CN114142862A - 一种高精度数模转换装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度数模转换装置及方法。高精度数模转换装置包括：控制模块、n个转换模块、加法器和反馈模块；其中，n为大于或等于2的整数；转换模块的转换系数逐级增大；控制模块用于将输入数字信号拆分为n个中间数字部分，除以对应的转换系数，得到n个中间数字信号并分别向n个转换模块传输；其中，中间数字部分逐级增大；转换模块用于将中间数字信号进行数模转换，得到包含转换系数的结果；加法器用于将所有转换模块的输出信号加和，得到模拟信号；反馈模块根据模拟信号得到反馈信号；控制模块根据目标数字信号和反馈信号调节中间数字部分的分配。本发明实施例可以在保证低成本的基础上，实现数模转换装置的高精度输出。

Description

一种高精度数模转换装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及信号转换技术领域，尤其涉及一种高精度数模转换装置及方法。

背景技术

工业控制系统在信号隔离传输时，经常需要使用高精度模数转换器(Analogue-to-Digital Conversion，ADC)进行信号采集，同时也需要高分辨率输出电压或电流(例如变送器、安全栅隔离器等)。也就是说需要高精度的数模转换器(Digital-to-AnalogueConversion，DAC)。

现有的高精度DA输出方案通常有两种：一种是经PWM滤波后输出；这种方式成本低但装置性能不好，响应时间慢(达到99％需要百毫秒级，达到99.99％需要秒级)，且短时波动较大，线性度差；另一种是采用专用DAC芯片输出；这种方式虽然性能好，但是成本高。因此，现有的数模转换装置的成本和性能之间存在矛盾关系。

发明内容

本发明实施例提供了一种高精度数模转换装置及方法，以在保证低成本的基础上，实现数模转换装置的高精度输出。

第一方面，本发明实施例提供了一种高精度数模转换装置，包括：控制模块、n个转换模块、加法器和反馈模块；其中，n为大于或等于2的整数；每个所述转换模块均包括一个转换系数，且所述转换系数逐级增大；

所述控制模块与n个所述转换模块电连接；所述控制模块用于将输入数字信号拆分为n个中间数字部分；将n个所述中间数字部分除以对应的所述转换模块的转换系数，得到n个中间数字信号；并将n个所述中间数字信号分别向n个所述转换模块传输；其中，所述中间数字部分逐级增大；

所述转换模块用于将所述中间数字信号进行数模转换，转换后的结果包含所述转换系数；

n个所述转换模块均与所述加法器电连接；所述加法器用于将所有所述转换模块的输出信号加和，得到模拟信号并输出；

所述反馈模块采集所述模拟信号，并根据所述模拟信号得到反馈信号；所述控制模块获取所述反馈信号，所述控制模块还用于根据目标数字信号和所述反馈信号调节所述中间数字部分的分配。

可选地，所述转换模块包括：DA转换单元和系数单元；

所述DA转换单元的输入端与所述控制模块电连接，所述DA转换单元用于将所述中间数字信号进行数模转换得到中间模拟信号；

所述DA转换单元的输出端与所述系数单元电连接，所述系数单元包含所述转换系数，用于将所述中间模拟信号乘以所述转换系数。

可选地，所述系数单元包括：第一电阻和第二电阻；

所述第一电阻的第一端与所述DA转换单元电连接，所述第一电阻的第二端与所述加法器电连接；所述第二电阻的第一端与所述第一电阻的第二端电连接，所述第二电阻的第二端接地。

可选地，所述反馈模块集成于高精度模数转换器中，采用所述高精度模数转换器的冗余资源。

第二方面，本发明实施例还提供了一种高精度数模转换方法，包括：

控制模块将输入数字信号拆分为n个中间数字部分；将n个所述中间数字部分除以对应的转换模块的转换系数，得到n个中间数字信号；并将n个所述中间数字信号分别向n个所述转换模块传输；其中，所述中间数字部分逐级增大；n为大于或等于2的整数；

转换模块接收对应的所述中间数字信号，根据所述中间数字信号进行数模转换；其中，每个所述转换模块均包括一个转换系数，且所述转换系数逐级增大；转换后的结果包含所述转换系数；

