TWI483555B - 測試裝置以及類比至數位轉換器之測試方法 - Google Patents

Description

測試裝置以及類比至數位轉換器之測試方法

本發明係有關於類比至數位轉換器，特別是有關於類比至數位轉換器之測試。

類比至數位轉換器是數位裝置常用的元件，用以將類比信號轉換為數位信號。由於類比至數位轉換器通常用以將類比輸入信號轉換為數位信號以作為數位處理器的輸入，若類比至數位轉換器的效能不佳，將會於數位處理器的輸入信號引起錯誤，導致數位處理器的輸出亦發生錯誤。因此，類比至數位轉換器的效能是十分重要的，而必須以嚴格的測試以淘汰具較差效能的類比至數位轉換器。

一般而言，類比至數位轉換器的測試係於晶圓產出階段或晶片封裝後進行。一般係以測試裝置對類比至數位轉換器進行測試工作。第1圖為類比至數位轉換器190的測試裝置100的區塊圖。類比至數位轉換器190接受一類比輸入信號後將類比輸入信號轉換為多個輸出位元流bit 0、bit 1、…、bit 9。測試裝置100接收輸出位元流後依據輸出位元流評估類比至數位轉換器190的效能。於一實施例中，測試裝置100包括十進位轉換器110、長條圖繪製器120、以及效能分析模組130。

十進位轉換器110將類比至數位轉換器190的二進位輸出位元流bit 0、bit 1、…、bit 9轉換為一連串的十進位值。長條圖繪製器120再把一連串的十進位值繪製成長條圖(histogram)。效能分析模組130再依據長條圖分析積分非線性值(integral nonlinearity,INL)以及微分非線性值(differential nonlinearity,DNL)，以決定類比至數位轉換器190的效能。第2A圖顯示類比至數位轉換器190的類比輸入信號，而第2B圖顯示長條圖繪製器120依據十進位值所繪製的長條圖。

然而，第1圖的測試裝置100具有較高的成本與較複雜的電路設計。首先，為了儲存十進位轉換器110所產生的多個十進位值，長條圖繪製器120必須具有大容量的記憶體，而大容量的記憶體會提高測試裝置100的硬體成本。其次，長條圖繪製器120與效能分析模組130均需要高效能的複雜計算，因而需要複雜的電路，亦提高了測試裝置100的硬體成本。為了減少測試裝置的硬體成本，需要用更簡單的方法以計算類比至數位轉換器的效能。因此，需要一種類比至數位轉換器之新型態的測試裝置。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種測試裝置，以解決習知技術存在之問題。於一實施例中，該測試裝置接收一類比至數位轉換器輸出之多個位元信號，包括多個頻率計數器、一比較模組、以及一效能分析模組。該等頻率計數器分別計算該等位元信號之位元值變換的次數，以得到多個轉換次數。該比較模組分別比較該等轉換次數與對應於該等轉換次數之多個轉換次數理想值以得到多個誤差次數。該效能分析模組依據該等誤差次數估計該類比至數位轉換器之一效能值。

本發明更提供一種類比至數位轉換器之測試方法。首先，接收一類比至數位轉換器輸出的多個位元信號。接著，以多個頻率計數器(frequency counter)分別計算該等位元信號之位元值變換的次數，以得到多個轉換次數。接著，以一比較模組分別比較該等轉換次數與對應於該等轉換次數之多個轉換次數理想值以得到多個誤差次數。接著，以一效能分析模組依據該等誤差次數估計該類比至數位轉換器之一效能值。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：

第3圖為依據本發明之類比至數位轉換器390的測試裝置300的區塊圖。類比至數位轉換器390接收一類比輸入信號，並對類比輸入信號進行類比至數位轉換而產生多個位元信號S₀ 、…、S₇ 、S₈ 、S₉ 。位元信號S₀ 、…、S₇ 、S₈ 、S₉ 為類比輸入信號經轉換所得的位元值bit 0、…、bit 7、bit 8、bit 9。於一實施例中，類比至數位轉換器390所接收的類比輸入信號為三角波輸入信號(triangle wave)或斜面波輸入信號(ramp wave)。

