[其他]电压——频率变换器

说明书

本发明是关于电的模拟电压信号线性地转换成频率信号的电压-频率变换器电路的改进。

做为高精度的电压-频率变换器的各种类型的电路中，积分定电荷反馈型（也称电荷平衡型）的电路取得了好的效果。上述积分定电荷反馈复原型的电压-频率变换器的精确度与稳定性主要取决于定电荷的精确度与稳定性，而定电荷的方式主要有两种，一种是定宽度恒定电流来定电荷，另一种是称谓精密电荷分配器的电容定电压来定电荷。

典型的定宽度、恒流来定电荷的积分定电荷反馈复原型电压-频率变换器的原理图为：Instruments    &    Control    Systems    1981年8月号57页图10所示。当输入电压为正时，产生一个输入电流流向积分放大器的反相输入端，使积分放大器的输出端电平下降，当其下降到某一电平时，触发精密时间参考电路产生一个宽度τ的脉冲，该脉冲一方面做为电压-频率变换器的输出，另一方面去控制恒流源电路;在无脉冲期间，使反馈的恒流源截止或不流经积分放大器的反相输入端，在有脉冲τ的期间，使反馈的恒流源导通或与积分放大器的反相输入端接通;该反馈恒流源电流的绝对值大于输入电流，其方向是背向积分放大器的反相输入端;因此，在有脉冲τ的期间，使积分放大器输出的电平上升，在τ的期间完结时，电路的工作恢复到原来状态，再重复上述工作过程。由于触发精密时间参考电路的电平是恒定的，在一个周期T内，对积分电容的充电电荷与放电电荷相等。充电电荷：

Q_充1＝I₁T＝ (V_IN)/(R) T （1）

放电电荷：

Q_放1＝I₂τ （2）

式（1）与式（2）相等，并用T＝ 1/(f₁) 代入简化，可得：

f₁= 1/(RI₂τ) V_IN（3）

典型的电容定电压来定电荷的积分定电荷反馈复原型电压-频率变换器如美国专利3842371。其原理基本上与上述电路相同，只是反馈的定电荷不是由反馈恒流源的电流与控制该电流的脉冲宽度来决定，而是由定电荷电容（该专利中称复原电容）与参考电池及两个开关构成的精密电荷分配器来决定;因此其反馈电流变化很大，是一个电容微分放电的尖脉冲电流。若输入端输入电压为V_IN，输入电阻为R，在一个周期T内充电电荷与式（1）一样;若定电荷电容的容量为C，参考电池的电压为E，每一个周期的放电电荷为：

Q_放2＝C·E （4）

式（1）等于式（4）并用T= (l)/(f₂) 代入简化，可得：

f₂＝ 1/(RCE) V_IN（5）

由式（3）和式（5）看出，要使电压-频率变换器得到较高的精度和稳定性，即要求式（3）的 (l)/(RI₂τ) 和式（5）的 1/(RCE) 精确稳定。在实际电路中要得到精确稳定的I₂与τ较之得到精确稳定的C与E要困难的多;然而，由C·E定电荷的电压-频率变换器工作时，反馈的电流是微分脉冲形成的，为了能在脉冲形成器输出的脉冲宽度期间内将定电荷电容的全部电荷放完，在开始放电的瞬间反馈电流值就很大，可能大于做为积分器的差分放大器的最大输出电流，或/和使其输出电平的变化速率受到差分放大器的最大输出压摆率的限制，从而也影响了这种电压-频率变换器的精度、稳定性和高频性能。

本发明的目的是改进一种积分定电荷反馈复原型电压-频率变换器电路设计。它吸取了定宽度、恒流来定电荷的积分定电荷反馈复原型和电容定电压来定电荷的积分定电荷反馈复原型两种电压-频率变换器的优点，换句话说，也就是克服或减轻了上述两种型式电压-频率变换器的缺点，从而可以得到精度、稳定性和高频性能都较为优良的电压-频率变换器。

本发明的电压-频率变换器是一个由差分放大器构成的积分器、电平可控脉冲发生器、开关控制器和精密电荷分配器构成的积分定电荷反馈复原型电压-频率变换器。该精密电荷分配器的电路是由三个开关、一个定电荷电容、一个参考稳压管、一个充电电阻和一个负电源组成。