CN220234664U - 双极性数模转换电路及模拟信号产生系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种双极性数模转换电路及模拟信号产生系统，包括：单极性数模转换器，所述单极性数模转换器的电源电压输入端用于输入第一电压，地线接口用于输入第二电压，逻辑接口用于接地，模拟信号输出端作为所述双极性数模转换电路的输出端，用于输出在所述第二电压至所述第一电压范围内的模拟信号；数字隔离模块，通过第一侧的通信接口接收外部输入的数字信号，并通过第二侧的通信接口输出数字信号至单极性数模转换器的通信接口；其中，第一电压为正电压，第二电压为负电压。本申请可使单极性数模转换器输出正负电压信号，既提供了多种型号供用户选择，也大幅降低了成本。

Description

双极性数模转换电路及模拟信号产生系统

技术领域

本申请涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种双极性数模转换电路及模拟信号产生系统。

背景技术

数模传感器用于将数字量转换为模拟量，包括单极性数模传感器和双极性数模传感器。其中，单极性数模传感器输出的模拟量为单边正压信号，且具有满足转换指标的多种型号可供选择其中，其中，转换指标包括通道数量、分辨率和INL(Integral Nonlinearity，积分非线性)。双极性数模传感器输出的模拟量为正负电压信号，但是可供选择的型号较少，且价格较高。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述背景技术中的问题，提供一种双极性数模转换电路及模拟信号产生系统，用于解决现有技术中能输出正负电压信号的双极性数模传感器可供选择的型号较少，且价格较高的问题。

第一方面，本申请提供了一种双极性数模转换电路。所述双极性数模转换电路包括：

单极性数模转换器，所述单极性数模转换器的电源电压输入端用于输入第一电压，地线接口用于输入第二电压，逻辑接口用于接地，模拟信号输出端作为所述双极性数模转换电路的输出端，用于输出在所述第二电压至所述第一电压范围内的模拟信号；

数字隔离模块，所述数字隔离模块通过第一侧的通信接口接收外部输入的数字信号，并通过第二侧的通信接口输出所述数字信号至所述单极性数模转换器的通信接口；

其中，所述第一电压为正电压，所述第二电压为负电压。

在其中一个实施例中，所述第一电压和所述第二电压的数值相同。

在其中一个实施例中，所述双极性数模转换电路还包括：

电源模块，与所述单极性数模转换器连接，用于输出所述第一电压和所述第二电压。

在其中一个实施例中，所述电源模块包括：

信号发生器，用于通过其第一使能端输出第一使能信号，通过其第二使能端输出第二使能信号；

第一电压转换器，与所述信号发生器连接，用于当接收所述第一使能信号时，通过其电压输出端输出第一电压；

第二电压转换器，与所述信号发生器连接，用于当接收所述第二使能信号时，通过其电压输出端输出第二电压。

在其中一个实施例中，所述信号发生器包括第一计时单元和第二计时单元；

所述信号发生器用于根据所述第一计时单元，在第一时间输出所述第二使能信号；并根据所述第二计时单元，在第二时间输出所述第一使能信号；

其中，所述第一时间位于所述第二时间之前。

在其中一个实施例中，所述电源模块，还包括：

第一肖特基二极管，其阳极与所述第一电压转换器的地线接口连接，其阴极与所述第一电压转换器的电压输出端连接。

在其中一个实施例中，所述电源模块，还包括：

第二肖特基二极管，其阳极与所述第二电压转换器的电压输出端连接，其阴极与所述第二电压转换器的地线接口连接。

在其中一个实施例中，所述数字隔离模块的第二侧的电源接口与所述单极性数模转换器的逻辑接口连接，所述数字隔离模块的第二侧的地线接口与所述单极性数模转换器的地线接口连接。

第二方面，本申请还提供了一种模拟信号产生系统。所述模拟信号产生系统包括：

处理器，用于输出数字信号；

第一方面中任一项所述的双极性数模转换电路，与所述处理器连接，所述双极性数模转换电路用于根据所述处理器输入的数字信号，输出正负电压的模拟信号。

在其中一个实施例中，所述处理器与所述数字隔离模块设于同一基板上；所述处理器的电源接口与所述双极性数模转换电路的数字隔离模块的第一侧的电源接口连接；

所述处理器的地线接口与所述双极性数模转换电路的数字隔离模块的第一侧的地线接口连接。

上述双极性数模转换电路及模拟信号产生系统，至少具有以下优点：

本申请通过设置单极性数模转换器的电源电压输入端与第一电压连接，地线接口与第二电压连接，逻辑接口与双极性数模转换电路的基板地线连接，其中，第一电压为正电压，第二电压为负电压，同时结合具有电气隔离性能的数字隔离模块，实现单极性数模转换器与外部器件的通信。采用上述方案，可使单极性数模转换器输出正负电压信号，既提供了多种型号供用户选择，也大幅降低了成本。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中双极性数模转换电路的结构框图；

