电压一频率变换电路

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电压—频率变换电路

电压一频率变换电路（VFC）能把输入信号电压变换成相应的频率信号，即它的输出信

号频率与输入信号电压值成比例，故又称之为电压控制振荡器（VCO）。VFC广泛地应用于调

频、调相、模／数变换(A/D)、数字电压表、数据测量仪器及远距离遥测遥控设备中。由通

用模拟集成电路组成的VFC电路，尤其是专用模拟集成V /F转换器，其性能稳定、灵敏度

高、非线性误差小。

VFC电路通常主要由积分器、电压比较器、自动复位开关电路等三部分组成。各种类型

VFC电路的主要区别在于复位方法及复位时间不同而已。下面将讨论由运放构成的各种VFC

电路和典型的模拟集成V /F转换器。

4.1运放构成的VFC电路

4.1.1简单的VFC电路

图4.1.1所示为简单的VFC电路。

图4.1.1 简单的VFC电路

从图4.1.1可知，当外输入信号vi＝0时，电路为方波发生器。振荡频率fo为

当时，运放同相输入端的基准电压由vi和反馈电压Fvvo决定。如vi＞0，

则输出脉冲的频率降低，f＜fo ；如vi＜0，则输出脉冲的频率升高，f＞fo。可见，输出信

号频率随输入信号电压vi变化，实现V/F变换。

4.1.2复位型VFC电路

复位型VFC电路采用各种不同形式的模拟电子开关对VFC电路中的积分器进行复位。

（1）场效应管开关复位型VFC电路

图4.1.3所示为场效应管开关复位型VFC电路及其波形。

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图4.1.3 场效应管开关复位型VFC电路及其波形

由图可知，接通电源后，由于比较器A2的反相输入端仅受VB (VB＞0)的作用，其输出

端处于负向饱和状态vo2=vo2L（＜0＝，复位开关管T1栅极电位被箝位在数值很大的负电

平上而截止，输出管T2截止，输出电压vo＝VoL(< 0)，VFC电路处于等待状态。

当输入正的信号vi后，反相积分器A1输出端电压Vol从零开始向负方向线性增加，当

Vol的幅值| Vol | 略大于VB（注意R2=R4）时，A2输出状态翻转，从负向饱和状态跳变到

正向饱和状态,Vo2＝vo2H（＞0，T2饱和导通，Vo＝VoH（＞0），二极管D截止，Tl因栅极

开路而导，C1通过Tl快速放电，|Vol| 决速下降，A2的输出状态很快又翻转，vo2 ＝Vo2L ，

T2截止，Vo＝VOL，T1截止，vi又通过Al对Cl充电， vol又从接近零值开始向负方向线性

增加，重复上述工作过程，因而输出端输出频率与输入信号vi的幅度大小有关的脉冲串。

当vi增大时，vo1向负方向增加的速度加快，A2输出端从负向饱和跳变到正向饱和状态的

时间提前，脉冲串频率升高；当Vi减小时，则相反，脉冲串频率降低。

（2）双极型管开关复位型VFC电路

图4.1.4所示为双极型三极管开关复位型VFC电路及其波形。

图4.1.4 双极型三极管开关复位型VFC电路及其波形

由图可知，当接通电源，且输入信号vi＝0时，由于比较器A2反相输入端电位(VD1> 0)

高于同相输入端电位（≤0）,A：输出端处于负向饱和状态，Vo＝VoL(<0)。同时，开关管T

截止，积分器A1输出电压Vol=0。VFC电路处于等待状态。

当输入负的信号vi时， vi 经 Al向Cl充电，vol正方向线性增加，当Vol上升到比较器

A2的上门限电压 时，A2输出状态翻转，从负向饱和状态跳变到正向饱和状态，vo＝VoH(>

0)。此时，开关管T基极获正偏电压而饱和导通。积分电容Cl通过T快速放电，vol快速下

降。当vol降到A2的下门限电压 时，A2输出又跳变为负向饱和状态，Vo＝VoL。

4.1.3反馈型VFC电路

图4.1.5所示为反馈型VFC电路及其波形。

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图4.1.5 反馈型VFC电路及其波形

由图4.1.5可知，它由积分器A1、比较器A2及开关管T组成。开关管不再与积分电容

C1并联，而是接在运放A1的反相输入端与地之间。

当接通电源，且vi＝0时，由于VR(< 0)的影响，使A2输出处于负向饱和状态，vo2＝Vo2L(<

0) ,开关管T截止，输出电压vo为低电平VoL。

4.1.4恒流源复位型VFC电路

图4.1.6所示为恒流源复位型VFC电路。

图4.1.6 恒流源复位型VFC电路

所谓恒流源复位，是指在积分电容C放电时，由复位电路产生的电流能使C在短时间

内放电的电荷量与较长时间充电所得的电荷量相等，提高VFC的精度，这种电路又称电荷平

衡型。如图所示电路，当vi为－1 mV~－10 V范围变化时，输出脉冲频率范围为1 Hz～10 kHz，

非线性失真误差低于0.02％，总精度可达0.04％。输出信号的频率与输入信号幅度值成线性

正比例关系。

4.2集成化VFC电路

模拟集成V/F, F/V转换器，具有精度高、线性度高、温度系数低、功耗低、动态范围宽

等一系列优点，目前已广泛地应用于数据采集、自动控制和数字化及智能化测量仪器中。集

成V/F、F/V转换器大多采用恒流源复位型VFC电路作基本电路。

4.2.1 LM131系列

LM131系列V /F与F/V转换器，包括LM131/LM131A, LM231/LM231A和LM331/LM331A

几种型号，是电荷平衡型转换器。其工作频率可达到100 kHz；最大线性度，工作频率f＝

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kHz时为0.01％，f＝100 kHz时为0. 014％（外增设运放OP）；低功耗，Vcc = 5 V时为15 mW；

