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

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