图2为另一个实施例中双极性数模转换电路的结构框图；

图3为一个实施例中电源模块的结构框图；

图4为另一个实施例中电源模块的结构示意图；

图5为一个实施例中双极性数模转换电路的的结构示意图；

图6为一个实施例中模拟信号产生系统的结构框图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情况下，除非使用了明确的限定用语，例如“仅”、“由……组成”等，否则还可以添加另一部件。除非相反地提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式，并不能理解为其数量为一个。

应当理解，尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件和另一个元件区分开。例如，在不脱离本申请的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参阅图1，在一些实施例中，本申请实施例提供了一种双极性数模转换电路，具体包括：单极性数模转换器和数字隔离模块。

单极性数模转换器，包括电源电压输入端、地线接口、模拟信号输出端和通信接口。其中，电源电压输入端用于输入第一电压，地线接口用于输入第二电压，逻辑接口用于接地，模拟信号输出端作为双极性数模转换电路的输出端，用于输出在第二电压至第一电压范围内的模拟信号，通信接口用于接收输入的数字信号。本实施例中设定第一电压为正电压，第二电压为负电压，且第一电压和第二电压的数值相等。

数字隔离模块，包括第一侧和第二侧，用于在两侧电路电气隔离的情况下，实现数字信号的传输。数字隔离模块的第一侧与外部器件连接，第二侧与单极性数模转换器连接。数字隔离模块通过第一侧的通信接口接收外部输入的数字信号，并通过第二侧的通信接口输出数字信号至单极性数模转换器的通信接口。应理解，数字隔离模块的通信接口和单极性数模转换器的通信接口均包括多个通信引脚。

数字隔离模块第一侧的地线接口与外部器件的基板地线连接，此处的外部器件可以指代数字信号的传输方，例如外接的控制器。第一侧的电源接口与外部器件的电源接口连接。本申请实施例中的数字隔离模块包括数字隔离芯片ISO7761。

进一步地，单极性数模转换器还包括逻辑接口和地线接口，单极性数模转换器的逻辑接口与数字隔离模块第二侧的电源接口连接，单极性数模转换器第二侧的地线接口与数字隔离模块第二侧的地线接口连接。

具体地说，数模转换器可实现数字量到模拟量的转换，通常将输入的数字量称为数字信号，输出的模拟量称为模拟信号。其中，数字信号为二进制代码，输入的二进制数码存入寄存器，每一位二进制数控制着一个模拟开关，模拟开关有两种可能连接方式，一种是接地，另一种就是经电阻接基准电压源。模拟开关的输出接入加法网络，二进制数的每一位都有一定的“权”，加法网络把每位数码变成它的加权电流，并将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。且各模拟量相加所得的总模拟量与数字量成正比。针对单极性数模转换器，上述基准电压源为正电压，从而输出的模拟信号也为正电压信号。针对双极性数模转换器，上述基准电压源为正电压和负电压，从而可以输出正负电压的模型信号。

通过选择数模转换器的转换指标，用户可挑选合适的数模转换器使用。其中，转换指标包括通道数量、分辨率和INL。目前单极性数模转换器有多种型号供选择，但是双极性数模转换器可供选择的型号较少，例如转换指标能够达到8通道、16bit，±2.5V输出、INL≤3LSBs的数模转换器，目前仅TI公司生产的DAC81408(8通道)和DAC81416(16通道)，且价格较贵。