加法器将所有所述转换模块的输出信号加和，得到模拟信号；

反馈模块采集所述模拟信号，并根据所述模拟信号得到反馈信号；

所述控制模块获取所述反馈信号，并根据目标数字信号和所述反馈信号调节所述中间数字部分的分配。

可选地，在所述控制模块将输入数字信号拆分为n个中间数字部分之前，还包括：获取所述目标数字信号。

可选地，所述控制模块根据目标数字信号和所述反馈信号调节所述中间数字部分的分配，包括：

控制所述高精度数模转换装置输出第一模拟信号；所述反馈模块采集所述第一模拟信号得到第一反馈信号；建立所述第一模拟信号和所述第一反馈信号构成的第一坐标点；

控制所述高精度数模转换装置输出第二模拟信号；所述反馈模块采集所述第二模拟信号得到第二反馈信号；建立所述第二模拟信号和所述第二反馈信号构成的第二坐标点；

根据所述第一坐标点和所述第二坐标点得到参考校正线；

根据所述目标数字信号和所述反馈信号，通过PID调节的方式调节所述参考校正，形成调节曲线；

根据所述调节曲线，调节所述中间数字部分的分配。

可选地，根据所述调节曲线，调节所述中间数字部分的分配，包括：

将所述目标数字信号作为目标反馈信号，将所述调节曲线上与所述目标反馈信号对应的模拟信号作为调节模拟信号；

设定(n-1)个跳变阈值；所述跳变阈值逐级增大；自第(n-1)个所述跳变阈值开始向下，逐级判断所述调节模拟信号和所述模拟信号的差值的绝对值是否大于所述跳变阈值，并给出调节策略。

可选地，所述给出调节策略，包括：

若所述调节模拟信号和所述模拟信号的差值的绝对值大于第i个所述跳变阈值；其中1≤i≤(n-1)；则设置调节策略为：将所述绝对值的第一部分分配给第(i+1)个所述转换模块，将所述绝对值的第二部分分配给前i个所述转换模块；其中，所述绝对值的第一部分和第二部分构成整个所述绝对值；

若所述调节模拟信号和所述模拟信号的差值的绝对值小于或等于第i个所述跳变阈值，则判断所述绝对值是否大于前i个所述转换模块整体的可调阈值；

若否，则设置调节策略为：前i个所述转换模块整体的调节量为所述绝对值。

可选地，在判断所述绝对值是否大于前i个所述转换模块整体的可调阈值之后，还包括：

若是，则设置调节策略为：将所述绝对值超过所述可调阈值的部分分配给第(i+1)个所述转换模块进行调节；并将所述绝对值的剩余部分分配给前i个所述转换模块进行调节。

本发明实施例提供的高精度数模转换装置，设置有控制模块、多个转换模块和加法器，通过控制模块将输入数字信号拆分并分别按照转换系数缩小后分配给多个转换模块，多个转换模块将中间数字信号进行数模转换并按转换系数放大后，形成的输出信号在加法器进行加和重整为一路模拟信号输出。这样，原本低分辨率的转换模块经过组合后可以处理更多位的输入数字信号，在较低成本的基础上实现高分辨率的转换；并且，转换系数逐级增大，可以有效地保留输入数字信号中的信息，不至于损失相对于输入数字信号整体而言较小位的信息，从而尽可能的保证转换精度。以及，本发明实施例设置有反馈模块，将输出的模拟信号转换为反馈信号并传输给控制模块，控制模块可以根据反馈信号来调节中间数字部分的分配，以形成闭环控制；每次分配后再次获取反馈信号，经过多次调整使反馈信号逐渐逼近目标数字信号，以减少输出结果的抖动，提高转换精度和线性度。因此，相比于现有技术，本发明实施例可以在保证低成本的基础上，实现数模转换装置的高精度输出。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种高精度数模转换装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种高精度数模转换装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种高精度数模转换方法的流程示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种高精度数模转换方法的流程示意图；

图5是本发明实施例提供的一种反馈模块码值转换关系的获取流程示意图；

图6是本发明实施例提供的一种调节曲线的示意图；

图7是本发明实施例提供的另一种调节曲线的示意图；

图8是本发明实施例提供的一种调节策略的获取流程示意图；

图9是本发明实施例提供的又一种高精度数模转换方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明实施例提供了一种高精度数模转换装置。图1是本发明实施例提供的一种高精度数模转换装置的结构示意图。参见图1，该高精度数模转换装置包括：控制模块110、n个转换模块120(此处示例性地给出了三个转换模块，分别为第一转换模块120-1、第二转换模块120-2和第三转换模块120-3)、加法器130和反馈模块140。

其中，n为大于或等于2的整数；每个转换模块120均包括一个转换系数，且转换系数逐级增大。控制模块110与n个转换模块120电连接；控制模块110用于将输入数字信号Din拆分为n个中间数字部分；将n个中间数字部分除以对应的转换模块120的转换系数，得到n个中间数字信号；并将n个中间数字信号分别向n个转换模块120传输；其中，中间数字部分逐级增大；转换模块120用于将中间数字信号进行数模转换，转换后的结果包含转换系数；n个转换模块120均与加法器130电连接；加法器用于将所有转换模块120的输出信号加和，得到模拟信号Aout并输出；反馈模块140采集模拟信号Aout，并根据模拟信号Aout得到反馈信号；控制模块110获取反馈信号，控制模块110还用于根据目标数字信号和反馈信号调节中间数字部分的分配，从而调整该装置输出的模拟信号Aout，实现闭环控制。