測試裝置300接收類比至數位轉換器390輸出的多個位元信號S₀ 、…、S₇ 、S₈ 、S₉ ，並依據該等位元信號S₀ 、…、S₇ 、S₈ 、S₉ 估計反映類比至數位轉換器390之效能之一效能值。於一實施例中，測試裝置300包括多個低通濾波器310~319、頻率計數器320~329、比較模組330、以及效能分析模組340。低通濾波器310~319過濾類比至數位轉換器390輸出的多個位元信號S₀ 、…、S₇ 、S₈ 、S₉ ，以產生多個過濾位元信號S₀ ’、…、S₇ ’、S₈ ’、S₉ ’。於一實施例中，低通濾波器310~319分別將位元信號S₀ 、…、S₇ 、S₈ 、S₉ 之每連續三個位元值平均，以得到過濾位元信號S₀ ’、…、S₇ ’、S₈ ’、S₉ ’。於另一實施例中，低通濾波器310~319分別將位元信號S₀ 、…、S₇ 、S₈ 、S₉ 之每連續四個位元值平均，以得到過濾位元信號S₀ ’、…、S₇ ’、S₈ ’、S₉ ’。

頻率計數器320~329分別計算該等過濾位元信號S₀ ’、…、S₇ ’、S₈ ’、S₉ ’之位元值變換的次數，以得到多個轉換次數F₀ 、…、F₇ 、F₈ 、F₉ 。於一實施例中，頻率計數器320~329分別計算過濾位元信號S₀ ’、…、S₇ ’、S₈ ’、S₉ ’由位元值1變換至位元值0之第一總次數f₁ 、…、f₇ 、f₈ 、f₉ ，再計算位元信號S₀ ’、…、S₇ ’、S₈ ’、S₉ ’由位元值0變換至位元值1的第二總次數f₁ ’、…、f₇ ’、f₈ ’、f’₉ ，並分別將該等第一總次數與該等第二總次數相加(f₁ +f₁ ’)、…、(f₇ +f₇ ’)、(f₈ +f₈ ’)、(f₉ +f₉ ’)以得到轉換次數F₀ 、…、F₇ 、F₈ 、F₉ 。

比較模組330接收頻率計數器320~329產生的轉換次數F₀ 、…、F₇ 、F₈ 、F₉ 。比較模組330接著分別比較轉換次數F₀ 、…、F₇ 、F₈ 、F₉ 與分別對應於該等轉換次數之多個轉換次數理想值F₀ ’、…、F₇ ’、F₈ ’、F₉ ’以得到多個誤差次數E₀ 、…、E₇ 、E₈ 、E₉ 。於一實施例中，比較模組330將轉換次數F₀ 、…、F₇ 、F₈ 、F₉ 分別與對應之轉換次數理想值F₀ ’、…、F₇ ’、F₈ ’、F₉ ’相減以得到誤差次數E₀ 、…、E₇ 、E₈ 、E₉ 。接著，效能分析模組340依據該等誤差次數E₀ 、…、E₇ 、E₈ 、E₉ 估計類比至數位轉換器390之一效能值。於一實施例中，效能分析模組340依據多個權重加總該等誤差次數E₀ 、…、E₇ 、E₈ 、E₉ ，以得到類比至數位轉換器390之效能估計值。當誤差次數E₀ 、…、E₇ 、E₈ 、E₉ 愈高，類比至數位轉換器390之效能估計值愈高，表示類比至數位轉換器390之效能愈低。

由於測試裝置300直接以多個頻率計數器320~329計算類比至數位轉換器390所輸出的位元信號之轉換次數，再依據轉換次數估計類比至數位轉換器390之效能，因此測試裝置300不似習知技術的測試裝置100般需具備大容量的記憶體以儲存類比至數位轉換器390所輸出的位元信號值。因此，測試裝置300的硬體成本較習知技術的測試裝置100減少許多。其次，測試裝置300的頻率計數器320~329、比較模組330、效能分析模組340的計算都相當的簡單，因此具有簡單的電路設計，再次減少了測試裝置300的硬體成本。因此，本發明之測試裝置300可以藉較低的硬體成本實現類比至數位轉換器390之效能評估。

