DE60308844T2 - Sigma-Delta-Modulator mit Pulsbreitenmodulations-Ausgang - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Verbesserung einer erzeugten beliebigen Signalform unter Verwendung eines Sigma-Delta-Modulators und durch nachfolgende Impulsbreitenmodulation. Die verbesserte erzeugte beliebige Signalform kann zum Beispiel als Anregungssignal für eine zu testende elektronische Einheit verwendet werden.
  • Integrierte Schaltkreise (IC) müssen normalerweise getestet werden, um eine ordnungsgemäße Funktion zu gewährleisten. Das ist insbesondere während der Entwicklung und Herstellung von ICs erforderlich. Im letzteren Falle werden die ICs üblicherweise vor der endgültigen Anwendung getestet. Während des Tests werden in den IC als zu testende Einheit (Device Under Test, DUT) verschiedene Arten von Anregungssignalen eingegeben, seine Antwortsignale gemessen, verarbeitet und für gewöhnlich mit einem erwarteten Antwortsignal einer intakten Einheit verglichen. Diese Aufgaben werden üblicherweise nach einem für die Einheit speziellen Testprogramm von automatisierten Testapparaturen (Automated Test Equipment, ATE) ausgeführt. Beispiele für ATEs sind die Halbleitertestsysteme der Produktserien Agilent 83000 und 93000 von Agilent Technologies, die z.B. unter http://www.ate.agilent.com/ste/products/intelligent_test/SOC_test/SOC_Tech_Oview. shtml beschrieben werden. Details zu diesen Produktserien sind z.B. in den Patentanmeldungen EP-A-859 318, EP-A-864 977, EP-A-886 214, EP-A-882 991, EP-A-1 092 983 bzw. den US-Patentschriften A-5 499 248 und A-5 453 995 dargelegt.
  • Zum Bereitstellen von Anregungssignalen für die DUT werden Generatoren für beliebige Signalformen (Arbitrary Waveform Generator, AWG) verwendet.
  • In dem Dokument „Increasing the Performance of Arbitrary Waveform Generators Using Periodic Sigma-Delta Modulated Streams", veröffentlich in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Bd. 49, Nr. 1, Februar 2000, wird ein Generator für beliebige Signalformen für eine ATE zum Testen von DUTs mit gemischten Signalen beschrieben, bei welcher der Generator einen Digital-Analog-Umsetzer (Digital Analog Converter, DAC) mit Multibit-Sigma-Delta-Modulator umfasst.
  • Ferner werden in den Patentanmeldungen US 2003/0 090 401 A1 und EP 0 910 168 A1 bzw. der US-Patentschrift 6 373 417 B1 DACs beschrieben, die mindestens einen Delta-Sigma-Modulator und einen Impulssignalmodulator zum Erzeugen impulsbreitenmodulierter Ausgangssignale beinhalten.
  • Ein hohes Überabtastverhältnis (OverSampling Ratio, OSR), das bei einer ATE mit hohen Bitraten verwendet werden kann, verursacht infolge der größeren Anzahl von Übergängen je Zeiteinheit ein durch Jitter verursachtes Rauschen. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit der ATE nicht voll ausgenutzt werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte erzeugte beliebige Signalform bereitzustellen. Die Aufgabe wird gemäß den Hauptansprüchen gelöst. Durch die Unteransprüche werden bevorzugte Ausführungsarten definiert.
  • Gemäß den Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung kann die hohe zeitliche Auflösung einer hohen ATE-Bitrate ausgenutzt werden, ohne die Anzahl der Übergänge zu erhöhen. Durch Einführen einer Mindestimpulsbreite während der Impulsbreitenmodulation wird der datenabhängige Jitter verringert. Vorzugsweise kann die Mindestimpulsbreite vorherbestimmt und an die speziellen Bedingungen angepasst werden. Selbst eine automatische Anpassung der Mindestimpulsbreite an die speziellen Bedingungen ist möglich, z.B. eine automatische Anpassung an den höchstzulässigen datenabhängigen Jitter oder an die Grenzwerte der ATE.