该高精度数模转换装置的工作过程为：控制模块110接收输入数字信号Din，并根据后续连接的转换模块120的数量和各自的分辨率，将输入数字信号Din拆分为逐级增大的n个中间数字部分；为了满足转换模块120的转换能力，控制模块110先将各个中间数字部分按照对应的转换模块120的转换系数(以K1、K2、……、Kn表示，其中，K1-Kn逐级增大)进行缩小，形成n个中间数字信号(以D1、D2、……、Dn表示)，再向转换模块120分别传输；转换模块120首先对中间数字信号进行数模转换，形成转换模拟信号(以A1、A2、……、An表示)，再将转换模拟信号根据转换系数进行放大，形成包含转换系数的中间模拟信号(即K1*A1、K2*A2、……、Kn*An)，并向加法器130传输；所有转换模块120的输出信号在加法器130中进行加和，整合为模拟信号Aout输出；模拟信号Aout可表示为：Aout＝K1*A1+K2*A2+……+Kn*An。

可选地，上述转换系数由硬件决定，作为固定值；但是上述转换系数的值并不十分准确，只能作为参考；再加上低分辨率的转换模块120原本的精度较低；虽然上述转换过程尽可能的保留了输入数字信号Din的所有信息，但难以保证输出的模拟信号Aout的准确性。

因此，控制模块110根据反馈模块140的输出信号的格式，确定输入数字信号对应的目标数字信号；反馈模块140采集模拟信号Aout，形成反馈信号并传输给控制模块110；控制模块110根据目标数字信号和反馈信号的差距，借助算法控制(比如通过PID调节)来调整中间数字部分的分配，从而实现对输出的模拟信号Aout的调整；通过多次调整使得反馈信号逐渐逼近目标数字信号，代表输出的模拟信号Aout逐渐逼近目标值，以提高转换精度。

本发明实施例提供的高精度数模转换装置，设置有控制模块110、多个转换模块120和加法器130，通过控制模块110将输入数字信号Din拆分并分别按照转换系数缩小后分配给多个转换模块120，多个转换模块120将中间数字信号进行数模转换并按转换系数放大后，形成的输出信号在加法器130进行加和重整为一路模拟信号输出。这样，原本低分辨率的转换模块120经过组合后可以处理更多位的输入数字信号Din，在较低成本的基础上实现高分辨率的转换；并且，转换系数逐级增大，可以有效地保留输入数字信号Din中的信息，不至于损失相对于输入数字信号Din整体而言较小位的信息，从而尽可能的保证转换精度。以及，本发明实施例设置有反馈模块140，将输出的模拟信号Aout转换为反馈信号并传输给控制模块110，控制模块110可以根据反馈信号来调节中间数字部分的分配，以形成闭环控制；每次分配后再次获取反馈信号，经过多次调整使反馈信号逐渐逼近目标数字信号，以减少输出结果的抖动，提高转换精度和线性度。因此，本发明实施例可以在保证低成本的基础上，实现数模转换装置的高精度输出。

图2是本发明实施例提供的另一种高精度数模转换装置的结构示意图。参见图2，在上述各实施例的基础上，可选地，当需要输出电流时，该高精度数模转换装置还包括V-I电路150，与加法器130连接，用于将加法器130输出的模拟信号(电压信号)转化为电流信号输出。

示例性地，V-I电路150有两路输出信号，一路为Loop+，一路为Loop-，以形成电流回路。可选地，反馈模块140的一个输入端通过采样电阻Rref接入电流信号，另一输入端直接接入电流信号，实现对电流信号的采集。当反馈模块140需要采集电压信号时，其输入端也可以直接与加法器的输出端电连接。

继续参见图2，在上述各实施例的基础上，可选地，反馈模块140集成于高精度模数转换器10中，采用高精度模数转换器10的冗余资源，因此，该反馈模块140的实现并不需要额外增加器件成本，以保证高精度数模转换装置的低成本。

具体地，该反馈模块140的工作过程为：控制模块110根据数字输入信号Din得到目标模拟信号；并根据目标模拟信号和高精度模数转换器10的码值转换关系(比如根据两点标定法得到的高精度模数转换器10的输入信号和输出信号间的线性关系)得到目标模拟信号对应的目标数字信号；这样，由于反馈模块140的精度足够高，当反馈信号接近目标数字信号时，表明输出的模拟信号接近应有的目标输出值，以保证该数模转换装置的精度。

