CN106027058A - 数模转换装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数模转换装置及方法，其中装置包括一数模驱动器，用于将外部输入的一K位长度的第一数字信号转换为一N位长度的第二数字信号，其中K>N，K和N为大于零的整数；一数模转换器，所述数模转换器的精度位数为N，用于接收所述第二数字信号，并将所述第二数字信号转换成一第一模拟信号；一低通滤波器，用于接收所述第一模拟信号，并对所述第一模拟信号进行低通滤波，输出一第二模拟信号。本发明的数模转换装置及方法实现了在现有较低位数DA转换器的基础上，实现高位数数字信号输入的高精度模拟信号输出，并具有成本低、解析精度高的优点。

Description

数模转换装置及方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其涉及一种数模转换装置及方法。

背景技术

在高精度时间频率领域，需要对诸如恒温晶体振荡器(OCXO)或变容二极管等进行精密控制，这样的控制信号可能要求的控制电压精度达到数uV量级。随着数字技术的发展，越来越多的控制电路采用了数字控制方式，对模拟信号进行模数转换(AD)并进行数字处理后输出数据至数模转换(DA)器转换为模拟电压信号。对于像控制OCXO这样的电路而言，要达到uV量级的电压控制精度，则一般需要DA转换器具备20位以上的解析精度。这样的DA转换器通常价格昂贵，且应用领域有限。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种数模转换装置及方法，实现了在现有较低位数DA转换器的基础上，实现高位数数字信号输入的高精度模拟信号输出，并具有成本低、解析精度高的优点。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种数模转换装置，包括：

一数模驱动器，用于将外部输入的一K位长度的第一数字信号转换为一N位长度的第二数字信号，其中K>N，K和N为大于零的整数；

一数模转换器，所述数模转换器的精度位数为N，用于接收所述第二数字信号，并将所述第二数字信号转换成一第一模拟信号；以及

一低通滤波器，用于接收所述第一模拟信号，并对所述第一模拟信号进行低通滤波，输出一第二模拟信号。

优选地，所述数模驱动器包括：

一随机噪声产生模块，用于产生一M位数值为0～2^M-1的第一噪声数据，且M＝K-N；

一数据扩展模块，用于接收所述第一噪声数据，并通过对所述第一噪声数据高位补充N个零，使所述第一噪声数据的位数由M位扩展至K位，获得一第二噪声数据；

一相加求和模块，用于接收所述第一数字信号和所述第二噪声数据，并对所述第一数字信号和所述第二噪声数据相加求和，获得一求和结果数据；

一高位截取及处理模块，用于接收所述求和结果数据，并自所述求和结果数据的最高位起向低位方向截取N位数据形成所述第二数字信号。

优选地，所述低通滤波器的带宽小于所述数模转换器的一工作时钟频率的M分之一。

本发明又一方面提供一种数模转换方法，包括步骤：

S1：设置如权利要求1所述的数模转换装置；

S2：通过所述数模驱动器接收所述K位长度的第一数字信号并将其转换为所述N位长度的第二数字信号；

S3：通过所述数模转换器接收所述第二数字信号，并将所述第二数字信号转换成一第一模拟信号；

S4：通过所述低通滤波器对所述第一模拟信号进行低通滤波，输出一第二模拟信号。

优选地，所述步骤S2进一步包括步骤：

S21：通过所述数模驱动器接收所述第一数字信号，并产生一M位数值为0～2^M-1的第一噪声数据，且M＝K-N；

S22：通过所述数模驱动器对所述第一噪声数据高位补充N个零，使所述第一噪声数据的位数由M位扩展至K位，获得一第二噪声数据；

S23：通过所述数模驱动器对所述第一数字信号和所述第二噪声数据相加求和，获得一求和结果数据；

S24：通过所述数模驱动器自所述求和结果数据的最高位起向低位方向截取N位数据形成所述第二数字信号。

优选地，所述步骤S4进一步包括步骤：

S41：设置所述低通滤波器的带宽，使得所述低通滤波器的带宽小于所述数模转换器的一工作时钟频率的M分之一；

S42：对所述第一模拟信号进行低通滤波，输出一第二模拟信号。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

