DE102018114091B4 - Verfahren zur Datenwandlung, bei denen ein Zustand basierend auf zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern bestimmt wird, sowie Vorrichtungen und Systeme zur Datenwandlung, eingerichtet, einen Zustand basierend auf zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern zu bestimmen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Überwachung eines Datenwandlers (101), umfassend:- Bestimmen einer Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern, welche eine Linearität des Datenwandlers (101) beschreiben, zu einer Vielzahl von unterschiedlichen Zeitpunkten,- Bestimmen eines Zustands des Datenwandlers basierend auf einem Vergleichen von mindestens einem Linearitätsparameter der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern mit einem Vergleichsparameter,wobei das Bestimmen der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern jeweils ein Umwandeln eines vorgegebenen Testsignals durch den Datenwandler und ein Erfassen des umgewandelten Signals umfasst undwobei das Testsignal nur einen Teil eines Eingangsbereichs des Datenwandlers umfasst, wobei der Teil einen Bereich einer designspezifischen maximalen Nichtlinearität umfasst.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Diese Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Verfahren, Vorrichtungen und Systeme zur Datenwandlung.
• HINTERGRUND
• Datenwandler zur Umformung von Signalen finden vielfältige Anwendung, beispielsweise in elektronischen Schaltungen.
• Unter Datenwandler werden Vorrichtungen verstanden, die ausgelegt sind, ein erstes Signal, das ein erstes Signalformat aufweist, in ein zweites Signal, das ein zweites Signalformat aufweist, umzuwandeln. Beispielsweise kann ein optisches Signal in ein elektronisches Signal umgewandelt werden oder umgekehrt.
• Beispiele für Datenwandler sind insbesondere Analog-Digital-Wandler, die ein Analogsignal in ein Digitalsignal umwandeln, und Digital-Analog-Wandler, die ein Digitalsignal in ein Analogsignal umwandeln. In vielen Anwendungsfällen ist es notwendig und/oder hilfreich, eine Kalibrierung von Datenwandlern vorzunehmen. Eine solche Kalibrierung kann beispielsweise zum Ziel haben, dass die Wandlung der Daten bestimmten Anforderungen genügt, beispielsweise eine hinreichend lineare Charakteristik aufweist. Mittels einer Kalibrierung kann es also beispielsweise möglich sein, Signale, die mittels einer nichtlinearen Datenwandlung erzeugt werden, durch eine nachträgliche Korrektur zu linearisieren. Eine solche Linearisierung kann mittels Korrekturtermen vorgenommen werden, wobei die Korrekturterme im Rahmen der Kalibrierung bestimmt werden können. Bei vielen Datenwandlern wird eine Kalibrierung einmalig werksseitig durchgeführt. Zusätzlich kann es möglich sein, dass Datenwandler nicht nur werksseitig, sondern auch im Betrieb, beispielsweise durch geeignete Kalibrationsverfahren, kalibriert oder nachkalibriert werden.
• In vielen Anwendungsfällen wird eine Transfercharakteristik des Datenwandlers bestimmt. Eine solche Transfercharakteristik beschreibt, wie ein Eingangssignal von dem Datenwandler in ein Ausgangssignal umgewandelt wird. Eine Transfercharakteristik kann sich aufgrund einer Kalibrierung ändern. Je nach Einsatzgebiet des Datenwandlers können verschiedene Anforderungen an die Transfercharakteristik gestellt werden. Beispielsweise kann es für manche Anwendungen wünschenswert sein, dass die Transfercharakteristik ein hinreichend lineares Verhalten aufweist, also ein linearer Zusammenhang zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal über den gesamten Dynamikbereich des Datenwandlers, oder zumindest in einem bestimmten Betriebsbereich des Datenwandlers, vorhanden ist.
• Die Transfercharakteristik eines Datenwandlers kann von gewählten Designparametern, beispielsweise welche Art von Datenwandler verwendet wird und wie Komponenten ausgelegt sind, abhängig sein. Diese Arten von Abhängigkeiten können mittels Simulation, Laborcharakterisierung oder mittels automatisierten Testgeräts (engl. automated test equipment, ATE) werksseitig, vor Auslieferung des Datenwandlers, ermittelt werden. Die Transfercharakteristik kann jedoch auch von weiteren Einflüssen abhängen, welche nicht vor der Auslieferung bestimmt werden können, beispielsweise weil eine Abhängigkeit von Umweltparametern gegeben ist, oder weil sich die Transfercharakteristik mit der Zeit, beispielsweise aufgrund von Alterungsprozessen, ändert. Von einem Hersteller wird üblicherweise für spezifizierte Betriebsbedingungen eine Transfercharakteristik in einem bestimmten Toleranzbereich, z. B. in Form einer maximalen Abweichung von einem linearen Verhalten, zugesichert. Datenwandler können Alterungs-/Degradationsprozessen unterliegen, die zu einer Verschlechterung ihrer Charakteristik und schlussendlich zu ihrem Versagen führen können. Auch können Datenwandler zufällig, beispielsweise plötzlich, ausfallen.
• Aus der US 2017/0045578 A1 ist ein Fehlererkennungsverfahren für Halbleitervorrichtungen, beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler, bekannt. Zum Zeitpunkt der Herstellung werden Gewichtskoeffizienten bestimmt. Wenn die Halbleitervorrichtung eingeschaltet wird, werden abermals Gewichtskoeffizienten bestimmt. Es ist für Analog-Digital-Wandler ferner eine Fehlererkennungsschaltung offenbart, die bestimmt, dass der Analog-Digital-Wandler einen Fehler aufweist, wenn eine Korrekturgröße E0 größer als ein vorgegebener Schwellwert ist.
• Die US 7 710 303 B2 offenbart, wie die abschnittsweise definierten linearen Kalibrierungen von Digital-Analog-Wandlern basierend auf internen Spannungsreferenzen kalibriert werden können. Die internen Spannungsreferenzen können hierbei als Bruchteil einer Versorgungsspannung oder basierend auf einem Bandlücken-Referenzwert gewählt werden.
• Es ist daher eine Aufgabe, verbesserte Verfahren zur Überwachung eines Datenwandlers bereitzustellen.
• KURZFASSUNG
• Hierzu werden ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 10 und ein System nach Anspruch 13 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zur Überwachung eines Datenwandlers bereitgestellt.
• Das Verfahren umfasst ein Bestimmen einer Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern, welche eine Linearität des Datenwandlers beschreiben, zu einer Vielzahl von unterschiedlichen Zeitpunkten.
• Ferner umfasst das Verfahren ein Bestimmen eines Zustands des Datenwandlers basierend auf einem Vergleichen von mindestens einem Linearitätsparameter der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern mit einem Vergleichsparameter, wobei das Bestimmen der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern jeweils ein Umwandeln eines vorgegebenen Testsignals durch den Datenwandler und ein Erfassen des umgewandelten Signals umfasst und wobei das Testsignal nur einen Teil eines Eingangsbereichs des Datenwandlers umfasst, wobei der Teil einen Bereich einer designspezifischen maximalen Nichtlinearität umfasst.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Vorrichtung zur Datenwandlung bereitgestellt.
• Diese umfasst einen Datenwandler, eine Testsignalschaltung und eine Überwachungsschaltung.
• Die Testsignalschaltung ist eingerichtet, eine Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern, welche eine Linearität des Datenwandlers beschreiben, zu einer Vielzahl von unterschiedlichen Zeitpunkten zu bestimmen, wobei das Bestimmen der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern jeweils ein Umwandeln eines vorgegebenen Testsignals durch den Datenwandler und ein Erfassen des umgewandelten Signals umfasst und wobei das Testsignal nur einen Teil eines Eingangsbereichs des Datenwandlers umfasst, wobei der Teil einen Bereich einer designspezifischen maximalen Nichtlinearität umfasst. Die Überwachungsschaltung ist eingerichtet, einen Zustand des Datenwandlers basierend auf einem Vergleichen von mindestens einem Linearitätsparameter der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern mit einem Vergleichsparameter zu bestimmen.
• Figurenliste
• 1a zeigt eine Vorrichtung zur Datenwandlung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
• 1b zeigt eine Vorrichtung zur Datenwandlung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
• 2 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Überwachung eines Datenwandlers gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
• 3a, 3b und 3c zeigen Beispiele für vorgegebene Testsignale gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
• 4 zeigt ein weiteres Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Überwachung eines Datenwandlers gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
• 5 zeigt einen Pipeline-Analog-Digital-Wandler gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
• 6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Wandlerstufe gemäß 5.
• 7 zeigt ein Anwendungsbeispiel, welches ein System gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele umfasst.
• 8 zeigt ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf eines Linearitätsparameters gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sind lediglich als Beispiel zu betrachten und sind nicht als einschränkend aufzufassen. Beispielsweise können bei anderen Ausführungsbeispielen manche von den beschriebenen Merkmalen oder Komponenten weggelassen werden und/oder durch alternative Merkmale oder Komponenten ersetzt werden. Merkmale oder Komponenten verschiedener Ausführungsbeispiele können kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Variationen und Modifikationen, die im Hinblick auf ein Ausführungsbeispiel beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele angewendet werden. Des Weiteren können andere Merkmale oder Komponenten als die beschriebenen oder gezeigten bereitgestellt sein, beispielsweise in herkömmlichen Datenwandlern, insbesondere Analog-Digital-Wandlerschaltungen oder Digital-Analog-Wandlerschaltungen verwendete Merkmale oder Komponenten.
• Direkte Verbindungen oder Kopplungen, die in den Zeichnungen gezeigt oder im Folgenden beschrieben sind, d. h. elektrische Verbindungen oder Kopplungen ohne dazwischenliegende Elemente (beispielsweise einfache Metallleiterbahnen), können auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung realisiert werden, d. h. eine Verbindung oder Kopplung, die ein oder mehrere zusätzliche dazwischenliegende Elemente umfassen, und umgekehrt, solange die generelle Funktionsweise der Verbindung oder Kopplung, beispielsweise ein Bereitstellen einer Spannung, ein Bereitstellen eines Stroms, ein Leiten einer elektromagnetischen Welle oder ein Bereitstellen eines Steuersignals im Wesentlichen beibehalten wird.
• Die vorstehend und nachfolgend beschriebenen Verfahren können auch zur Steuerung mittels eines Computers als Anweisungen auf einem stofflich vorhandenen Speichermedium gespeichert werden, beispielsweise als Anweisungen für eine nachfolgend beschriebene Überwachungsschaltung 103, beispielsweise in einer Firmware. Die Überwachungsschaltung kann auf einem PC umfassend einen Speicher und einen Prozessor implementiert sein, aber auch als eine fest verdrahtete Logik, einem ASIC oder eine andere Ausführungsform. Unter einem Speicher ist dabei allgemein eine Einrichtung zu verstehen, in der Daten gespeichert werden können. Ein solcher Speicher kann z. B. einen Speicher mit wahlfreiem Zugang (RAM), einen Nur-LeseSpeicher (ROM), einen Flash-Speicher, einen EPROM, einen EEPROM und/oder Fuses wie elektrische Fuses oder Laserfuses umfassen. Derartige Fuses können leitend oder nichtleitend sein und somit ebenfalls Daten speichern.
• In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsbeispiele. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen, in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird.
