，采用這個結果的log2并且四舍五入為最接近的整數。
步長之間的采樣＝峰值頻率×全部斜坡采樣其中全部斜坡采樣是在斜坡開始和結束之間數字化的采樣的數量，并且峰值頻率是來自FFT頻譜的量化的峰值的頻率值。
在圖11中關于階梯的實例步長之間的采樣＝32.191頂部和底部之間的采樣＝頂部位置-底部位置其中頂部位置和底部位置相應于斜坡的開始和結束。
全部斜坡步長＝頂部和底部之間的采樣/步長之間的采樣全部斜坡步長＝255.199估算的比特＝向下取整(.5+log2(全部斜坡步長))估算的比特＝8步驟9(INL).在LSB單元中與“代碼”值的最大電平偏離，其中“代碼”值是在DAC的LSB中的輸入。DAC輸入是在DAC代碼中的斜坡0，，2，3，…，maxCode-1(對于8比特DAC是255)。
maxCode＝待測電平＝256(8比特DAC) code＝0…maxCode-1LSBc＝(電平maxCode-1-電平0)/maxCode-1INLcode＝(電平code-LSBc(code+1))/LSBcmaxINL＝max(INL)maxINL＝2.469LSBcminINL＝min(INL)minINL＝1.662LSBc
積分線性誤差＝if(|maxINL|＞|minINL|，|maxINL|，|minINL|)積分線性誤差＝2.469圖12示出了作為從提供的測試文件中采用的代碼的函數的INL。
步驟10(DNL).得到Δ——鄰近區域的電平之間的差值。
步驟11.LSB誤差——從LSB單元中歸一化的步長中減去1。
歸一化的步長code＝(電平code—電平如果(code＞0，code-1，0))/LSBc歸一化的步長0＝1DNL＝歸一化的步長-1 DNL0＝0步驟12.DNL＝最大絕對LSB誤差maxDNL＝max(DNL)maxDNL＝0.317LSBcminDNL＝min(DNL)minDNL＝-0.204LSBc微分線性誤差＝如果(|maxINL|＞|minINL|，|maxINL|，|minINL|)微分線性誤差＝0.317圖13示出了作為代碼函數的DNL，同時圖14示出了在曲線開始代碼＝166和曲線結束代碼＝170之間的圖13的展開部分。
步驟13(單調性).如果任何DNL＜0，單調性為假(非單調的)，否則為真(單調的)。
上述方法具有適合于信號定時、分辨率、等等的優點，因為定時和分辨率例如獨立于輸入信號視頻格式，同時在存在線性和非線性失真及噪聲時也是健壯的，這是因為即使在噪聲/損傷太大以致于根本就不能在視覺上看到任何步長時其也能工作，這樣就允許使用高速、低分辨率模擬數字轉換器來采集用于測量的DAC模擬斜坡輸出，就像在高速數字示波器中所見的那樣。
因而本發明是在存在噪聲、量化誤差和其它失真時，通過從量化的斜坡差信號的頻譜中獲得合格頻率峰值，其中斜坡差信號是從DAC中輸出的量化的斜坡減去估算的或理想的斜坡，通過執行iFFT以將環繞合格頻率峰值的頻譜部分轉換到量化的周期波形(三角形的或正弦的)，通過在由過濾的波形的局部最大值和最小值定義的周期波形的半周期上利用采樣窗口獲得斜坡中每一步長的平均電平，并且通過從平均步長電平中確定DAC的分辨率、單調性、微分線性和積分線性，來提供DAC線性的高速測量。
權利要求
1.一種測量數字模擬轉換器線性的高速方法，包括以下步驟從采集的和量化的、由數字模擬轉換器響應數字斜坡輸入而輸出的模擬步長斜坡的頻譜中獲得合格頻率峰值；從環繞合格頻率峰值周圍的頻譜部分中導出周期信號；以及在周期信號的每一周期中確定一采樣窗口，在該采樣窗口之內要確定斜坡步長電平。
2.如權利要求1所述的方法，進一步包括從在采樣窗口內確定的斜坡步長電平中計算數字模擬轉換器的線性參數的步驟。
3.如權利要求1所述的方法，其中獲得步驟包括以下步驟確定相應于采集的和量化的模擬斜坡的理想的斜坡；從采集的和量化的模擬斜坡中減去理想的斜坡以產生量化的周期信號；將量化的周期信號變換到頻域以產生頻譜；以及根據指定的合格信息從頻譜中獲得合格頻率峰值。
4.如權利要求1所述的方法，其中導出步驟包括將頻譜的一部分變換到時域以產生周期信號的步驟。
5.如權利要求1所述的方法，其中確定步驟包括在周期信號的每一周期內查找作為每一采樣窗口開始點的局部最大值和作為每一采樣窗口結束點的局部最小值的步驟。
6.如權利要求2所述的方法，其中計算步驟包括以下步驟根據從合格頻率峰值導出的斜坡步長之間的采樣數量以及采集的和量化的模擬斜坡的開始和結束之間的采樣數量來確定斜坡步長的總數；以及從斜坡步長的總數中估算數字模擬轉換器的分辨率。
7.如權利要求2所述的方法，其中計算步驟包括以下步驟根據斜坡步長之間的電平差來確定微分線性對數字模擬轉換器代碼的曲線；以及從該曲線的最大和最小微分線性值中計算數字模擬轉換器的微分線性。
8.如權利要求7所述的方法，其中計算步驟進一步包括從微分線性值中確定數字模擬轉換器的單調性的步驟。
9.如權利要求2所述的方法，其中計算步驟進一步包括從積分線性值對模擬數字轉換器代碼的曲線中確定數字模擬轉換器的積分線性。
全文摘要
一種高速模擬數字轉換器(DAC)測量方法，采集和量化由DAC輸出的相應于數字斜坡輸入的模擬斜坡以產生量化的斜坡，確定量化的斜坡的開始和結束，獲得量化的斜坡和理想的斜坡之間的差值以產生量化的周期信號(三角形的或正弦的)，從量化的周期信號的FFT中確定合格峰值的頻率，從合格峰值周圍的iFFT中產生屏蔽過濾的周期信號，并且在量化的周期信號的每一周期內確定跨越局部最大值和最小值的采樣窗口。斜坡步長電平是每一采樣窗口當中采樣的平均值。從DAC LSB中的步長電平中，確定DAC的分辨率、單調性、微分線性和積分線性。
文檔編號H03M1/10GK1801626SQ20051004889
公開日2006年7月12日 申請日期2005年12月16日 優先權日2004年12月16日
發明者K·M·費爾古森 申請人:特克特朗尼克公司