DE69015373T2

DE69015373T2 - Digital-analog-wandler mit grossem dynamikbereich, hoher genauigkeit und hoher geschwindigkeit.

Info

Publication number: DE69015373T2
Application number: DE69015373T
Authority: DE
Inventors: James Ginthner; Cecil Ho
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-07-30
Filing date: 1990-10-18
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2010-10-19
Also published as: DE69015373D1; US4998108A; EP0545923B1; JP2516281B2; JPH05507590A; EP0545923A1; WO1992002987A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Digital-Analog-Wandler zur Nutzung in Steuerungsanwendungen. Im besondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Digital-Analog-Wandler- System, welches einen hohen Dynamikbereich, eine hohe Genauigkeit und eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit besitzt.

Hintergrund der Erfindung

In vielen Steuerungsanwendungen ist es notwendig, ein digitales Signal, wie beispielsweise das Ausgangssignal eines Computers oder Sensors, in ein analoges Äquivalent zu wandeln, um einen Steuereingriff durchzuführen. Das analoge Signal ist typischerweise eine Spannung, welche dem Wert des digitalen Wortes entspricht. In vielen solchen Anwendungen ist die Größe der digitalen Worte größer als der mit hoher Genauigkeit verfügbare Dynamikbereich kommerzieller Digital-Analog-Wandler (DAW) . Die Kosten der DAW steigen dramatisch an, wenn der Dynamikbereich von 12 auf 16 oder sogar auf 18 und 22 Bit angehoben wird. Zusätzlich haben Wandler mit solchen Dynamikbereichen typischerweise keine hohe Genauigkeit und keine hohe Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit, mit welcher ein DAW digitale Worte in analoge Signale wandelt, ist auch als Datenrate oder Bitrate bekannt, und diese Begriffe werden hierin austauschbar verwendet. Die Datenraten sind begrenzt, weil Kehler im analogen Ausgangssignal des DAWs auftreten, wenn die Umschaltung von einem digitalen Wort auf das nächste erfolgt. Das Zeitintervall, in welchem diese Fehler abklingen, ist ein Hauptfaktor, der die Datenrate des DAW bestimmt. Mit verschiedenen Schemata hat man versucht, das Problem der Kosten und der Leistungsfähigkeit dadurch zu lösen, daß man mindestens zwei Digital-Analog-Wandler kombiniert hat, einen zur Verarbeitung der höchstwertigen Bits des digitalen Wortes und einen zur Verarbeitung der niederwertigsten Bits. Zum Beispiel könnte bei einem 16-Bit-DAW-System ein DAW die Bits verarbeiten, die dem Bereich 2&sup0; bis 2&sup7; entsprechen, während ein zweiter DAW die Bits verarbeiten könnte, die dem Bereich 2&sup8; bis 2¹&sup6; entsprechen. Die Spannungen, die diese gewandelten Bits repräsentieren, werden dann unter Verwendung geeigneter Spannungsteiler, wie beispielsweise Widerstandsnetzwerke, kombiniert, um den Beitrag jedes Bitsatzes zum Gesamtanalogwert entsprechend zu wichten. Diese kombinierte Spannung entspricht dem Wert des digitalen Wortes.
Bei Gumm, U.S.-Patentschrift Nr. 4 410 879, werden zwei DAW mit begrenzter Auflösung auf solche Weise kaskadiert, daß einer die niederwertigen Bits eines digitalen Eingangssignales wandelt und der andere die höherwertigen Bits wandelt. Um den niederwertigen DAW zurückzusetzen, wird ein Verfahren der sukzessiven Approximation verwendet. Der Apparat von Gumm stellt einen größeren Dynamikbereich zur Verfügung, als dies bei Verwendung eines einzelnen DAWs der Fall wäre, aber er schafft im Vergleich zur individuellen Verwendung jedes einzelnen DAW keine höhere Genauigkeit und keine höhere Datenrate.
Altmann, U.S.-Patentschrift Nr. 4 544 911, kombiniert zwei DAW, um einen größeren Dynamikbereich mit einer guten Monotonie, einer hohen Auflösung und vielen Zwischenschritten bereitzustellen. Ein Ausgangsfehler tritt auf, wenn der höherwertige DAW hochgeschaltet und der niederwertige DAW heruntergeschaltet wird, weil der Wandlungsbereich des niederwertigen DAWs über einen Widerstandsteiler zweckmäßigerweise größer eingestellt wird als ein einzelner Schritt des höherwertigen DAWs. Solche Ausgangssignalfehler, die aus den Umschaltvorgängen resultieren, sind als Störimpulse bekannt. Diese Störimpulse werden korrigiert, indem der niederwertige DAW kurze Schaltzyklen bekommt, so daß das kombinierte Ausgangssignal der zwei DAW dem Ausgangssignal vor dem Schalten gleich ist, und indem der Störimpuls durch ein Tiefpaßfilter geglättet wird. Altman stellt einen hohen Dynamikbereich mit vielen Inkrementen zur Verfügung, es ergibt sich aber keine höhere Genauigkeit als bei Verwendung individueller DAW. Altman stellt auch keine höhere Arbeitsgeschwindigkeit bereit, als die sich aus der Verwendung einzelner DAW ergebende Geschwindigkeit.
Hareyama, U.S.-Patentschrift Nr. 4 503 421, offenbart das Zerlegen eines digitalen Eingangssignales in Blöcke von Bits, von den höchstwertigen Bits bis zu den niederwertigsten Bits. Bevor die analogen Signale addiert werden, werden die Digital-Analog- Wandlungen mit jedem dieser Blöcke ausgeführt. Hareyama stellt eine interne Korrektur bereit, um die Genauigkeit des gesamten Wandlungsprozesses zu erhöhen, verwendet jedoch keine einzelnen DAW-Baugruppen, die unterschiedliche Genauigkeiten und Datenraten besitzen.
Sandford, U.S.-Patentschrift Nr. 3 976 272, unterteilt ein digitales Eingangswort in Blöcke, die sich aus höchstwertigen Bits und niederwertigsten Bits zusammensetzen und führt dann nacheinander Digital-Analog-Wandlungen dieser Blöcke mit einem einzelnen Digital-Analog-Wandler durch. Durch diese Vorgehensweise spart Sandford mindestens einen Wandler bei gleichzeitiger Einbuße an Systemgeschwindigkeit.
Van de Plassche, U.S.-Patentschrift Nr. 4 573 005, offenbart einen DAW, in welchem das digitale Eingangssignal in Blöcke zerlegt wird, jeder Block gewandelt wird und in welchem die aus den einzelnen Wandlungen resultierenden analogen Signale einem Fehlerkorrekturverfahren unterworfen werden, bevor diese addiert werden.
