數模轉換裝置及方法
【專利摘要】本發明提供一種數模轉換裝置及方法，其中裝置包括一數模驅動器，用于將外部輸入的一K位長度的第一數字信號轉換為一N位長度的第二數字信號，其中K>N，K和N為大于零的整數；一數模轉換器，所述數模轉換器的精度位數為N，用于接收所述第二數字信號，并將所述第二數字信號轉換成一第一模擬信號；一低通濾波器，用于接收所述第一模擬信號，并對所述第一模擬信號進行低通濾波，輸出一第二模擬信號。本發明的數模轉換裝置及方法實現了在現有較低位數DA轉換器的基礎上，實現高位數數字信號輸入的高精度模擬信號輸出，并具有成本低、解析精度高的優點。
【專利說明】
數模轉換裝置及方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及信號處理領域，尤其涉及一種數模轉換裝置及方法。
【背景技術】
[0002]在高精度時間頻率領域，需要對諸如恒溫晶體振蕩器(OCXO)或變容二極管等進行精密控制，這樣的控制信號可能要求的控制電壓精度達到數IiV量級。隨著數字技術的發展，越來越多的控制電路采用了數字控制方式，對模擬信號進行模數轉換(AD)并進行數字處理后輸出數據至數模轉換(DA)器轉換為模擬電壓信號。對于像控制OCXO這樣的電路而言，要達到uV量級的電壓控制精度，則一般需要DA轉換器具備20位以上的解析精度。這樣的DA轉換器通常價格昂貴，且應用領域有限。
【發明內容】
[0003]針對上述現有技術中的不足，本發明提供一種數模轉換裝置及方法，實現了在現有較低位數DA轉換器的基礎上，實現高位數數字信號輸入的高精度模擬信號輸出，并具有成本低、解析精度高的優點。
[0004]為了實現上述目的，本發明一方面提供一種數模轉換裝置，包括:
[0005]—數模驅動器，用于將外部輸入的一 K位長度的第一數字信號轉換為一 N位長度的第二數字信號，其中K>N，K和N為大于零的整數；
[0006]—數模轉換器，所述數模轉換器的精度位數為N，用于接收所述第二數字信號，并將所述第二數字信號轉換成一第一模擬信號；以及
[0007]—低通濾波器，用于接收所述第一模擬信號，并對所述第一模擬信號進行低通濾波，輸出一第二模擬信號。
[0008]優選地，所述數模驅動器包括:
[0009]—隨機噪聲產生模塊，用于產生一 M位數值為O?2M—1的第一噪聲數據，且M=K-N;
[0010]一數據擴展模塊，用于接收所述第一噪聲數據，并通過對所述第一噪聲數據高位補充N個零，使所述第一噪聲數據的位數由M位擴展至K位，獲得一第二噪聲數據；
[0011 ] 一相加求和模塊，用于接收所述第一數字信號和所述第二噪聲數據，并對所述第一數字信號和所述第二噪聲數據相加求和，獲得一求和結果數據；
[0012]—高位截取及處理模塊，用于接收所述求和結果數據，并自所述求和結果數據的最高位起向低位方向截取N位數據形成所述第二數字信號。
[0013]優選地，所述低通濾波器的帶寬小于所述數模轉換器的一工作時鐘頻率的M分之
O
[0014]本發明又一方面提供一種數模轉換方法，包括步驟:
[0015]S1:設置如權利要求1所述的數模轉換裝置；
[0016]S2:通過所述數模驅動器接收所述K位長度的第一數字信號并將其轉換為所述N位長度的第二數字信號；
[0017]S3:通過所述數模轉換器接收所述第二數字信號，并將所述第二數字信號轉換成一第一模擬信號；
[0018]S4:通過所述低通濾波器對所述第一模擬信號進行低通濾波，輸出一第二模擬信號。
[0019]優選地，所述步驟S2進一步包括步驟:
[0020]S21:通過所述數模驅動器接收所述第一數字信號，并產生一M位數值為O?2M—1的第一噪聲數據，且M=K-N;
[0021]S22:通過所述數模驅動器對所述第一噪聲數據高位補充N個零，使所述第一噪聲數據的位數由M位擴展至K位，獲得一第二噪聲數據；
[0022]S23:通過所述數模驅動器對所述第一數字信號和所述第二噪聲數據相加求和，獲得一求和結果數據；
[0023]S24:通過所述數模驅動器自所述求和結果數據的最高位起向低位方向截取N位數據形成所述第二數字信號。
[0024]優選地，所述步驟S4進一步包括步驟:
[0025]S41:設置所述低通濾波器的帶寬，使得所述低通濾波器的帶寬小于所述數模轉換器的一工作時鐘頻率的M分之一；
[0026]S42:對所述第一模擬信號進行低通濾波，輸出一第二模擬信號。
[0027]本發明由于采用了以上技術方案，使其具有以下有益效果:
[0028]數模驅動器的采用，實現了將K位長度的第一數字信號高精度地轉換成N位長度的第二數字信號，從而為實現在現有較低位數(N位)的數模轉換器的基礎上，實現高位數數字信號輸入的高精度模擬信號輸出。低通濾波器的帶寬小于所述數模轉換器的一工作時鐘頻率的M分之一，實現對數模轉換后的信號高頻噪聲濾除，輸出平穩的第二模擬信號。同時，本發明實現了利用低精度數模轉換器實現高精度模擬輸出的精度擴展，結構簡單，容易實現。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明實施例的數模轉換裝置的結構示意圖；
[0030]圖2為本發明實施例的數模轉換方法的流程圖
【具體實施方式】
[0031]下面根據附圖1-2，給出本發明的較佳實施例，并予以詳細描述，使能更好地理解本發明的功能、特點。
[0032]請參閱圖1，本發明的一種數模轉換裝置，包括:
[0033]—數模驅動器I，用于將外部輸入的一K位長度的第一數字信號轉換為一N位長度的第二數字信號，其中K>N，K和N為大于零的整數；
[0034]—數模轉換器2，數模轉換器2的精度位數為N，用于接收第二數字信號，并將第二數字信號轉換成一第一模擬信號。
[0035]一低通濾波器3，用于接收第一模擬信號，并對第一模擬信號進行低通濾波，輸出一第二模擬信號。
[0036]數模驅動器I的采用，實現了將K位長度的第一數字信號高精度地轉換成N位長度的第二數字信號，從而為實現在現有較低位數(N位)的數模轉換器2的基礎上，實現高位數數字信號輸入的高精度模擬信號輸出。
[0037]本實施例中，第一數字信號和第二數字信號均采用二進制。K大于N，第二數字信號數據再輸入至解析精度為N位的數模轉換器2，實現數字信號至模擬信號的轉換，形成第一模擬信號的模擬電壓，輸出的第一模擬信號再經低通濾波器3，最后輸出等效位數擴展至K位的高精度驅動電壓信號，即第二模擬信號。例如:用12位數模轉換器2實現20位數模控制精度，則 K = 20，N=12。
[0038]本實施例中，N位的數模轉換器2在工作時鐘的驅動下，實現N位數字信號的輸入和一路模擬信號的輸出。
[0039]本實施例中，數模驅動器I包括:
[0040]—隨機噪聲產生模塊11，用于產生一 M位數值為O?2^1的第一噪聲數據，且M = K-N；
[0041]—數據擴展模塊12，用于接收第一噪聲數據，并通過對第一噪聲數據高位補充N個零，使第一噪聲數據的位數由M位擴展至K位，獲得一第二噪聲數據；
[0042]一相加求和模塊13，用于接收第一數字信號和第二噪聲數據，并對第一數字信號和第二噪聲數據相加求和，獲得一求和結果數據；
[0043]一高位截取及處理模塊14，用于接收求和結果數據，并自求和結果數據的最高位起向低位方向截取N位數據形成第二數字信號。
[0044]其中，當數模轉換器2采用二進制補碼驅動時，第二數字信號采用補碼表達；
[0045]當數模轉換器2采用二進制移碼驅動時，第二數字信號采用移碼表達。
[0046]其中，正整數的補碼是其二進制表示，與原碼相同；負整數的補碼，將其對應正數二進制表示所有位取反。移碼(又叫增碼)是符號位取反的補碼。
[0047]本實施例中，低通濾波器3的帶寬小于數模轉換器2的一工作時鐘頻率的M分之一。
[0048]低通濾波器3的帶寬小于數模轉換器2的一工作時鐘頻率的M分之一，實現對數模轉換后的信號高頻噪聲濾除，輸出平穩的第二模擬信號。
[0049]本發明的一種數模轉換裝置的隨機噪聲產生模塊11、數據擴展模塊12、相加求和模塊13和高位截取及處理模塊14的時鐘與數模轉換器2的工作時鐘一致。
[0050]其中，隨機噪聲產生模塊11產生M位數值為O至2^1的均勻分布噪聲數據，其中M=1(4。假定1( = 20 4=12，1=8則產生的隨機數為0至255之間的均勻分布二進制無符號數值，即第一噪聲數據。在數字系統中采用二進制補碼進行運算，將隨機噪聲產生模塊11產生M位數值在高位補充N個零后擴展為K位噪聲數據，即第二噪聲數據，此時第二噪聲數據以補碼表達的范圍仍然是O至2M—1。外部輸入的K位第一數字信號和擴展為K位的第二噪聲數據在相加求和模塊13按二進制補碼相加求和，獲得K位的求和結果數據進入高位截取及處理模塊14。高位截取及處理模塊14截取求和結果數據的K位數據的最高N位數據，并根據數模驅動器I的要求采用補碼或移碼表達為N位第二數字信號進入數模轉換器2。數模轉換器2在時鐘驅動下，實現N位數據輸入和一路模擬信號輸出。由于數模驅動器I的N位數據疊加了噪聲控制信息，其模擬信號輸出具有一定的高頻分量，需要通過低通濾波器3濾波高頻信號影響，低通濾波器3帶寬設置為數模轉換器2工作時鐘頻率的M分之一以下，即可實現穩定的控制電壓輸出。
[0051]本發明實現了利用低精度數模轉換器2實現高精度模擬輸出的精度擴展，裝置簡單，容易實現。
[0052 ]請參閱圖1、圖2，本發明的一種數模轉換方法，包括步驟:
[0053]S1:設置本發明實施例的數模轉換裝置；