为实现输出正负电压的模拟信号的功能，本申请实施例对单极性数模转换器的供电方式进行了改进。以数模转换器AD5676为例，其正常工作时的供电方式为单边供电，即电源电压输入端VDD接入正电压5V、逻辑接口Vlogic接入正电压2.5V或正电压3.3V、地线接口GND与基板地线连接。改进后，数模转换器AD5676的电源电压输入端VDD接入第一电压、地线接口GND接入第二电压、逻辑接口Vlogic接入基板地线GNDA。示例性地，第一电压为+2.5V，第二电压为-2.5V，则此时由于数模转换器的供电电平不匹配，不能正确识别外部输入的数字信号，无法与外部器件进行通信交互，为此，本申请实施例在外部器件与数模转换器之间设置了数字隔离模块来完成数字信号的传输，例如隔离芯片ISO7761。数模转换器AD5676利用SPI通信协议，通过数字隔离芯片ISO7761实现与外部器件的数字信号传输。采用上述方案，即可使数模转换器AD5676输出±2.5V范围内的模拟电压信号。

请参阅图2，在一些实施例中，本申请实施例提供了的双极性数模转换电路，还包括：电源模块。

电源模块，其输出端与单极性数模转换器连接，用于输出第一电压和第二电压。

电源模块，包括多个电压输出端，电压模块的第一电压输出端与单极性数模转换器的电源电压输入端连接，第二电压输出端与单极性数模转换器的地线接口连接；其中，第一电压为正电压，第二电压为负电压。

请参阅图3，可选地，电源模块包括：信号发生器、第一电压转换器和第二电压转换器。

信号发生器，用于输出使能信号至第一电压转换器和第二电压转换器。其中，信号发生器包括第一使能端和第二使能端，使能信号包括第一使能信号和第二使能信号，信号发生器通过第一使能端输出第一使能信号，通过第二使能端输出第二使能信号。

第一电压转换器，包括使能端和电压输出端，使能端与信号发生器连接，用于当接收到第一使能信号时，通过电压输出端输出第一电压。

第二电压转换器，包括使能端和电压输出端，使能端与信号发生器连接，用于当接收到第二使能信号时，通过电压输出端输出第二电压。

应理解，第一电压转换器和第二电压转换器还包括电源端，两个电源端均接入有正电压，且使能端默认拉低。在接收到第一使能信号，第一电压转换器开始工作，输出第一电压；在接收到第二使能信号后，第二电压转换器开始工作，输出第二电压。通常来说，使能信号为一个高电平信号，本实施例中采用信号发生器来输出该高电平信号，实际应用中，可采用多种器件和方式实现该功能，例如处理器、电源端连接开关管等。输出正电压和负电压的电压转换器为常用的电压转换器件，具有成熟的器件和设计方法可以实现，本申请不对第一电压转换器和第二电压转换器的具体型号进行限定。

可选地，信号发生器包括第一计时单元和第二计时单元。信号发生器用于根据第一计时单元，在第一时间输出第二使能信号；信号发生器还用于根据第二计时单元，在第二时间输出第一使能信号；其中，第一时间位于第二时间之前。第一计时单元和第二计时单元可采用RC计时器，通过设置不同的电阻值和电容值，可调节电容的充放电时间，从而设定不同时间。

采用这种方案，信号发生器可根据计时单元的设定，在不同时间输出高电平信号，以使第一电压转换器在第一时间输出第二电压，第二电压转换器在第二时间输出第一电压。本实施例中，先输出负电压的第二电压，等负电压输出稳定后，再输出正电压的第一电压，从而降低正负电源相互干扰，提高电源回路的稳定性。

请参阅图4，可选地，电源模块，还包括：

第一肖特基二极管D1，其阳极与第一电压转换器的地线接口连接，阴极与第一电压转换器的电压输出端连接。

可选地，电源模块，还包括：

第二肖特基二极管D2，其阳极与第二电压转换器的电压输出端连接，阴极与第二电压转换器的地线接口连接。

采用这种方案，可更好地降低正负电源之间的干扰，提高电源回路的稳定性。

应理解，实际应用中，电路中的模拟地和数字地通常会相互独立，并通过磁珠等隔离器件连接，以避免相互干扰。本实施例中，也对双极性数模转换电路的基板地线进行了隔离处理，即电源模块的地线和隔离模块、单极性数模转换器的地线相互独立，且通过磁珠连接。

为方便理解，以下以单极性数模转换器U3采用数模转换器AD5676、数字隔离模块U2采用数字隔离芯片ISO7761、第一电压V1为+2.5V、第二电压V2为-2.5V为例，来对本申请实施例的双极性数模转换电路的工作原理进行详细说明：

请参阅图5，外部器件U1的电源接口与数字隔离模块U2第一侧的电源接口连接，外部器件U1的地线接口与数字隔离模块U2第一侧的地线接口连接，外部器件U1的通信接口与数字隔离模块U2第一侧的通信接口连接。