In der U.S.-Patentschrift Nr. 4 430 642 von Weigand wird eine Vorrichtung offenbart, in welcher eine Anzahl identischer DAW so betrieben werden, daß der letzte Analogausgang der gekoppelten DAW ein zusammengesetztes Ergebnis der digitalen Eingangssignale darstellt. Weigand minimiert den Fehler in der Digital-Analog- Wandlung der Signale, indem der Effekt des Übergangs der höchstwertigen Bits in der Wandlervorrichtung herabgesetzt wird. Weigand offenbart jedoch keine Lösung dafür, daß die Gesamtgenauigkeit und die Datenrate des Wandlers größer werden als die einer der Wandlerbaugruppen, aus denen die Vorrichtung besteht.
Im IEEE Journal of Solid-State Circuits, Dezember 1985, Seiten 1133 bis 1137 wird ein Digital-Analog-Wandler offenbart, der einen ersten DAW zur Verarbeitung der höchstwertigen Bits und einen zweiten DAW zur Wandlung der niederwertigsten Bits sowie eine Summiereinrichtung zur Kombination der Ausgangssignale der beiden DAW verwendet. Die Reduzierung der Störimpulse wird durch eine verschachtelte (nicht simultane) Arbeitsweise des ersten und des zweiten DAWs erreicht.
In Electronic Design vom 9. Juni 1988 wird auf den Seiten 131 bis 136 die Verwendung eines wie oben beschriebenen Digital-Analog-Wandlers zur Positionssteuerung von Werkzeugmaschinen dargestellt.
Wie aus den oben zitierten Quellen ersichtlich ist, werden dem Stand der Technik entsprechend eine Reihe von Schemata diskutiert, wie digitale Eingangsworte in Blöcke zerlegt werden können und wie mit diesen Blöcken separat gearbeitet werden kann. Es wird kein Verfahren offenbart, bei dem digitale Eingangsworte mit sehr großem Dynamikbereich mit einer hohen Datenrate und mit einer hohen Genauigkeit verarbeitet werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Stand der Technik vorhandenen Mängel zeigen, daß ein Bedarf nach einem Digital-Analog-Wandler-System mit hohem Dynamikbereich besteht, welches mit einer hohen Genauigkeit und einer hohen Datenrate arbeitet. Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein DAW-System bereitzustellen, das ein vielstelliges digitales Wort mit hoher Geschwindigkeit wandeln kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein DAW-System bereitzustellen, das ein vielstelliges digitales Wort mit hoher Genauigkeit wandeln kann.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Wandlung eines vielstelligen digitalen Wortes in ein analoges Ausgangssignal mit einer hohen Datenrate und einer hohen Genauigkeit bereitzustellen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Werkzeugkorrekturvorrichtung bereit zustellen, die ein vielstelliges digitales Wort, das der gewünschten Werkzeugkorrektur entspricht, in ein analoges Ausgangssignal wandelt, um diese Korrektur mit hoher Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit auszuführen.
Gemäß dieser und anderer Aufgaben der vorliegenden Erfindung wird ein Digital-Analog-Wandler-System (DAW) bereitgestellt, welches ein Logiksystem enthält, das ein digitales Wort erzeugt, welches sich aus höchstwertigen Bits und niederwertigsten Bits zusammensetzt. Das System besitzt einen ersten DAW zum Empfangen der höchstwertigen Bits und zum Bereitstellen eines ersten analogen Ausgangssignales, welches eine erste Datenrate und einen ersten Dynamikbereich besitzt. Das System enthält weiterhin einen zweiten DAW zum Empfangen der niederwertigsten Bits und zum Bereitstellen eines zweiten analogen Ausgangssignales. Der zweite DAW hat eine zweite Datenrate und einen zweiten Dynamikbereich, wobei die zweite Datenrate höher ist als die Datenrate des ersten DAWs. Es werden Mittel zum Kombinieren des ersten und des zweiten analogen Ausgangssignales bereitgestellt, um ein einzelnes analoges Signal zu erzeugen, das das digitale Wort repräsentiert. Die Datenrate des kombinierten Ausgangssignales kann so schnell sein wie die Datenrate des zweiten DAWs, und der Dynamikbereich des kombinierten Ausgangssignales kann so groß sein wie der erste Dynamikbereich.
Die Systemgenauigkeit kann dadurch erhöht werden, daß eine Schaltung bereitgestellt wird, die beim Umschalten des ersten DAWs das Signal hält, bis die Störimpulse des ersten DAWs auf einen vorgegebenen Wert abgeklungen sind. Störimpulse aufgrund gleichzeitigen Schaltens des ersten und des zweiten DAWs werden durch zusätzliche Schaltungen vermieden, die die Schaltvorgänge des ersten und zweiten DAWs so steuern, wie es erforderlich ist, damit ein solches gleichzeitiges Schalten vermieden wird.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Wandlung eines vielstelligen digitalen Wortes in ein analoges Signal mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit bereit. Dieses Verfahren enthält die Erzeugung eines digitalen Wortes, das sich aus höchstwertigen Bits und niederwertigsten Bits zusammensetzt. Die höchstwertigen Bits werden dann in ein erstes analoges Ausgangssignal in einem DAW gewandelt, der eine erste Datenrate und einen ersten Dynamikbereich hat. Die niederwertigsten Bits werden in ein zweites analoges Ausgangssignal in einem zweiten DAW gewandelt, der eine zweite Datenrate und einen zweiten Dynamikbereich hat. Diese analogen Ausgangssignale werden dann kombiniert, um ein einziges analoges Signal zu erzeugen, das das digitale Wort repräsentiert. Die Datenrate des kombinierten Ausgangssignales kann so schnell sein wie die Datenrate des zweiten DAWs, und der Dynamikbereich des kombinierten Ausgangssignales kann so groß sein wie der erste Dynamikbereich.
