CN102281071B - 大动态范围数控信号转换输出电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种电子线路，特别涉及一种数字量/模拟量转换电路。其技术方案是：一种大动态范围数控信号转换输出电路，包括：数字控制器[1]，A通道[2，3]，B通道[4，5]，放大器[6]。本发明具有极宽的动态范围，可以采用普通DAC器件和PWM控制器实现超过120dB的动态范围，可提高输出控制信号的刷新频率，将控制系统频率响应提高到数千赫兹或数十千赫兹。

Description

大动态范围数控信号转换输出电路
技术领域
本发明属于一种电子线路，特别涉及一种数字量/模拟量转换电路。 
背景技术
在以MCU、MPU、DSP等数字控制器为控制单元的系统中，控制器输出的是一定字长的二进制数据，通常需要经过数字量/模拟量转换装置，才能被模拟量执行机构识别并执行相应的动作。 
最基本的两类数字量/模拟量转换输出技术包括DAC(Digital-to-AnalogConverter)变换和PWM(Pulse Width Modulator)变换。DAC变换将一定输入字长的数据以设定的速率转换成电压或电流，电压或电流的大小与输入数据成比例。PWM变换将输入数据转换成频率固定、占空比与输入数据成比例的控制信号。 
对于DAC技术，由于数控系统的各类背景噪声不可能无限降低，现在进入实用水平的DAC芯片输入数据字长均不超过20位，当数据字长更大时，1LSB对应的电压或电流输出十分微弱，会被各类背景噪声完全淹没，因此DAC技术的输出动态范围在120dB以内。而且DAC芯片的输入数据字长越长，其输入数字信号的刷新频率越低，难以同时满足大动态范围和高频率响应的要求。 
对于PWM变换技术，理论上可以实现任意字长数字信号输入，具有极大的动态范围和极高的数据分辨率，但PWM控制器的动态范围与其输出信号刷新频率之间的矛盾十分突出。以某时钟频率高达128MHz的PWM控制器为例，当其输入数据字长为20位时，其输出信号的刷新频率仅为128Hz，难以满足最基本控制系统的频率响应要求。 
为了提高PWM控制器输出信号的频率响应，必须进一步提高PWM控制器的时钟频率，但是以电、液、气等为动力的执行机构响应频率是有限的，过高的PWM控制器时钟频率将导致执行机构对极窄的PWM输出信号没有响应，或者对一定范围内不同占空比PWM输出信号当作同一信号来执行，从而降低PWM控制器实际动态范围。 
发明内容
本发明的目的是：提供一种可以将大动态范围数字控制量转换为模拟控制量并以较高刷新频率输出的电路。 
本发明的技术方案是：一种大动态范围数控信号转换输出电路，它包括：数字控制器，A通道，B通道，放大器； 
所述数字控制器输出N位二进制数据，定义其高位的M位为整数部分，其低位的N-M位为小数部分；所述数字控制器还包括PWM模块A和PWM模块B；当N位二进制数据为正值时，所述PWM模块A输出占空比为1的信号，所述PWM模块B输出占空比与所述N-M位小数部分成比例的信号；当N位二进制数据为负值时，所述PWM模块A输出占空比与所述N-M位小数部分成比例的信号，所述PWM模块B输出占空比为1的信号； 
所述A通道包括：A通道M位同步DAC，A通道N-M位PWM控制器；当所述N位二进制数据为正值时，所述A通道M位同步DAC将所述数字控制器输出所述N位二进制数据的整数部分变换为0～参考电压VREF之间某一幅值的模拟量，所述A通道N-M位PWM控制器的控制输入端接入所述PWM模块A给出的占空比始终为1的信号，使所述A通道M位同步DAC的输出无变化通过；当所述N位二进制数据为负值时，所述A通道M位同步DAC始终输出1/2M倍参考电压VREF，所述A通道N-M位PWM控制器的控制输入端接入所述PWM模块A给出的占空比与所述N-M位小数部分成比例的信号，并输出占空比可变的波形； 
所述B通道包括：B通道M位同步DAC，B通道N-M位PWM控制器；当所述N位二进制数据为正值时，所述B通道M位同步DAC始终输出1/2M倍参考电压VREF，所述B通道N-M位PWM控制器的控制输入端接入所述PWM模块B给出的占空比与所述N-M位小数部分成比例的信号，并输出占空比可变的波形；当所述N位二进制数据为负值时，所述B通道M位同步DAC将所述数字控制器输出所述N位二进制数据的整数部分变换为0～参考电压VREF之间某一幅值的模拟量，所述B通道N-M位PWM控制器的控制输入端接入所述PWM模块B给出的占空比为1的信号，使所述B通道M位同步DAC的输出无变化通过； 
所述放大器接入所述A通道N-M位PWM控制器的输出信号，以及所述B通道N-M位PWM控制器的输出信号，完成所述M位整数部分和所述N-M位小数部分的求和，输出与所述N位二进制数据成比例的模拟量。 
本发明具有极宽的动态范围，可以采用普通DAC器件和PWM控制器实现超过120dB的动态范围，可提高输出控制信号的刷新频率，将控制系统频率响应提高到数千赫兹或数十千赫兹。 
附图说明
附图1为本发明的结构框图。 
具体实施方式
参见附图1，一种大动态范围数控信号转换输出电路，它包括：数字控制器1，A通道2，3，B通道4，5，放大器6； 
所述数字控制器1输出N位二进制数据，定义其高位的M位为整数部分，其低位的N-M位为小数部分；所述数字控制器1还包括PWM模块A7和PWM模块B8；当N位二进制数据为正值时，所述PWM模块A7输出占空比为1的信号，所述PWM模块B8输出占空比与所述N-M位小数部分成比例的信号；当N位二进制数据为负值时，所述PWM模块A7输出占空比与所述N-M位小数部分成比例的信号，所述PWM模块B8输出占空比为1的信号； 
所述A通道2，3包括：A通道M位同步DAC2，A通道N-M位PWM控制器3；当所述N位二进制数据为正值时，所述A通道M位同步DAC2将所述数字控制器1输出所述N位二进制数据的整数部分变换为0～参考电压VREF之间某一幅值的模拟量，所述A通道N-M位PWM控制器3的控制输入端接入所述PWM模块A7给出的占空比始终为1的信号，使所述A通道M位同步DAC2的输出无变化通过；当所述N位二进制数据为负值时，所述A通道M位同步DAC2始终输出1/2M倍参考电压VREF，所述A通道N-M位PWM控制器3的控制输入端接入所述PWM模块A7给出的占空比与所述N-M位小数部分成比例的信号，并输出占空比可变的波形； 
所述B通道4，5包括：B通道M位同步DAC4，B通道N-M位PWM控制器5；当所述N位二进制数据为正值时，所述B通道M位同步DAC4始终输出1/2M倍参考电压VREF，所述B通道N-M位PWM控制器5的控制输入端接入所述PWM模块B8给出的占空比与所述N-M位小数部分成比例的信号，并输出占空比可变的波形；当所述N位二进制数据为负值时，所述B通道M位同步DAC4将所述数字控制器1输出所述N位二进制数据的整数部分变换为0～参考电压VREF之间某一幅值的模拟量，所述B通道N-M位PWM控制器5的控制输入端接入所述PWM模块B8给出的占空比为1的信号，使所述B通道M位同步DAC4的输出无变化通过； 
所述放大器6接入所述A通道N-M位PWM控制器3的输出信号，以及所述B通道N-M位PWM控制器5的输出信号，完成所述M位整数部分和所述N-M位小数部分的求和，输出与所述N位二进制数据成比例的模拟量。 