• Im Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen genannte Zahlenwerte dienen lediglich der Erläuterung. Zahlenwerte sind nicht einschränkend auszulegen und von der Wahl von Parametern und einer jeweiligen Implementierung abhängig.
• Manche Datenwandler weisen eine Kalibrierung auf, um wohldefiniert zu arbeiten und/oder ein gewünschtes Verhalten aufzuweisen. Beispielsweise kann mittels einer Kalibrierung ein bauartbedingtes nichtlineares Verhalten eines Datenwandlers ausgeglichen werden, indem die gewandelten Signale z. B. in Abhängigkeit einer Kalibrierung skaliert werden, um eine lineares Verhalten zu erzielen. Auch kann durch eine Kalibrierung einer Änderung von Eigenschaften des Datenwandlers in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen Rechnung getragen werden und diese zumindest teilweise kompensiert werden, sodass sich eine gewünschte Transfercharakteristik ergibt.
• Beispielsweise können sich die Eigenschaften von Datenwandlern, insbesondere Linearitätseigenschaften von Datenwandlern, aufgrund von variablen Parametern, beispielsweise einer Schwankung des Prozesses, der anliegenden Versorgungsspannung und/oder der Temperatur (im Englischen als „PVT variation“ bezeichnet) und aufgrund von Alterungsprozessen ändern.
• Unter Kalibrierung eines Datenwandlers wird also ein Vorgang verstanden, bei dem Werte von Kalibrierungsparametern bestimmt werden, die die Grundlage für die Umwandlung der Daten durch den Datenwandler bilden können.
• Eine Kalibrierung kann beispielsweise werksseitig mittels eines bekannten Testsignals erfolgen, das als Eingangssignal an den Datenwandler bereitgestellt wird. Durch solche Kalibrierungen können z. B. Herstellungstoleranzen kompensiert werden.
• Zudem wird ein Linearitätsparameter gemessen. Hierzu wird ein Testsignal angelegt. Der Datenwandler nimmt eine Umwandlung des Testsignals vor und liefert ein Ausgangssignal. Durch einen Vergleich des erfassten Ausgangssignals mit einem gewünschten Ausgangssignal kann ein Linearitätsparameter (oder mehrere Linearitätsparameter) bestimmt werden.
• Der Linearitätsparameter quantifiziert, wie stark die Transfercharakteristik des Datenwandlers von einer idealen linearen Transfercharakteristik abweicht. Dies kann beispielsweise in Form der Integralen Nichtlinearität (engl.: Integral Non-Linearity), INL, und/oder in Form der Differenziellen Nichtlinearität, (engl.: Differential Non-Linearity) DNL, erfolgen.
• Alternativ oder ergänzend können auch weitere Linearitätsparameter bestimmt werden, beispielsweise Offsetfehler (engl. Offset Error), Verstärkungsfehler (engl.: Gain Error) oder fehlende Bitpositionen (engl.: Missing Codes). Für diese oder andere Linearitätsparameter können die zuvor und nachfolgend beschriebenen Verfahren entsprechend angewendet werden.
• In Abhängigkeit von dem Typ des Datenwandlers können solche oder ähnliche Werte unterschiedlich quantifiziert werden. Im Falle von Analog-Digital-Wandlern können DNL-Werte beispielsweise in Form von Zählwerten (engl.: counts) eines digitalen Ausgangssignals des Analog-Digital-Wandlers angegeben werden. In einem idealen Analog-Digital-Wandler mit n-Bit kann jede Stufe der Transfercharakteristik eine Breite von Uref/2^n haben, wobei Uref die Referenzspannung ist und somit den Dynamikbereich des Analog-Digital-Wandlers angeben kann. Die DNL kann dem Betrag der Abweichung der jeweiligen Stufenbreite vom Sollwert entsprechen.
• Die INL kann die Abweichung der Transfercharakteristik insgesamt von einem linearen Verlauf beschreiben. Es gibt unterschiedliche Arten, die INL zu ermitteln. Die INL kann beispielsweise aus betraglicher Summe der jeweiligen DNLs ermittelt werden oder rechnerisch mittels Ausgleichgeraden über die gemessene Transfercharakteristik ermittelt werden.
• Es ist möglich, weitere Parameter zu bestimmen, die eine Abweichung der Transfercharakteristik von eine idealen linearen Transfercharakteristik beschreiben, beispielsweise Offset und Vollausschlagsfehler. Auch solche Parameter sind Linearitätsparameter im Sinne dieser Anmeldung, da sie die Linearität quantifizieren.
• Ändert sich die Eigenschaften eines Datenwandlers, beispielsweise mit der Zeit, beispielsweise aufgrund von Alterungsprozessen und/oder aufgrund von Änderungen der Umgebungsbedingungen, kann dies in manchen Ausführungsbeispielen dadurch ermittelt werden, dass Werte von Linearitätsparametern mit einem Vergleichsparameter verglichen werden. Ein solcher Vergleichsparameter kann beispielsweise einen Schwellenwert oder mehrere Schwellenwerte umfassen.
• Dies kann bei manchen Ausführungsbeispielen den Vorteil haben, dass es möglich sein kann, den Zustand, beispielsweise den Alterungszustand des Analog-Digital-Wandlers, zu beobachten, um auf einen Ausfall des Analog-Digital-Wandlers reagieren zu können bzw. diesen zu antizipieren.
• Unter Zeitpunkt wird eine bestimmte Zeit verstanden. Es kann sich hierbei um einen Zeitpunkt handeln, der für einen Vorgang, beispielsweise eine Kalibrierung, maßgeblich ist, beispielsweise kann es sich um einen Zeitstempel handeln, der einen Zeitpunkt angibt, bei dem der Vorgang abgeschlossen oder begonnen wurde, beispielsweise der Zeitpunkt, bei dem eine Kalibrierung abgeschlossen wurde.
• Linearitätsparameter werden also in Ausführungsbeispielen zu verschiedenen Zeitpunkten bestimmt. Linearitätsparameter können Umgebungsparameter zu den jeweiligen Zeitpunkten berücksichtigen, beispielsweise mittels einer Normierung. Das Bestimmen der Linearitätsparameter kann in regelmäßigen, d. h. periodischen, oder unregelmäßigen Zeitabständen erfolgen.
• Bei einem Bestimmen der Linearitätsparameter in regelmäßigen Zeitabständen erfolgt das Bestimmen zu Zeitpunkten, die im Wesentlichen, beispielweise eingeschränkt durch verfahrensbedingte Ungenauigkeiten der Zeitpunktbestimmung, fest voneinander beabstandet sind. Beispielsweise kann dies durch einen Zähler mit einer festgelegten Zählrate gewährleistet sein, wobei der Zähler beim Erreichen eines vorgegebenen Wertes zurückgesetzt wird, und ein Bestimmen erfolgt. Viele alternative Möglichkeiten, ein periodisches Zeitintervall zu realisieren, sind dem Fachmann bekannt.
• Das Bestimmen kann auch kontinuierlich erfolgen, d. h. eine Vorrichtung führt ein erneutes Bestimmen durch, sobald ein vorheriges Bestimmen abgeschlossen ist. Hierbei gibt die Dauer eines Bestimmungsschritts den Zeitpunkt des Beginns des nachfolgenden Bestimmens vor. Somit kann es möglich sein, dass sich die Frequenz des Bestimmens in Abhängigkeit von externen Parametern, beispielsweise der Temperatur, ändert.
• Das Bestimmen kann auch zu zufälligen Zeitpunkten erfolgen. Hierzu kann ein Zufallsgenerator verwendet werden, um eine Entscheidung herbeizuführen, ob ein Bestimmen erfolgen soll oder nicht. Dies kann den Vorteil haben, dass das Bestimmen weniger anfällig für periodische (Stör-)Einflüsse, beispielsweise in der Umgebung vorhandene elektromagnetische Signale mit einer bestimmten Frequenz, sein kann.
• Das Bestimmen kann auch in unregelmäßigen Zeitabständen durchgeführt werden, indem ein Bestimmen in Abhängigkeit von externen Bedingungen erfolgt, beispielsweise in Abhängigkeit von Umgebungsparametern, z. B. Temperatur oder Spannungsversorgung oder in Abhängigkeit von internen Bedingungen oder in Abhängigkeit Betriebsszenarien, beispielsweise in Abhängigkeit eines Einschaltens einer verwendeten Vorrichtung oder eines empfangenen Signals. Beispielsweise kann durch den Prozessor eine Kalibrierung ausgelöst werden, beispielsweise beim Hochfahren der Vorrichtung. Es kann auch möglich sein, dass eine Kalibrierung - und somit auch ein Bestimmen - durch einen Anwender ausgelöst wird.
• Ein Rückschluss auf den Zustand des Datenwandlers, beispielsweise das Linearitätsverhalten eines Datenwandlers, kann gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele durch ein Vergleichen von zu verschiedenen Zeitpunkten bestimmten Linearitätsparameter erfolgen. In diesem Fall ist also der oben beschriebene Vergleichsparameter kein fester Schwellenwert, sondern ein zu einem anderen Zeitpunkt bestimmte Linearitätsparameter.
• Das Vergleichen kann hierbei auf verschiedene Arten erfolgen. Alternativ und/oder ergänzend zu den oben genannten Schwellenwerten kann in manchen Ausführungsbeispielen also ein Vergleich eines Linearitätsparameters mit einem weiteren Linearitätsparameter erfolgen, um den Zustand des Datenwandlers zu bestimmen. Aber auch komplexere Vergleiche, basierend auf mehreren Linearitätsparametern, sind möglich. Ein Vergleich kann das Bestimmen von einer oder mehreren Ordnungsrelationen umfassen, also beispielsweise „gleich“, „größer als“, „kleiner als“. Das Vergleichen kann auch das Bestimmen von einem oder mehreren Unterschieden von Werten umfassen. Hierbei kann ein Unterschied, beispielsweise als Differenz oder Quotient von Werten von einem oder mehreren Linearitätsparameter ausgedrückt werden, aber auch andere Verrechnungsmethoden sind möglich.
• Das Vergleichen kann auch die verstrichene Zeit zwischen dem Bestimmen der Linearitätsparameter berücksichtigen, beispielsweise kann ein Gradient oder ein Integral der Werte erstellt werden, beispielsweise ein numerischer Gradient. Ein Gradient oder mehrere Gradienten, Integrale etc. können als Unterschied quantitativ bestimmt werden. Das Vergleichen kann auch die Analyse einer Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparameter für eine Vielzahl von Zeitpunkten umfassen. Hierfür können übliche Verfahren, wie sie beispielsweise aus Kurvendiskussion und Filterentwicklung bekannt sind, angewendet werden.
• Ein Ergebnis des Vergleichens kann eine qualitative Aussage sein, beispielsweise eine logische Aussage wie „Werte sind gleich“, „Wert 1 ist größer als Wert 2“, „Wert 1 ist kleiner als Wert 2“, wobei sich „Wert“ auf Werte von einem oder mehreren Kalibrierungsparametern der Kalibrierungsdatensätze bezieht. Das Ergebnis kann auch eine quantitative Aussage sein, beispielsweise eine Differenz der Werte mit oder ohne Vorzeichen, oder ein Gradient der den zeitlichen Unterschied zwischen den Werten berücksichtigt.