  • Vorzugsweise wird in den Sigma-Delta-Modulator als Softwareversion der gewünschten verbesserten erzeugten beliebigen Signalform mit einer vorgegebenen Frequenz eine Folge von Zahlen eingegeben. Zum Bereitstellen der Folge von Zahlen kann ein Generator für Signalformen (Arbitrary Waveform Generator – AWG) verwendet werden. Der Sigma-Delta-Modulator wird bei einer höheren Frequenz betrieben als die Frequenz der eingegebenen Folge von Zahlen bzw. der Frequenz fawg des Generators für beliebige Signalformen. Das Verhältnis der Arbeitsfrequenz des Sigma-Delta-Modulators zur Frequenz des Signals am Eingang des Sigma-Delta-Modulators umfasst einen Faktor OSR. Vorzugsweise erfolgt die Sigma-Delta-Modulation mittels Software.
  • Vorzugsweise kann auch die Impulsbreitenmodulation durch Software und bei derselben oder einer höheren Frequenz fbit erfolgen als die Arbeitsfrequenz des Sigma-Delta-Modulators. Der sich aus der Impulsbreitenmodulation ergebende Bitstrom wird z.B. durch ein Tiefpassfilter gefiltert und ergibt eine verbesserte erzeugte beliebige Signalform als Hardware-Ausgangssignal mit derselben Frequenz wie die Folge von Zahlen am Eingang des Sigma-Delta-Modulators.
  • Bei einer verbesserten Ausführungsart wird eine Multibit-Sigma-Delta-Modulation mit einer vorgegebenen Anzahl von Bitpegeln verwendet, um mit einem niedrigeren OSR dasselbe Rauschverhalten zu erreichen und somit die Auswirkungen des Jitter zu verringern.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsart wird die Impulsbreitenmodulation zur Digital-Analog-Umsetzung der mehrwertigen Codes des Multibit-Sigma-Delta-Modulators verwendet, ohne die Anzahl der Übergänge zu erhöhen. Dadurch wird die Zunahme von Takt-Jitter aufgrund eines hohen OSR vermieden. Da Multibit-Sigma-Delta-Modulatoren eine bessere Stabilität aufweisen, kann die Ordnung des Sigma-Delta-Modulators erhöht werden, um mit demselben OSR ein besseres Rauschverhalten oder mit einem niedrigeren OSR dasselbe Rauschverhalten zu erreichen und so die Auswirkungen von Takt-Jitter zu verringern.
  • Um die Auswirkungen ungleicher Anstiegs- und Abfallzeiten zu verringern, wird durch die Impulsbreitenmodulation eine Mindestimpulsbreite garantiert. Aus diesem Grunde werden zum Gewährleisten der Mindestimpulsbreite Bits in Form von führenden Bits und/oder nachgestellten Bits in jedes Segment des Bitstroms eingefügt, der bei der Impulsbreitenmodulation entsteht.
  • Durch Umkehren der Bitfolge jedes zweiten Segments des bei der Impulsbreitenmodulation entstehenden Bitstroms, was praktisch einer Spiegelung von ungeraden und geraden Segmenten des Bitstroms entspricht, werden die Anzahl der Übergänge und somit der datenabhängige Jitter verringert, z.B. um 50 %. Vorzugsweise erfolgt das Umkehren der Bitfolge mittels Software.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsart umfasst die Impulsbreitenmodulation eine Anzahl von Ausgangskanälen, die durch analoge Addition, z.B. durch einen 50-Ω-Analogaddierer, addiert werden. Durch das Addieren von mehreren Kanälen können im Softwaremodulator mehr Pegel verarbeitet werden, um bei einer bestimmten maximalen Bitrate der ATE ein besseres Rauschverhalten zu erreichen.
  • Das Verhältnis zwischen der sich aus der analogen Addition der Ausgangskanäle ergebenden Bitfrequenz fbit und der Arbeitsfrequenz fSD des Sigma-Delta-Modulators ist gleich der Mindestimpulsbreite zuzüglich der ganzen Zahl oberhalb des Verhältnisses zwischen der Anzahl der Bitpegel minus 1 und der Anzahl der Ausgangskanäle.