可选地，该高精度数模转换装置可以应用于温度控制系统、通信系统等多种控制系统中。并且，这些应用场景下，往往硬件上高精度模数转换器10的资源存在富余，因此反馈模块140使用其富余资源，可以保证该高精度数模转换装置的高性价比。

示例性地，当该高精度数模转换装置应用于温控系统时，由于温控系统中本身就有AD采样的需求，因此系统中本身就配置有高精度模数转换器10。但高精度模数转换器10无需实时将全部资源用于温度采样，在不进行温度采样的间隙，可以激活反馈模块140，使反馈模块140用于高精度数模转换装置的反馈调节。在反馈模块140不工作时，由于温度无变化，无温控需求，高精度数模转换装置的输出不变；或者高精度数模转换装置按照上一次反馈模块140工作时确定的调节方式来进行温度调节，由此对整个控制系统的输出影响不大。并且，由于通常在需要高精度模数转换器10的控制系统中，采样频率往往很高，因此间隔很短的时间(比如毫秒级或者更小)，反馈模块140就被激活。因此，采用高精度模数转换器10的富余资源实现反馈模块140的作用，并不影响该高精度数模转换装置的转换能力和效率。

继续参见图2，在上述各实施例的基础上，可选地，转换模块120包括：DA转换单元121(此处示例性地给出了两个DA转换单元，分别是第一DA转换单元121-1和第二DA转换单元121-2)和系数单元122(相应的，此处示例性地给出了两个系数单元，分别是第一系数单元122-1和第二系数单元122-2)。

其中，DA转换单元121的输入端与控制模块110电连接，DA转换单元121用于将中间数字信号进行数模转换得到中间模拟信号；DA转换单元121的输出端与系数单元122电连接，系数单元122包含转换系数，用于将中间模拟信号乘以转换系数，由此实现转换模块120的转换功能。

可选地，DA转换单元121和控制模块110可以都集成在MCU内部；即DA转换单元121可以是MCU自带的DAC。由于DA转换单元121的分辨率较低(比如10位或12位)，且输出线性、输出基准的稳定性及温漂性能都较差，无法满足工业系统的信号输出的要求；因此需要反馈模块140对精度的修正。

示例性地，以图2为例，对控制模块110拆分输入数字信号Din的过程进行解释：假设两个DA转换单元121相同，那么两个中间数字信号最低位代表的数值相同。具体地，控制模块110可以将输入数字信号Din按照位数进行拆分，提取低位的几位数字信号作为第一中间数字信号分配给第一DA转换单元121-1，提取高位的几位数字信号作为第二中间数字信号分配给第二DA转换单元121-2。

继续参见图2，在上述各实施例的基础上，可选地，系数单元122包括：第一电阻R1和第二电阻R2(此处示例性地给出了两个系数单元，第一系数单元122-1包括第一个第一电阻R1-1和第一个第二电阻R2-1，第二系数单元122-2包括第二个第一电阻R1-2和第二个第二电阻R2-2)；第一电阻R1的第一端与DA转换单元121电连接，第一电阻R1的第二端与加法器130电连接；第二电阻R2的第一端与第一电阻R1的第二端电连接，第二电阻R2的第二端接地。

这样，第一电阻R1和第二电阻R2构成了一个分压单元，通过控制第一电阻R1和第二电阻R2的比例，可以形成不同的转换系数。

本发明实施例还提供了一种高精度数模转换方法，适用于本发明任意实施例所提供的高精度数模转换装置，具有相应的有益效果。图3是本发明实施例提供的一种高精度数模转换方法的流程示意图。参见图3，该高精度数模转换方法包括以下步骤：

S110、控制模块将输入数字信号拆分为n个中间数字部分；将n个中间数字部分除以对应的转换模块的转换系数，得到n个中间数字信号；并将n个中间数字信号分别向n个转换模块传输；其中，中间数字部分逐级增大；n为大于或等于2的整数。

其中，控制模块根据转换模块的数量和各自的分辨率，将输入数字信号拆分为逐级增大的n个中间数字部分；为了满足转换模块的转换能力，控制模块先将各个中间数字部分按照对应的转换模块的转换系数进行缩小，形成n个中间数字信号，再向转换模块分别传输。

S120、转换模块接收对应的中间数字信号，根据中间数字信号进行数模转换；其中，每个转换模块均包括一个转换系数，且转换系数逐级增大；转换后的结果包含转换系数。

可选地，转换模块包括：DA转换单元和系数单元；转换模块的转换过程为：DA转换单元将中间数字信号进行数模转换得到中间模拟信号；系数单元包含转换系数，用于将中间模拟信号乘以转换系数得到转换模拟信号。