Claims (1)

1.一种大动态范围数控信号转换输出电路，其特征是：它包括：数字控制器[1]，A通道[2，3]，B通道[4，5]，放大器[6]；
所述数字控制器[1]输出N位二进制数据，定义其高位的M位为整数部分，其低位的N-M位为小数部分；所述数字控制器[1]还包括脉宽调制模块A[7]和脉宽调制模块B[8]；当N位二进制数据为正值时，所述脉宽调制模块A[7]输出占空比为1的信号，所述脉宽调制模块B[8]输出占空比与所述N-M位小数部分成比例的信号；当N位二进制数据为负值时，所述脉宽调制模块A[7]输出占空比与所述N-M位小数部分成比例的信号，所述脉宽调制模块B[8]输出占空比为1的信号；
所述A通道[2，3]包括：A通道M位同步DAC[2]，A通道N-M位脉宽调制控制器[3]；当所述N位二进制数据为正值时，所述A通道M位同步DAC[2]将所述数字控制器[1]输出所述N位二进制数据的整数部分变换为0～参考电压VREF之间某一幅值的模拟量，所述A通道N-M位脉宽调制控制器[3]的控制输入端接入所述脉宽调制模块A[7]给出的占空比始终为1的信号，使所述A通道M位同步DAC[2]的输出无变化通过；当所述N位二进制数据为负值时，所述A通道M位同步DAC[2]始终输出1/2M倍参考电压VREF，所述A通道N-M位脉宽调制控制器[3]的控制输入端接入所述脉宽调制模块A[7]给出的占空比与所述N-M位小数部分成比例的信号，并输出占空比可变的波形；
所述B通道[4，5]包括：B通道M位同步DAC[4]，B通道N-M位脉宽调制控制器[5]；当所述N位二进制数据为正值时，所述B通道M位同步DAC[4]始终输出1/2M倍参考电压VREF，所述B通道N-M位脉宽调制控制器[5]的控制输入端接入所述脉宽调制模块B[8]给出的占空比与所述N-M位小数部分成比例的信号，并输出占空比可变的波形；当所述N位二进制数据为负值时，所述B通道M位同步DAC[4]将所述数字控制器[1]输出所述N位二进制数据的整数部分变换为0～参考电压VREF之间某一幅值的模拟量，所述B通道N-M位脉宽调制控制器[5]的控制输入端接入所述脉宽调制模块B[8]给出的占空比为1的信号，使所述B通道M位同步DAC[4]的输出无变化通过；
所述放大器[6]接入所述A通道N-M位脉宽调制控制器[3]的输出信号，以及所述B通道N-M位脉宽调制控制器[5]的输出信号，完成所述M位整数部分和所述N-M位小数部分的求和，输出与所述N位二进制数据成比例的模拟量。
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