  • Vorzugsweise erfolgt die Bitzuweisung zu den Ausgangskanälen umlaufend, um die Auswirkungen unausgeglichener Signalpegel der Ausgangskanäle zu kompensieren.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Testen einer elektronischen Einheit als zu testende Einheit (DUT), wobei das Verfahren das oben beschriebene Verfahren zum Bereitstellen einer verbesserten erzeugten beliebigen Signalform beinhaltet, die als Anregungssignal für die DUT verwendet wird.
  • Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Softwareprogramm oder -produkt zum Ausführen des Verfahrens zum Bereitstellen einer verbesserten erzeugten beliebigen Signalform und/oder des Verfahrens zum Testen einer elektronischen Einheit, das auf einem Datenverarbeitungssystem, zum Beispiel einem Computer, läuft. Vorzugsweise ist das Programm oder Produkt auf einem Datenträger gespeichert.
  • Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein System zum Bereitstellen einer verbesserten erzeugten beliebigen Signalform, das einen Sigma-Delta-Modulator, vorzugsweise einen Multibit-Sigma-Delta-Modulator, zum Modulieren einer Folge von Zahlen als Softwareversion der verbesserten erzeugten beliebigen Signalform umfasst. Außerdem umfasst das System einen Impulsbreitenmodulator zur Impulsbreitenmodulation mit einer Mindestimpulsbreite des Ausgangssignals des Sigma-Delta-Modulators.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Aufgaben und viele der mit der vorliegenden Erfindung verbundenen Vorteile ergeben sich deutlicher und werden verständlicher unter Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. Merkmale, die ihrem Wesen oder ihrer Funktion nach gleich oder ähnlich sind, werden durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet.
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems zum Bereitstellen einer verbesserten erzeugten beliebigen Signalform,
  • 2 zeigt ein Signalschema, welches die Impulsbreitenmodulation darstellt,
  • 3 zeigt ein Signalschema, welches die Umkehrung der Bitfolge in jedem zweiten Segment des Bitstroms darstellt,
  • 4 zeigt einen Impulsbreitenmodulator mit mehreren addierten Ausgängen,
  • 5 zeigt die Gleichung zur Berechnung der Frequenzen des Impulsbreitenmodulators von 4, und
  • 6 zeigt ein Signalschema, welches für den in 4 gezeigten Impulsbreitenmodulator die Signale der mehreren addierten Ausgänge darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSARTEN GEMÄSS DER ERFINDUNG
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems 10 zum Bereitstellen einer verbesserten erzeugten beliebigen Signalform. Das System 10 umfasst einen Sigma-Delta-Modulator 12, einen Impulsbreitenmodulator 14 und ein Tiefpassfilter 16. Das System 10 empfängt an seinem Eingang 18 eine Folge von Zahlen als Softwareversion der am Ausgang 20 des Systems 10 gewünschten verbesserten erzeugten beliebigen Signalform. Die Signalfrequenz fawg am Eingang 18 ist gleich der Frequenz am Ausgang 20. Das Signal am Eingang 18 kann als die erzeugte beliebige Signalform, die verbessert werden soll, und das Signal am Ausgang 20 als die verbesserte erzeugte beliebige Signalform angesehen werden.
  • Der Sigma-Delta-Modulator 12 umfasst einen Signalübertragungsblock 22 mit einer Signalübertragungsfunktion H(z) der Ordnung L. Ein Zuweisungsblock 24 stellt das Ausgangssignal 26 des Sigma-Delta-Modulators 12 mit einer vorgegebenen Anzahl nlev von Bitpegeln bereit. Das Ausgangssignal wird über einen Digital-Analog-Umsetzer DAC 28 auch zum Eingang des Signalübertragungsblocks 22 rückgekoppelt. Der Sigma-Delta-Modulator 12 arbeitet bei einer Frequenz, die doppelt so hoch wie die Frequenz des Signals am Eingang 18 und mit dem Überabtastverhältnis OSR multipliziert wird.
  • Das Verhältnis zwischen der Arbeitsfrequenz fbit des Impulsbreitenmodulators 14 und der Arbeitsfrequenz fSD des Sigma-Delta-Modulators 12 ist gleich der Anzahl nlev der Bitpegel minus 1 zuzüglich der Mindestimpulsbreite pwmin. Wie aus den im Folgenden beschriebenen Figuren ersichtlich, ist die Mindestimpulsbreite während der Impulsbreitenmodulation garantiert. Das Ausgangssignal 30 des Impulsbreitenmodulators 14 wird zum Filter 16, einem RC-Glied zur Tiefpassfilterung, weitergeleitet. Das Filter 16 ist ununterbrochen in Aktion.