In einer spezielleren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Werkzeugkorrektursystem bereit, welches erstens Mittel zur Bestimmung der Position eines Werkzeuges enthält. Ein Logiksystem vergleicht dann die Position des Werkzeuges mit einer vorgegebenen Position und erzeugt ein digitales Wort, das sich aus höchstwertigen Bits und niederwertigsten Bits zusammensetzt und welches der Differenz zwischen der Werkzeugposition und der vorgegebenen Position entspricht. Das System enthält dann einen ersten und einen zweiten DAW. Der erste DAW hat eine erste Datenrate, einen ersten Dynamikbereich und stellt ein erstes analoges Ausgangssignal bereit, das den höchstwertigen Bits entspricht. Der zweite DAW hat eine zweite Datenrate und einen zweiten Dynamikbereich, wobei die zweite Datenrate höher ist als die erste Datenrate, und er empfängt die niederwertigsten Bits und wandelt diese in ein zweites analoges Ausgangssignal. Das System besitzt desweiteren Schaltungsanordnungen zum Kombinieren der zwei analogen Ausgangssignale, um daraus ein analoges Signal zu erzeugen. Die Datenrate des analogen Signales kann so schnell sein wie die Datenrate des zweiten DAWs, und der Dynamikbereich des analogen Signales kann so groß sein wie der erste Dynamikbereich. Das System enthält schließlich Mittel zum Anlegen eines Korrektursignales, das dem analogen Signal entspricht, an das Werkzeug.
Die vorhergehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist, deutlich werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die begleitenden Zeichnungen bilden einen materiellen Teil der Offenbarung der Erfindung.
Figur 1 ist ein schematisches Blockschaltbild des Systems, das die vorliegende Erfindung umfaßt.
Figur 2 zeigt die Kurvenformen der Signale des ersten DAWs, des zweiten DAWs, eines Nachlauf- und Halteverstärkers und das Gesamtausgangssignal des Systems.
Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild, in welchem das DAW-System zur Werkzeugkorrektur verwendet wird und zwar zur Korrektur der Ablenkung eines Elektronenstrahl-Belichtungssystems.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Wir beziehen uns detaillierter auf die Zeichnungen und im besonderen auf Figur 1 der Erfindung. Dort wird ein DAW-System gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das DAW-System 10 enthält ein Logiksystem 18, welches ein digitales Wort bereitstellt, das sich in Abhängigkeit von Signalen, die vom Steuerungssystem 15 über die Inkrement-/Dekrement-Leitung 16 kommen, aus höchstwertigen Bits und niederwertigsten Bits zusammensetzt. Das Steuerungssystem 15 stellt für das Logiksystem 18 auf Leitung 17 auch ein Taktsignal bereit. Das Steuerungssystem 15 kann beispielsweise verwendet werden, um die Elektronenstrahlbearbeitung von elektronischen Substraten oder die Elektronenstrahlbelichtung von Wafern und Masken zur Strukturierung zu steuern. Im Innern des Logiksystems 18 können sich ein Zähler zur Zählung der digitalen Signale, Schaltungsanordnungen höherer Ordnung zur Erzeugung eines ersten Satzes von Signalen, die die höherwertigen Bits einer Zahl des Zählers repräsentieren, sowie Schaltungsanordnungen niederer Ordnung zur Erzeugung eines zweiten Satzes von Signalen, die die niederwertigen Bits der Zahl des Zählers repräsentieren, befinden.
In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist das digitale Wort ein 15-Bit-Wort, welches einen Wert bis 2¹&sup5; oder 32.768 haben kann. In diesem Beispiel sind die höchstwertigen Bits die oberen 11 Bits des digitalen Wortes, die auf dem Bus 19 anliegen, und die niederwertigsten Bits sind die unteren 6 Bits, die auf dem Bus 20 anliegen. Somit wird eine 2-Bit breite Überlappung zwischen den höchstwertigen Bits und den niederwertigsten Bits bereitgestellt. Dieses Beispiel ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, aber der Dynamikbereich des digitalen Wortes wird nur durch die Dynamikbereiche der verfügbaren DAW begrenzt.
Vom Logiksystem 18 ausgehend, stellt der Bus 19 die Verbindung zu einem ersten DAW 21 her, welcher eine erste Datenrate und einen ersten Dynamikbereich besitzt. Der erste DAW 21 empfängt die höchstwertigen Bits 19 und liefert ein erstes analoges Ausgangssignal 28. Der erste DAW hat eine erste Genauigkeit bezogen auf den Dynamikbereich des ersten DAWs. DAW wie beispielsweise der erste DAW 21 erzeugen normalerweise große Störimpulse in der Größenordnung Hunderter niederwertigster Bits und haben auch niedrige Datenraten von 200 kHz oder weniger. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der erste DAW 21 ein DAC711, hergestellt von der Burr-Brown Corporation. Der DAC711 ist ein 16-Bit-DAW, der eine echte Genauigkeit von 15 Bit und eine Einstellzeit, nach der die Störimpulse abgeklungen sind, von 4 us besitzt.
Das System 18 ist über den Bus 20 auch mit dem zweiten DAW 22 verbunden, der eine zweite Datenrate und einen zweiten Dynamikbereich besitzt. Der zweite DAW 22 empfängt die niederwertigsten Bits 20 und liefert ein zweites analoges Ausgangssignal 29. Von großer Bedeutung für die vorliegende Erfindung ist, daß die Datenrate des zweiten DAWs 22 höher ist als die des ersten DAW 21. Kommerziell verfügbare DAW, die einen kleinen Dynamikbereich besitzen, so wie der zweite DAW 22, haben typischerweise eine viel höhere Geschwindigkeit als DAW, welche einen großen Dynamikbereich besitzen. Der zweite DAW 22 hat ebenfalls eine zweite Genauigkeit. Obwohl der zweite DAW 22 eine absolute Genauigkeit haben kann, welche größer ist als die des ersten DAWs 21, kann seine Genauigkeit bezüglich seines Dynamikbereiches kleiner sein als die des ersten DAWs 21. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der zweite DAW 22 ein 12-Bit-DAW- DAC63, hergestellt von der Burr-Brown Corporation. Die analogen Ausgangssignale 28 und 29 werden dann mit dem Nachlauf- und Halteverstärker 24, dem Hochfrequenzfilter 25 und den aufeinander abgestimmten RC-Filtern 26 verbunden. Die Arbeitsweise dieser Bauteile wird hiernach vollständiger erklärt werden.
