电压频率的变换原理

图3.3.17
XTR1I0的基本应用电路
3.4电压/顿率变换与频率/电压变换
3.4.1电压/频率变换
电压顺奉变换(UFCO) 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
率与输入信号的电压值早正比，这就提供了一种简单 的模拟数字转换方法。做这种变换的
原因是对一个脉冲串进行传输和解码，要比一个模拟信号精确得多，特别是在传输线较长
或干扰严重的情况下更是如此。电压/频率变换电路的应用十分厂泛，在不同的应用领域有
不同的名称:在无线电技术中，它被称为频率调制(FM):在信号源电路中，它被称为压控
振荡器(UCO); 在信号处理与变换电路中，它被称为电压/频率变换电路或准模/数转换电
路。
积分复原型电压/频率变换器由积分器、比较器和积分复原模拟开关等部分组成。各种
积分复原型电压/频率变换器的工作原理基本相似，主要差别在于复位方法、复位时间的长
短不同。其模拟开关常用晶体管、场效应管等元件。如图3.4.1 所示为积分复原型电压/频率
变换器的原理图。
输入信号出一模拟开关!
↑参考电压咖
图3.4.1积分 复原型电压/频率变换器的原理图
积分复原型电压/频率变换器的工作原理为:输入信号ui经过积分器积分，积分后的电
压
压uo与比较器的参考电压HR进行比较，当146=711时，比较器翻转，其输出控制模拟开关切
换到w:
模拟开关使积分器复原为零。
假定ur>0，则积分器输出为
u。=
fu.dr
(3-4-1)
式中，r为积分器的时间常数。
经过一段时间T后，u,=-uT=up，比较器翻转，积分器经过一段时间 T2后复原为
零。在设计电路时使T2<<T,则比较器输出的频率为
1
11
fo =
T+T2 T TUle
一1
(3-4-2)
≈
电路的输出频率fo与输入信号u;的幅值呈正比。
由通用模拟集成电路组成的UFC电路，尤其是专用模拟集成电压/频率转换器，其性能
稳定、灵敏度高、非线性误差小。
由集成运放组成的积分复原型电压/频率变换器及其输出波形积分复原型电压颇率变换器的精度和动态范围由于复位电路具有非线性特性而受到限
制，提高其精度的主要方法是缩短复位时间。若要使其非线性误差从0.1%提高一个数量
级，达到0.01%，则复位时间必须减短到最小信号周期的0.01%以下。 当额定工作频率为
10kHz时，信号最小周期为0.1ms,复位时间则必须小于0.01μs，使得积分复原型电压/频率
变换器往往很难实现。采用电荷平衡法可以解决上述问题。如图3.4.4、图3.4.5所示为电荷
平衡型电压/频率变换器的原理图及波形图。该变换器的复位电路由定时电路、恒流源和模
拟开关组成，复位电路的工作由比较器A2控制。每当比较器的输出从高电位变到低电位
时，定时电路就输出脉宽固定为T2 的负脉冲，使VD2 截止，VD1导通。输入电流I加入
后，积分器A负向积分，当A:的输出电压下降到比较器A2给定的基准电压up时，比较器
A2的输出从高电位变成低电位，于是复位电路从积分电容上取走固定电荷量1I2。因为I
总大于心所以在定时电路输出负脉冲期间，积分器正向积分，直到定时电路复原，才又开
始下一个周期。 在一个周期内，积分电容得到的电荷量与放出的电荷量应该相等，即1T=
IJI2,则输出频率为