S130、加法器将所有转换模块的输出信号加和，得到模拟信号。

可选地，模拟信号为电压信号；当需要输出电流信号时，可以由V-I电路将模拟信号转换为电流信号并输出。

S140、反馈模块采集模拟信号，并根据模拟信号得到反馈信号。

其中，反馈模块集成于高精度模数转换器中，采用控制系统中高精度模数转换器的冗余资源，以降低数模转换装置的成本。

S150、控制模块获取反馈信号，并根据目标数字信号和反馈信号调节中间数字部分的分配。

其中，控制模块根据反馈模块的输出信号的格式，确定输入数字信号对应的目标数字信号；反馈模块采集模拟信号，形成反馈信号并传输给控制模块；控制模块根据目标数字信号和反馈信号的差距来调整中间数字部分的分配，从而实现对输出的模拟信号的调整；通过多次调整使得反馈信号逐渐逼近目标数字信号，代表输出的模拟信号逐渐逼近目标值，以提高转换精度。

图4是本发明实施例提供的另一种高精度数模转换方法的流程示意图。参见图4，可选地，控制模块在整个调节过程中的操作包括以下步骤：

S210、获取目标数字信号。

其中，目标数字信号的格式与反馈模块输出信号的格式相匹配。可选地，控制模块可以根据输入数字信号得到目标数字信号。反馈模块可以采用控制系统中高精度模数转换器的冗余资源，控制模块可以根据反馈模块的码值转换关系计算目标数字信号。反馈模块的码值转换关系即为高精度模数转换器的码值转换关系。可选地，码值转换关系可以由两点标定进行线性计算获得。计算码值转换关系的步骤如图5所示，具体步骤在下面的实施例进行解释，此处不再展开。

S220、获取反馈信号。

其中，控制模块采集反馈模块输出的反馈信号；反馈信号的格式与目标数字信号的格式相匹配。

S230、根据目标数字信号和反馈信号，通过PID调节的方式调节参考校正线，得到调节曲线。

其中，调节曲线的获取包括：

控制高精度数模转换装置输出第一模拟信号；反馈模块采集第一模拟信号得到第一反馈信号；建立第一模拟信号和第一反馈信号构成的第一坐标点。

控制高精度数模转换装置输出第二模拟信号；反馈模块采集第二模拟信号得到第二反馈信号；建立第二模拟信号和第二反馈信号构成的第二坐标点。

根据第一坐标点和第二坐标点得到参考校正线；

根据目标数字信号和反馈信号，通过PID调节的方式调节参考校正线，形成调节曲线。

可选地，通过PID调节的方式调节参考校正线的方式有多种，下面就其中的几种进行说明，但不作为对本发明的限定。

在一种实施方式中，可选地，在参考校正线的延长线上，取一固定坐标点和一浮动坐标点；PID调节作用在浮动坐标点，通过调节浮动坐标点的坐标来调整调节曲线的斜率，从而得到调节模拟信号。

结合图2和图6，以高精度数模转换装置包括两个转换模块为例，第一转换模块120-1输出的信号记为DA1，第二转换模块120-2输出的信号记为DA0。调节曲线的获取过程为：

由转换装置输出的DA码作为横坐标，反馈模块140的反馈信号(输出回采AD码值)作为纵坐标，建立坐标系。

控制第一转换模块120-1输出较低的信号DA1L，第二转换模块120-2输出较低的信号DA0L；此时反馈模块140采集输出信号得到的反馈信号为Ad_loopback_L；由此得到第一坐标点：P1(DA0L+DA1L，Ad_loopback_L)。

控制第一转换模块120-1输出较低的信号DA1L，第二转换模块120-2输出较高的信号DA0H；此时反馈模块140采集输出信号得到的反馈信号为Ad_loopback_H；由此得到第二坐标点：P2(DA0H+DA1L，Ad_loopback_H)。

其中，仅改变第二转换模块120-2的输出信号，是由于第二转换模块120-2包括较大的转换系数，改变其输出，可以使第一坐标点P1和第二坐标点P2的距离较远，代表的范围较大。由此确定的参考校正线作为调节的初始参考更为合理。同时，由于第一转换模块120-1和第二转换模块120-2的输出值并不能准确控制，仅改变第二转换模块120-2的输出可以减少变量。可选地，第一转换模块120-1输出的较低信号DA1L、第二转换模块120-2输出的较低信号DA1L和第二转换模块120-2输出的较高信号DA0H可以作为定值写定在软件中。

沿着参考校正线，向左侧(第三象限)延伸，确定第三坐标点P3(FloatPoint_DA_L，FloatPoint_AD_L)，作为固定坐标点；向右侧(第一象限)延伸，确定第四坐标点P4(FloatPoint_DA_H，FloatPoint_AD_H)，作为浮动坐标点。其中，第三坐标点P3和第四坐标点P4不能设置地太近，以防止调节灵敏度不够；第三坐标点P3和第四坐标点P4也不能设置地太远，以避免进行较大的调整才能实现调整效果。总之，通过PID调节，调节浮动坐标点P4纵坐标的位置，连接浮动坐标点P4和固定坐标点P3形成调节曲线。

