CN102176677A - 转换器及信号转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转换器及信号转换方法，其中，该转换器包括：控制器，用于配置数据信号的设置数据；可编程电压控制振荡器VCO芯片，用于根据数字信号的设置数据，来获取可编程VCO芯片的输出频率；频率转换电压模块，用于获取输出频率，并输出与输出频率对应的模拟电压信号。通过本发明，能够实现低成本的D/A转换器。

Description

转换器及信号转换方法
技术领域
本发明涉及电子领域，具体而言，尤其涉及一种转换器及信号转换方法。
背景技术
D/A(将数字信号转换为模拟信号)转换技术是目前几乎任何与电子相关的领域都在使用的技术，通过数字量输入控制模拟电压输出。目前常用的D/A转换器是基于阻容网络，电子开关和运放构成。
图1是现有的D/A转换器结构示意图，D/A转换器包括电子开关网络、运放和阻容网络、数字译码电路和参考电压源，其中，参考电压源决定D/A的输出范围，数字译码电路通过控制电子开关决定电压源的分压系数，从而实现D/A转换功能”。这种D/A转换电路的精度通常与数字译码电路的位宽有关，比如常用的MAX515，它是10位宽的D/A器件，它的模拟电压输出范围是0～5V，那么它的输出精度就是5V/210，即精度约为输出范围的1/103。这种D/A转换电路的缺点就是随着精度的提高，必然成倍增加阻容网络的复杂度，使高精度的D/A器件的成本非常高。
针对上述现有技术的高精度D/A转换器成本高的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种转换器及信号转换方法，以解决现有技术的高精度D/A转换器成本高的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种转换器。
根据本发明的转换器包括：控制器，用于配置数据信号的设置数据；可编程电压控制振荡器VCO芯片，用于根据数字信号的设置数据，来获取可编程VCO芯片的输出频率；频率转换电压模块，用于获取输出频率，并输出与输出频率对应的模拟电压信号。
进一步地，转换器还包括：隔离器，获取模拟电压信号，并对模拟电压信号进行隔离处理，输出处理后的模拟电压信号。
进一步地，设置数据包括：中心频率和压控变化范围。
进一步地，频率转换电压模块包括：频率发生器，用于生成基准频率；转换电路，用于对输出频率和基准频率进行比较，将比较结果转换为模拟电压信号。
进一步地，转换电路包括：鉴相器，用于比较输出频率和基准频率的相位关系，以获取相位关系的差值，并将差值表示为UP/DOWN信号；环路滤波电路，用于将UP/DOWN信号转化为压控电压，并将压控电压反馈给可编程VCO芯片来控制可编程VCO芯片输出的输出频率；其中，当基准频率等于输出频率时，输出模拟电压信号。
为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种信号转换方法。
根据本发明的信号转换方法包括：通过控制器来配置数据信号的设置数据；可编程电压控制振荡器VCO芯片根据数字信号的设置数据来获取可编程VCO芯片的输出频率；通过频率转换电压模块获取输出频率，并输出与输出频率对应的模拟电压信号。
进一步地，在通过频率转换电压模块获取输出频率，并输出与输出频率对应的模拟电压信号之后，还包括：通过隔离器来获取模拟电压信号，并对模拟电压信号进行隔离处理，输出处理后的模拟电压信号。
进一步地，设置数据包括：中心频率Fset和压控变化范围SCOPE。
进一步地，通过频率转换电压模块获取输出频率，并输出与输出频率对应的模拟电压信号的步骤具体包括：通过频率转换电压模块的频率发生器生成基准频率；通过频率转换电压模块的转换电路对输出频率和基准频率进行比较，将比较结果转换为模拟电压信号。
进一步地，通过转换电路对输出频率和基准频率进行比较，将比较结果转换为模拟电压信号的步骤具体包括：通过转换电路的鉴相器来比较输出频率和基准频率的相位关系，以获取相位关系的差值，并将差值表示为UP/DOWN信号；通过转换电路的环路滤波电路将UP/DOWN信号转化为压控电压VC，并将压控电压反馈给可编程VCO芯片来控制可编程VCO芯片输出的输出频率；其中，当基准频率等于输出频率时，输出模拟电压信号。
进一步地，通过以下公式获取压控电压VC：
Figure BDA0000046590720000031