数模驱动器的采用，实现了将K位长度的第一数字信号高精度地转换成N位长度的第二数字信号，从而为实现在现有较低位数(N位)的数模转换器的基础上，实现高位数数字信号输入的高精度模拟信号输出。低通滤波器的带宽小于所述数模转换器的一工作时钟频率的M分之一，实现对数模转换后的信号高频噪声滤除，输出平稳的第二模拟信号。同时，本发明实现了利用低精度数模转换器实现高精度模拟输出的精度扩展，结构简单，容易实现。

附图说明

图1为本发明实施例的数模转换装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的数模转换方法的流程图

具体实施方式

下面根据附图1-2，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图1，本发明的一种数模转换装置，包括：

一数模驱动器1，用于将外部输入的一K位长度的第一数字信号转换为一N位长度的第二数字信号，其中K>N，K和N为大于零的整数；

一数模转换器2，数模转换器2的精度位数为N，用于接收第二数字信号，并将第二数字信号转换成一第一模拟信号。

一低通滤波器3，用于接收第一模拟信号，并对第一模拟信号进行低通滤波，输出一第二模拟信号。

数模驱动器1的采用，实现了将K位长度的第一数字信号高精度地转换成N位长度的第二数字信号，从而为实现在现有较低位数(N位)的数模转换器2的基础上，实现高位数数字信号输入的高精度模拟信号输出。

本实施例中，第一数字信号和第二数字信号均采用二进制。K大于N，第二数字信号数据再输入至解析精度为N位的数模转换器2，实现数字信号至模拟信号的转换，形成第一模拟信号的模拟电压，输出的第一模拟信号再经低通滤波器3，最后输出等效位数扩展至K位的高精度驱动电压信号，即第二模拟信号。例如：用12位数模转换器2实现20位数模控制精度，则K＝20，N＝12。

本实施例中，N位的数模转换器2在工作时钟的驱动下，实现N位数字信号的输入和一路模拟信号的输出。

本实施例中，数模驱动器1包括：

一随机噪声产生模块11，用于产生一M位数值为0～2^M-1的第一噪声数据，且M＝K-N；

一数据扩展模块12，用于接收第一噪声数据，并通过对第一噪声数据高位补充N个零，使第一噪声数据的位数由M位扩展至K位，获得一第二噪声数据；

一相加求和模块13，用于接收第一数字信号和第二噪声数据，并对第一数字信号和第二噪声数据相加求和，获得一求和结果数据；

一高位截取及处理模块14，用于接收求和结果数据，并自求和结果数据的最高位起向低位方向截取N位数据形成第二数字信号。

其中，当数模转换器2采用二进制补码驱动时，第二数字信号采用补码表达；

当数模转换器2采用二进制移码驱动时，第二数字信号采用移码表达。

其中，正整数的补码是其二进制表示，与原码相同；负整数的补码，将其对应正数二进制表示所有位取反。移码(又叫增码)是符号位取反的补码。

本实施例中，低通滤波器3的带宽小于数模转换器2的一工作时钟频率的M分之一。

低通滤波器3的带宽小于数模转换器2的一工作时钟频率的M分之一，实现对数模转换后的信号高频噪声滤除，输出平稳的第二模拟信号。

本发明的一种数模转换装置的随机噪声产生模块11、数据扩展模块12、相加求和模块13和高位截取及处理模块14的时钟与数模转换器2的工作时钟一致。

其中，随机噪声产生模块11产生M位数值为0至2^M-1的均匀分布噪声数据，其中M＝K-N。假定K＝20，N＝12，M＝8则产生的随机数为0至255之间的均匀分布二进制无符号数值，即第一噪声数据。在数字系统中采用二进制补码进行运算，将随机噪声产生模块11产生M位数值在高位补充N个零后扩展为K位噪声数据，即第二噪声数据，此时第二噪声数据以补码表达的范围仍然是0至2^M-1。外部输入的K位第一数字信号和扩展为K位的第二噪声数据在相加求和模块13按二进制补码相加求和，获得K位的求和结果数据进入高位截取及处理模块14。高位截取及处理模块14截取求和结果数据的K位数据的最高N位数据，并根据数模驱动器1的要求采用补码或移码表达为N位第二数字信号进入数模转换器2。数模转换器2在时钟驱动下，实现N位数据输入和一路模拟信号输出。由于数模驱动器1的N位数据叠加了噪声控制信息，其模拟信号输出具有一定的高频分量，需要通过低通滤波器3滤波高频信号影响，低通滤波器3带宽设置为数模转换器2工作时钟频率的M分之一以下，即可实现稳定的控制电压输出。