在另一种实施方式中，可选地，在参考校正线的延长线上，取一浮动坐标点；以参考校正线的斜率为固定斜率，PID调节作用在浮动坐标点，通过上下移动参考校正线得到调节曲线，从而得到调节模拟信号。

结合图2和图7，仍以高精度数模转换装置包括两个转换模块为例，参考校正线的获取方式与图6中的过程相同，此处不再赘述。不同之处在于，第三坐标点P3也改换成浮动坐标点，调节过程中，其变化量与第四坐标点P4的变化量相同，以保证调节曲线的斜率不变。

需要说明的是，上述各实施方式中，均以由两个坐标点确定参考校正线为直线为例进行说明，但不作为对本发明的限定。在其他实施方式中，也可以取多个参考坐标点，形成折线型的参考校正线；或者，对参考校正线进行拟合得到平滑的曲线。同样，上述调节曲线的获取方式也不作为对本发明的限定，在其他实施方式中，第三坐标点P3和第四坐标点P4可以不同向移动，可以在横坐标上存在调节量，也可以通过PID调节以外的方式来进行调节。

S240、将目标数字信号作为目标反馈信号，将调节曲线上与目标反馈信号对应的模拟信号作为调节模拟信号。

示例性地，结合图2和图6，假设图6中的曲线为实际的输出曲线，在根据目标数字信号和反馈信号的差值，通过PID调节浮动坐标点P4的纵坐标，形成调节曲线后；将目标数字信号作为纵轴的目标输出回采AD码值，找到此纵坐标在调节曲线山对应的横坐标DA码作为调节模拟信号。控制模块以此值为基准，进行中间数字部分的再分配。

S250、设定(n-1)个跳变阈值；跳变阈值逐级增大；自第(n-1)个跳变阈值开始向下，逐级判断调节模拟信号和模拟信号的差值的绝对值是否大于跳变阈值，并给出调节策略。

其中，调节策略的具体形成过程如图8所示，具体步骤在下面的实施例进行解释，此处不再展开。

S260、根据调节策略进行调节。

其中，控制模块对输入数字信号进行再分配，以调整输出。下个周期，根据反馈模块的反馈信号与目标数字信号进行比较，对调节曲线进行修正，再次计算调节模拟信号，再次形成调节策略，再次输出。以此方式，周而复始。可选地，一个输入数字信号的输出可以经过多个周期的调节。

图5是本发明实施例提供的一种反馈模块码值转换关系的获取流程示意图。参见图5，码值转换关系的获取具体包括以下步骤：

S310、在高位标定状态，给定高位标定目标数字信号(记为Ad_H)，确定当反馈信号为高位标定目标数字信号时，高精度数模转换装置输出的高位模拟信号(记为I_H)，得到高位标定点，即(I_H，Ad_H)。

S320、在低位标定状态，给定低位标定目标数字信号(记为Ad_L)，确定当反馈信号为低位标定目标数字信号时，高精度数模转换装置输出的低位模拟信号(记为I_L)，得到低位标定点，即(I_L，Ad_L)。

这样，由上述两个步骤得到两个基准点，上述两个步骤的顺序可以根据需求进行调整。

S330、根据高位标定点和低位标定点进行线性计算，得到反馈模块的码值转换关系

其中，上述两点标定步骤可以在高精度模数转换器出厂前进行。在模数转换装置使用时，通过利用标定点进行线性计算，可得到目标调节的目标数字信号。而动态调节的目标，是通过调节输出，使得反馈信号稳定在目标数字信号附近。

图8是本发明实施例提供的一种调节策略的获取流程示意图。参见图8，以调节模拟信号和模拟信号的差值的绝对值与第i个跳变阈值进行比较的过程为例，其中1≤i≤(n-1)，调节策略的获取流程包括：

S410、设定第i个跳变阈值。

其中，跳变阈值共有(n-1)个，可以在装置使用前确定并写入程序中，也可以在每次比较时调整。

S420、判断调节模拟信号和模拟信号的差值的绝对值是否大于第i个跳变阈值；若是，则执行S430；否则，执行S460。

其中，根据前面所述，各转换模块的转换系数取决于硬件电路，理论计算值只能作为参考并不准确。转换系数主要用于相邻两个转换模块之间的“进位”，而由于转换系数的不准确，再中间数字部分重分配时，输出可能会出现过冲。因此，需要设置跳变阈值，以分类别进行降低过冲的处理。