数字隔离模块U2第二侧的通信接口与单极性数模转换器U3的通信接口连接，数字隔离模块U2第二侧的电源接口与单极性数模转换器U3的逻辑接口Vlogic连接，数字隔离模块U2第二侧的地线接口与单极性数模转换器U3的地线接口GND连接。

单极性数模转换器U3的电源电压输入端VDD与第一电压转换器的输出端连接，单极性数模转换器U3的地线接口GND还与第二电压转换器的输出端连接。

通过合理设置第一计时单元和第二计时单元，在双极性数模转换电路上电后，第一计时单元触发信号发生器，在第一时间输出第二使能信号到第二电压转换器的使能端，以使第二电压转换器输出第二电压V2。在双极性数模转换电路中的负电压回路稳定后，第二计时单元触发信号发生器，在第二时间输出第一使能信号到第一电压转换器的使能端，以使第一电压转换器输出第一电压V1。

此时，外部器件U1输出数字信号到数字隔离模块U2的第一侧，数字隔离模块U2的第二侧输出该数字信号到单极性数模转换器U3的通信接口。在单极性数模转换器U3的电源电压输入端VDD接入+2.5V、逻辑接口Vlogic接入地线(0V)、地线接口GND接入-2.5V的情况下，单极性数模转换器U3根据输入的数字信号输出±2.5V范围内的模拟电压信号。

上述双极性数模转换电路，通过数字隔离模块在电气隔离的情况下实现单极性数模转换器与外部器件的通信。单极性数模转换器的电源电压输入端与第一电压连接，地线接口与第二电压连接，逻辑接口与单极性数模转换器的地线连接。其中，第一电压为正电压，第二电压为负电压。采用上述方案，可使单极性数模转换器输出正负电压信号，既提供了多种型号供用户选择，也大幅降低了成本。

请参阅图6，在一些实施例中，本申请实施例还提供了一种模拟信号产生系统，具体包括：

处理器，用于输出数字信号。

双极性数模转换电路，与处理器连接，用于根据处理器输入的数字信号，输出正负电压的模拟信号。可选地，双极性数模转换电路包括：单极性数模转换器和数字隔离模块。其中，数字隔离模块与处理器设于同一基板上，且处理器的电源接口与双极性数模转换电路的数字隔离模块的第一侧的电源接口连接；处理器的地线接口与双极性数模转换电路的数字隔离模块的第一侧的地线接口连接。

单极性数模转换器，包括电源电压输入端、地线接口、模拟信号输出端和通信接口。其中，电源电压输入端用于输入第一电压，地线接口用于输入第二电压；模拟信号输出端作为双极性数模转换电路的输出端，用于输出在第二电压至第一电压范围内的模拟信号；通信接口用于接收输入的数字信号。本实施例中设定第一电压为正电压，第二电压为负电压，且第一电压和第二电压的数值相等。

数字隔离模块，包括第一侧和第二侧，用于在两侧电路电气隔离的情况下，实现数字信号的传输。数字隔离模块的第一侧与外部器件连接，具体地，数字隔离模块第一侧的地线接口与处理器的地线接口连接，第一侧的电源接口与处理器的电源接口连接。数字隔离模块通过第一侧的通信接口接收外部输入的数字信号，并通过第二侧的通信接口输出数字信号至单极性数模转换器的通信接口。

进一步地，单极性数模转换器还包括逻辑接口和地线接口，单极性数模转换器的逻辑接口与数字隔离模块第二侧的电源接口连接，单极性数模转换器第二侧的地线接口与数字隔离模块第二侧的地线接口连接。

可选地，双极性数模转换电路还包括：电源模块。

电源模块，其输出端与单极性数模转换器连接，用于输出第一电压和第二电压。其中，第一电压为正电压，第二电压为负电压。

可选地，电源模块包括：信号发生器、第一电压转换器和第二电压转换器。

信号发生器，包括第一使能端和第二使能端，用于通过第一使能端输出第一使能信号至第一电压转换器，通过第二使能端输出第二使能信号至第二电压转换器。

第一电压转换器，包括使能端和电压输出端，使能端与信号发生器连接，用于当接收到第一使能信号时，通过电压输出端输出第一电压。

第二电压转换器，包括使能端和电压输出端，使能端与信号发生器连接，用于当接收到第二使能信号时，通过电压输出端输出第二电压。可选地，信号发生器包括第一计时单元和第二计时单元。信号发生器用于根据第一计时单元，在第一时间输出第二使能信号；信号发生器还用于根据第二计时单元，在第二时间输出第一使能信号；其中，第一时间位于第二时间之前。第一计时单元和第二计时单元可采用RC计时器，通过设置不同的电阻值和电容值，可调节电容的充放电时间，从而设定不同时间。

