CN1801626A - 高速dac线性的测量 - Google Patents

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Abstract

一种高速模拟数字转换器(DAC)测量方法，采集和量化由DAC输出的相应于数字斜坡输入的模拟斜坡以产生量化的斜坡，确定量化的斜坡的开始和结束，获得量化的斜坡和理想的斜坡之间的差值以产生量化的周期信号(三角形的或正弦的)，从量化的周期信号的FFT中确定合格峰值的频率，从合格峰值周围的iFFT中产生屏蔽过滤的周期信号，并且在量化的周期信号的每一周期内确定跨越局部最大值和最小值的采样窗口。斜坡步长电平是每一采样窗口当中采样的平均值。从DAC LSB中的步长电平中，确定DAC的分辨率、单调性、微分线性和积分线性。

Description

高速DAC线性的测量
发明背景
本发明涉及数字模拟转换，并且更特别涉及存在噪声、量化误差和其它失真时高速数字模拟转换器(DAC)线性测量的方法。
线性在利用DAC的各种广泛应用中是一项重要的规范。出于速度的缘故，可能需要每个DAC值(输出电平)一个时钟周期。由于不相关的和相关的这两种的(如像素时钟)噪声、失真和其它信号损伤，在界定DAC输出电平的开始和结束中可能出现问题。图1示出了放大的从视频图形卡上的DAC输出的每一视频电子标准协会(VESA)标准的最低有效位(LSB)步长阶梯“斜坡”信号。斜坡信号通过具有8比特数据采集部的数字示波器利用低抖动信号的500波形均值来采集。注意在波形的很多区域内缺乏明显的跳变。
为了遵守现有的VESA标准，计算机图形卡生产商必须自动测量存在噪声和其它失真时DAC的分辨率、单调性、微分线性(DNL)和积分线性(INL)。为了速度和方便起见，VESA标准规定视频线斜坡输入信号被用于这种用途。由于必须测量每一视频线上的采样数目和DAC输出电平的数目，这些斜坡经常以每一秒许多兆像素的像素速率被限制到每一电平一个像素。在这些速率上图形卡经常具有抖动和/或其它像素时钟误差。
目前，高带宽数字示波器的8比特数据采集被用于这种测量，尽管事实上这种测量被用于具有比8比特更高的分辨率，即10比特分辨率的DAC上。因此除上述信号损伤之外，测试工具平台(数字示波器)也引入量化误差和噪声。
在用于计算机图形卡的已知的自动方法中，DAC线性的测量包括(i)待测电平定位(时间窗)的先验知识，包括在电压测量发生的同时测量保持输出恒定的“DC电平”，或者(ii)关于时钟频率、斜坡上的电平位置、等等的动态信号知识。相关的先前的自动方法不适用于专业的和电视视频线性测量，是因为在这些有限带宽的视频应用中利用重建滤波器过滤斜坡步长，即斜坡上的所有步长被消除而消除了分辨率信息。VESA标准需要分辨率的测量，这意味着不存在所需要的斜坡上有多少步长的先验知识。视频线斜坡需求意味着可能不使用较低速度途径。
所需要的是用于存在随机噪声、量化误差和其它非线性与线性失真以及干扰时DAC的分辨率、单调性、微分线性和积分线性的自动测量的高速方法。
发明简述
因此本发明在存在噪声、量化误差和其它失真时提供自动测量DAC线性的高速方法。该方法采集并量化相应于数字斜坡输入从DAC输出的模拟斜坡以产生量化的斜坡，确定量化的斜坡的开始和结束以估算理想的斜坡，获得量化的斜坡和理想的斜坡之间的差以产生量化的周期信号(三角形的或正弦的)，从量化的周期信号的FFT中确定合格峰值的频率，从合格峰值周围的iFFT中产生屏蔽过滤的周期信号，并在屏蔽过滤的周期信号的每一周期内确定跨越局部最大值和最小值的采样窗口。每一斜坡步长相应于每一周期的采样窗口，并且斜坡步长级是在每一采样窗口内的采样的均值。从DAC LSB中的步长电平中，确定DAC的分辨率、单调性、微分线性和积分线性。
当结合附加的权利要求和附图阅读之后的详细描述时这些目标、优点和其它新特征是很清楚的。
附图的几个视图的简单描述
图1是响应数字斜坡输入从DAC输出的模拟斜坡一部分的波形图。
图2是依照本发明DAC线性的自动测量的高速方法的流程框图。
图3是从DAC输出的采集的和量化的斜坡的一部分波形图。
图4是依照本发明示出了估算的或理想的线性斜坡的图3的波形图。
图5是依照本发明图3的量化斜坡和图4的估算线性斜坡之间的差值的放大的波形图。
图6是图5的波形图一部分的展开图。
图7是图6波形的频谱图。
图8是依照本发明关于频谱中量化的频率峰值的图7的展开的频谱图。
图9是依照本发明从图8的图中产生的屏蔽过滤的量化周期波形的波形图。
图10是依照本发明关于图9的屏蔽过滤的量化周期波形的窗口波形图。
图11是依照本发明示出了平均斜坡步长电平的合成图的波形图。
图12是依照本发明作为代码函数的积分线性的图形。
图13是依照本发明作为代码函数的的微分线性的图形。
图14是图13一部分的展开图。
发明详述
诸如图3所示的采集的和量化的斜坡，以下如图2所示进行处理：
步骤1.查找量化的斜坡的开始和结束(利用最大相关系数—见美国专利No.5,661,527)——开始＝(时间1，电压1)并且结束＝(时间2，电压2)。见图4中相应的估算或理想的斜坡被示为量化斜坡的开始和结束之间的虚线。
步骤2.从量化的斜坡中减去理想的斜坡，仅留下量化的周期三角波，即，从量化的斜坡中减去图4中估算的斜坡。图5示出了两个斜坡之间的差，并且图6是示出了由包括噪声和量化误差的斜坡步长或增量产生的失真的量化周期三角波形的图5一部分的展开图。