• Der Zustand eines Datenwandlers gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele ist eine qualitative und/oder quantitative Beschreibung des Datenwandlers, insbesondere im Hinblick auf seine Linearitätseigenschaften und/oder Einsatzfähigkeit. Der Zustand eines Datenwandlers kann ein Maß für einen Alterungs- oder Degradationszustand umfassen. Ein Degradationszustand gibt an, wie weit eine Alterung oder andere Degradation des Datenwandlers fortgeschritten ist. Ein Degradationszustand erlaubt hierbei einen quantitativen Rückschluss auf die Einsatzfähigkeit des Datenwandlers. Ferner kann es möglich sein, eine Prognose für die weitere Einsatzfähigkeit des Datenwandlers aufgrund von Erfahrungswerten zu erstellen.
• Der Zustand eines Datenwandlers wird also bei derartigen Ausführungsbeispielen mittels der Linearitätsparameter des Datenwandlers beschrieben.
• Aus den Linearitätsparametern kann der Zustand des Datenwandlers abgeleitet werden. Unter Maß für ein Linearitätsverhalten wird verstanden, dass aus diesem Maß qualitativ und/oder quantitativ zu erkennen ist, ob und in welchem Umfang ein Degradationszustand vorliegt. Beispielsweise kann der Zustand eine logische Information wie „in Ordnung“, „nicht in Ordnung“ umfassen. Das Maß kann auch eine Vielzahl von logischen Informationen umfassen, beispielsweise „Baugruppe 1 in Ordnung“, „Baugruppe 2 nicht in Ordnung“ usw.
• Beispielsweise kann der Zustand auch eine quantitative Information, wie eine „Lebenszustandsanzeige“, umfassen.
• Diese kann auf einem Modell für einer Lebenserwartung für ein Bauteil basieren, und beispielsweise durch eine Korrelation von Messdaten der Vorrichtung mit repräsentativen Daten, die eine Zuordnung der Vorrichtung in eine Ausfallverteilung ermöglichen, bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Prozentangabe als Maß bereitgestellt werden, beispielsweise „Gesundheit: 85 %“, oder mehrere Prozentangaben, die verschiedene Eigenschaften charakterisieren, beispielsweise „Gesundheit Baugruppe 1: 99 %, Gesundheit Baugruppe 2: 20 %“. Es kann auch möglich sein, dass das Maß sowohl qualitative als auch quantitative Degradationsinformationen umfasst, beispielsweise „Gesundheit Baugruppe 1: 99 %, Baugruppe 1 in Ordnung, Gesundheit Baugruppe 2: 20 %, Baugruppe 2 nicht in Ordnung“.
• 1a und 1b zeigen Systeme 100 zur Wandlung von Daten. Das System 100 umfasst verschiedene funktionale Einheiten 101-114. im Ausführungsbeispiel der 1a umfasst das System einen Datenwandlers 101, eine Testsignalschaltung 102 und eine Überwachungsschaltung 103.
• Der Datenwandler 101 kann in manchen Ausführungsbeispielen ein Pipeline Analog-Digital-Wandler, ein integrierender Analog-Digital-Wandler, ein Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler, ein Flash-Analog-Digital-Wandler, ein Sukzessiver-Approximations-(SAR-) Analog-Digital-Wandler, ein direkter Digital-Analog-Wandler, ein paralleler Digital-Analog-Wandler, ein Delta-Sigma-Digital-Analog-Wandler sein. Aber auch andere Wandlerarten sind möglich, beispielsweise Digital-Analog-Wandler oder optische Wandler etc. Auch können oder mehrere Analog-Digital-Wandler und/oder andere Kombination von Analog-Digital-Wandlern und Digital-Analog-Wandlern, die mehrere Wandlerstufen umfassen, wie beispielsweise von SAR-Analog-Digital-Wandlern bekannt, Beispiele für den Datenwandler 101 sein.
• Die Testsignalschaltung 102 kann zur Bestimmung der Transfercharakteristik des Datenwandlers verwendet werden, beispielsweise um zeitpunktzugehörige Linearitätsparameter des Datenwandlers zu bestimmen, beispielsweise von INL und/oder DNL. Zusätzlich kann sie zur Kalibrierung des Datenwandlers verwendet werden. Kalibrierung und/oder Bestimmung der Linearitätsparameter des Datenwandlers 101 können von der Überwachungsschaltung 103 gesteuert werden. Auch können die Ergebnisse von Kalibrierungen und/oder Bestimmungen der Linearitätsparameter durch die Überwachungsschaltung 103 gespeichert werden, sodass sie für spätere Vergleiche zur Verfügung stehen.
• In anderen Ausführungsbeispielen kann es möglich sein, dass die Testsignalschaltung 102 mit mehreren Datenwandlern (nicht gezeigt) gekoppelt ist und die Transfercharakteristik dieser Datenwandler, beispielsweise sequentiell, bestimmt. Alternativ oder ergänzend können auch mehrere Testsignalschaltungen (nicht gezeigt) wie die Testsignalschaltung 102 vorhanden sein, die einen Datenwandler 101 oder mehrere Datenwandler (nicht gezeigt) testen, beispielsweise zu verschiedenen Zeitpunkten, beispielsweise mit verschiedenen Testsignalen.
• Beispielsweise können gespeicherte Werte mit neu ermittelten Werten von Linearitätsparametern verglichen werden, die von der Überwachungsschaltung 103 überwacht werden und beispielsweise für verschiedene Zeitpunkte miteinander verglichen werden. Kommt es zu einer starken Abweichung zwischen den zeitpunktzugehörig ermittelten Linearitätsparametern oder zu einer Überschreitung eines Schwellenwertes der Linearitätsparameter, kann dies auf ein Problem bei dem Datenwandler 101 hindeuten. Eine solche Beobachtung kann verwendet werden um beispielsweise einen Degradationszustand wie oben erläutert anzuzeigen.
• Das System 100 kann sowohl mittels diskreter Einheiten, die miteinander gekoppelt sind, als auch als eine einzige Vorrichtung ausgeführt sein, beispielsweise in Form eines integrierten Schaltkreises. Auch ist es möglich, dass einzelne der gezeigten funktionalen Einheiten auf einem einzelnen Schaltkreis ausgeführt sind und andere Module separat davon ausgeführt sind. Beispielsweise kann der Datenwandler 101 und die Testsignalschaltung 102 als ein integrierter Schaltkreis ausgeführt sein, die Überwachungsschaltung 103 jedoch als eine eigene Baugruppe vorliegen. Auch beliebige andere Varianten hiervon sind möglich.
• Wie in 1b beispielhaft gezeigt, kann das System 100 weitere Komponenten umfassen. Zu bemerken ist, dass diese zusätzlichen Komponenten unabhängig voneinander implementiert sein können, d. h. bei manchen Ausführungsbeispielen auch nur eine oder manche dieser Komponenten bereitgestellt sein können.
• In Ausführungsbeispielen gemäß der 1b sind beispielsweise ein Sensor A 110, ein Sensor B 111 und ein Sensor C 112 vorhanden. Diese Sensoren 110-112 können Messdaten zu Umgebungsparametern an die Überwachungsschaltung 103 liefern, welche von der Überwachungsschaltung bei dem Bestimmen von Linearitätsparametern und/oder deren Auswertung berücksichtigt werden können.
• Das System 100 in 1b weist des Weiteren zusätzlich zu den Einheiten der 1a eine Signalschnittstelle 104, eine Abschaltschaltung 105, ein Bussystem 106, Eingänge 107, Ausgänge 108 und Ein-/Ausgänge 109 auf. Zusätzlich weist das in 1b gezeigte Ausführungsbeispiel wie oben beschrieben drei Sensoren 110-112 auf, die beispielsweise Umgebungsparamter wie Temperatur, Versorgungsspannung und weitere Parameter erfassen können. In manchen Ausführungsbeispielen kann es ergänzend oder alternativ möglich sein, Sensordaten über die Ein-/Ausgänge 109 zu empfangen oder an andere Schaltungen bereitzustellen.
• Darüber hinaus kann das System 100 einen ersten Speicher 113 und einen zweiten Speicher 114 aufweisen. Die Speicher 113, 114 können auch zusammen ausgeführt sein. In manchen Ausführungsbeispielen kann auch lediglich einer der Speicher 113, 114 vorhanden sein.
• Der erste Speicher 113 kann beispielsweise ein Referenzspeicher RefRAM 113 (engl.: Reference Memory) sein. Der zweite Speicher 114 kann beispielsweise ein Korrekturspeicher (engl.: Correction Memory) CRAM 114 sein. Die Speicher können als Random Access Memory ausgeführt sein, als nichtflüchtiger Speicher innerhalb eines Chips, z.B. als Flash-Speicher oder als einmalig programmierbarer RAM (engl.: one-time programmable memory, OTP). Sie können auch als nichtflüchtiger Speicher innerhalb eines Moduls, beispielsweise als ein zweiter Chip, beispielsweise in Kombination mit einem Mikrocontroller, ausgeführt sein. Beispielsweise kann CRAM 113 und/oder RefRAM 114 auch ein Bestandteil der Überwachungsschaltung 103 und/oder der Testsignalschaltung 102 und/oder des Datenwandlers 101 sein, aber auch andere Integrationen sind möglich. CRAM 114 und/oder RefRAM 113 können als flüchtiger Speicher ausgeführt sein. RefRAM 113 und CRAM 114 können jeweils unterschiedlich und/oder als Kombination von verschiedenen Speichertypen ausgeführt sein. Beispielsweise kann der RefRAM 113 als ein einmalig programmierbarer nichtflüchtiger Speicher (engl. one-time programmable non-volatile memory, OTP NVM) ausgeführt sein und CRAM 114 als flüchtiger Speicher.
• Die Signalschnittstelle 104 kann eingerichtet sein, ein Signal basierend auf dem Zustand des Datenwandlers bereitzustellen. Die Signalschnittstelle 104 ermöglicht, dass der von der Überwachungsschaltung 103 bestimmte Zustand des Datenwandlers 101 an andere Systeme kommuniziert werden kann, beispielsweise über den Ausgang 108 oder den Ein-/Ausgang 109. Dies kann den Vorteil haben, dass ein Warnsignal an einen Benutzer des Geräts, in dem das System 100 verbaut ist, bereitgestellt werden kann in Abhängigkeit vom ermittelten Zustand des Datenwandlers. Beispielsweise kann eine Wartungslampe in einem Kraftfahrzeug aktiviert werden.
• Die Abschaltschaltung 105 kann eingerichtet sein, den Datenwandler 101 basierend auf dem Zustand des Datenwandlers abzuschalten.
• Die Abschaltschaltung 105 kann insbesondere eine Deaktivierung des Datenwandlers 101 bewirken, falls die Überwachungsschaltung 103 zu dem Ergebnis kommt, dass der Datenwandlers 101 fehlerhaft arbeitet. Dies kann insbesondere bei mehrfach redundant oder redundant ausgeführten Systemen vorteilhaft sein, falls der fehlerhaft arbeitende Datenwandlers falsche Werte liefert. In diesem Fall kann ein weiterer (nicht dargestellter) Datenwandlers weiter korrekt arbeiten und die Aufgaben des defekten Datenwandlers übernehmen.
• Mittels der gezeigten funktionalen Einheiten können verschiedene Ausführungsbeispiele des Systems 100 in der Lage sein, einzelne, einige oder alle nachfolgend beschriebenen Verfahren durchzuführen. Die nachfolgend beschriebenen Verfahren können ganz oder teilweise von der Überwachungsschaltung 103 durchgeführt werden. Die Verfahren können jedoch auch unabhängig von dem System 100 durchgeführt werden.