Es werden Mittel zum Kombinieren des ersten und zweiten analogen Ausgangssignales 28, 29 bereitgestellt, um ein einziges analoges Signal zu erzeugen, das dem digitale Wort entspricht, welches die gesamten Zählimpulse repräsentiert, die vom Logiksystem empfangen wurden. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform sind diese Kombinationsmittel ein Summierverstärker 32. Die maximale Geschwindigkeit des zusammengesetzten Ausgangssignales 27 des Verstärkers 32 kann so hoch sein wie die Datenrate des zweiten DAWs 22, und in dieser Ausführungsform sind dies 2 MHz. Die Geschwindigkeit basiert auf der maximal erwarteten Bitrate des Inkrement-/Dekrement-Signales 16 und ist keine Begrenzung durch den DAC63 von Burr-Brown. Der Dynamikbereich des zusammengesetzten Ausgangssignales 27 kann so groß sein, wie der Dynamikbereich des ersten DAWs 21. Die niederwertigsten Bits und die höchstwertigen Bits können um mindestens ein Bit überlappen, und wie im vorhergehenden beschrieben, gibt es bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ein Zwei-Bit-Überlappen. In dem Fall, in dem die höchstwertigen Bits und die niederwertigsten Bits überlappen, können die Kombinationsmittel Mittel zur Kompensation des Überlappens des ersten und zweiten Dynamikbereiches enthalten, wie beispielsweise geeignet dimensionierte Widerstandsteiler im Summierverstärker 32.
Wir beziehen uns jetzt auf Figur 2. Es wird ein Beispiel dargestellt, das die Signalverläufe im DAW repräsentiert. Das Ausgangssignal 29 des zweiten DAWs 22 ist eine Treppenfunktion, die Ein-Bit-Inkremente widerspiegelt. Weil es bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ein zwei Bit breites Überlappen zwischen den höchstwertigen Bits und den niederwertigsten Bits gibt, gibt es 2&sup4; = 16 Inkremente des niederwertigsten Bits für jedes Inkrement des höchstwertigen Bits und nicht 2&sup6; = 64, welches die tatsächlich Breite des Busses 20 für die niederwertigsten Bits ist. Die Figur zeigt das Ausgangssignal inkrementweise anwachsend. Aber dies ist selbstverständlich nur zu Illustrationszwecken so dargestellt. Die Richtung der Inkremente hängt vom Inkrement-/Dekrement-Signal 16 ab. In der Figur sind die Inkremente auch mit einer konstanten Zeitdauer eingezeichnet, was ebenfalls nur zu Illustrationszwecken so dargestellt ist. Die Bitrate dieser Inkremente und folglich auch die Systemgeschwindigkeit wird sich in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Computers oder Sensors, der das digitale Wort erzeugt, verändern. Diese Veränderung spiegelt sich in dem Inkrement-/Dekrement-Signal 16 wider. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann diese Bitrate maximal 500 nsec/bit betragen, entsprechend einer Systemgeschwindigkeit von 2 MHz.
Wenn das Ausgangssignal 29 des zweiten DAWs zum Zeitpunkt T0 die Hälfte des Vollausschlages 36 des zweiten DAWs 22 erreicht, wird das Ausgangssignal des ersten DAWs inkrementiert. Das Inkrement entspricht 16 niederwertigsten Bits, wird jedoch nicht zum Ausgangssignal 29 des zweiten DAWs addiert, um das Gesamtausgangssignal 27 zu bilden. Um Schaltspannungsspitzen des ersten DAWs während dessen Abklingzeit zu vermeiden, welche, wie im vorhergehenden beschrieben, eine Größe von Hunderten von niederwertigsten Bits haben können, enthält das Logiksystem erste Mittel, um das Schalten des ersten DAWs 21 zurückzuhalten, bis diese Störimpulse auf einen vorgegebenen Wert abgeklungen sind. Wir beziehen uns wieder auf Figur 1. Das Logiksystem 18 sendet ein Nachlauf- und Halte-Signal 23 an den Nachlauf- und Halteverstärker 24, welcher in den ersten Schalt-Haltemitteln enthalten ist.
Das Gesamtausgangssignal auf Leitung 27 ist die Summe des Ausgangssignales 29 des zweiten DAWs und des Ausgangssignales des Nachlauf- und Halteverstärkers auf Leitung 30. Wie aus Figur 2 zu erkennen ist, folgt das Nachlauf- und Halte-Signal 30 vor dem Schalten des ersten DAWs zum Zeitpunkt T0 in Abhängigkeit von einem Signal aus der Logik 18, das über Leitung 37 kommt, dem Ausgangssignal 28 des ersten DAWs. Der Nachlauf- und Halteverstärker hält dann für den Zeitabschnitt von T0 bis T1 den Pegel 52, der vor dem Schalten von dem ersten DAW ausgegeben wurde. Ein Übergang Halten - Nachlaufen 50 erfolgt dann zum Zeitpunkt T1 in Abhängigkeit von einem Signal 23, das aus dem Logiksystem kommt und der Nachlauf- und Halteverstärker folgt dann dem Pegel 51 des ersten DAWs, den dieser nach dem Schalten eingenommen hat. Wenn der erste DAW 21 und folglich der Nachlauf- und Halteverstärker 24 inkrementiert werden, dieses Inkrement entspricht 16 niederwertigsten Bits, dann wird der zweite DAW 22 in Abhängigkeit von einem Signal aus der Logik 18, das auf Leitung 34 erscheint, dekrementiert, damit er sich innerhalb des plus 36 minus 37 Bereiches, der dem halben Aussteuerbereich entspricht, verbleibt.
In der dargestellten Ausführungsform wird die Addition des Ausgangssignales 28 des ersten DAWs und des Ausgangssignales 29 des zweiten DAWs in Abhängigkeit von der Datenrate 6,5 bis 8,5 us nach T0 ausgeführt, so daß die Störimpulse des ersten DAWs 21, die aufgrund des digitalen Schaltens auftreten, bis auf ein niederwertigstes Bit abgeklungen sind. Der Grund für diese variable Zeitspanne wird hiernach vollständiger erklärt werden. Der zweite DAW 22 fährt während dieses Zeitabschnittes mit dem Inkrementieren fort. Der zweite DAW wird vor dem Halten-Nachlaufen-Übergang keinen positiven oder negativen Überlauf erzeugen, egal ob der zweite DAW inkrementiert oder dekrementiert wird. In der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform wird der zweite DAW bis zu seinem höchsten Wert 39 inkrementiert, der zum Zeitpunkt T1 erreicht wird, zu welchem die Störimpulse des ersten DAWs 21 soweit abgeklungen sind, daß das Nachlaufen-und-Halten-Freigabesignal 23 von Halten auf Nachlaufen 50 umschalten kann. Der zweite DAW 22 wird dann um 16 niederwertigste Bits heruntergeschaltet 40, so daß der zweite DAW 22 innerhalb des normalen halben Aussteuerbereiches von plus 36 minus 37 verbleibt.
