电压／频率转换电路

5．3．3　电压／频率转换电路

由于频率信号抗干扰性好，便于远距离传送，故在一些非快速的远距离测量中，越来越趋向于进行电压／频率（V／F）转换；而为了对一些频率信号传感器的输出信号进行显示，需进行逆转换，即频率／电压（F／V）变换。

实现电压／频率转换的方法有积分复原型、电荷平衡型等多种，但目前集成电压／频率转换器大多采用后者的方法。

1）电荷平衡型转换原理

由图5．40（a）知，整个电路由积分器A1及其外围电路、比较器A2、单稳定时器开关式晶体管、恒流源及其模拟开关K组成。

图5．40　电荷平衡型电压／频率转换工作原理

当模拟开关K处于图示位置时，恒流源和积分器隔开，这时积分器的输出电压VT随输入电流（i_i＝V_i／R_i）对积分电容C_int的充电而下降。当下降到等于0时，比较器A2发生跳变，触发单稳定时器，使其产生一个脉宽为t_os的脉冲（改变外接电容C_os可改变t_os），并使模拟开关K发生从闭合t_os时间到再打开的过程。在K闭合期间，接通恒流源和积分电路，并使积分电容C_int反充电（放电），期间的放电电荷量为：

此后又重复对积分电容充电，使充电时间为T₁，充电电荷量为：

因放电量等于充电量，q₁＝q₂，故有：

与此同时，单稳定时器产生的脉冲又推动集电极开路晶体管导通、截止，使输出电压V_o的变化频率与脉冲频率一致，即

可见，输出频率与输入电流成正比。

2）电压／频率转换器常用集成芯片及其应用

用于电压／频率转换器的常用集成芯片有VFC32，AD650、AD651以及LM31系列（LM131／LM231／LM331）等。

（1）VFC32用做电压／频率转换

VFC32的内部结构和正电压输入时的外部连线如图3．41所示。图中i_i＝V_i／R_i，i_R＝1mA为恒流源，C₂为积分电容，C₁为脉宽t_os形成电容。

图5．41　VFC32内部结构和正电压输入时的接线

当t_os＝（C₁＋44pF）×6．7kΩ时，输出频率f_out与输入电流i_i的关系为：

满量程时为：

因VFC32的i_imax＝0．25mA，故图5．41中的外接元件可按下式选取：

上拉电阻为：

例如，若取C₁＝3 650pF，C₂＝0．01μF，R_i＝40kΩ，则V_imax＝10V时，f_max＝10kHz，而取C₁＝330pF，C₂＝1 000pF，R_i＝40kΩ，则当V_imax＝10V时，f_max＝100kHz。可见，相同量值的输入电压，可获得不同频率的输出。VFC32按图5．41接法，适当选取上述参数，最高可获500kHz的频率输出。

如果V_i为负值，则应按同相输入法进行积分。即将图5．41中A1的同相输入端（14端）从接地改为经R_i接V_i，而将原来接V_i的一端（1端）改为接地。

图5．42　VFC32用做频率／电压转换的接线

（2）VFC32用做频率／电压转换

VFC32用做频率／电压转换时的接线如图5．42所示。图中A2仍为比较电路，输入频率f_i信号过零时，A2翻转，触发单稳进入暂稳状态，将恒流源i_s接入A1的反相输入端。若R_s不并接C₂，则A1的输出电压是脉宽为t_os、频率为f_i、幅度为R_si_s的方波信号；并接C₂后，滤除交流成分，A1的输出为方波电压的平均值，此值为：

可见，V_o正比于f_i。

AD650、AD651等芯片是与VFC32相类似的电荷平衡型芯片。

LM31系列芯片的工作原理和接法与VFC32不同。在LM31系列中，输入电压Vi接在比较器的一端作为比较器基准电压；而由模拟开关控制的恒流源对外接RC网络的充电和网络RC的放电的交替进行形成的电容电压作为比较器的输入电压，比较产生的输出电压经集电极开路晶体管形成相应频率的方波输出。