步骤3.从FFT数据中查找量化峰值的最大幅度的频率——合格性依赖于这些因素：如果相应于已知分辨率的频率太高或太低(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)的步长(所有的都是专用的)。如果没有可利用的合格的信息，则利用相应于来自FFT数据的最大幅度峰值的频率。图7示出了关于图5的量化的周期三角波形的FFT频谱——最高峰值是时钟噪声，因为其相应于比本申请中的最大值还高的分辨率而被排斥。位分辨率是log2(斜坡时间/频率周期)，其中周期是来自FFT频谱的1/频率。在这个图解中查找的量化的峰值是示出的第一峰值。
步骤4.“屏蔽”滤除掉除了量化的峰值的频率和少许一次谐波之外的所有频率——假如在较高的频率中有过度损伤时谐波也可以被消除的话。峰值周围较宽的带宽增加了抖动轨迹(关于从指定位置移动的步长边缘)同时也通过了更多的噪声。图8示出了关于量化的峰值展开的图7的频谱的屏蔽部分。
步骤5.执行反FFT以产生屏蔽过滤的量化周期(三角形的或正弦的)波形，该波形具有使用的典型带宽充分延伸至超出斜坡的开始和结束的持续时间。图9示出了正弦波形，不过如果已知没有可以造成谐波的相关噪声，也可以使用三角波形。
步骤6.对于过滤的周期波形的每一周期在局部最大值上选择采样窗口开始并在局部最小值上选择采样窗口结束——(i)在斜坡的开始和结束之间，(ii)在斜坡开始之前的一个周期，以及(iii)在斜坡结束之后的一个周期找到时间窗。图10示出了用于测量每一步长电平的采样窗口——每一周期的最大值相应于窗口开始并且最小值相应于窗口结束。
步骤7.得到采样窗口的每一位置上的平均电平，并且如果位置适合(通过相对于由步长总数划分的斜坡幅度的步长)作为步长电平，则转换为LSB的。如果接近斜坡开始或结束，如果幅度太低(伪开始或结束)，这种步长可以被忽略。在图10中，实线阶梯图示了平均测量结果。
来自上述方法的输出给出了关于给出的DAC代码的LSB单元的电平。对于每一测量(分辨率、INL、DNL和单调性)的完全的计算，每一VESA规范使用每一电平的平均数并且如下所示：
步骤8(分辨率).将周期性的(三角形的或正弦的)波形周期划分为斜坡长度(结束-开始)，采用这个结果的log2并且四舍五入为最接近的整数。
步长之间的采样：＝峰值频率×全部斜坡采样
其中全部斜坡采样是在斜坡开始和结束之间数字化的采样的数量，并且峰值频率是来自FFT频谱的量化的峰值的频率值。
在图11中关于阶梯的实例：
步长之间的采样＝32.191
顶部和底部之间的采样：＝顶部位置-底部位置
其中顶部位置和底部位置相应于斜坡的开始和结束。
全部斜坡步长：＝顶部和底部之间的采样/步长之间的采样
全部斜坡步长＝255.199
估算的比特：＝向下取整(.5+log2(全部斜坡步长))
估算的比特＝8
步骤9(INL).在LSB单元中与“代码”值的最大电平偏离，其中“代码”值是在DAC的LSB中的输入。DAC输入是在DAC代码中的斜坡：0，，2，3，…，maxCode-1(对于8比特DAC是255)。
maxCode：＝待测电平＝256(8比特DAC)  code：＝0…maxCode-1
LSBc：＝(电平maxCode-1-电平0)/maxCode-1
INLcode：＝(电平code-LSBc(code+1))/LSBc
maxINL：＝max(INL)    maxINL＝2.469LSBc
minINL：＝min(INL)    minINL＝1.662LSBc
积分线性误差：＝if(|maxINL|＞|minINL|，|maxINL|，|minINL|)
积分线性误差＝2.469
图12示出了作为从提供的测试文件中采用的代码的函数的INL。
步骤10(DNL).得到Δ——邻近区域的电平之间的差值。
步骤11.LSB误差——从LSB单元中归一化的步长中减去1。
归一化的步长code：＝(电平code—电平如果(code＞0，code-1，0))/LSBc归一化的步长0：＝1
DNL：＝归一化的步长-1  DNL0＝0
步骤12.DNL＝最大绝对LSB误差
maxDNL：＝max(DNL)    maxDNL＝0.317LSBc
minDNL：＝min(DNL)    minDNL＝-0.204LSBc
微分线性误差：＝如果(|maxINL|＞|minINL|，|maxINL|，|minINL|)
微分线性误差＝0.317
图13示出了作为代码函数的DNL，同时图14示出了在曲线开始代码：＝166和曲线结束代码：＝170之间的图13的展开部分。
步骤13(单调性).如果任何DNL＜0，单调性为假(非单调的)，否则为真(单调的)。
上述方法具有适合于信号定时、分辨率、等等的优点，因为定时和分辨率例如独立于输入信号视频格式，同时在存在线性和非线性失真及噪声时也是健壮的，这是因为即使在噪声/损伤太大以致于根本就不能在视觉上看到任何步长时其也能工作，这样就允许使用高速、低分辨率模拟数字转换器来采集用于测量的DAC模拟斜坡输出，就像在高速数字示波器中所见的那样。
因而本发明是在存在噪声、量化误差和其它失真时，通过从量化的斜坡差信号的频谱中获得合格频率峰值，其中斜坡差信号是从DAC中输出的量化的斜坡减去估算的或理想的斜坡，通过执行iFFT以将环绕合格频率峰值的频谱部分转换到量化的周期波形(三角形的或正弦的)，通过在由过滤的波形的局部最大值和最小值定义的周期波形的半周期上利用采样窗口获得斜坡中每一步长的平均电平，并且通过从平均步长电平中确定DAC的分辨率、单调性、微分线性和积分线性，来提供DAC线性的高速测量。