Um Störimpulse zu eliminieren, wenn beide DAW schalten, enthält das Logiksystem desweiteren zweite Mittel, um das Schalten des ersten und des zweiten DAWs zurückzuhalten, so daß der erste und der zweite DAW nicht gleichzeitig inkrementiert/dekrementiert werden. Das Nachlaufen-und-Halten-Freigabesignal auf Leitung 23 wird sorgfältig verzögert, um zum Schalten des zweiten DAWs 22 zu passen. Wenn die Inkrementier-Bitrate langsamer als ein vorgegebener Wert ist, 2 us/Bit in der dargestellten Ausführungsform, wird ein Zeitfenster einer vorgegebenen Periodendauer zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach T0 geöffnet, in der dargestellten Ausführungsform ein 1 us Fenster 6 us nach T0. Wenn ein Inkrement/Dekrement innerhalb dieses Zeitfensters auftreten sollte, wird das Inkrement- oder Dekrement-Signal durch ein Signal von der Logik 18 über Leitung 34 bis zu einem Zeitpunkt 500 ns nach dem Halten-Folgen-Übergang verzögert, der nach 6,5 us stattfindet, so daß kein gleichzeitiges Schalten auftritt. Wenn die Inkrement-Bitrate schneller als der vorgegebene Wert ist, wird der Halten-Nachlaufen-Übergang soweit verzögert, daß er nach der nächsten Bitänderung stattfindet. Dies stellt sicher, daß innerhalb einer vorgegebenen Periodendauer nicht mehr als ein Bitübergang erfolgt. In der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bewirkt diese Verzögerung des Schaltens des ersten und des zweiten DAWs, daß die Summierung der Ausgangssignale um 6,5 bis 8,5 us verzögert wird, wobei die exakte Zeitdauer von der Datenrate und der Eintreffzeit der Inkrementsignale abhängt. Der Übergang des zweiten DAWs von 39 auf 49 in Figur 2 erfolgt immer, bevor das Ausgangssignal 29 des zweiten DAWs den vollen Plus- oder Minus-Aussteuerbereich des zweiten DAWs 22 übersteigt. Somit erfolgt das erste Schalt-Halten, wenn das Ausgangssignal des zweiten DAW in positiver oder negativer Richtung aus dem halben Aussteuerbereich des zweiten DAWs herausläuft und sowohl das erste als auch das zweite Schalt-Halten ist beendet, bevor das Ausgangssignal des zweiten DAWs in positiver oder negativer Richtung den Aussteuerbereich des zweiten DAWs überschreitet.
Um weiterhin sicherzustellen, daß die Schaltspannungsspitzen klein sind, enthält das System desweiteren erste Hochfrequenz- Filtermittel 25 zum Filtern des zweiten analogen Ausgangssignales 29, bevor dieses an die Kombinationsmittel angelegt wird. In der bevorzugten Ausführungsform wird das Ausgangssignal 29 des zweiten DAWs durch ein Hochfrequenz-Induktivitäts-Widerstands- Filter 25 gefiltert, um Spannungsspitzen zu eliminieren.
Ein weiteres Filtern kann dann durch zweite Mittel 26 durchgeführt werden, um jedes der ersten und zweiten analogen Ausgangssignale vor den Kombinationsmitteln zu filtern. Die zweiten Filtermittel enthalten Filterelemente, die dieselbe Zeitkonstante besitzen. In der bevorzugten Ausführungsform werden das Ausgangssignal 30 des Nachlauf- und Halteverstärkers und das bereits durch ein Hochfrequenzfilter gefilterte Ausgangssignal 29 des zweiten DAWs 22 durch niederfrequente paarige RC-Filter 26 gefiltert, welches Widerstands-Kondensator-Filter sind, die dieselben Zeitkonstanten haben und somit aufeinander abgestimmt sind. Die gefilterten Ausgangssignale 29, 30 werden dann in dem Summierverstärker 32 addiert.
Die resultierende Summenspannung 27 enthält Schwankungen, die kleiner sind als ein niederwertigstes Bit. In dieser bevorzugten Ausführungsform erreicht das Gesamtausgangssignal folglich eine Genauigkeit von einem niederwertigsten Bit über einen Dynamikbereich von 2¹&sup5; mit einer maximalen Datenrate von 2 MHz.
Wie im vorhergehenden beschrieben ist die maximale Systemdatenrate auf Basis des Ausgangssignales des Computers oder Sensors, der das digitale Wort erzeugt, ausgewählt worden. In der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist diese Rate 2 MHz oder 500 ns/Bit. Die beschriebenen Schalt-Haltemittel stellen sicher, daß der DAW 22 während des Zeitintervalles von T0 bis T1 keinen Überlauf über die vollen positive Ausdehnung seines 6-Bit-Dynamikbereiches erzeugt.
Wenn eine andere Anwendung eine höhere Datenrate erfordert, kann eine andere Aufteilung der Bits zwischen dem ersten DAW 21 und dem zweiten DAW 22 verwendet werden. Zum Beispiel ist ohne ein Überlaufen des zweiten DAWs in dem Zeitintervall von T0 bis T1 eine Datenrate von 125 ns/Bit oder 8 MHz erreichbar, wenn der Bus 19 9 Bit breit ausgeführt wird und der Bus 20 8 Bit breit ausgeführt wird und wie in der vorliegenden Ausführungsform ein Überlappen von 2 Bit gewählt wird. Abhängig von den Erfordernissen der Anwendung erlaubt es die geeignete Auswahl der Breite des Busses 20, die Arbeitsgeschwindigkeit des System genau so hoch zu setzen, wie es die Datenrate des zweiten DAWs 22 zuläßt. Wenn ein höher auflösender erster DAW verwendet wird, wie beispielsweise der 18 Bit DAW Burr-Brown 729, welcher eine echte Genauigkeit von 17 Bits aufweist, ist es möglich einen zusammengesetzten 17-Bit-Hochgeschwindigkeits-DAW mit hoher Genauigkeit aufzubauen. Es sollte klar sein, daß die vorliegende Erfindung gleiche Genauigkeiten mit höheren Dynamikbereichen und höheren Datenraten einschließt, wenn bessere Bauelemente verfügbar werden.
Die obige Beschreibung zeigt, daß das System der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Wandlung digitaler Worte in analoge Signale mit hoher Geschwindigkeit, einem großen Dynamikbereich und einer hohen Genauigkeit bereitstellt. Dieses Verfahren umfaßt erstens den Schritt der Erzeugung eines digitalen Wortes, das sich aus höchstwertigen Bits und niederwertigsten Bits zusammensetzt. Der nächste Schritt umfaßt die Wandlung der höchstwertigen Bits in ein erstes analoges Ausgangssignal mit einem ersten DAW, der eine erste Datenrate und einen ersten Dynamikbereich besitzt, und die Wandlung der niederwetigsten Bits in ein zweites analoges Ausgangssignal mit einem zweiten DAW, der eine zweite Datenrate und einen zweiten Dynamikbereich besitzt. Das Verfahren umfaßt dann die Kombination des ersten und zweiten analogen Ausgangssignales, um ein einziges analoges Signal zu erseugen, das das digitale Wort repräsentiert, wobei die Datenrate des zusammengesetzten Ausgangssignales so hoch sein kann wie die zweite Datenrate und der Dynamikbereich des zusammengesetzten Ausgangssignales so groß sein kann wie der erste Dynamikbereich.