[0054]S2:通過數模驅動器I接收K位長度的第一數字信號并將其轉換為N位長度的第二數字信號；
[0055]S3:通過數模轉換器2接收第二數字信號，并將第二數字信號轉換成一第一模擬信號；
[0056]S4:通過低通濾波器3對第一模擬信號進行低通濾波，輸出一第二模擬信號。
[0057]優選地，步驟S2進一步包括步驟:
[0058]S21:通過數模驅動器I接收第一數字信號，并產生一 M位數值為O?2M—1的第一噪聲數據，且M=K-N;
[0059]S22:通過數模驅動器I對第一噪聲數據高位補充N個零，使第一噪聲數據的位數由M位擴展至K位，獲得一第二噪聲數據；
[0060]S23:通過數模驅動器I對第一數字信號和第二噪聲數據相加求和，獲得一求和結果數據；
[0061]S24:通過數模驅動器I自求和結果數據的最高位起向低位方向截取N位數據形成第二數字信號。
[0062]本實施例中，當數模轉換器2采用補碼驅動時，第二數字信號采用補碼表達；當數模轉換器2采用移碼驅動時，第二數字信號采用移碼表達。
[0063]本實施例中，步驟S4進一步包括步驟:
[0064]S41:設置低通濾波器3的帶寬，使得低通濾波器3的帶寬小于數模轉換器2的一工作時鐘頻率的M分之一；
[0065]S42:對第一模擬信號進行低通濾波，輸出一第二模擬信號。
[0066]以上所述的，僅為本發明的較佳實施例，并非用以限定本發明的范圍，本發明的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據本發明申請的權利要求書及說明書內容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發明專利的權利要求保護范圍。
【主權項】
1.一種數模轉換裝置，其特征在于，包括: 一數模驅動器，用于將外部輸入的一 K位長度的第一數字信號轉換為一 N位長度的第二數字信號，其中K>N，K和N為大于零的整數； 一數模轉換器，所述數模轉換器的精度位數為N，用于接收所述第二數字信號，并將所述第二數字信號轉換成一第一模擬信號；以及 一低通濾波器，用于接收所述第一模擬信號，并對所述第一模擬信號進行低通濾波，輸出一第二模擬信號。2.根據權利要求1所述的數模轉換裝置，其特征在于，所述數模驅動器包括: 一隨機噪聲產生模塊，用于產生一 M位數值為O?2^1的第一噪聲數據，且M=K-N; 一數據擴展模塊，用于接收所述第一噪聲數據，并通過對所述第一噪聲數據高位補充N個零，使所述第一噪聲數據的位數由M位擴展至K位，獲得一第二噪聲數據； 一相加求和模塊，用于接收所述第一數字信號和所述第二噪聲數據，并對所述第一數字信號和所述第二噪聲數據相加求和，獲得一求和結果數據；以及 一高位截取及處理模塊，用于接收所述求和結果數據，并自所述求和結果數據的最高位起向低位方向截取N位數據形成所述第二數字信號。3.根據權利要求2所述的數模轉換裝置，其特征在于，所述低通濾波器的帶寬小于所述數模轉換器的一工作時鐘頻率的M分之一。4.一種數模轉換方法，包括步驟: SI:設置如權利要求1所述的數模轉換裝置； S2:通過所述數模驅動器接收所述K位長度的第一數字信號并將其轉換為所述N位長度的第二數字信號； S3:通過所述數模轉換器接收所述第二數字信號，并將所述第二數字信號轉換成一第一模擬信號； S4:通過所述低通濾波器對所述第一模擬信號進行低通濾波，輸出一第二模擬信號。5.根據權利要求4所述的數模轉換方法，其特征在于，所述步驟S2進一步包括步驟: S21:通過所述數模驅動器接收所述第一數字信號，并產生一M位數值為O?2M—1的第一噪聲數據，且M=K-N; S22:通過所述數模驅動器對所述第一噪聲數據高位補充N個零，使所述第一噪聲數據的位數由M位擴展至K位，獲得一第二噪聲數據； S23:通過所述數模驅動器對所述第一數字信號和所述第二噪聲數據相加求和，獲得一求和結果數據； S24:通過所述數模驅動器自所述求和結果數據的最高位起向低位方向截取N位數據形成所述第二數字信號。6.根據權利要求5所述的數模轉換方法，其特征在于，所述步驟S4進一步包括步驟: S41:設置所述低通濾波器的帶寬，使得所述低通濾波器的帶寬小于所述數模轉換器的一工作時鐘頻率的M分之一； S42:對所述第一模擬信號進行低通濾波，輸出一第二模擬信號。
【文檔編號】H03M1/66GK106027058SQ201610573842
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月20日
【發明人】帥濤, 林傳富, 謝勇輝, 陳鵬飛, 裴雨賢, 沈超, 潘曉燕, 趙陽, 薛紅
【申請人】中國科學院上海天文臺