一种数模和模数转换系统与方法与流程

1.本发明涉及数据传输技术领域，尤其涉及一种数模和模数转换系统与方法。


背景技术：

2.工业上有些场合远距离传输数字量时，为了搞干扰或其他原因，有时需要将数字量转换为模拟量，如，将数字量转换为二线制4-20ma直流电流信号，接收端再将其转换为数字量。
3.数模转换将数字量转换为模拟量，通过d/a转换器完成，d/a转换器的性能指标包括非线性误差、转换精度等。模数转换将模拟量转换为数字量，通过a/d转换器完成。模数转换器的性能指标也包括非线性误差等。某些场合对da和ad转换的精度要求比较高，如：电网调度中心，向各发电厂的发电机组实时发送有功功率指令信号(即agc指令，自动发电控制的缩写)，该信号为数字量(如500.5mw)，该数字量到达发电厂的远动装置后，首先转换为4-20ma直流电流信号(模拟量)，送到分散控制系统(dcs)，dcs的电流信号采集模件再将此模拟电流信号转换为数字量，dcs根据此数字信号控制发电机组按此有功功率指令生产电能。由于远动装置和分散控制系统属于两个系统或网络，根据电力监控系统安全防护规定，这两个系统不能直接联网，不能将数字量500.5直接发送到dcs，因此，上述da和ad转换环节是目前电力调度系统必不可少的部分。由于目前da和ad转换环节中存在非线性误差等影响因素，发电厂dcs最终收到的数字量有功功率指令与调度中心最初的数字量指令之间并不完全相同，有可能导致发电机组发出的有功功率与调度中心预期的数值之间存在偏差，影响电力调度的准确性，可能导致电网性能指标的下降。
4.现有技术为了提高dcs收到的agc指令的精确性，一方面尽量提高远动装置da转换器的精度，另一方面尽量提高dcs模拟量采集模件的ad转换精度。另外，还通常采取双路信号同步传输取平均值的方式提高信号的准确性，或三路信号取中间值的方式。但是，现有技术仍然不能做到数字量的无差别传输。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决背景技术中存在的缺点，而提出的一种数模和模数转换系统与方法。
6.为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种数模和模数转换系统，包括数字量拆分器、数模转换器、模拟量传输线、模数转换器、数字量处理器和数字量合并器，其中：
7.数字量拆分器，将原始数字量d拆分为多个数字量，对每一个拆分后的数字量，转换为相应的多个模拟量,然后，将多个模拟量通过模拟量传输线传输到模数转换器，经模数转换器转换为相应的多个数字量；
8.数字量合并器，将多个数字量合并成为一个数字量。
9.优选的，模拟量传输线定义为传输4-20ma直流电流信号的电路。
10.优选的，对模拟量传输线的路数规定为：每一个模拟量独用一路，各路模拟量同步
传输；接收端实时处理接收到的各路模拟量，然后将它们最终合并为一个数字量。
11.优选的，数模转换器设置为与数字量转换相同频率的交流模拟电流或电压信号。
12.还提出了一种数模和模数转换方法，采用上述的数模和模数转换系统，将需要进行da转换后传输并在接收端进行ad转换还原的数字量d，首先拆分为不少于两个的数字量，分别进行da转换、传输、ad转换，分别还原为与不少于两个的数字量具有相同有效位数的数字量，再进行合并，得到原数字量。
13.优选的，在预先确定原始数字量最小值和最大值范围后，将最大值数字量按位拆分为单个数字量并分别进行da和ad转换，然后再合并为一个数字量。
14.优选的，在接收端增加滤波环节，对合并后的各路数字量的变化速率进行滤波。
15.优选的，原始数字量同时分别按二路或二路以上进行拆分后传输，接收端接收并处理后，将二路或二路以上的数字量进行比较判断，得到原始数字量。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
17.将数字量拆分为二路或二路以上进行da转换、传输、ad转换、合并还原为原数字量，可以做到准确还原，在某些工业领域可以实现无差别控制，确保控制指令的准确性，提高系统控制精度。本方案不依赖da和ad转换器的过高精度就可做到无差别传输，可以减少研发高精度da和ad转换器的成本，充分利用现有转换器或较低精度转换器，降低制造业负担，具有良好的经济效益和社会效益。
具体实施方式
18.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
19.提出了一种数模和模数转换系统，包括数字量拆分器、数模转换器、模拟量传输线、模数转换器、数字量处理器和数字量合并器。
20.对于一个量程为(0-1000)的数字量，如果将其转换成4-20ma直流电流信号，理想情况下的da转换器可以将0转换为4ma,1000转换为20ma。当数字量为987.6时，理想情况下的da转换器可以将其转换为19.8016ma。实际的da转换器由于存在转换误差，不可能转换为19.8016ma，如，当转换误差为万分之五时，有可能转换为19.8016
×
0.9995＝19.7916992(ma)。同理，在将19.7916992ma模拟量转换为数字量时，若转换误差为万分之五，有可能将其转换为(19.7916992
×
0.9995-4)
÷
16
×
1000＝986.3627094，与原始数字量的偏差为：987.6-986.3627094＝-1.2372906。由此可知，da和ad转换器的转换精度为万分之五时，可能导致最终的数字量偏离原始值达千分之一以上。
21.为了消除上述误差，本发明提出如下解决方案：
22.设置数字量拆分器，将原始数字量d拆分为多个数字量，对每一个拆分后的数字量，转换为相应的多个模拟量,然后，将多个模拟量通过模拟量传输线传输到模数转换器，经模数转换器转换为相应的多个数字量。设置数字量合并器，将多个数字量合并成为一个数字量。