• 2 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Überwachung eines Datenwandlers gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
• Bei dem Datenwandler kann es sich beispielsweise um den Datenwandler 101 der 1a und der 1b handeln.
• Beispielsweise kann es sich bei dem Datenwandler um einen Analog-Digital-Datenwandler handeln. Der Datenwandler kann eingerichtet sein, Analogsignale, z. B. basierend auf einer Kalibrierung, in digitale Werte umzuwandeln. Für andere Datenwandler kann das Verfahren entsprechend angewendet werden, wobei beispielsweise bei einem Digital-Analog-Wandler ein Digitalsignal bereitgestellt werden kann und dieses in ein Analogsignal umgewandelt werden kann. Gleiches gilt für andere Datenwandlertypen, beispielsweise optische Wandler.
• Bei 1001 erfolgt ein Bestimmen einer Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern, welche eine Linearität des Datenwandlers beschreiben, zu einer Vielzahl von unterschiedlichen Zeitpunkten. Das Bestimmen der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern kann jeweils ein Umwandeln eines vorgegebenen Testsignals durch den Datenwandler und ein Erfassen des umgewandelten Signals umfassen. Wie oben beschrieben kann ein solcher Linearitätsparameter beispielsweise INL oder DNL sein.
• Im Falle eines Analog-Digital-Datenwandlers kann beispielsweise ein analoges Testsignal bereitgestellt werden, welches eine vorgegebene Charakteristik aufweist. Beispiele für Testsignale werden weiter unten im Zusammenhang mit 3a-c erläutert. Das Testsignal kann beispielsweise von der Testsignalschaltung 102 bereitgestellt werden.
• In manchen Ausführungsbeispielen kann bei 1000 vor 1001 zunächst ein Arbeitspunkts des Datenwandlers bestimmt werden. Ferner kann ein Bestimmen einer Korrektheit des Arbeitspunktzustandes des Datenwandlers basierend auf einem Vergleich des Arbeitspunkts mit mindestens einem dritten Wert erfolgen. Beispielsweise kann der dritte Wert eine Mindestspannung für den Betrieb des Datenwandlers darstellen.
• Wenn eine Korrektheit vorliegt, kann das Verfahren gemäß 1001 durchgeführt werden und ein Bestimmen der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern und das Bestimmen des Zustandes des Datenwandlers wie unten und zuvor beschrieben durchgeführt werden. In manchen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren abgebrochen werden wenn keine Korrektheit vorliegt, beispielsweise weil bereits einen Fehlerzustand des Datenwandlers vorliegt.
• Dies kann den Vorteil haben, dass bei einem Betrieb entfernt von einem korrekten Arbeitspunkt nicht fälschlicherweise auf einen schlechten Zustand des Datenwandlers geschlossen wird. Beispielsweise kann ein Analog-Digital-Datenwandler ein stark nichtlineares Verhalten aufweisen, wenn die Versorgungsspannung zu niedrig ist. In einem solchen Fall kann es vermieden werden, dass aufgrund der unter diesen Bedingungen bestimmten schlechten Linearitätseigenschaften fälschlicherweise auf das Vorliegen eines Defekts des Datenwandlers geschlossen wird und/oder die Zeit für die Durchführung der Bestimmung der Linearitätsparameter kann gespart werden.
• Bei 1002 erfolgt ein Bestimmen eines Zustands des Datenwandlers basierend auf einem Vergleichen von mindestens einem Linearitätsparameter der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern mit einem Vergleichsparameter.
• Der Vergleichsparameter kann auf verschiedene Arten ermittelt werden, wie nachfolgend und zuvor beschrieben.
• Beispielsweise kann es sich um einen Schwellenwert für den mindestens einen Linearitätsparameter handeln. Der Schwellenwert kann beispielsweise für den Linearitätsparameter INL definiert sein und kann als Wert beispielsweise den Wert 2,0 haben. Der Schwellenwert kann einem Wert entsprechen, den der Hersteller des Datenwandlers bei Betrieb unter spezifizierten Bedingungen, z. B. in einem spezifizierten Temperaturbereich, garantiert, oder ein hiervon abweichender Wert sein. Durch den Vergleich des ermittelten Wertes für INL mit dem Schwellenwert kann das Linearitätsverhalten für den Zeitpunkt, an dem das Verfahren durchgeführt wurde, ermittelt werden. Wird beispielsweise INL = 2,4 ermittelt, kann daraus geschlossen werden, dass der Datenwandler den Linearitätsanforderungen für die Anwendung nicht genügt.
• Eine solche Überwachung kann für einen einzigen Linearitätsparameter, wie beispielsweise oben angeführt, erfolgen, es kann aber auch für mehrere Linearitätsparameter gleichzeitig erfolgen. Das Bestimmen des Linearitätsverhaltens kann beispielsweise auf der maximal beobachteten Abweichung aller beobachteten Linearitätsparameter beruhen, oder es können komplexere Entscheidungen getroffen werden. Beispielsweise können für verschiedene Linearitätsparameter verschiedene Schwellenwerte definiert werden. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn ein Datenwandler verschiedene Unterwandler oder Wandlerstufen umfasst. In solchen Fällen können die einzelnen Unterwandler einzeln betrachtet werden und in verschiedenen Fällen ein unterschiedlicher Zustand des Datenwandlers ermittelt werden. Beispielsweise kann bei einem Pipeline ADC, der redundant aufgebaut ist eine andere Bewertung vorgenommen werden wenn eine Wandlerstufe, die für ein höherwertiges Bit zuständig ist, schlechte Linearitätsparameter aufweist als wenn dies bei einer Wandlerstufe der Fall ist, die für ein niederwertiges Bit zuständig ist.
• In anderen Ausführungsbeispielen kann der Vergleichsparameter mindestens einen weiteren zeitpunktzugehörigen Linearitätsparameter der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern umfassen, oder Schwellenwerte können aus einem Linearitätsparameter, der zu einem vorherigen Zeitpunkt bestimmt wurde, abgeleitet werden. Somit kann es möglich sein, relative Vergleiche durchzuführen. So kann beispielsweise zu einem ersten Zeitpunkt, beispielsweise im Werk, ein ermittelter Linearitätsparamter als Referenzwert, beispielsweise INL gemäß dem oben beschriebenen Verfahren 1001-1002 ermittelt werden. Der so ermittelte Referenzwert kann mit einer Toleranz als Schwellenwert abgespeichert werden und dann bei nachfolgenden Durchläufen des Verfahrens als Vergleichsparameter herangezogen werden. Beispielsweise kann zum ersten Zeitpunkt INL = 1,2 ermittelt werden. Es kann beispielsweise ein Toleranz von +0,7 angenommen werden. Dann wird der Schwellenwert in diesem Beispiel auf 1,9 festgelegt. Wird zu einem späteren Zeitpunkt INL ≤ 1,9 ermittelt, wird das zeitpunktzugehörige Linearitätsverhalten als akzeptabel. Wird hingegen INL > 1,9 ermittelt wird eine zu starke Abweichung des Linearitätsverhaltens von dem gewünschten oder spezifizierten Linearitätsverhalten festgestellt.
• Dieses Verfahren kann, wie auch entsprechend eingerichtete Vorrichtungen entsprechend dem System 100, den Vorteil haben, dass eine zeitliche Veränderung eines Zustands des Datenwandlers anhand des Vergleichens der Linearitätsparameter erkannt werden kann. Das Verfahren ermöglicht eine Beobachtung des Zustands des Datenwandlers unter Einsatzbedingungen im laufenden Betrieb, beispielsweise wenn der Datenwandler in einer Vorrichtung, beispielsweise einem Fahrzeug, verbaut ist. Dies kann den Vorteil haben, dass alterungsabhängige Effekte, die nicht immer bei Produktionstests oder während Service-Intervallen beobachtbar sind, beobachtbar werden. Hierdurch kann es möglich sein, einen Langzeittrend des Zustands des Datenwandlers zu beobachten, um Alterungsprozesse zu beobachten. Ebenfalls kann es möglich sein, plötzliches Versagen des Datenwandlers zu detektieren, beispielsweise solche Effekte, welche aufgrund eines offenen Stromkreises, beispielsweise aufgrund von Elektromigration oder Strahlungsschäden, beispielsweise aufgrund von Höhenstrahlung, auftreten. In solchen Fällen kann es besonders einfach sein, eine Veränderung der Linearitätsparameter zu erkennen.
• Bei 1001 und/oder bei 1002 kann bei manchen Ausführungsbeispielen zusätzlich mindestens ein zeitpunktzugehöriger Umgebungsparameter bestimmt werden, beispielsweise die Temperatur oder die Versorgungsspannung. Dies kann beispielsweise mit einem der Sensoren 110-112 erfolgen, oder eine Information bezüglich der Umgebungsparameter kann über eine Schnittstelle 108,109 an die Steuerung des Systems 100 bereitgestellt werden. Der Umgebungsparameter kann bei dem Bestimmen des Linearitätsparameters bei 1001 und/oder beim Bestimmen des Zustands bei 1002 berücksichtigt werden. Beispielsweise kann die Abhängigkeit eines Linearitätsparameters von der Temperatur bekannt sein und ein bei einer bestimmten Temperatur, z. B. 40 °C, ermittelter Linearitätsparameter kann auf einen bei einer Referenztemperatur, z. B. 20 °C, ermittelten Linearitätsparameter zurückgerechnet werden. Auch kann es möglich sein, Schwellenwerte in Abhängigkeit der Umgebungsparameter zu parametrisieren. So könnte beispielsweise der oben angegebenen Parameter INL für niedrige Temperaturen, z. B. Temperaturen bis 30 °C, einen Schwellenwert von 1,5 aufweisen und für höhere Temperaturen, z. B. zwischen 100 °C und 150 °C, einen höheren Schwellenwert von 1,9. Entsprechendes gilt bei dem Vergleich von zu verschiedenen Zeitpunkten bestimmten Linearitätsparametern. Diese können ebenfalls auf Standardbedingungen normiert werden oder die Schwellenwerte für erlaubte Abweichung können verändert werden, beispielsweise entsprechend der Umgebungstemperatur. Auch die Abhängigkeit von anderen Umgebungsparametern kann hierbei Berücksichtigung finden, beispielsweise die Versorgungsspannung die zur Verfügung steht oder eine Kombination verschiedener Umgebungsparameter. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann ein Schwellenwert so gewählt werden, dass ein gesamter spezifizierter Temperaturbereich, für den der Datenwandler gedacht ist, abgedeckt werden, z. B. ein Schwellenwert von 2 für INL in einem Temperaturbereich von -40 °C bis 150 °C.
• 3a, 3b und 3c zeigen Beispiele für vorgegebene Testsignale gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
• Die Ermittlung der Transfercharakteristik eines Datenwandlers ist für eine Vielzahl von Testsignalen möglich. In einigen Beispielen werden zumindest abschnittsweise monotone, insbesondere lineare, Testsignale verwendet. Dies kann den Vorteil haben, dass es sehr einfach sein kann, ein nichtlineares Verhalten der Transfercharakteristik des Datenwandlers dann zu ermitteln, wenn das Ausgangssignal des Datenwandlers die Linearitätseigenschaft des Testsignals nicht länger aufweist. In anderen Worten spiegeln in diesem Fall Nichtlinearitäten am Ausgangssignal direkt die Nichtlinearität des Datenwandlers wider.