本发明实现了利用低精度数模转换器2实现高精度模拟输出的精度扩展，装置简单，容易实现。

请参阅图1、图2，本发明的一种数模转换方法，包括步骤：

S1：设置本发明实施例的数模转换装置；

S2：通过数模驱动器1接收K位长度的第一数字信号并将其转换为N位长度的第二数字信号；

S3：通过数模转换器2接收第二数字信号，并将第二数字信号转换成一第一模拟信号；

S4：通过低通滤波器3对第一模拟信号进行低通滤波，输出一第二模拟信号。

优选地，步骤S2进一步包括步骤：

S21：通过数模驱动器1接收第一数字信号，并产生一M位数值为0～2^M-1的第一噪声数据，且M＝K-N；

S22：通过数模驱动器1对第一噪声数据高位补充N个零，使第一噪声数据的位数由M位扩展至K位，获得一第二噪声数据；

S23：通过数模驱动器1对第一数字信号和第二噪声数据相加求和，获得一求和结果数据；

S24：通过数模驱动器1自求和结果数据的最高位起向低位方向截取N位数据形成第二数字信号。

本实施例中，当数模转换器2采用补码驱动时，第二数字信号采用补码表达；当数模转换器2采用移码驱动时，第二数字信号采用移码表达。

本实施例中，步骤S4进一步包括步骤：

S41：设置低通滤波器3的带宽，使得低通滤波器3的带宽小于数模转换器2的一工作时钟频率的M分之一；

S42：对第一模拟信号进行低通滤波，输出一第二模拟信号。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (6)

1.一种数模转换装置，其特征在于，包括：

一数模驱动器，用于将外部输入的一K位长度的第一数字信号转换为一N位长度的第二数字信号，其中K>N，K和N为大于零的整数；

一数模转换器，所述数模转换器的精度位数为N，用于接收所述第二数字信号，并将所述第二数字信号转换成一第一模拟信号；以及

一低通滤波器，用于接收所述第一模拟信号，并对所述第一模拟信号进行低通滤波，输出一第二模拟信号。

2.根据权利要求1所述的数模转换装置，其特征在于，所述数模驱动器包括：

一随机噪声产生模块，用于产生一M位数值为0～2^M-1的第一噪声数据，且M＝K-N；

一数据扩展模块，用于接收所述第一噪声数据，并通过对所述第一噪声数据高位补充N个零，使所述第一噪声数据的位数由M位扩展至K位，获得一第二噪声数据；

一相加求和模块，用于接收所述第一数字信号和所述第二噪声数据，并对所述第一数字信号和所述第二噪声数据相加求和，获得一求和结果数据；以及

一高位截取及处理模块，用于接收所述求和结果数据，并自所述求和结果数据的最高位起向低位方向截取N位数据形成所述第二数字信号。

3.根据权利要求2所述的数模转换装置，其特征在于，所述低通滤波器的带宽小于所述数模转换器的一工作时钟频率的M分之一。

4.一种数模转换方法，包括步骤：

S1：设置如权利要求1所述的数模转换装置；

S2：通过所述数模驱动器接收所述K位长度的第一数字信号并将其转换为所述N位长度的第二数字信号；

S3：通过所述数模转换器接收所述第二数字信号，并将所述第二数字信号转换成一第一模拟信号；

S4：通过所述低通滤波器对所述第一模拟信号进行低通滤波，输出一第二模拟信号。

5.根据权利要求4所述的数模转换方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括步骤：

S21：通过所述数模驱动器接收所述第一数字信号，并产生一M位数值为0～2^M-1的第一噪声数据，且M＝K-N；

S22：通过所述数模驱动器对所述第一噪声数据高位补充N个零，使所述第一噪声数据的位数由M位扩展至K位，获得一第二噪声数据；

S23：通过所述数模驱动器对所述第一数字信号和所述第二噪声数据相加求和，获得一求和结果数据；

S24：通过所述数模驱动器自所述求和结果数据的最高位起向低位方向截取N位数据形成所述第二数字信号。

6.根据权利要求5所述的数模转换方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括步骤：

S41：设置所述低通滤波器的带宽，使得所述低通滤波器的带宽小于所述数模转换器的一工作时钟频率的M分之一；

S42：对所述第一模拟信号进行低通滤波，输出一第二模拟信号。