S430、判断调节模拟信号是否大于模拟信号；若是，则执行S440；否则，执行S450。

其中，调节模拟信号可能大于模拟信号，也可能小于模拟信号；当调节模拟信号大于模拟信号时，整体需要向上调节；当调节模拟信号小于模拟信号时，整体需要向下调节。

S440、将绝对值的第一部分分配给第(i+1)个转换模块，将整体调节量的第二部分分配给前i个转换模块，进行向上调节。

其中，绝对值的第一部分和第二部分构成整个绝对值；第一部分和第二部分的分配，根据各转换模块的调节余量来进行。由于转换系数不准确，修正结果可能还存在误差；因此在根据绝对值调节完成后，还可以再次采集反馈信号，再次进行向本轮目标数字信号靠近的调节。

S450、将绝对值的第一部分分配给第(i+1)个转换模块，将整体调节量的第二部分分配给前i个转换模块，进行向下调节。

其中，S450与S440的过程刚好相反，此处不再赘述。

S460、判断绝对值是否大于前i个转换模块整体的可调阈值；若是，则执行S480；否则，执行S470。

其中，当绝对值小于第i个跳变阈值时，可认为是缓慢变化。需要尽量以前i各转换模块进行调节。但当绝对值大于前i个转换模块整体的可调阈值时，表示前i个转换模块的调节能力不足，需要将超过部分进位给第(i+1)个转换模块调节。

S470、设置调节策略为：前i个转换模块的调节量为绝对值。

S480、设置调节策略为：将绝对值超过可调阈值的部分分配给第(i+1)个转换模块，并将剩余部分分配给前i个转换模块，进行调节。

同样地，当调节模拟信号大于模拟信号时，整体需要向上调节；当调节模拟信号小于模拟信号时，整体需要向下调节。

图9是本发明实施例提供的又一种高精度数模转换方法的流程示意图。结合图9和图2，下面以转换装置包括两个转换模块120为例，对一具体实施例进行具体说明。

该高精度数模转换方法包括：

S510、计算目标AD码值。

其中，目标AD码值即为对于反馈模块140而言的目标数字信号。

S520、判断高精度数模转换器是否将资源分配给反馈模块；若是，则执行S530；否则，执行S550。

其中，由于反馈模块140采用的是高精度数模转换器10的富余资源，反馈模块并不实时工作。

S530、根据目标AD码值和反馈信号，形成调节曲线。

S540、根据调节曲线线性计算目标输出DA码值。

其中，目标输出码值即为调节模拟信号。

S550、调节曲线不变。

其中，当反馈模块140未工作时，调节曲线暂时不变。

S560、判断目标DA码值与输出的模拟信号的差值的绝对值是否大于预设阈值；若是，则执行S570；否则，执行S5A0。

S570、判断目标DA码值是否大于模拟信号；若是，则执行S580；否则，执行S590。

S580、重新分配第一转换模块和第二转换模块对应的中间数字信号，以向上调整输出。

S590、重新分配第一转换模块和第二转换模块对应的中间数字信号，以向下调整输出。

S5A0、控制第二转换模块对应的中间数字信号不变，改变第一转换模块对应的中间数字信号。

S5B0、判断第一转换模块是否溢出；若是，则执行S5C0；否则，执行S5D0。

S5C0、进行进位处理，将部分第一转换模块对应的中间数字信号分配给第二转换模块。

可选地，为了进一步减小过冲，分配给第二转换模块120-2的量可以略多于第一转换模块120-1溢出的量，给第一转换模块120-1保留更多的调节余量，在接近目标值时，尽量只用第一转换模块120-1调节。

S5D0、输出模拟信号。

采用上述实施例所提供的转换方法，能够利用两个低分辨率(比如12位)的数模转换器实现高分辨率(比如16位)数模转换器的高精度及高线性度。输出响应时间(达到99.99％)能够小于10ms，但硬件上仅需要少量模拟器件。能够以PWM方案的成本实现接近高精度数模转换芯片的性能。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种高精度数模转换装置，其特征在于，包括：控制模块、n个转换模块、加法器和反馈模块；其中，n为大于或等于2的整数；每个所述转换模块均包括一个转换系数，且所述转换系数逐级增大；

所述控制模块与n个所述转换模块电连接；所述控制模块用于将输入数字信号拆分为n个中间数字部分；将n个所述中间数字部分除以对应的所述转换模块的转换系数，得到n个中间数字信号；并将n个所述中间数字信号分别向n个所述转换模块传输；其中，所述中间数字部分逐级增大；