  • 2 zeigt ein Signalschema, das die Signalübertragung des Ausgangssignals 26 des Sigma-Delta-Modulators 12 als Eingangssignal des Impulsbreitenmodulators 14 und des Ausgangssignals 30 des Impulsbreitenmodulators 14 darstellt. Beim dargestellten Beispiel umfasst das Ausgangssignal 26 sieben Bitpegel mit den Codes 0 bis 6. Jeder Code wird durch die Impulsbreitenmodulation in einen Bitstrom mit ungeraden und geraden Segmenten 36, 38 des Bitstroms umgesetzt. Um eine Mindestimpulsbreite zu garantieren, werden in jedes Segment 36, 38 des Bitstroms zusätzliche führende Bits 32 und nachgestellte Bits 34 eingefügt.
  • Durch Umkehren der Bitfolge jedes zweiten Segments 38 des durch die Impulsbreitenmodulation entstandenen Bitstroms, d.h. durch Umkehren der Bitfolge jedes Bitsegments GERADE 38, wird die Anzahl der Übergänge verringert, wie aus 2 zu ersehen ist.
  • 3 zeigt zwei Signalschemata, wobei das obere Schema die Ausgangsform und das untere Schema die umgekehrte Bitfolge für jedes zweite Segment 38 des Bitstroms darstellt. Im oberen Schema gibt es in jedem Bitstromsegment 36, 38 zwei Übergänge 40. Durch Umkehren der Bitfolge jedes zweiten Segments 38 des Bitstroms, das im unteren Signalschema gestrichelt dargestellt ist, wird die Anzahl der Übergänge für jedes Bitstromsegment 36, 38 auf eins, also um 50 % verringert.
  • 4 zeigt eine zweite Ausführungsart des Impulsbreitenmodulators 114. Als Eingangssignal dient das Ausgangssignal 26 des in 1 gezeigten Sigma-Delta-Modulators 12 mit einer Signalfrequenz fFD. Als Ausgang des Impulsbreitenmodulators 114 werden mehrere Kanäle B1 bis Bnch bereitgestellt, die durch einen Analogaddierer 42, z.B. einen 50 Ω-Addierer, zusammengeführt werden und ein Ausgangssignal 30 mit einer Bitfrequenz fbit ergeben, die durch die in 5 gezeigte Gleichung definiert ist.
  • Demzufolge ist das Frequenzverhältnis fbit/fFD gleich der ganzen Zahl oberhalb des Verhältnisses zwischen der Anzahl nlev der durch den in 1 gezeigten Zuordnungsblock 24 bereitgestellten Pegel und der Anzahl nch der Kanäle B1 bis Bnch des in 4 gezeigten Impulsbreitenmodulators 114 zuzüglich der Mindestimpulsbreite pwmin. Durch das Addieren mehrerer Kanäle können bei einer bestimmten maximalen Bitrate fbit der ATE mehr Pegel in der Impulsbreitenmodulatorsoftware 114 verarbeitet werden, was zu einem besseren Rauschverhalten führt.