第4圖為依據本發明測試類比至數位轉換器之方法400的流程圖。首先，輸入一三角波至類比至數位轉換器390(步驟402)。接著，測試裝置300接收類比至數位轉換器390輸出之多個位元信號S₀ 、…、S₉ (步驟404)。接著，測試裝置300以低通濾波器310、…、319分別過濾該等位元信號S₀ 、…、S₉ 以得到多個過濾位元信號S₀ ’、…、S₉ ’(步驟406)。接著，測試裝置300以頻率計數器320、…、329分別計算該等過濾位元信號S₀ ’、…、S₉ ’之位元值轉換的次數以得到多個轉換次數F₀ 、…、F₉ (步驟408)。接著，比較模組330將該等轉換次數F₀ 、…、F₉ 與多個理想轉換次數比較以得到多個誤差次數E₀ 、…、E₉ (步驟410)。最後，效能分析模組340依據該等誤差次數E₀ 、…、E₉ 計算類比至數位轉換器390之一效能值後輸出(步驟412)。於一實施例中，若最低的三個有效位元以外的任何其他該等誤差次數為正，則效能分析模組340判定類比至數位轉換器390之效能值為不及格。

第5圖為依據本發明之類比至數位轉換器輸出之多個位元信號與頻率計數器產生之轉換次數間之關係之一實施例的示意圖。假設類比至數位轉換器390共輸出10個位元信號S₀ 、…、S₉ ，分別對應第5圖中的位元0、…、位元9，其中位元0為最低有效位元(least significant bit,LSB)，而位元9為最高有效位元(most significant bit,MSB)。假設測試裝置300自類比至數位轉換器390依序接收到分別對應於16個時點的樣本。例如對應於時序10的(位元9、…、位元0)之樣本為(0,0,0,0,0,0,1,0,0,1)，而對應於時序16的(位元9、…、位元0)之樣本為(0,0,0,0,0,0,1,1,1,1)。第1圖之習知技術之測試裝置100會將對應於時序10的位元信號樣本轉換為十進位值9，並將對應於時序16的位元信號樣本轉換為十進位值15，再依據十進位值計算類比至數位轉換器之效能估計值，因此需要儲存每個時點的十進位值，而增加了記憶體之硬體成本。

相反的，依據本發明之測試裝置300僅運用頻率計數器320、…、329分別計數位元9、…、位元0之位元值由0變動為1或由1變動為0的轉換次數，而分別得到對應於位元9、…、位元2、位元1、位元0之轉換次數0、…、3、7、15，因此不需儲存每個時點的位元信號之值，而省去了記憶體的硬體成本。舉例來說，位元1之值於時序3時由0轉為1、於時序5時由1轉為0、於時序7時由0轉為1、於時序9時由1轉為0、於時序11時由0轉為1、於時序13時由1轉為0、於時序15時由0轉為1，因此共計有轉換次數7。位元2之值於時序5時由0轉為1、於時序9時由1轉為0、於時序13時由0轉為1，因此共計有轉換次數3。

理想之類比至數位轉換器不會於轉換過程產生雜訊(noise)，藉此產生之位元信號為理想值。第6A圖為理想之類比至數位轉換器所產生的之多個位元信號S₀ 、…、S₉ 之理想值之示意圖。第6A圖中顯示了時序1~時序14之各位元信號之位元值。最低有效位元0之值每隔一時序即變換一次位元值(由0變為1或由1變為0)，而最高有效位元9之值於時序1~時序14均未改變。各時序所累加產生之十進位值逐次累加一。由於實際之類比至數位轉換器會於類比至數位轉換過程產生雜訊，因此產生之位元信號為帶有誤差之實際值。第6B圖為實際之類比至數位轉換器所產生的之多個位元信號S₀ 、…、S₉ 之實際值之示意圖。由於雜訊所產生的誤差，使得最低有效位元0之值並非每隔一時序即變換一次位元值，而各時序所累加產生之十進位值亦未逐次累加一。