23.该数字量拆分器的工作原理：根据原始数字量的量程、原始数字量的有效位数、da和ad转换器的转换精度进行拆分。如，设数字量的量程为0-1000，原始数字量为987.6时，有效位数为四位，da和ad转换器的精度均为万分之五，现将原始数字量拆分为两个数字量，分
别是98和7.1，将这两个数字量分别进行da和ad转换，按误差分别为最大负误差和最大正误差分别分析如下：
24.(1)假设转换误差均为最大负误差：
25.对于98，其量程定义为0-100，对应模拟量4-20ma，则da转换最大转换误差时对应的电流为(98/100*16+4)*0.9995＝19.67016(ma)；再对其进行ad转换，则最大转换误差时对应的数字量为(19.67016-4)/16*100*0.9995＝97.88953075,取其两位有效数字且对第三位有效数字进行四舍五入处理，得到98。
26.对于7.1，将其量程定义为0.0-9.9，对应模拟量4-20ma，则da转换最大转换误差时对应的电流为(7.1/9.9*16+4)*0.9995＝15.474747(ma)；再对其进行ad转换，则最大转换误差时对应的数字量为(15.474747-4)/16*9.9*0.9995＝7.09645,取其两位有效数字且对第三位有效数字进行四舍五入处理，得到7.1。
27.将以上两数字量合并，得到987.1，与原始数字量完全相同，不存在误差。
28.(2)假设转换误差均为最大正误差：
29.对于98，其量程定义为0-100，对应模拟量4-20ma，则da转换最大转换误差时对应的电流为(98/100*16+4)*1.0005＝19.68984(ma)；再对其进行ad转换，则最大转换误差时对应的数字量为(19.68984-4)/16*100*1.0005＝98.1105,取其两位有效数字且对第三位有效数字进行四舍五入处理，得到98。
30.对于7.1，将其量程定义为0.0-9.9，对应模拟量4-20ma，则da转换最大转换误差时对应的电流为(7.1/9.9*16+4)*1.0005＝15.48249(ma)；再对其进行ad转换，则最大转换误差时对应的数字量为(15.48249-4)/16*9.9*1.0005＝7.10834,取其两位有效数字且对第三位有效数字进行四舍五入处理，得到7.1。
31.将以上两数字量合并，得到987.1，与原始数字量完全相同，不存在误差。
32.数字量处理器的功能主要是上述数字量的缩位处理，即先确定有效数字的位数，然后对相应的位数进行四舍五入处理，得到原数字量相同位数的数字量。
33.以上两种形式得到的误差为理论上的最大误差，但拆分数字量分别转换然后再进行处理合并后的数字量仍与原始数字量完全相同，彻底消除了转换误差，因此，是一种不依赖转换器过高精度实现无差别传输的创新技术。
34.进一步的，在预先确定原始数字量最小值和最大值范围后，将最大值数字量按位拆分为单个数字量并分别进行da和ad转换，然后再合并为一个数字量，同样可以实现无误差转换和传输，如：数字量范围为0-1000.0，有效数字位数最大为5位，则分离后的5个数字量变化范围分别为(0-1)、(0-9)、(0-9)、(0-9)、(0.1-0.9),分别转换为4-20ma，然后再转换为对应的数字后合并成原数字量，在保留的有效数字与转换前相同的情况下，两者的误差可以做到无差别。也就是说，原数字量拆分的个数越多，越能无差别地传输数字量。
35.综上，本发明提供了一种数模和模数转换方法：将需要进行da转换后传输并在接收端进行ad转换还原的数字量d，首先拆分为二个或二个以上的数字量，分别进行da转换、传输、ad转换，分别还原为与原二个或二个以上的数字量具有相同有效位数的数字量，再进行合并，得到原数字量。
36.进一步的说明，模拟量传输线定义为传输4-20ma直流电流信号的电路，如：2芯电缆。
37.进一步的方案，还可以对模拟量传输线的路数规定为：每一个模拟量独用一路，各路模拟量同步传输；接收端实时处理接收到的各路模拟量，然后将它们最终合并为一个数字量。
38.另外，还可以采用各模拟量信号共用一路传输线的方式，各模拟量错时分别传输，如：在数字量的发送端设置帧控制信号和模拟量序号控制信号，并将上述信号同步发送到接收端。帧控制信号定义为将其高电平或低电平期间，发送的模拟量为原数字量拆分后进行da转换的一组相互关联的二路或二路以上模拟量；当其为相反电平时，期间发送的模拟量无效，也就是期间发送的信号为一组关联的信号，接收端再将它们还原为一个原始的数字量。模拟量序号控制信号定义为采用不同的电平信号或组合，作为区分模拟量路数的标志。如：当原数字量拆分为2路进行传输时，0表示传输的为第1路，1表示为第2路。当拆分为3路时，00、01、10分别表示第1-3路。
39.进一步的方案，在接收端增加滤波环节，即对合并后的各路数字量的变化速率进行滤波，以减少信号传输或转换过程中可能的干扰。如：相邻两个处理周期内，限制合并后的数字量的阶跃幅度，如，最新得到的数字量与上次得到的值之差限制在一定范围；或者取相邻数个处理周期内信号的平均值作为最新值。
40.其他的方案，上述方案中的数模转换器还可以配置为数字量转换为对应频率的交流模拟电流或电压信号，如，对于数字量0-100，转换为频率0-100hz的电信号,接收端再经频率-数字量转换器还原为数字量。同样，需要将原数字量先拆分后再进行上述处理，以确保无差别的还原数字量。
41.进一步的方案，原始数字量可以同时分别按二路或二路以上采用上述方案进行拆分后传输，接收端接收并处理后，将二路或二路以上的数字量进行比较判断，得到更为准确和可靠的原始数字量。如：对于987.1，设置四套da转换器，第1、2da转换器分别转换98、7.1为模拟量并进行传输；第3、4da转换器也分别转换98、7.1为模拟量并进行传输，接收端的ad转换器也设置为四套，分别接收并转换为两个四位的数字量，将这两个四位数字量进行比较，无差别时认为数据可信，否则认为数据错误，再进行下次接收和处理。
42.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