  • 6 zeigt Signalschemata für den in 4 gezeigten Impulsbreitenmodulator 114. Beim Beispiel von 6 ist die Anzahl nlev der Pegel des Zuweisungsblocks 24 gleich 10, die Anzahl nch der Kanäle des Impulsbreitenmodulators 114 gleich 3 und die Mindestimpulsbreite pwmin gleich 2. Hinzu kommen zwei weitere Bits, die als führende Bits 32 bzw. als nachgestellte Bits 34 eingefügt werden. Die Bitzuweisung zu den Ausgangskanälen erfolgt umlaufend, um die Auswirkungen unausgeglichener Signalpegel der Ausgangskanäle zu kompensieren. Beim ersten Bitstromsegment 44 erfolgt die Bitzuweisung in der Reihenfolge der Kanäle B1-B2-B3-B1. Beim zweiten Bitstromsegment 46 erfolgt die Bitzuweisung in der Reihenfolge der Kanäle B2-B3q-B1-B2-B3-B1-B2. Beim dritten Bitstromsegment 48 erfolgt die Bitzuweisung in der Reihenfolge der Kanäle B3-B1.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Bereitstellen einer beliebigen Signalform (20) durch Verwendung eines Sigma-Delta-Modulators (12) mit Impulsbreitenmodulation (14), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: • Sigma-Delta-Modulation (12) einer erzeugten beliebigen Signalform (18), • Impulsbreitenmodulation (14) des Ausgangssignals (26 des Sigma-Delta-Modulators (12). gekennzeichnet durch • Einfügen von führenden Bits (32) und/oder nachgestellten Bits (34) in jedes Bitstromsegment (36, 38) des Ausgangssignals (30) des Impulsbreitenmodulators (14) zum Erzeugen einer Mindestimpulsbreite (pwmin).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Mindestimpulsbreite (pwmin) vorbestimmt werden kann.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, bei welchem als Softwaredarstellung der beliebigen Signalform (20) eine Reihe von Zahlen in den Sigma-Delta-Modulator (12) eingegeben wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, bei welchem der Sigma-Delta-Modulator (12) eine Multibit-Sigma-Delta-Modulation mit einer vorgegebenen Anzahl (nlev) von Bitpegeln bereitstellt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das Verhältnis zwischen der Arbeitsfrequenz (fbit) des Impulsbreitenmodulators (14) und der Arbeitsfrequenz (fSD) des Sigma-Delta-Modulators (12) gleich der Anzahl der Bitpegel (nlev) minus 1 und zuzüglich der während der Impulsbreitenmodulation (14) eingeführten Mindestimpulsbreite (pwmin) ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, mit einem Schritt des Umkehrens der Bitfolge jedes zweiten Bitstromsegments (38) des Ausgangssignals (30) des Impulsbreitenmodulators (14).
  7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, bei welchem der Impulsbreitenmodulator (14) eine Anzahl (nch) von Ausgangskanälen (B1, B2, B3, Bnch) bereitstellt, die durch einen Analogaddierer (42) addiert werden müssen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem das Verhältnis zwischen der Arbeitsfrequenz (fbit) des Impulsbreitenmodulators (14) und der Arbeitsfrequenz (fSD) des Sigma-Delta-Modulators (12) gleich der während der Impulsbreitenmodulation (14) eingeführten Mindestimpulsbreite (pwmin) zuzüglich der das Verhältnis zwischen der Anzahl der Bitpegel (nlev) minus 1 und der Anzahl (nch) der Ausgangskanäle (B1, B2, B3, Bnch) übersteigenden ganzen Zahl ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder einem der obigen Ansprüche, bei welchem die Bitzuordnung zu den Ausgangskanälen (B1, B2, B3, Bnch) umlaufend erfolgt.
  10. Verfahren zum Testen einer elektronischen Einheit (Device Under Test, DUT), wobei das Verfahren zum Testen das Verfahren zum Bereitstellen einer beliebigen Signalform (20) mit Hilfe eines Sigma-Delta-Modulators (12) mit Impulsbreitenmodulation (14) nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche umfasst, wobei die beliebige Signalform (20) als Anregungssignal für die elektronische Einheit (DUT) dient.
  11. Softwareprogramm oder -produkt, das vorzugsweise auf einem Datenträger gespeichert ist, zum Ausführen aller Schritte des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, wenn die Software auf einem Datenverarbeitungssystem wie beispielsweise einem Computer läuft.
  12. System (10) zum Bereitstellen einer beliebigen Signalform (20), wobei das System (10) einen Sigma-Delta-Modulator (12) zum Modulieren der erzeugten beliebigen Signalform (18) und einen Impulsbreitenmodulator (14) zur Impulsbreitenmodulation des Ausgangssignals (26) des Sigma-Delta-Modulators (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsbreitenmodulator (14) Mittel zum Einfügen von führenden Bits (32) und/oder nachfolgenden Bits (34) in jedes Bitstromsegment (36, 38) des Ausgangssignals (30) zum Erzeugen einer Mindestimpulsbreite (pwmin) umfasst.
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