Claims (9)

1、一种测量数字模拟转换器线性的高速方法，包括以下步骤：
从采集的和量化的、由数字模拟转换器响应数字斜坡输入而输出的模拟步长斜坡的频谱中获得合格频率峰值；
从环绕合格频率峰值周围的频谱部分中导出周期信号；以及
在周期信号的每一周期中确定一采样窗口，在该采样窗口之内要确定斜坡步长电平。
2、如权利要求1所述的方法，进一步包括从在采样窗口内确定的斜坡步长电平中计算数字模拟转换器的线性参数的步骤。
3、如权利要求1所述的方法，其中获得步骤包括以下步骤：
确定相应于采集的和量化的模拟斜坡的理想的斜坡；
从采集的和量化的模拟斜坡中减去理想的斜坡以产生量化的周期信号；
将量化的周期信号变换到频域以产生频谱；以及
根据指定的合格信息从频谱中获得合格频率峰值。
4、如权利要求1所述的方法，其中导出步骤包括将频谱的一部分变换到时域以产生周期信号的步骤。
5、如权利要求1所述的方法，其中确定步骤包括在周期信号的每一周期内查找作为每一采样窗口开始点的局部最大值和作为每一采样窗口结束点的局部最小值的步骤。
6、如权利要求2所述的方法，其中计算步骤包括以下步骤：
根据从合格频率峰值导出的斜坡步长之间的采样数量以及采集的和量化的模拟斜坡的开始和结束之间的采样数量来确定斜坡步长的总数；以及
从斜坡步长的总数中估算数字模拟转换器的分辨率。
7、如权利要求2所述的方法，其中计算步骤包括以下步骤：
根据斜坡步长之间的电平差来确定微分线性对数字模拟转换器代码的曲线；以及
从该曲线的最大和最小微分线性值中计算数字模拟转换器的微分线性。
8、如权利要求7所述的方法，其中计算步骤进一步包括从微分线性值中确定数字模拟转换器的单调性的步骤。
9、如权利要求2所述的方法，其中计算步骤进一步包括从积分线性值对模拟数字转换器代码的曲线中确定数字模拟转换器的积分线性。
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