• In 3a ist ein Testsignal 300 gezeigt, welches monoton und linear ist. Eine vorgegebene Charakteristik des Testsignals 300 ist also eine Rampencharakteristik. Unter einer Rampencharakteristik wird ein monotoner Signalverlauf verstanden. Es handelt sich in dem dargestellten Beispiel insbesondere um eine lineare Rampencharakteristik, wobei die Rampencharakteristik zumindest abschnittsweise durch einen linearen Verlauf im Wesentlichen beschrieben werden kann. Das Signal kann nach bestimmten Zeiten wiederholt werden, entweder durch eine Umkehr der Flankensteigung oder durch ein zurückspringen auf den Ausgangswert, z. B. um eine erneute Bestimmung der Linearitätsparameter durchzuführen.
• 3b zeigt ebenfalls ein Testsignal 300, welches aber einen komplexeren Verlauf zeigt. Dabei umfasst das Testsignal nur einen Teil eines Eingangsbereichs des Datenwandlers. Dieser Teil kann insbesondere einen Bereich einer designspezifischen maximalen Nichtlinearität umfassen.
• Datenwandler weisen abhängig von ihrem Design Teilbereiche eines gesamten Eingangsbereichs auf, an denen die Nichtlinearität typischerweise besonders groß ist.
• Beispielsweise kann sich der Eingangsbereich, auch als Dynamikbereich bezeichnet, eines Datenwandlers von 0 V bis 2,55 V erstrecken. Beispielsweise kann DNL im Bereich von 0V bis 1,25 V unterhalb von 1,4 sein und im Bereich von 1,30 bis 2,55 V ebenfalls unterhalb von 1,4 sein, jedoch im Bereich zwischen 1,25 V und 1,30 V Werte von bis zu 1,8 annehmen. In diesem Fall wäre der Linearitätsbereich im Bereich von 1,25 V bis 1,30 V maximal. Typischerweise zeigen sich Alterungserscheinungen in diesem Bereich am schnellsten. Indem das Testsignal auf diesen Teil des Eingangsbereichs beschränkt wird, kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine Zeit zum Bestimmen der Linearitätsparameter verkürzt werden, ohne wesentlich in der Genauigkeit der Bestimmung des Zustands des Datenwandlers zu verlieren.
• Im Beispiel der 3b ist eine solche Situation gezeigt. Hierbei handelt es sich bei dem Wandler um einen Analog-Digital-Wandler. Im Beispiel der 3b wird ausgenutzt, dass es aufgrund des Designs von Simulationen und/oder Experimenten bekannt ist, dass ein charakteristischer Bereich 304 um einen charakteristischen Wert 304b für den Linearitätsparameter vorliegt, bei dem der Datenwandler einen Bereich maximaler Nichtlinearität aufweist. Beispielsweise kann es sich hier um einen Analog-Digital-Wandler mit sukzessiver Approximation handeln, wobei der Bereich designspezifisch maximaler Nichtlinearität einen Wertebereich umfasst, bei der ein höchstwertigstes Bit, MSB, und ein zweithöchstwertigstes Bit, MSB-1, schalten, angedeutet durch die zwei Wertebereiche AD-1 und AD-2.
• Die Position des charakteristischen Bereichs 304 ist hier nur ein Beispiel. Das Verfahren kann auch in anderen Situationen angewendet werden, an welchen Positionen des Testsignals für ein bestimmtes Datenwandlerdesign beispielsweise größte Werte für Linearitätsparameter auftreten.
• Um auszunutzen, dass ein Bereich designspezifisch maximaler Nichtlinearität bekannt ist, ist das Testsignal an den Eingangswertebereich, der zu der designspezifisch maximalen Linearität des Ausgangswertebereichs führt, angepasst. Dies ist beispielhaft durch das lineare Testsignal 303 in 3c gezeigt, welches den charakteristischen Bereich 304 abdeckt, hingegen nicht Werte außerhalb des charakteristischen Bereichs 304 annimmt. So wird - bei gleicher Signalform, beispielsweise Rampensteilheit des Signals - weniger Zeit für das Durchlaufen des Testsignals benötigt und gleichzeitig an den entscheidenden Stellen, im gezeigten Beispiel bei 304b und im Bereich 304, eine Bestimmung des Linearitätsparameters durchgeführt.
• Es kann auf verschiedene Arten erreicht werden, dass das Testsignal nur einen Teil eines Eingangsbereichs des Datenwandlers umfasst. Beispielsweise kann das Testsignal so gestaltet sein, dass es nur Werte um diesen Bereich mit einem vorgegebenen Intervall annimmt. In anderen Beispielen kann die Anstiegsrate in den Bereichen außerhalb des relevanten Teils des Eingangsbereichs erhöht werden, um das Verfahren in einer kürzeren Zeit abschließen zu können. Auch können verschiedene Einheiten ein Testsignal bereitstellen, wobei einzelne Einheiten nur Testsignale in einem jeweiligen Teil bereitstellen.
• Bei dem Datenwandler kann es sich auch um einen Pipeline-Analog-Digital-Wandler mit einer Vielzahl von Wandlerstufen handeln.
• In 3c ist ein weiteres Beispiel für ein solches Testsignal, welches als Eingangssignal an einen Datenwandler bereitgestellt wird, am Beispiel eines Analogsignals für einen Analog-Digital-Wandler mit einer Vielzahl von Wandlerstufen mit jeweiligen Wertebereichen AD-1 bis AD-4 gezeigt. Im gezeigten Beispiel handelt es sich um einen Pipeline Analog-Digital-Wandler, wobei jede der Wandlerstufen voneinander jeweils zumindest teilweise verschiedene Umwandlungsbereiche aufweist und wobei das Testsignal den Teil des Eingangsbereich des Datenwandlers umfasst, der mindestens zwei der zumindest teilweise verschiedene Umwandlungsbereiche umfasst.
• Die Wertebereiche der Wandlerstufen AD-1 bis AD-4 weisen Übergangsbereiche auf, wobei jeweils die charakteristischen Werte 307, 308, 309, die beispielsweise der Mittelpunkt des Intervalls der Übergangsbereiche sein können, gezeigt sind. Das gezeigte Testsignal 300 weist Teile mit linearen Anstiegen 306 und sprunghafte Anstiege 302 auf.
• Durch solche Testsignalformen kann die Messung auf die Bereiche des Eingangsbereichs konzentriert werden, an denen aufgrund des Designs hohe Nichtlinearitäten zu erwarten sind. Hierdurch kann ebenfalls eine kürzere Zeit pro Messung und somit bei konstanter für die Messungen zur Verfügung stehender Zeit eine höhere Genauigkeit erreicht werden.
• Im in 3c gezeigten Beispiel resultieren die Übergangsbereiche daher, dass der Datenwandler mehrere Wandlerstufen umfasst. Übergangsbereiche können allgemein immer auftreten, wenn ein Wandler, beispielsweise ein Analog-Digital-Wandler, mindestens zwei Wandlerzustände umfasst, wie dies beispielsweise von SAR-Analog-Digitalwandlern und Flash-Analog-Digital-Wandlern bekannt ist. In solchen Fällen kann das Testsignal ebenfalls den Teil des Eingangsbereichs des Datenwandlers umfassen, der einen Übergangsbereich zwischen den mindestens zwei Analog-Digital-Wandlerzuständen umfasst.
• Hierbei können die Übergangsbereiche, wie im Beispiel der 3c gezeigt, aneinander angrenzen. In anderen Ausführungsbeispielen können sich die Übergangsbereiche auch überlappen. Dies kann den Vorteil haben, dass sicher der gesamte Bereich oder zumindest Teilbereiche der Wandlerstufen charakterisiert werden können.
• 4 zeigt ein weiteres Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Überwachung eines Datenwandlers gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
• Im in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Datenwandler um einen Analog-Digital-Wandler, der einen Korrekturspeicher CRAM und einen Referenzspeicher RefRAM aufweist. Diese Speicher können in beliebiger Weise, insbesondere als nichtflüchtige Speicher, implementiert sein. Es können RefRAM 113 und CRAM 114 wie im Zusammenhang mit 1b beschrieben sein. Diese Speicher können zur Speicherung von Kalibrierungsdatensätzen verwendet werden. Der Korrekturspeicher dient zum Speichern eines aktuellen, derzeit für die Kalibrierung des Datenwandlers verwendeten Kalibrierungsdatensatzes, während der Referenzspeicher wie unten erläutert zum Speichern eines Referenz-Kalibrierungsdatensatzes dient. Ergänzend oder alternativ können im Referenzspeicher und/oder im Korrekturspeicher auch Schwellenwerte wie zuvor und nachfolgend beschrieben gespeichert werden.
• Bei 1011 wird ein Vergleichsparameter bestimmt. Dieser Vergleichsparameter kann beispielsweise verschiedene Grenzwerte umfassen, beispielsweise INL < 2,0 und DNL für verschiedene Bereiche des Eingangsbereichs des Wandlers individuelle Grenzwerte, beispielsweise < 0.2 für den Bereich von 0% bis 20% des Eingangsbereichs, < 0.7 für den Bereich zwischen 20% und 70% und 0,3 für den Eingangsbereich bis 100%.
• Wie oben im Zusammenhang mit 2 beschrieben wird der Vergleichsparameter verwendet, um zu jedem Zeitpunkt das Linearitätsverhalten des Datenwandlers zu bestimmen. Im Falle des Analog-Digitalwandlers können die Linearitätsparameter beispielsweise mittels Vergleich der Testsignalcharakteristik mit dem vom Analog-Digital-Wandler umgewandelten Digitalsignal bestimmt werden.
• Der Vergleichsparameter kann fest vorgegeben sein, beispielsweise in der Designphase für den Analog-Digital-Wandler festgelegt werden, oder durch ein Verfahren gemäß 2 als ein Referenzwert oder aber auch während des Einsatzes des Analog-Digital-Wandlers ermittelt werden.
• Ein Bestimmen des Vergleichsparameters kann in manchen Ausführungsbeispielen werksseitig durchgeführt werden. Das Bestimmen kann ferner zu einem der folgenden Anlässe oder auch zu mehreren der folgenden Anlässe durchgeführt werden:
• - ein Produktionstest des Analog-Digital-Wandlers,
• - ein Modultest des Analog-Digital-Wandlers, wobei der Analog-Digital-Wandler mit mindestens einer externen Komponenten gekoppelt ist,
• - Überschreiten eines vorgegebenen Wertes einer Versorgungsspannung am Analog-Digital-Wandler,
• - Abschluss einer Initialisierungsphase des Analog-Digital-Wandlers.
• Der Vergleichsparameter kann in einem Speicher abgelegt werden, der auf verschiedene Arten ausgeführt sein kann, beispielsweise als Flash-Speicher.
• Bei 1012 erfolgt ein Bestimmen von mindestens einem zeitpunktzugehörigen Linearitätsparameter wie oben beschrieben. Von 1012 ausgehend kann das Verfahren bei 1013 und/oder bei 1017 fortgesetzt werden. 1013 und 1017 können hierbei zeitgleich oder nacheinander durchgeführt werden.