其中，Fout是可编程VCO芯片的输出频率，Fset是中心频率，Vmax是可编程VCO芯片的最大输入电压，且输出频率的范围是第一输出频率Fmin至第二输出频率Fmax，其中，第一输出频率Fmin＝Fset-SCOPE，第二输出频率为Fmax＝Fset+SCOPE。
通过本发明，采用控制器，用于配置数据信号的设置数据；可编程电压控制振荡器VCO芯片，用于根据数字信号的设置数据，来获取可编程VCO芯片的输出频率；频率转换电压模块，用于获取输出频率，并输出与输出频率对应的模拟电压信号，解决了现有技术的高精度D/A转换器成本高的问题，达到了实现低成本D/A转换器的效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有的D/A转换器的结构示意图；
图2是D/A转换器实施例一的结构示意图；
图3是D/A转换器实施例二的结构示意图；
图4是D/A转换器实施例三的结构示意图；以及
图5是D/A信号转换方法实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图2是D/A转换器实施例一的结构示意图，该转换器包括：控制器，用于配置数字信号的设置数据；可编程电压控制振荡器(简称为可编程VCO)芯片，用于根据数字信号的设置数据，来获取可编程VCO芯片的输出频率；频率转换电压模块，用于获取输出频率，并输出与输出频率对应的模拟电压信号。其中，设置数据可以包括：中心频率和压控变化范围。
本实施例中的控制器(例如CPU)通过数字接口将数字信号输入可编程的可编程VCO芯片，并配置可编程的可编程VCO芯片的数字信号的设置数据以获取输出频率，该输出频率直接通过频率转换电压模块输出对应的模拟电压信号，该模拟电压信号可以通过电压跟随器输出转化后的电压，从而实现了D/A转换。该转换器工作性能好、且成本低廉。
本实施例中的可编程的可编程VCO芯片是压控晶体振荡器，可以通过可编程程序来输出任意一种频率和实现任意一种压控范围。该可编程VCO芯片可以应用在锁相环电路中，可以通过改变可编程VCO芯片的中心频率来调节可编程VCO芯片压控端的模拟电压，从而实现D/A转换。
本发明实施例中的频率转换电压模块可以是一种频率转换电压芯片。
且在上述实施例中，转换器还可以包括：隔离器，用于获取模拟电压信号，并对模拟电压信号进行隔离处理，输出处理后的模拟电压信号，用以隔离后级电路对前级锁相环电路的影响。该隔离器可以一种电压跟随器，此处的电压跟随器作为隔离级来使得输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，从而实现对前后级电路起到“隔离”作用。
图3是D/A转换器实施例二的结构示意图。转换器包括：控制器，用于配置数字信号的设置数据；可编程VCO芯片，用于根据数字信号的设置数据，来获取可编程VCO芯片的输出频率；频率转换电压模块，用于获取输出频率，并输出与输出频率对应的模拟电压信号。其中，设置数据可以包括：中心频率和压控变化范围。频率转换电压模块具体包括频率发生器和转换电路。
其中，频率发生器，用于生成基准频率；转换电路，对输出频率和基准频率进行比较，将比较结果转换为模拟电压信号。转换电路可以是频率差值转电压(ΔF/V)转换电路，ΔF/V转换电路是一种频率差值转电压电路。
在实施例二中，控制器(例如CPU)通过数字接口设置可编程的可编程VCO芯片的中心频率，该中心频率与频率发生器的输出频率在ΔF/V转换电路中进行比较，两个频率的差值转换为模拟电压信号，该模拟电压信号经过隔离器后完成D/A转换。
图4是D/A转换器实施例三的结构示意图。如图4所示，实施例三进一步优化了实施例一和实施例二。其中，转换器包括：控制器，用于配置数字信号的设置数据；可编程VCO芯片，用于根据数字信号的设置数据，来获取可编程VCO芯片的输出频率；频率转换电压模块，用于获取输出频率，并输出与输出频率对应的模拟电压信号。其中，设置数据可以包括：中心频率和压控变化范围。频率转换电压模块具体包括频率发生器和转换电路。频率发生器可以为温补晶振。转换电路可以包括：鉴相器，用于比较输出频率和基准频率的相位关系，以获取相位关系的差值，并将差值表示为UP/DOWN信号；环路滤波电路，将UP/DOWN信号转化为压控电压，并将压控电压反馈给可编程VCO芯片来控制可编程VCO芯片输出的输出频率；其中，当基准频率等于输出频率时，输出模拟电压信号，此时，该模拟电压信号是压控电压。
实施例三的整体D/A转换电路是基于传统模拟锁相环电路构成，但与之不同的是将传统锁相环电路中的单频点的可编程VCO芯片更换为可编程的可编程VCO芯片，同时在可编程的可编程VCO芯片的VC端接入电压跟随器构成。