输出脉冲电平可与TTL、CMOS电路兼容。

图4.2.4所示为LM331和运放A (tcA741)构成的精密V /F转换电路。

图4.2.4 LM331 V/F转换电路

电路中，LM331的阀值电压端加上比较电平Vth6= Vcc/2＝7.5V，7脚输入的比较电压由

外输入信号vi经运放A及Ri、Cf构成的反相积分器产生。当积分器输出电压v7≥v6 =Vth6

时，芯片内单稳态定时电路中的R-S触发器置位，，电流开关SW把

镜象电流源is接通1脚流出，对Cf反方向充电，使积分输出电压下降，v7＜Vth6 ，芯片内

单稳态定时电路中的放大管T截止，＋Vcc经Rt对Ct充电，vct上升，当

时，R-S触发器复位，

把is短接到地，放电管T导通，Ct通过T快速放电，

电，积分器输出电压正向线性增加，v7上升。当

环往复，在输出端3脚产生一个频率为fo的脉冲波。

图4.2.5所示为LM331和运放A构成的精密FVC电路。电路中，运放A作缓冲级，并构

成二阶有源滤波器，当工作频率f＞1 kHz时，纹波电压峰值小于5 mV，而且响应速度快。 ，电流开关SW又对Cf正向充时，R-S触发器又置位。如此循

图4.2.5 LM331精密FVC电路

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图4.2.6所示为LM331与单片微处理器构成的数字化测量仪中的数据处理及显示电路。

图4.2.6 LM331数据处理及显示电路

由图可知，多路模拟开关4052、程控放大器OP及低通滤波器Ri , Ci，对传感器产生0～

5 V的模拟输入信号进行预处理。4052的八个通道，其中四个通道用于信号输入选通，而其

中一个通道接地，另三个通道连接在一起，可以在程序控制下，实现测量时的自动去零及量

程的自动转换，如三个通道分别接不同传感器产生的模拟信号，则可以实现多信号检测；八

个通道中的另外四个通道与运放OP配合构成程控增益放大器，对小输入信号预放大。阻容

滤波器RLCL用于滤除微小的尖峰脉冲。LM331实现模拟输入信号电压转换成频率变化的信

号。微处理器部分由单片微处理器CPU 8031、程序存贮器2732、可编程接口8155及缓冲器

和显示器等组成。

电路中，采用计数法来测量LM331输出的频率信号。8031芯片内的两个定时／计数器

To和T1，置To为计数方式1，T1为定时方式1，定时时间为100 ms，溢出十次可获得1秒

的定时，此刻T。的计数值即为LM331输出的频率值。微处理器把双字节二进制的计数又转

换成5位BCD码，以便译码显示出待测的输入电压数值。

本系统的软件应包括测频，V/F转换非线性补偿、数据的转换及显示等模块。

4.2.2 AD650

AD650是单片集成电荷平衡型V /F及F/V转换器。其工作频率f可达到1 MHz，具有输

出连续跟踪输入、线性好的特点。最大线性度，f=10 kHz时为0.002％，f=100 kHz时为0.005％，

f=1 MHz时为0.07％。输入失调可调整至零，输出可与CMOS和TTL电平兼容。 图4.2.9所示为各类型输入电压时的AD650 VFC电路。三个电路中的AD650芯片，除2～

4脚外，其余各引脚外围电路接法完全相同。其中，图(a)为单极性正输入电压电路，与图

2-4-14原理电路一样，正输入电压经积分电阻加到积分运放A1的反相输入端3脚，A1的同

相输入端2脚接模拟地，由信号源提供积分电流来驱动AD650 0双极性失调电流调整端4

脚不用，悬空。图(b)为单极性负输入电压电路，负输入电压加到积分器A1同相输入端，因

A1两输入端“虚短”，故积分电流是通过R1、R3从模拟地（信号源正极）取出。4端不用，

悬空。电路工作原理与图(a)基本相同，外围元件参数选择原则亦相同。图(c )为双极性（士

5V）输入电压电路。双极性输入电压经积分电阻加到A1的反相输入端，同相输入端2

脚接

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10 kΩ电阻到模拟地。4脚外接1. 24 kΩ的电阻到负电源端5脚，可得到标称值为0. 5 mA (10％)的偏移电流源，使2脚得到

3脚电压的偏移电压。因A1两输入端“虚短”，即，所以当输入信号时，积分电流

。电路工作原理与图2-4-14所

示原理电路相同。

图4.2.9 各类型输入电压时的AD650 VFC电路

图4.2.10所示为AD650 FVC电路。

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图4.2.10 AD650 FVC电路

负极性频率信号经微分网络Cd和Rd后从比较器A2的反相输入端9脚输入，当负脉冲到，其前沿产生负向尖脉冲，使vo＜Vth＝一0. 6 V ，比较器输出变高电平，触发单稳态电路进入暂稳定状态，输出高电平，使电流开关SW与积分器A1的反相输入端相接，恒流源is置入A1的反相输入端，对积分电容CINT充电，同时有漏电流流经R1和R3，积分输出电压vo线性上升，单稳态电路结束暂稳定状态，回到稳定状态后，CINT对R1、R3慢放电。下一个负脉冲到，电路又重复上述过程。

可见，输出电压vo的平均值与输入负脉冲的频率成正比，实现频率一电压转换功能。

本文摘自: 大学生电子设计联盟() 详细出处请参考：/forum.php?mod=viewthread&tid=16604&fromuid=1

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2qtq.html