• Bei 1017 findet ein Vergleichen von mindestens einem bei 1012 bestimmten Linearitätsparameter mit dem mindestens einen Vergleichsparameter statt. Dieser Vergleich kann beispielsweise durch Bilden einer Differenz stattfinden. Eine Differenz kann auf verschiedene Arten berechnet werden. Wenn die Linearitätsparameter jeweils nur einen einzigen Wert umfassen, kann die Differenz als Differenz der jeweiligen Werte der Linearitätsparameter bestimmt werden. Umfassen die Linearitätsparameter jeweils mehr als einen Linearitätsparameter, kann die Differenz beispielsweise aus Werten einander entsprechender jeweiliger Linearitätsparameter berechnet werden. Der Vergleichsparameter kann wie beschrieben ein fester Schwellenwert oder auch ein weiterer der Vielzahl von Linearitätsparametern sein.
• Unter einander entsprechenden Linearitätsparameter werden Linearitätsparameter verstanden, die gleiche oder ähnliche Informationen bezüglich der Transferfunktion des Datenwandlers haben.
• Ergänzend oder alternativ können auch andere Verfahren Anwendung finden, beispielsweise Quotientenbildung und Vergleich mit einem Grenzwert für die Quotienten oder direkte größer als/kleiner als Vergleiche der Linearitätsparamter mit dem Vergleichparameter.
• Bei 1018 wird, basierend auf dem Vergleichen bei 1017, der Zustand des Analog-Digital-Wandlers bestimmt. Im in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Zustand als eine logische Information repräsentiert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Zustand dadurch bestimmt, dass überprüft wird, ob die bei 1017 bestimmte Differenz größer als ein Differenzschwellenwert ist. In Ausführungsbeispielen, bei denen andere Berechnungsformen zur Bestimmung des Zustands gewählt werden, können entsprechende Schwellenwerte gewählt werden, beispielsweise ein Quotientschwellenwert, um den Zustand zu bestimmen. Wie oben beschrieben können in anderen Ausführungsbeispielen andere Formen der Zustandsbeschreibung Anwendung finden. In Ausführungsbeispielen, in denen die Linearitätsparameter eine Vielzahl von Werten umfassen, kann der Zustand auch anhand einer gemeinsamen Betrachtung des komponentenweisen Vergleichens einzelner zugehöriger Werte bestimmt werden. Die gemeinsame Betrachtung kann beispielsweise in Addition der bestimmten Differenzen oder in einer Addition der Betragsquadrate der bestimmten Differenzen bestehen oder in einer Betrachtung desjenigen zugehörigen Wertepaares mit der maximalen Differenz. Auch können andere Verfahren, wie sie beispielsweise aus dem Bereich von Kurvenanpassungen bekannt sind, angewendet werden. Beispielsweise kann bekannt sein, dass einzelne Werte der Linearitätsparameter eine bestimmte Abhängigkeit zueinander aufweisen, beispielsweise einen quadratischen Verlauf der Werte als Funktion eines Indexes der Werte. In solchen Fällen können Kurvenanpassungen durchgeführt werden und ermittelte Residuen der Kurvenanpassungen von Linearitätsparametern miteinander verglichen werden.
• In manchen Ausführungsbeispielen kann der Zustand basierend auf dem Betrag der bei 1017 bestimmten Differenz ermittelt und/oder angegeben werden, beispielsweise als eine auf zwischen 0 und 100 % normierte Größe, wobei die Größe zu 100 % bestimmt wird, wenn die Differenz den Wert 0 hat, und zu 0 % bestimmt wird, wenn die Differenz den Differenzschwellenwert erreicht oder überschreitet. Hierbei ist es ebenfalls möglich, dass der Zustand aus einer Vielzahl von solchen Werten ermittelt wird, die aus den jeweiligen Werten von Linearitätsparametern oder aus Verrechnung jeweiliger Werte von Linearitätsparametern bestimmt werden können. Basierend auf dem Zustand kann ein Signal, welches ein Maß für den Zustand des Analog-Digital-Wandlers ist, bereitgestellt werden. Ein solches Signal kann verwendet werden um den Zustand des Datenwandlers an andere Einheiten zu kommunizieren.
• In Abhängigkeit des bei 1018 bestimmten Zustands des Analog-Digital-Wandlers und/oder dem entsprechenden Signal kann das Verfahren unterschiedlich fortgesetzt werden.
• Wird ein Zustand bestimmt, der darauf hindeutet, dass der Analog-Digital-Wandler einsatzfähig ist, kann das Verfahren wie durch den Pfeil 1019 angedeutet, bei Schritt 1014 fortgesetzt werden. Wird hingegen ein Zustand bestimmt, der darauf hindeutet, dass der Analog-Digital-Wandler nicht einsatzfähig ist oder potenziell ausfallgefährdet ist, kann das Verfahren wie durch den Pfeil 1020 angedeutet bei 1021 fortgesetzt werden. Hierzu kann das Signal, welches ein Maß für den Zustand des Analog-Digital-Wandlers ist, von der Überwachungsschaltung 103 verwendet werden, um eine Steuerung vorzunehmen, ob das Verfahren bei 1014 oder bei 1021 fortgesetzt wird.
• Bei 1014 wird der Analog-Digital-Wandler betrieben.
• Wie durch den Pfeil 1016 gezeigt, kann das Verfahren bei 1011 fortgesetzt werden, wobei zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise aufgrund von geänderten Umgebungsparametern erneut Vergleichsparameter bestimmt werden oder die bereits bestimmten Vergleichsparameter entsprechend modifiziert werden, beispielsweise basierend auf der Temperatur des Datenwandlers. In manchen Ausführungsbeispielen (nicht gezeigt) kann das Verfahren auch bei 1012 fortgesetzt werden, also kein erneutes Bestimmen der Vergleichsparameter erfolgen, insbesondere wenn ein fester Schwellenwert verwendet wird. Dies kann den Vorteil haben, dass feste Werte für die Vergleichsparameter verwendet werden können, was die Komplexität der Steuerung für das Verfahren und/oder die Speicheranforderungen verringern kann.
• Bei 1021 erfolgt eine Ausgabe einer Warnmeldung und/oder eine andere geeignete Maßnahme, wie ein Abschalten des Analog-Digital-Wandlers. Die Abschaltung kann hierbei mittels der Abschaltschaltung 105 erfolgen. Die Warnmeldung kann von der Überwachungsschaltung 103 über den Bus 106 an den Ein-/Ausgang 109 bzw. die Ein-/Ausgänge 109 ausgegeben werden.
• Das Abschalten kann, wie bei 1018 erläutert, basierend auf dem Maß für das Linearitätsverhalten des Analog-Digital-Wandlers erfolgen.
• 8 zeigt ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf eines Linearitätsparameters gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele. Dieser kann für verschiedene Zeitpunkte mittels der zuvor beschriebenen Verfahren ermittelt werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Linearitätsparameter um INL handeln. Die für die jeweiligen Zeitpunkte ermittelten Werte 800, 802 erlauben ein Rückschluss auf den Zustand des Analog-Digital-Wandlers zu dem jeweiligen Zeitpunkt. In 8 ist ebenfalls ein Schwellenwert 801 schematisch eingezeichnet. Die Werte 800 liegen unterhalb des Schwellenwertes 801, deuten also darauf hin, dass das Linearitätsverhalten des Analog-Digital-Wandlers zu den jeweiligen Zeitpunkten den Anforderungen genügt. Der Wert des Linearitätsparameters 802 zu einem späteren Zeitpunkt liegt jedoch oberhalb des Schwellenwertes 801. Hieraus kann gefolgert werden, dass das Linearitätsverhalten zu diesem Zeitpunkt den Anforderungen nicht mehr entspricht, also ein Fehlerzustand vorliegt. Eine wie im Beispiel der 8 gezeigte sprunghafte Änderung der Linearitätsparameter kann auf einen technischen Defekt des Analog-Digital-Wandlers hindeuten. Hierauf kann dann, wie oben beschrieben, reagiert werden.
• 5 zeigt einen Pipeline-Analog-Digital-Wandler gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
• Der in 5 gezeigte Analog-Digital-Wandler 1 kann ein Beispiel für den beschriebenen Analog-Digital-Wandler 101 darstellen.
• Beispielsweise weist der Analog-Digital-Wandler 1 vier Wandlerstufen 21-24 auf. Die erste Wandlerstufe 21 stellt für ein empfangenes analoges Eingangssignal ain einen digitalen Wandlerausgangswert digl und ein verstärktes, mit einem Gewichtungswert tatG gewichtetes, abgetastetes analoges Ausgangssignal out1 bereit. Für jede Wandlerstufe 21-24 ist eine Korrekturvorrichtung 3 vorgesehen.
• Das Testsignal kann am Eingang ain in bereitgestellt werden.
• In 5 ist nur die Korrekturvorrichtung 3 für die erste Wandlerstufe 21 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Korrekturvorrichtungen für die übrigen Wandlerstufen 22-24 nicht abgebildet.
• Die Korrekturvorrichtung 3 weist einen ersten Speicher 31, einen zweiten Speicher 32, eine erste Verschiebevorrichtung 33 und eine Verknüpfungsvorrichtung 4 auf. Der erste Speicher 31 stellt für eine jede Kondensatoreinheit K1-K16 der Wandlerstufe 21, deren addierte Ausgangswerte den digitalen Wandlerausgangswert digl ausbilden, zumindest einen Gewichtungskorrekturwert Gkor bereit, der einer Differenz zwischen dem tatsächlichen Gewichtungswert tatG und einem idealen Gewichtungswert idG der Wandlerstufe 21 entspricht. $$\text{Gkor}=\text{tatG}-\text{idG}$$

  
• Solche Gewichtungswerte können ein Beispiel für Werte von Kalibrierungsdatensätzen sein.
• Der zweite Speicher 32 stellt für jeden digitalen Wandlerausgangswert digl einen Summengewichtungskorrekturwert IG bereit, der einer Summe der Gewichtungskorrekturwerte Gkor der Kondensatoreinheiten K1-K16 entspricht, die mittels des jeweiligen Wandlerausgangswertes digl angesteuert werden.
• Die erste Verschiebevorrichtung 33 verdoppelt den digitalen Wandlerausgangswert digl zur Ausbildung eines ideal gewichteten digitalen Wandlerausgangswertes 2dig1. Eine ideale Bitgewichtung um den Faktor 2 entspricht im Binären einer Verschiebung des digitalen Wandlerausgangswertes digl um eine Bitstelle nach links.
• Die Verknüpfungsvorrichtung 4 verknüpft den Summengewichtungskorrekturwert IG und den verdoppelten digitalen Wandlerausgangswert 2digl zu einem korrigierten Ausgangswert KW.
• Mittels des korrigierten Ausgangswertes KW wird der digitale Ausgangwert dout um den Verstärkungsfehler und um den Umschaltfehler korrigiert.
• In anderen Worten erfolgt eine (Teil-)Umwandlung des empfangenen analogen Eingangssignals durch den Analog-Digital-Wandler mit einer durch einen Kalibrierungsdatensatz bestimmten Kalibrierung. Gemäß der Architektur von Pipline-ADCs erfolgt die vollständige Umwandlung durch Wiederholung des hier im Zusammenhang mit der Wandlerstufe 21 beschriebenen Verfahrens für die verbleibenden Wandlerstufen 22-24 um nach einer Summation bei 13 das Ausgangssignal dout zu erhalten.