Das Wandlungsverfahren kann weiterhin ein erstes Halten des Schaltens des ersten DAWs umfassen, bis die Störimpulse auf einen vorgegebenen Wert abgeklungen sind, und ein zweites Halten des Schaltens des ersten und des zweiten DAWs, so daß der erste und der zweite DAW nicht gleichzeitig schaltet. Um die Nutzung des Dynamikbereiches des zweiten DAWs zu optimieren und um ein Überlaufen des zweiten DAWs zu verhindern, wird das erste Schalt-Halten erfolgen, wenn das Ausgangssignal des zweiten DAWs den halben Aussteuerbereich des zweiten DAWs positiv oder negativ überschreitet und das erste und das zweite Schalt-Halten wird beendet, bevor das Ausgangssignal des zweiten DAWs den Aussteuerbereich des zweiten DAWs positiv oder negativ überschreitet.
Die Genauigkeit des Wandlungsverfahrens wird durch ein erstes Filtern des zweiten analogen Ausganssignales erreicht, bevor die analogen Ausgangssignale kombiniert werden, sowie durch ein zweites Filtern sowohl des ersten als auch des zweiten analogen Ausgangssignales ebenfalls bevor die analogen Ausgangssignale kombiniert werden, wobei das zweite Filtern für jedes der analogen Ausgangssignale mit der gleichen Zeitkonstante erfolgt.
Wir beziehen uns auf Figur 3. Dort ist ein Werkzeugkorrektursystem dargestellt, welches eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Werkzeugkorrektursystem ein System, das die genaue Positionierung eines Elektronenstrahles auf einem elektronischen Substrat zur Belichtung von Wafern und Masken gewährleistet. Eine Elektronenstrahlquelle 46 erzeugt einen Elektronenstrahl 45, der durch Ablenkspulen 44 abgelenkt wird, bevor er auf ein Substrat auftrifft.
Das Werkzeugkorrektursystem enthält Mittel zur Bestimmung der Position eines Werkzeuges, wie beispielsweise ein Laserinterferometer, welches auf Leitung 42 ein Signal als Eingangssignal für das Steuerungssystem 15 erzeugt. Das System umfaßt ein Logiksystem, ein Teil davon kann sich in dem Steuerungssystem 15 befinden, welches Mittel zum Vergleich der gemessenen Werkzeugposition mit einer vorgegebenen Position enthält. Das Werkzeugkorrektursystem enthält auch das im vorhergehenden beschriebene DAW-System 10 der vorliegenden Erfindung. Das Logiksystem des Werkzeugkorrektursystems erzeugt auch ein digitales Wort, das sich in dem DAW-System aus höchstwertigen Bits und niederwertigsten Bits zusammensetzt. Das digitale Wort entspricht der Differenz zwischen der Werkzeugposition und der vorgegebenen Position. Dieses DAW-System enthält alle im vorhergehenden beschriebenen Elemente, wie den ersten DAW, den zweiten DAW, Schalt-Haltemittel usw. Das zusammengesetzte Ausgangssignal auf Leitung 27 unfaßt ein Korrektursignal, welches ein Eingangssignal für das Steuerungssystem 15 ist. Das Korrektursystem enthält schließlich Mittel zum Anlegen des Korrektursignales, das dem zusammengesetzten analogen Ausgangssignal des DAW-Systems entspricht, an das Werkzeug. Diese Mittel können im Steuerungssystem 15 Schaltungsanordnungen enthalten, welche ein Signal auf Leitung 41 erzeugen, das die Ablenkspule 44 dazu anregt, den Elektronenstrahl 45 um ein notwendiges Maß abzulenken, damit die gewünschte Position erreicht wird.
Innerhalb des Werkzeugkorrektursystems gibt es eine Reihe von Verzögerungen, einschließlich der Verzögerungen in den Positionsbestimmungsmitteln, der Verzögerungen in den Filtermitteln des DAW-Systems und der Verzögerungen beim Anlegen des analogen Korrektursignales an das Werkzeug. Diese Verzögerungen können einen Fehler hervorrufen, wenn der Werkstückhalter, wie beispielsweise eine Stufe einer Elektronenstrahl-Belichtungseinrichtung, mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird. Dieser Fehler kann durch Anlegen eines zur Geschwindigkeit des Werkstückhalters, wie sie aus dem Ausgangssignal der Treibereinrichtung des Werkstückhalters erhalten werden kann, proportionalen Korrekturstromes an die Ablenkspule 44 korrigiert werden.
Das beschriebene Werkzeugkorrektursystem stellt ein Verfahren zur Korrektur der Werkzeugposition bereit, welches die Bestimmung der Werkzeugposition und den Vergleich der Werkzeugposition mit einer vorgegebenen Position umfaßt. Das Verfahren umfaßt dann die Erzeugung eines digitalen Wortes, das sich aus höchstwertigen Bits und niederwertigsten Bits zusammensetzt, wobei das digitale Wort der Differenz zwischen der Werkzeugposition und der vorgegebenen Position entspricht.
Die nächsten Schritte enthalten die Wandlung der höchstwertigen Bits in ein erstes analoges Ausgangssignal mit einem ersten DAW, der eine erste Datenrate und einen ersten Dynamikbereich besitzt und die Wandlung der niederwertigsten Bits in ein zweites analoges Ausgangssignal mit einem zweiten DAW, der eine zweite Datenrate und einen zweiten Dynamikbereich besitzt. Das Verfahren umfaßt dann die Kombination des ersten und des zweiten analogen Ausgangssignales, um ein einziges analoges Signal zu erzeugen, das das digitale Wort repräsentiert, wobei die Datenrate des zusammengesetzten Ausgangssignales so hoch sein kann wie die zweite Datenrate und wobei der Dynamikbereich des zusammengesetzten Ausgangssignales so groß sein kann wie der erste Dynamikbereich. Das Verfahren umfaßt abschließend das Anlegen eines Korrektursignales, das dem zusammengesetzten analogen Ausgangssignal entspricht, an das Werkzeug.
Die Genauigkeit dieses Verfahrens wird durch den zusätzlichen Schritt eines ersten Schalt-Haltens des ersten DAWs verbessert, bis die Störimpulse auf einen vorgegebenen Wert abgeklungen sind und durch ein zweites Schalt-Halten des ersten und des zweiten DAWs, so daß der erste und der zweite DAW nicht gleichzeitig schalten. In diesem Verfahren wird durch das erste Schalt-Halten, das erfolgt, wenn das Ausgangssignal des zweiten DAWs in positiver oder negativer Richtung den halben Aussteuerbereich des zweiten DAWs überschreitet, ein Überlauf des zweiten DAWs verhindert und die Nutzung des Aussteuerbereiches des zweiten DAWs optimiert, und sowohl das erste als auch das zweite Schalt- Halten wird beendet, bevor das Ausgangssignal des zweiten DAWs den Aussteuerbereich des zweiten DAWs in positiver oder negativer Richtung übersteigt.