第6B圖中之實際之類比至數位轉換器所產生的之位元信號S₀ ~S₉ 因雜訊所帶有的誤差會導致第3圖之頻率計數器320~329計數得到錯誤的轉換次數F₀ ~F₉ 。因此，必須以低通濾波器310~319對位元信號S₀ ~S₉ 進行過濾以產生過濾位元信號S₀ ’~S₉ ’。第7圖為依據本發明之各位元信號之轉換次數的理想值與實際值之關係的一實施例之示意圖。理想狀態下的類比至數位轉換器390輸出之多個位元信號S₀ 、S₁ 、S₂ 、…、S₉ 之轉換次數的理想值分別為4091、2044、1020、…、4，如表中第1列所示。經過低通濾波器將位元信號之每三個位元值平均一次所得的過濾位元信號S₀ ’、S₁ ’、S₂ ’、…、S₉ ’之轉換次數的理想值分別為4085、2044、1020、…、4，如表中第2列所示。經過低通濾波器將位元信號之每四個位元值平均一次所得的過濾位元信號S₀ ’、S₁ ’、S₂ ’、…、S₉ ’之轉換次數的理想值分別為5、4、1020、…、4，如表中第3列所示。實際之類比至數位轉換器390輸出之多個位元信號S₀ 、S₁ 、S₂ 、…、S₉ 之轉換次數的實際值分別為2393、2471、1808、…、12，如表中第4列所示。經過低通濾波器將位元信號之每四個位元值平均一次所得的過濾位元信號S₀ ’、S₁ ’、S₂ ’、…、S₉ ’之轉換次數的實際值分別為583、565、914、…、4，如表中第5列所示。由第5圖中可見，由於低通濾波器310、…、319會對位元信號S₀ 、S₁ 、S₂ 、…、S₉ 進行過濾及平均，因此對應於最低有效位元S₀ 及次低有效位元S₁ 之過濾後位元信號S₀ ’、S₁ ’之轉換次數的實際測試值與理想值相差很大，而無法用以作為類比至數位轉換器390之效能估計值的計算依據。因此，效能分析模組340僅依據未對應最低有效位元S₀ 及次低有效位元S₁ 的誤差次數E₉ 、…、E₃ 以估計類比至數位轉換器390之效能值。詳細言之，第3圖之比較模組330與效能分析模組340用以判斷類比至數位轉換器390之效能之判斷基準如下。首先由比較模組330比較轉換次數實際值F₀ ~F₉ 與相對應之轉換次數理想值F₀ ’~F₉ ’以得到誤差次數E₀ ~E₉ 。接著由效能分析模組340依據較高有效位元之誤差次數計算類比至數位轉換器390之效能值。以第7圖中之LPF4之轉換次數的實際值與理想值比較，可以發現僅最低有效位元0、1、2的實際值與理想值有誤差。因此，若除了對應於最低有效位元信號S₀ 、S₁ 、S₂ 的誤差次數E₀ 、E₁ 、E₂ 外，效能分析模組340發現其他的誤差次數E₃ ~E₉ 任一為正，則效能分析模組340判定類比至數位轉換器390之效能為不合格。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技術者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

(第1圖)

190．．．類比至數位轉換器

100．．．測試裝置

110．．．十進位轉換器

120．．．長條圖繪製器

130．．．效能分析模組

(第3圖)

390．．．類比至數位轉換器

300．．．測試裝置

310,317,318,319．．．低通濾波器

320,327,328,329．．．頻率計數器

330．．．比較模組

340．．．效能分析模組

第1圖為類比至數位轉換器的測試裝置的區塊圖；

第2A圖顯示類比至數位轉換器的類比輸入信號；

第2B圖顯示第1圖之測試裝置的長條圖繪製器依據十進位值所繪製的長條圖；

第3圖依據本發明之類比至數位轉換器的測試裝置的區塊圖；

第4圖為依據本發明測試類比至數位轉換器之方法的流程圖；

第5圖為依據本發明之類比至數位轉換器輸出之多個位元信號與頻率計數器產生之轉換次數間之關係之一實施例的示意圖；

第6A圖為理想之類比至數位轉換器所產生的之多個位元信號之理想值之示意圖；

第6B圖為實際之類比至數位轉換器所產生的之多個位元信號之實際值之示意圖；

第7圖為依據本發明之各位元信號之轉換次數的理想值與實際值之關係的一實施例之示意圖。

390．．．類比至數位轉換器

300．．．測試裝置

310,317,318,319．．．低通濾波器

320,327,328,329．．．頻率計數器

330．．．比較模組

340．．．效能分析模組

Claims (18)