• Wird ein analoges Testsignal mit einer vorgegebenen Charakteristik an ain bereitgestellt, kann durch den Vergleich der vorgegebenen Charakteristik mit dem Ausgangssignal dout eine Transfercharakteristik des Analog-Digital-Wandlers bestimmt werden. Hieraus können auch die Linearitätsparameter bestimmt werden.
• Beispielsweise weist der Analog/Digital-Wandler 1 eine erste Summationsvorrichtung 13 auf, welche die digitalen Wandlerausgangswerte dig1-dig4 der Wandlerstufen 21-24 zu dem digitalen Ausgangswert dout addiert.
• Beispielsweise weist der Analog/Digital-Wandler 1 auch einen Zufallsgenerator 11 auf, welcher einen digitalen Zufallswert PSR generiert.
• Weiter kann eine Steuervorrichtung 10 vorgesehen sein, welche jeweils einen Gewichtungskorrekturwert Gkor eines Einheitskondensators C0-C64 mittels des Zufallswertes PSR, der in den Signalpfad des Analog/Digital-Wandlers 1 eingespeist wird, kalibriert und den jeweiligen, in dem ersten Speicher 31 gespeicherten zugehörigen Gewichtungskorrekturwert Gkor des Einheitskondensators C0-C64 mittels des kalibrierten Gewichtungskorrekturwertes kaIGkor aktualisiert.
• Die Steuervorrichtung 10 ist also in der Lage, den Analog-Digital-Wandler zu kalibrieren. Sie ist ferner bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel so eingerichtet, ein Verfahren zur Überwachung des Linearitätsverhaltens wie oben beschrieben durchzuführen.
• Außerdem kann der Analog-Digital-Wandler 1 eine Zählvorrichtung 12 aufweisen, welche jeweils einen Zeiger Z bereitstellt, der eindeutig dem von der Steuervorrichtung 10 zu kalibrierenden Einheitskondensator C0-C64 zugeordnet ist. Die Zählvorrichtung 12 speist den Zeiger Z zusammen mit dem Zufallssignal PSR in den Signalpfad des Analog/Digital-Wandlers 1 bzw. in die erste Wandlerstufe 21 ein. Des Weiteren stellt die Zählvorrichtung 12 den Zeiger Z der Steuervorrichtung 10 eingangsseitig bereit.
• Vorzugsweise aktualisiert die Steuervorrichtung 10 den in dem ersten Speicher 31 gespeicherten Gewichtungskorrekturwert Gkor des aktuell zu kalibrierenden Einheitskondensators C0-C64 mittels des eingangsseitig empfangenen Zeigers Z und des kalibrierten Gewichtungskorrekturwertes kaIGkor.
• Beispielsweise erzeugt die Steuervorrichtung 10 den kalibrierten Gewichtungskorrekturwert kaIGkor des Einheitskondensators C0-C64, der jeweils durch den aktuellen Zeiger Z festgelegt ist, mittels des Zufallswertes PSR und des digitalen Ausgangswertes dout.
• Der erste Speicher 31 empfängt ebenfalls den aktuellen Zeiger Z von der Steuervorrichtung 10 und stellt den Gewichtungskorrekturwert Gkor(Z) für den jeweiligen Einheitskondensator C0-C64 bereit, auf den der empfangene aktuelle Zeiger Z zeigt.
• Es kann außerdem eine zweite Verschiebevorrichtung 34 vorgesehen sein, welche zur Ausbildung eines verdoppelten Zufallswertes 2PSR den aktuellen Zufallswert PSR verdoppelt, wobei die Verdoppelung einer Multiplikation mit dem idealen Gewichtungswert idG entspricht. Der ideale Gewichtungswert idG ist vorzugsweise 2 und die zweite Verschiebevorrichtung 34 verdoppelt den aktuellen Zufallswert PSR durch ein Verschieben um eine Bitstelle nach links. Die Verknüpfungsvorrichtung 4 kann eine zweite Summationsvorrichtung 14 aufweisen, welche den Summengewichtungskorrekturwert IG und den verdoppelten Wandlerausgangswert 2dig1 addiert.
• Weiter kann die Verknüpfungsvorrichtung 4 eine erste Subtraktionsvorrichtung 15 aufweisen, welche den verdoppelten Zufallswert 2PSR von der Summe des Summengewichtungskorrekturwertes IG und des verdoppelten Wandlerausgangswertes 2dig1 subtrahiert.
• Der Analog/Digital-Wandler 1 kann weiter eine Multiplikationsvorrichtung 21 aufweisen, die den von dem ersten Speicher 31 bereitgestellten Gewichtungskorrekturwert Gkor(Z) mit dem Zufallswert PSR des Zufallsgenerators 11 multipliziert.
• Die Verknüpfungsvorrichtung 4 kann auch eine zweite Subtraktionsvorrichtung 16 beinhalten, welche den mit dem Zufallswert PSR multiplizierten Gewichtungskorrekturwert Gkor(Z) der Multiplikationsvorrichtung 21 von der Differenz zwischen der Summe des Summengewichtungskorrekturwertes IG und des verdoppelten Wandlerausgangswertes 2dig1 und des verdoppelten Zufallswertes 2PSR subtrahiert.
• Die dritte Verschiebevorrichtung 17 und die vierte Verschiebevorrichtung 18 verdoppeln den binären Wert des digitalen Wandlerausgangswerts dig2 der zweiten Wandlerstufe 22 beziehungsweise den digitalen Wert des digitalen Wandlerausgangswerts dig3 der dritten Wandlerstufe 23. Die dritte und vierte Summationsvorrichtung 19 und 20 addieren die verdoppelten Wandlerausgangswerte dig2 und dig3 und den Wandlerausgangswert dig4 zum digitalen Wandlerausgangswert dout des Analog/Digital-Wandlers 1.
  Es können mindestens zwei Wandlerstufen 21, 22 vorgesehen sein und der Analog/Digital-Wandler 1 kann volldifferentiell aufgebaut sein.
• 6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Wandlerstufe gemäß 5.
• 6 zeigt ein Beispiel für eine erste Wandlerstufe 21 der 5. Die weiteren Wandlerstufen 22-24 können entsprechend ausgebildet sein. Die erste Wandlerstufe 21 weist eine Sample & Hold-Schaltung 5, eine Komparatoreinheit 6, einen Digital-Analog-Wandler 7, eine Subtraktionsvorrichtung 8 und eine Verstärkungsvorrichtung 9 auf.
• Die Sample & Hold-Schaltung 5 tastet das analoge Eingangssignal ain ab und stellt damit ein abgetastetes analoges Eingangssignal a bereit.
• Die Komparatoreinheit 6 vergleicht das analoge Eingangssignal ain mit einem Referenzwert Ref zum Erzeugen des digitalen Wandlerausgangswerts digl. Der Digital-Analog-Wandler 7 wandelt den digitalen Wandlerausgangswert digl mittels der Kondensatoreinheiten K1-K16 in ein analoges DR-Wandlerausgangssignal BS um. $$\text{BS}=\text{digl}/\text{b}*\text{Ref}$$

  
• Der Parameter b bezeichnet die Anzahl der Komparatoren der Komparatoreinheit, b ist beispielsweise 16.
• Vorzugsweise weist der Digital-Analog-Wandler 7 einen Kalibrierungskondensator CO zur Berechnung der Gewichtungskorrekturwerte Gkor der Einheitskondensatoren C1-C64 der Kondensatoreinheiten K1-K64 auf (nicht gezeigt), der als ein Einheitskondensator ausgebildet ist.
• Die Subtraktionsvorrichtung 8 subtrahiert das von dem Digital-Analog-Wandler 7 abgegebene analoge DA-Wandlerausgangssignal BS von dem abgetasteten Eingangssignal a. Die Verstärkungsvorrichtung 9 verstärkt das von der Subtraktionsvorrichtung 8 ausgegebene Ausgangssignal mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor V, welcher dem realen Verstärkungsfaktor der Verstärkungsvorrichtung 9 entspricht, zur Ausbildung des analogen Ausgangssignals out1. $$\text{out}1=\text{V}\text{'}*\left(\text{a}-\text{digl}/\text{b}*\text{Ref}\right)$$

  
• Vorzugsweise kodiert die Komparatoreinheit 6 den digitalen Wandlerausgangswert digl gemäß eines Thermometercodes und die Kondensatoreinheiten K1-K6 weisen jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Einheitskondensatoren C1-C64 auf. Damit vereinfacht sich die Herstellung der Kondensatoreinheiten und des Kalibrierungskondensators erheblich.
• Der tatsächliche Gewichtungswert tatG wird durch das mit dem tatsächlichen Verstärkungsfaktor V der Verstärkungsvorrichtung 9 verstärkte analoge DA-Wandlerausgangssignal BS ausgebildet (siehe Gleichung 5). $$\text{out}1=\text{V}\text{'}*\text{a}-\text{V}\text{'}*\text{digl}/\text{b}*\text{Ref}$$

  

  $$\text{tatG}=\text{V}\text{'}*\text{digl}/\text{b}*\text{Ref}$$

  
• Wie oben (vgl. Gleichung (1)) ausgeführt, entspricht der Gewichtungskorrekturwert Gkor der Differenz zwischen dem tatsächlichen Gewichtungswert tatG und dem idealen Gewichtungswert idG.
• Somit wandelt die in 6 gezeigte Wandlerstufe ein analoges Eingangssignal basierend auf einer durch einen Kalibrierungsdatensatz bestimmten Kalibrierung in ein Digitalsignal um. Der im Zusammenhang mit den 5 und 6 gezeigte Analog-Digital-Wandler kann mittels der zuvor beschriebenen Verfahren überwacht sein oder ein Element der zuvor beschriebenen Vorrichtungen und/oder Systeme sein.
• 7 zeigt ein Anwendungsbeispiel, welches ein System gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele umfasst.
• Das in 7 dargestellte Anwendungsbeispiel 700 ist ein Anwendungsbeispiel einer Unterkomponente von Radiofrequenz-(engl.: Radio Frequency, RF) Anwendungen. Eine Empfängerstufe 701 kann verschiedene Baugruppen für verschiedene Frequenzbereiche umfassen. Gezeigt ist hier beispielhaft eine Schicht 702. Signale können von den verschiedenen Schichten, wie bei 703 angedeutet, empfangen und versendet werden. Im gezeigten Beispiel werden die Signale mit verschiedenen Filtern, einem Hochpassfilter 704 und einem Tiefpassfilter 705, sowie mit einer Verstärkerstufe 706 umgeformt. Alternativ oder zusätzlich können Signale auch am Signaleingang 704E an dem Hochpassfilter 704 bereitgestellt werden. Die von den Filtern aufbereiteten Signale können bei 707 an verschiedene Schichten 708 weitergeleitet werden. Die beispielhaft gezeigte Schicht umfasst einen Analog-Digital-Wandler 709. Dieser ist eingerichtet ein digitales Ausgangssignal 710 bereitzustellen, sowie Zusatzsignale 711, welche beispielsweise Fehlermeldungen, beispielsweise Überlauf, Unterlauf und/oder Clippingfehler, anzeigen können.