将温补晶振产生的基准频率(Fref)与可编程的可编程VCO芯片产生的输出频率(Fout)在鉴相器中比较相位关系(频率关系)，并将比较的差值表示为UP/DOWN信号传递给环路滤波器，后者将UP/DOWN信号转化为压控电压(Vc)，该电压控制可编程的可编程VCO芯片改变频率输出，形成负反馈，进而反复上述的全部过程。当电路调整到Fref与Fout频率完全相同时，整个电路进入到稳态，Vc电压不再变化，可编程的可编程VCO芯片输出频率也不再变化。那么该电路的最终状态是：Fout＝Fref，形成相位锁定。
实施例三通过控制器来编程设置可编程的可编程VCO芯片的中心频率(Fset)和压控变化范围(SCOPE)。在设置这两个值之后，可编程的可编程VCO芯片的输出频率范围可以确定为(Fmin，Fmax)，其中Fmin＝Fset-SCOPE，Fmax＝Fset+SCOPE。已知，可编程可编程VCO的VC引脚输入电压范围(Vmin＝0，Vmax)与输出频率范围(Fmin，Fmax)成线性关系：简化后得到：
Figure BDA0000046590720000072
在D/A转换器的电路进入到稳态状态下，可得到Fout＝Fref，因此，
Figure BDA0000046590720000073
在这个公式中，Fref已知，Vmax已知，在CPU设置Fset和SCOPE成功之后，Vc的电压就可以得到确定。Vc电压通过电压跟随器隔离掉后级电路对前级锁相环电路的影响，输出Aout，Aout＝Vc。于是，该电路通过数字信号设置(Fset和SCOPE)，得到模拟量模拟电压输出(Vc)，就完成了低成本的D/A转换器。
上述各个实施例中，转换器还可以包括：隔离器，获取模拟电压信号，并对模拟电压信号进行隔离处理，输出处理后的模拟电压信号，用以隔离后级电路对前级锁相环电路的影响。
图5是信号转换方法实施例的流程图，该信号转换方法包括如下步骤：
步骤S402，通过控制器来配置数据信号的设置数据。其中，设置数据可以包括：中心频率Fset和压控变化范围SCOPE。
步骤S404，可编程VCO芯片根据数字信号的设置数据来获取可编程VCO芯片的输出频率。
步骤S406，通过频率转换电压模块获取输出频率，并输出与输出频率对应的模拟电压信号。
本实施例的控制器(CPU)通过数字接口将数字信号输入可编程的可编程VCO芯片，并配置可编程的可编程VCO芯片的数字信号的设置数据以获取输出频率，该输出频率直接通过频率转电压芯片输出所设频率对应的电压，该电压可以通过电压跟随器输出转化后的电压，从而实现了D/A转换。该转换器工作性能好、且成本低廉。
优选的，本实施例中在通过频率转换电压模块获取输出频率，并输出与输出频率对应的模拟电压信号之后，还可以包括：通过隔离器来获取模拟电压信号，并对模拟电压信号进行隔离处理，输出处理后的模拟电压信号。其中，该隔离器可以是一种电压跟随器，此处的电压跟随器作为隔离级来使得输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，从而实现对前后级电路起到“隔离”作用。
本实施例中，通过频率转换电压模块获取输出频率，并输出与输出频率对应的模拟电压信号的步骤可以包括：通过频率发生器生成基准频率；通过转换电路对输出频率和基准频率进行比较，将比较结果转换为模拟电压信号。
该实施例中的通过转换电路对输出频率和基准频率进行比较，将比较结果转换为模拟电压信号的步骤可以包括：通过鉴相器来比较输出频率和基准频率的相位关系，以获取相位关系的差值，并将差值表示为UP/DOWN信号；通过环路滤波电路将UP/DOWN信号转化为压控电压，并将压控电压反馈给可编程VCO芯片来控制可编程VCO芯片输出的输出频率；其中，当基准频率等于输出频率时，输出模拟电压信号，模拟电压信号是压控电压。
该方法实施例可以通过以下公式获取压控电压VC：
Figure BDA0000046590720000081
其中，Fout是可编程VCO芯片的输出频率，Fset是中心频率，Vmax是可编程VCO芯片的最大输入电压，且输出频率的范围是第一输出频率Fmin至第二输出频率Fmax，其中，第一输出频率Fmin＝Fset-SCOPE，第二输出频率为Fmax＝Fset+SCOPE。
本发明上述各个实施例中的频率转换电压模块可以是一种频率转换电压芯片。
需要说明的是，本发明实施例在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