1. 一種測試裝置，接收一類比至數位轉換器輸出之多個位元信號，包括：多個頻率計數器(frequency counter)，分別計算該等位元信號之位元值變換的次數，以得到多個轉換次數；一比較模組，分別比較該等轉換次數與對應於該等轉換次數之多個轉換次數理想值以得到多個誤差次數；以及一效能分析模組，依據該等誤差次數估計該類比至數位轉換器之一效能值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之測試裝置，其中該類比至數位轉換器接收一三角波輸入信號(triangle wave)或一斜面波輸入信號(ramp wave)，並對該三角波輸入信號或該斜面波輸入信號進行類比至數位轉換，以產生該等位元信號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之測試裝置，其中該類比至數位轉換器所輸出之該等位元信號於同一時序之多個位元值之組合為該類比至數位轉換器之一輸入值的二進位值。
4. 如申請專利範圍第1項所述之測試裝置，其中該等頻率計數器分別計算該等位元信號由位元值1變換至位元值0之多個第一總次數以及該等位元信號由位元值0變換至位元值1的多個第二總次數，並分別將該等第一總次數與該等第二總次數相加以得到該等轉換次數。
5. 如申請專利範圍第1項所述之測試裝置，其中該測試裝置更包括多個低通濾波器，分別耦接於該類比至數位轉換器與該等頻率計數器其中之一之間，分別過濾該等位元信號以得到多個過濾之位元信號，再將該等過濾之位元信號送至該等頻率計數器作為該等頻率計數器之輸入。
6. 如申請專利範圍第5項所述之測試裝置，其中該等低通濾波器分別將該等位元信號之每連續三個或四個位元值平均，以得到該等過濾之位元信號。
7. 如申請專利範圍第1項所述之測試裝置，其中若最低的三個有效位元以外的任何其他該等誤差次數為正，該效能分析模組判定該類比至數位轉換器之該效能值為不及格。
8. 如申請專利範圍第1項所述之測試裝置，其中該效能分析模組依據多個權重加總該等誤差次數以得到該效能值；其中當該等誤差次數愈高而使該效能值愈高，表示該類比至數位轉換器之效能愈低。
9. 如申請專利範圍第1項所述之測試裝置，其中該效能分析模組僅依據未對應最低有效位元及次低有效位元的該等誤差次數以估計該效能值。
10. 一種類比至數位轉換器之測試方法，包括：接收一類比至數位轉換器輸出的多個位元信號；以多個頻率計數器(frequency counter)分別計算該等位元信號之位元值變換的次數，以得到多個轉換次數；以一比較模組分別比較該等轉換次數與對應於該等轉換次數之多個轉換次數理想值以得到多個誤差次數；以及以一效能分析模組依據該等誤差次數估計該類比至數位轉換器之一效能值。
11. 如申請專利範圍第10項所述之類比至數位轉換器之測試方法，更包括：產生一三角波輸入信號(triangle wave)或一斜面波輸入信號(ramp wave)作為該類比至數位轉換器之輸入信號；其中該類比至數位轉換器對該三角波輸入信號或該斜面波輸入信號進行類比至數位轉換，以產生該等位元信號。
12. 如申請專利範圍第10項所述之類比至數位轉換器之測試方法，其中該類比至數位轉換器所輸出之該等位元信號於同一時序之多個位元值之組合為該類比至數位轉換器之一輸入值的二進位值。
13. 如申請專利範圍第10項所述之類比至數位轉換器之測試方法，其中該等轉換次數之計算步驟更包括：分別計算該等位元信號由位元值1變換至位元值0之多個第一總次數；分別計算該等位元信號由位元值0變換至位元值1的多個第二總次數；以及分別將該等第一總次數與該等第二總次數相加以得到該等轉換次數。
14. 如申請專利範圍第10項所述之類比至數位轉換器之測試方法，更包括：以多個低通濾波器分別過濾該等位元信號以得到多個過濾之位元信號；以及將該等過濾之位元信號送至該等頻率計數器作為該等頻率計數器之輸入。
15. 如申請專利範圍第14項所述之類比至數位轉換器之測試方法，其中該等位元信號之過濾步驟更包括：以該等低通濾波器分別將該等位元信號之每連續三個或四個位元值平均，以得到該等過濾之位元信號。
16. 如申請專利範圍第10項所述之類比至數位轉換器之測試方法，其中該效能值之估計步驟包括：若最低的三個有效位元以外的任何其他該等誤差次數為正，該效能分析模組判定該類比至數位轉換器之該效能值為不及格。
17. 如申請專利範圍第10項所述之類比至數位轉換器之測試方法，其中該效能值之估計步驟包括：依據多個權重加總該等誤差次數以得到該效能值；其中當該等誤差次數愈高而使該效能值愈高，表示該類比至數位轉換器之效能愈低。
18. 如申請專利範圍第10項所述之類比至數位轉換器之測試方法，其中該效能值之估計步驟更包括：僅依據未對應最低有效位元及次低有效位元的該等誤差次數以估計該效能值。