• Der Analog-Digital-Wandler 709 kann dem Datenwandler 101 entsprechen. Das Anwendungsbeispiel der 7 zeigt zwei Testsignalschaltungen, die entsprechend der Testsignalschaltung 102 wie oben beschrieben verwendet werden können. Zum einen ist ein Generator für beliebige Wellenformen (engl.: arbitrary waveform generator, AWG) 712 vorhanden. Dieser kann intern ausgeführt sein, also Teil des Anwendungsbeispiels 700 sein und beispielsweise auf einem Chip zusammen mit dem Analog-Digital-Wandler 709 ausgeführt sein. Zum anderen ist eine automatisierte Testeinrichtung ATE 713 vorhanden. Der Generator 712 kann ein analoges Testsignal bei 707 bereitstellen, welches dann vom Analog-Digital-Wandler 709 umgewandelt werden kann. Die Testeinrichtung 710 empfängt das gewandelte Testsignal und kann dann ein Verfahren wie vorstehend und nachfolgend beschrieben durchführen und die Linearitätsparameter des Analog-Digital-Wandlers 709 ermitteln und somit auf den Zustand des Analog-Digital-Wandlers 709 schließen.
• Hierbei kann die Testeinrichtung 710 auch verwendet werden, um die Transfercharakteristik und die Linearitätsparameter vor der Auslieferung zu bestimmen, welche als Referenzwerte, beispielsweise in Form von Vergleichsparametern, gespeichert werden können oder verwendet werden können um absolute Schwellenwerte als Vergleichsparameter zu definieren, und dann in Linearitätsparameter zu einer Vielzahl von Zeitpunkten im Betrieb zu bestimmen.
• Zumindest einige Ausführungsformen sind durch die nachfolgend angeführten Beispiele definiert:
• Beispiel 1. Verfahren zur Überwachung eines Datenwandlers, umfassend:
  • - Bestimmen einer Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern, welche eine Linearität des Datenwandlers beschreiben, zu einer Vielzahl von unterschiedlichen Zeitpunkten,
  • - Bestimmen eines Zustands des Datenwandlers basierend auf einem Vergleichen von mindestens einem Linearitätsparameter der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern mit einem Vergleichsparameter.
• Beispiel 2. Verfahren nach Beispiel 1, wobei der Vergleichsparameter einen Schwellenwert umfasst.
• Beispiel 3. Verfahren nach einem der vorherigen Beispiele, wobei der Vergleichsparameter mindestens einen weiteren zeitpunktzugehörigen Linearitätsparameter der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern umfasst.
• Beispiel 4. Verfahren nach einem der vorherigen Beispiele, wobei der Linearitätsparameter umfasst:
• - Integrale Nichtlinearität, INL, und/oder
• - Differentielle Nichtlinearität, DNL,
• - Offsetfehler,
• - fehlende Bitposition,
• - Verstärkungsfehler.
• Beispiel 5. Verfahren nach einem der vorherigen Beispiele, wobei das Bestimmen der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern jeweils ein Umwandeln eines vorgegebenen Testsignals durch den Datenwandler und ein Erfassen des umgewandelten Signals umfasst.
• Beispiel 6. Verfahren nach Beispiel 5, wobei das Testsignal nur einen Teil eines Eingangsbereichs des Datenwandlers umfasst, wobei der Teil einen Bereich einer designspezifischen maximalen Nichtlinearität umfasst.
• Beispiel 7. Verfahren nach Beispiel 6, wobei der Datenwandler einen Analog-Digital-Wandler mit mindestens zwei Analog-Digital-Wandlerzuständen umfasst und das Testsignal den Teil des Eingangsbereich des Datenwandlers umfasst, der einen Übergangsbereich zwischen den mindestens zwei Analog-Digital-Wandlerzuständen umfasst.
• Beispiel 8. Verfahren Beispiel 6 oder 7, wobei
• - der Datenwandler ein Pipeline Analog-Digital-Wandler ist, der eine Vielzahl von Wandlerstufen umfasst, wobei jede der Wandlerstufen voneinander jeweils zumindest teilweise verschiedene Umwandlungsbereiche aufweist und wobei
• - das Testsignal den Teil des Eingangsbereichs des Datenwandlers umfasst, der mindestens zwei der zumindest teilweise verschiedene Umwandlungsbereiche umfasst.
• Beispiel 9. Verfahren nach einem der Beispiele 6-7, wobei - der Datenwandler ein Sukzessiver Approximations-Analog-Digital-Wandler ist, und wobei der Bereich designspezifisch maximaler Nichtlinearität einen Wertebereich umfasst, bei der ein höchstwertigstes Bit, MSB, und/oder ein zweithöchstwertigstes Bit, MSB-1, schalten.
• Beispiel 10. Verfahren nach einem der vorherigen Beispiele, wobei der mindestens eine Linearitätsparameter und/oder der Vergleichsparameter in Abhängigkeit von mindestens einem Umgebungsparameter definiert ist.
• Beispiel 11. Verfahren nach einem der vorherigen Beispiele, wobei das Verfahren ferner umfasst:
• - Bestimmen eines Arbeitspunkts das Datenwandlers,
• - Bestimmen einer Korrektheit eines Arbeitspunktzustandes des Datenwandlers basierend auf einem Vergleich des Arbeitspunkts mit mindestens einem dritten Wert,
• - wobei das Bestimmen der
• Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern und das Bestimmen des Zustandes des Datenwandlers nur durchgeführt wird, wenn Korrektheit vorliegt.
• Beispiel 12. Vorrichtung zur Datenwandlung, umfassend:
• - einen Datenwandler,
• - eine Testsignalschaltung, die eingerichtet ist, eine Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern, welche eine Linearität des Datenwandlers beschreiben, zu einer Vielzahl von unterschiedlichen Zeitpunkten zu bestimmen, und
• - eine Überwachungsschaltung, die eingerichtet ist, einen Zustand des Datenwandlers basierend auf einem Vergleichen von mindestens einem Linearitätsparameter der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern mit einem Vergleichsparameter zu bestimmen.
• Beispiel 13. Vorrichtung zur Datenwandlung nach Beispiel 12, zusätzlich umfassend:
• - eine Signalschnittstelle, eingerichtet zum Bereitstellen mindestens eines Signals basierend auf dem Zustands des Datenwandlers,
• - eine Abschaltschaltung, eingerichtet zum Abschalten des Datenwandlers basierend auf dem Zustands des Datenwandlers.
• Beispiel 14. Vorrichtung nach Beispiel 12 oder 13, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Beispiele 1 bis 11 eingerichtet ist.
• Obgleich in dieser Beschreibung spezifische Ausführungsbeispiele illustriert und beschrieben wurden, werden Personen mit üblichem Fachwissen erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen als Substitution für die spezifischen Ausführungsbeispiele, die in dieser Beschreibung gezeigt und beschrieben sind, ohne von dem Umfang der gezeigten Erfindung abzuweichen, gewählt werden können. Es ist die Intention, dass diese Anmeldung alle Adaptionen oder Variationen der spezifischen Ausführungsbeispiele, die hier diskutiert werden, abdeckt. Daher ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente der Ansprüche beschränkt ist.

Claims (13)

1. Verfahren zur Überwachung eines Datenwandlers (101), umfassend: - Bestimmen einer Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern, welche eine Linearität des Datenwandlers (101) beschreiben, zu einer Vielzahl von unterschiedlichen Zeitpunkten, - Bestimmen eines Zustands des Datenwandlers basierend auf einem Vergleichen von mindestens einem Linearitätsparameter der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern mit einem Vergleichsparameter, wobei das Bestimmen der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern jeweils ein Umwandeln eines vorgegebenen Testsignals durch den Datenwandler und ein Erfassen des umgewandelten Signals umfasst und wobei das Testsignal nur einen Teil eines Eingangsbereichs des Datenwandlers umfasst, wobei der Teil einen Bereich einer designspezifischen maximalen Nichtlinearität umfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vergleichsparameter einen Schwellenwert umfasst.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Vergleichsparameter mindestens einen weiteren zeitpunktzugehörigen Linearitätsparameter der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Linearitätsparameter umfasst: - Integrale Nichtlinearität, INL, und/oder - Differentielle Nichtlinearität, DNL, - Offsetfehler, - fehlende Bitposition, - Verstärkungsfehler.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Datenwandler einen Analog-Digital-Wandler mit mindestens zwei Analog-Digital-Wandlerzuständen umfasst und das Testsignal den Teil des Eingangsbereich des Datenwandlers umfasst, der einen Übergangsbereich zwischen den mindestens zwei Analog-Digital-Wandlerzuständen umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - der Datenwandler ein Pipeline Analog-Digital-Wandler ist, der eine Vielzahl von Wandlerstufen umfasst, wobei jede der Wandlerstufen voneinander jeweils zumindest teilweise verschiedene Umwandlungsbereiche aufweist und wobei - das Testsignal den Teil des Eingangsbereichs des Datenwandlers umfasst, der mindestens zwei der zumindest teilweise verschiedene Umwandlungsbereiche umfasst.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei - der Datenwandler ein Sukzessiver Approximations-Analog-Digital-Wandler ist, und wobei der Bereich designspezifisch maximaler Nichtlinearität einen Wertebereich umfasst, bei der ein höchstwertigstes Bit, MSB, und/oder ein zweithöchstwertigstes Bit, MSB-1, schalten.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der mindestens eine Linearitätsparameter und/oder der Vergleichsparameter in Abhängigkeit von mindestens einem Umgebungsparameter definiert ist.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren ferner umfasst: - Bestimmen eines Arbeitspunkts das Datenwandlers, - Bestimmen einer Korrektheit eines Arbeitspunktzustandes des Datenwandlers basierend auf einem Vergleich des Arbeitspunkts mit mindestens einem dritten Wert, - wobei das Bestimmen der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern und das Bestimmen des Zustandes des Datenwandlers nur durchgeführt wird, wenn Korrektheit vorliegt.
10. Vorrichtung zur Datenwandlung, umfassend: - einen Datenwandler (101), - eine Testsignalschaltung (102), die eingerichtet ist, eine Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern, welche eine Linearität des Datenwandlers beschreiben, zu einer Vielzahl von unterschiedlichen Zeitpunkten zu bestimmen, wobei das Bestimmen der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern jeweils ein Umwandeln eines vorgegebenen Testsignals durch den Datenwandler und ein Erfassen des umgewandelten Signals umfasst und wobei das Testsignal nur einen Teil eines Eingangsbereichs des Datenwandlers umfasst, wobei der Teil einen Bereich einer designspezifischen maximalen Nichtlinearität umfasst und - eine Überwachungsschaltung (103), die eingerichtet ist, einen Zustand des Datenwandlers basierend auf einem Vergleichen von mindestens einem Linearitätsparameter der Vielzahl von zeitpunktzugehörigen Linearitätsparametern mit einem Vergleichsparameter zu bestimmen.
11. Vorrichtung zur Datenwandlung nach Anspruch 10, zusätzlich umfassend: - eine Signalschnittstelle (104), eingerichtet zum Bereitstellen mindestens eines Signals basierend auf dem Zustands des Datenwandlers, - eine Abschaltschaltung (105), eingerichtet zum Abschalten des Datenwandlers basierend auf dem Zustands des Datenwandlers.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.
13. System (100) umfassend einen Datenwandler (101), eine Testsignalschaltung (102) und eine Überwachungsschaltung (103), wobei das System eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.

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