所述转换模块用于将所述中间数字信号进行数模转换，转换后的结果包含所述转换系数；

n个所述转换模块均与所述加法器电连接；所述加法器用于将所有所述转换模块的输出信号加和，得到模拟信号并输出；

所述反馈模块采集所述模拟信号，并根据所述模拟信号得到反馈信号；所述控制模块获取所述反馈信号，所述控制模块还用于根据目标数字信号和所述反馈信号调节所述中间数字部分的分配。

2.根据权利要求1所述的高精度数模转换装置，其特征在于，所述转换模块包括：DA转换单元和系数单元；

所述DA转换单元的输入端与所述控制模块电连接，所述DA转换单元用于将所述中间数字信号进行数模转换得到中间模拟信号；

所述DA转换单元的输出端与所述系数单元电连接，所述系数单元包含所述转换系数，用于将所述中间模拟信号乘以所述转换系数。

3.根据权利要求2所述的高精度数模转换装置，其特征在于，所述系数单元包括：第一电阻和第二电阻；

所述第一电阻的第一端与所述DA转换单元电连接，所述第一电阻的第二端与所述加法器电连接；所述第二电阻的第一端与所述第一电阻的第二端电连接，所述第二电阻的第二端接地。

4.根据权利要求1所述的高精度数模转换装置，其特征在于，所述反馈模块集成于高精度模数转换器中，采用所述高精度模数转换器的冗余资源。

5.一种高精度数模转换方法，其特征在于，包括：

控制模块将输入数字信号拆分为n个中间数字部分；将n个所述中间数字部分除以对应的转换模块的转换系数，得到n个中间数字信号；并将n个所述中间数字信号分别向n个所述转换模块传输；其中，所述中间数字部分逐级增大；n为大于或等于2的整数；

转换模块接收对应的所述中间数字信号，根据所述中间数字信号进行数模转换；其中，每个所述转换模块均包括一个转换系数，且所述转换系数逐级增大；转换后的结果包含所述转换系数；

加法器将所有所述转换模块的输出信号加和，得到模拟信号；

反馈模块采集所述模拟信号，并根据所述模拟信号得到反馈信号；

所述控制模块获取所述反馈信号，并根据目标数字信号和所述反馈信号调节所述中间数字部分的分配。

6.根据权利要求5所述的高精度数模转换方法，其特征在于，在所述控制模块将输入数字信号拆分为n个中间数字部分之前，还包括：获取所述目标数字信号。

7.根据权利要求5所述的高精度数模转换方法，其特征在于，所述控制模块根据目标数字信号和所述反馈信号调节所述中间数字部分的分配，包括：

控制所述高精度数模转换装置输出第一模拟信号；所述反馈模块采集所述第一模拟信号得到第一反馈信号；建立所述第一模拟信号和所述第一反馈信号构成的第一坐标点；

控制所述高精度数模转换装置输出第二模拟信号；所述反馈模块采集所述第二模拟信号得到第二反馈信号；建立所述第二模拟信号和所述第二反馈信号构成的第二坐标点；

根据所述第一坐标点和所述第二坐标点得到参考校正线；

根据所述目标数字信号和所述反馈信号，通过PID调节的方式调节所述参考校正线，形成调节曲线；

根据所述调节曲线，调节所述中间数字部分的分配。

8.根据权利要求7所述的高精度数模转换方法，其特征在于，根据所述调节曲线，调节所述中间数字部分的分配，包括：

将所述目标数字信号作为目标反馈信号，将所述调节曲线上与所述目标反馈信号对应的模拟信号作为调节模拟信号；

设定(n-1)个跳变阈值；所述跳变阈值逐级增大；自第(n-1)个所述跳变阈值开始向下，逐级判断所述调节模拟信号和所述模拟信号的差值的绝对值是否大于所述跳变阈值，并给出调节策略。

9.根据权利要求8所述的高精度数模转换方法，其特征在于，所述给出调节策略，包括：

若所述调节模拟信号和所述模拟信号的差值的绝对值大于第i个所述跳变阈值；其中1≤i≤(n-1)；则设置调节策略为：将所述绝对值的第一部分分配给第(i+1)个所述转换模块，将所述绝对值的第二部分分配给前i个所述转换模块；其中，所述绝对值的第一部分和第二部分构成整个所述绝对值；

若所述调节模拟信号和所述模拟信号的差值的绝对值小于或等于第i个所述跳变阈值，则判断所述绝对值是否大于前i个所述转换模块整体的可调阈值；

若否，则设置调节策略为：前i个所述转换模块整体的调节量为所述绝对值。

10.根据权利要求9所述的高精度数模转换方法，其特征在于，在判断所述绝对值是否大于前i个所述转换模块整体的可调阈值之后，还包括：

若是，则设置调节策略为：将所述绝对值超过所述可调阈值的部分分配给第(i+1)个所述转换模块进行调节；并将所述绝对值的剩余部分分配给前i个所述转换模块进行调节。

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