Claims

1. Digital-Analog-Wandler-System (DAW) umfassend:

- ein Logiksystem (18), das ein digitales Wort bereitstellt, welches sich aus höchstwertigen Bits (19) und niederwertigsten Bits (20) zusammensetzt,

- einen ersten Leiterwiderstand- und Stromschalter-DAW (21), der eine niedrige Datenrate, einen hohen Dynamikbereich und eine erste Genauigkeit bezüglich des hohen Dynamikbereiches besitzt, wobei der erste DAW (21) die höchstwertigen Bits (19) empfängt und ein erstes analoges Ausgangssignal (28) bereitstellt;

- einen zweiten Leiterwiderstand- und Stromschalter-DAW (22), der einen hohe Datenrate, einen niedrigen Dynamikbereich und einen zweite Genauigkeit bezüglich des niedrigen Dynamikbereiches besitzt, wobei der zweite DAW (22) die niederwertigsten Bits (20) empfängt und ein zweites analoges Ausgangssignal (29) bereitstellt und wobei die hohe Datenrate des zweiten DAWs (22) höher ist als die niedrige Datenrate des ersten DAWs (21) und die zweite Genauigkeit niedriger ist als die erste Genauigkeit;

dadurch gekennzeichnet, daß sich die höchstwertigen Bits (19) und die niederwertigsten Bits (20) mit mindestens einem Bit überlappen und daß der DAW weiterhin umfaßt:

- einen Nachlauf- und Halteverstärker (24), der auf die Logikmittel (18) reagiert und so verbunden ist, daß er das erste analoge Ausgangssignal (28) des ersten DAWs (21) empfängt, wobei der Nachlauf- und Halteverstärker (24) das erste analoge Ausgangssignal (28) hält, bis die Schaltspannungsspitzen des ersten DAWs (21) auf einen vorgegebenen Wert abgeklungen sind;