可选地，电源模块，还包括：

第一肖特基二极管，其阳极与第一电压转换器的地线接口连接，阴极与第一电压转换器的电压输出端连接。

可选地，电源模块，还包括：

第二肖特基二极管，其阳极与第二电压转换器的电压输出端连接，阴极与第二电压转换器的地线接口连接。

上述模拟信号产生系统，通过数字隔离模块在电气隔离的情况下实现单极性数模转换器与处理器的通信。单极性数模转换器的电源电压输入端与第一电压连接，地线接口与第二电压连接，逻辑接口与单极性数模转换器的地线连接。其中，第一电压为正电压，第二电压为负电压。采用上述方案，可使模拟信号产生系统输出正负电压信号，既提供了多种型号供用户选择，也大幅降低了成本。

请注意，上述实施例仅出于说明性目的而不意味对本实用新型的限制。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种双极性数模转换电路，其特征在于，包括：

单极性数模转换器，所述单极性数模转换器的电源电压输入端用于输入第一电压，地线接口用于输入第二电压，逻辑接口用于接地，模拟信号输出端作为所述双极性数模转换电路的输出端，用于输出在所述第二电压至所述第一电压范围内的模拟信号；

数字隔离模块，所述数字隔离模块通过第一侧的通信接口接收外部输入的数字信号，并通过第二侧的通信接口输出所述数字信号至所述单极性数模转换器的通信接口；

其中，所述第一电压为正电压，所述第二电压为负电压。

2.根据权利要求1所述的双极性数模转换电路，其特征在于：所述第一电压和所述第二电压的数值相同。

3.根据权利要求1所述的双极性数模转换电路，其特征在于，还包括：

电源模块，与所述单极性数模转换器连接，用于输出所述第一电压和所述第二电压。

4.根据权利要求3所述的双极性数模转换电路，其特征在于，所述电源模块包括：

信号发生器，用于通过其第一使能端输出第一使能信号，通过其第二使能端输出第二使能信号；

第一电压转换器，与所述信号发生器连接，用于当接收所述第一使能信号时，通过其电压输出端输出第一电压；

第二电压转换器，与所述信号发生器连接，用于当接收所述第二使能信号时，通过其电压输出端输出第二电压。

5.根据权利要求4所述的双极性数模转换电路，其特征在于，所述信号发生器包括第一计时单元和第二计时单元；

所述信号发生器用于根据所述第一计时单元，在第一时间输出所述第二使能信号；还用于根据所述第二计时单元，在第二时间输出所述第一使能信号；

其中，所述第一时间位于所述第二时间之前。

6.根据权利要求5所述的双极性数模转换电路，其特征在于，所述电源模块，还包括：

第一肖特基二极管，其阳极与所述第一电压转换器的地线接口连接，其阴极与所述第一电压转换器的电压输出端连接。

7.根据权利要求5所述的双极性数模转换电路，其特征在于，所述电源模块，还包括：

第二肖特基二极管，其阳极与所述第二电压转换器的电压输出端连接，其阴极与所述第二电压转换器的地线接口连接。

8.根据权利要求6或7所述的双极性数模转换电路，其特征在于：所述数字隔离模块的第二侧的电源接口与所述单极性数模转换器的逻辑接口连接，所述数字隔离模块的第二侧的地线接口与所述单极性数模转换器的地线接口连接。

9.一种模拟信号产生系统，其特征在于，包括：

处理器，用于输出数字信号；

权利要求1-8中任一项所述的双极性数模转换电路，与所述处理器连接，所述双极性数模转换电路用于根据所述处理器输入的数字信号，输出正负电压的模拟信号。

10.根据权利要求9所述的模拟信号产生系统，其特征在于，所述处理器与所述数字隔离模块设于同一基板上；

所述处理器的电源接口与所述双极性数模转换电路的数字隔离模块的第一侧的电源接口连接；

所述处理器的地线接口与所述双极性数模转换电路的数字隔离模块的第一侧的地线接口连接。