技术特征：
1.一种数模和模数转换系统，其特征在于：包括数字量拆分器、数模转换器、模拟量传输线、模数转换器、数字量处理器和数字量合并器，其中：数字量拆分器，将原始数字量d拆分为多个数字量，对每一个拆分后的数字量，转换为相应的多个模拟量,然后，将多个模拟量通过模拟量传输线传输到模数转换器，经模数转换器转换为相应的多个数字量；数字量合并器，将多个数字量合并成为一个数字量。2.根据权利要求1所述的一种数模和模数转换系统，其特征在于：模拟量传输线定义为传输4-20ma直流电流信号的电路。3.根据权利要求1所述的一种数模和模数转换系统，其特征在于：对模拟量传输线的路数规定为：每一个模拟量独用一路，各路模拟量同步传输；接收端实时处理接收到的各路模拟量，然后将它们最终合并为一个数字量。4.根据权利要求1所述的一种数模和模数转换系统，其特征在于：数模转换器设置为与数字量转换相同频率的交流模拟电流或电压信号。5.一种数模和模数转换方法，其特征在于：采用权利要求1-4中任意一条所述的数模和模数转换系统，将需要进行da转换后传输并在接收端进行ad转换还原的数字量d，首先拆分为不少于两个的数字量，分别进行da转换、传输、ad转换，分别还原为与不少于两个的数字量具有相同有效位数的数字量，再进行合并，得到原数字量。6.根据权利要求5所述的一种数模和模数转换方法，其特征在于：在预先确定原始数字量最小值和最大值范围后，将最大值数字量按位拆分为单个数字量并分别进行da和ad转换，然后再合并为一个数字量。7.根据权利要求5所述的一种数模和模数转换方法，其特征在于：在接收端增加滤波环节，对合并后的各路数字量的变化速率进行滤波。8.根据权利要求5所述的一种数模和模数转换方法，其特征在于：原始数字量同时分别按二路或二路以上进行拆分后传输，接收端接收并处理后，将二路或二路以上的数字量进行比较判断，得到原始数字量。

技术总结
本发明涉及数据传输技术领域，尤其涉及一种数模和模数转换系统，包括数字量拆分器、数模转换器、模拟量传输线、模数转换器、数字量处理器和数字量合并器，还提出了一种数模和模数转换方法，本发明将数字量拆分为二路或二路以上进行DA转换、传输、AD转换、合并还原为原数字量，可以做到准确还原，在某些工业领域可以实现无差别控制，确保控制指令的准确性，提高系统控制精度。本方案不依赖DA和AD转换器的过高精度就可做到无差别传输，可以减少研发高精度DA和AD转换器的成本，充分利用现有转换器或较低精度转换器，降低制造业负担，具有良好的经济效益和社会效益。济效益和社会效益。


技术研发人员：宋扬 许志鹏
受保护的技术使用者：宋扬
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/21