从以上的实施例描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：本发明通过完全革新的实现方法来改变以往D/A电路的结构，通过一种全新的器件实现高精度、低成本的D/A转换电路。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成多个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种转换器，其特征在于，包括：
控制器，用于配置数据信号的设置数据；
可编程电压控制振荡器VCO芯片，用于根据所述数字信号的设置数据，来获取所述可编程VCO芯片的输出频率；
频率转换电压模块，用于获取所述输出频率，并输出与所述输出频率对应的模拟电压信号。
2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述转换器还包括：隔离器，获取所述模拟电压信号，并对所述模拟电压信号进行隔离处理，输出处理后的所述模拟电压信号。
3.根据权利要求2所述的转换器，其特征在于，所述设置数据包括：中心频率和压控变化范围。
4.根据权利要求3所述的转换器，其特征在于，所述频率转换电压模块包括：
频率发生器，用于生成基准频率；
转换电路，用于对所述输出频率和所述基准频率进行比较，将比较结果转换为所述模拟电压信号。
5.根据权利要求4所述的转换器，其特征在于，所述转换电路包括：
鉴相器，用于比较所述输出频率和所述基准频率的相位关系，以获取所述相位关系的差值，并将所述差值表示为UP/DOWN信号；
环路滤波电路，用于将所述UP/DOWN信号转化为压控电压，并将所述压控电压反馈给所述可编程VCO芯片来控制所述可编程VCO芯片输出的输出频率；
其中，当所述基准频率等于所述输出频率时，输出所述模拟电压信号。
6.一种信号转换方法，其特征在于，包括：
通过控制器来配置数据信号的设置数据；
可编程电压控制振荡器VCO芯片根据所述数字信号的设置数据来获取所述可编程VCO芯片的输出频率；
通过频率转换电压模块获取所述输出频率，并输出与所述输出频率对应的模拟电压信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在通过频率转换电压模块获取所述输出频率，并输出与所述输出频率对应的模拟电压信号之后，还包括：
通过隔离器来获取所述模拟电压信号，并对所述模拟电压信号进行隔离处理，输出处理后的所述模拟电压信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述设置数据包括：中心频率Fset和压控变化范围SCOPE。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过频率转换电压模块获取所述输出频率，并输出与所述输出频率对应的模拟电压信号的步骤具体包括：
通过所述频率转换电压模块的频率发生器生成基准频率；
通过所述频率转换电压模块的转换电路对所述输出频率和所述基准频率进行比较，将比较结果转换为所述模拟电压信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过转换电路对所述输出频率和所述基准频率进行比较，将比较结果转换为所述模拟电压信号的步骤具体包括：
通过所述转换电路的鉴相器来比较所述输出频率和所述基准频率的相位关系，以获取所述相位关系的差值，并将所述差值表示为UP/DOWN信号；
通过所述转换电路的环路滤波电路将所述UP/DOWN信号转化为压控电压VC，并将所述压控电压反馈给所述可编程VCO芯片来控制所述可编程VCO芯片输出的输出频率；
其中，当所述基准频率等于所述输出频率时，输出所述模拟电压信号。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过以下公式获取所述压控电压VC：
Figure FDA0000046590710000021
其中，Fout是可编程VCO芯片的输出频率，Fset是中心频率，Vmax是所述可编程VCO芯片的最大输入电压，且所述输出频率的范围是第一输出频率Fmin至第二输出频率Fmax，其中，所述第一输出频率Fmin＝Fset-SCOPE，所述第二输出频率为Fmax＝Fset+SCOPE。
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