- ein Hochfrequenz Tiefpaßfilter (25), das so angeschlossen ist, daß es das zweite Ausgangssignal (29) des DAWs (22) empfängt, um die Hochfrequenzspitzen, die auf dem zweiten analogen Ausgangssignal (29) vorhanden sind, zu eliminieren;

- Mittel (26) zur voneinander unabhängigen Filterung der Ausgangssignale des Nachlauf- und Halteverstärkers (24) und des Hochfrequenzfilters (25), wobei die Filtermittel (26) Widerstands-Kondensatorfilter umfassen, die die gleichen Zeitkonstanten besitzen und aufeinander abgestimmt sind;

- einen Summierverstärker (32), der die gefilterten Ausgangssignale der Filtermittel (26) addiert, um ein analoges Signal (27) zu erzeugen, das dem digitalen Wort entspricht, wobei der Summierverstärker (32) weiterhin geeignet dimensionierte Widerstandsteiler zur Kompensation des Überlappens des hohen und niederen Dynamikbereiches umfaßt, wobei eine derartige Kompensation dadurch erreicht wird, daß das Ausgangssignal des ersten DAWs (21) bis zu einem Zeitpunkt T1 gehalten wird, zu welchem der zweite DAW (22) so umgeschaltet wird, daß sein Ausgangssignal innerhalb des normalen Dynamikbereiches des nichtüberlappenden Teils der niederwertigsten Bits (20) liegt.

2. DAW-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin umfaßt:

- Mittel (15) zur Bestimmung einer Position eines Werkzeuges in einem Werkzeugkorrektursystem;

- das Logiksystem (18), das weiterhin Mittel enthält zum Vergleich der Werkzeugposition mit einer vorgegebenen Position und zum Erzeugen des digitalen Wortes, wobei das digitale Wort der Differenz zwischen der Werkzeugposition und der vorgegebenen Position entspricht und

- Mittel (44) zum Anlegen eines Korrektursignales (41), das dem analogen Signal (27) entspricht, an das Werkzeugkorrektursystem .

3. Verfahren zur Wandlung digitaler Worte in analoge Signale mit hoher Geschwindigkeit, einem großen Dynamikbereich und einer hohen Genauigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

- Erzeugen eines digitalen Wortes, das sich aus höchstwertigen Bits (19) und niederwertigsten Bits (20) zusammensetzt, mittels eines Logiksystems (18), wobei sich die höchstwertigen Bits (19) und die niederwertigsten Bits (20) mit mindestens einem Bit überlappen;

- Wandeln der höchstwertigen Bits (19) in ein erstes analoges Ausgangssignal (28) mittels eines ersten Leiterwiderstand- und Stromschalter-DAWs (21), der eine niedrige Datenrate, einen hohen Dynamikbereich und eine erste Genauigkeit bezüglich des hohen Dynamikbereiches besitzt;

- Wandeln der niederwertigsten Bits (20) in ein zweites analoges Ausgangssignal (29) mittels eines zweiten Leiterwiderstand- und Stromschalter-DAWs (22), der eine hohe Datenrate, einen niedrigen Dynamikbereich und eine zweite Genauigkeit bezüglich des niedrigen Dynamikbereiches besitzt, wobei die hohe Datenrate des zweiten DAWs (22) höher ist als die niedrige Datenrate des ersten DAWs (21), und die zweite Genauigkeit kleiner ist als die erste Genauigkeit;

- Halten des ersten analogen Ausgangssignales (28) bis die Schaltspannungsspitzen des ersten DAWs (21) auf einen vorgegebenen Wert abgeklungen sind, mittels eines Nachlauf- und Halteverstärkers (24), der auf die Logikmittel (18) reagiert und so angeschlossen ist, daß er das erste analoge Ausgangssignal (28) des ersten DAWs (21) empfängt;

- Eliminieren der Spitzen auf dem zweiten analogen Ausgangssignal (29) mit einem Hochfrequenz-Tiefpaßfilter (25), wobei das Hochfrequenzfilter so verbunden ist, daß es das zweite analoge Ausgangssignal (29) des DAWs (22) empfängt;

- voneinander unabhängiges Filtern der Ausgangssignale des Nachlauf- und Halteverstärkers (24) und des Hochfrequenzfilters (25) mit Filtermitteln (26), wobei die Filtermittel (26) Niederfrequenz-Widerstands-Kondensatorfilter umfassen, die die gleichen Zeitkonstanten besitzen und aufeinander abgestimmt sind;

- Addieren der gefilterten Ausgangssignale der Filtermittel (26) mit einem Summierverstärker (32) zum Erzeugen eines analogen Signales (27), das dem digitalen Wort entspricht, wobei das Addieren der gefilterten Ausgangssignale weiterhin die Kompensation des Überlappen des hohen und niedrigen Dynamikbereiches mittels geeignet dimensionierter Widerstandsteiler enthält, wobei die Datenrate kombiniert wird; die Kompensation wird dadurch erreicht, daß das Ausgangssignal des ersten DAWs (21) bis zu einem Zeitpunkt T1 gehalten wird, zu welchem der zweite DAW (22) so umgeschaltet wird, daß sein Ausgangssignal innerhalb des normalen Bereiches des nichtüberlappenden Teils der niederwertigsten Bits (20) liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin die Schritte umfaßt:

- Bestimmung der Position eines Werkzeuges in einem Werkzeugkorrektursystem mit den Mitteln (15);

wobei der Schritt des Erzeugens des digitalen Wortes desweiteren den Vergleich der Werkzeugposition mit einer vorgegebenen Position mittels des Logiksystems (18) umfaßt, wobei das digitale Wort der Differenz zwischen der Werkzeugposition und der vorgegebenen Position entspricht, und

- Anlegen eines Korrektursignales (41), das dem analogen Signal (27) entspricht, an das Werkzeugkorrektursystem mit Mitteln (44) .