电压频率变换器VFC

电压频率变换器简称VFC，它是输出信号的频率正比于输入电压值的线性变换装置，其功能可用图1来表示。其中输入电压V\(_{i}\)的大小可用一电位器调整，输出电压为一系列脉冲，该脉冲幅度的大小与输入电压无关，但其频率却正比于Vi的值。VFC的这种功能用公式表示就是

式中f为变换器输出信号的频率，V\(_{i}\)为变换器的输入电压，K为变换器的增益（为常数）。式中Vi是从零伏开始的，其值可正可负，当V\(_{i}\)为负值时要取绝对值。下面我们简要介绍一下大连仪表元件厂试制的混合封装的VFC集成功能块，现已有DL8100系列产品。

实现上述电压——频率变换的方式很多，通常可归纳为积分复原型、定电荷复原型和交替积分型三类。DL8100系列是采用大多数VFC选用的定电荷复原型电路，其原理图如图2所示。图2电路共分三部分：积分器、电平检测器和定电荷发生器。积分器的作用就是对输入电压积分（即普通的积分电路），当输入电压为某一固定值时，其输出电压V\(_{A}\)将直线下降（负向积分），其波形见图3。电平检测器的作用是检测积分器的输出电压VA，当V\(_{A}\)低到某一数值时（检测电平值），电平检测器便发生一个脉冲送到定电荷发生器，定电荷发生器接到这个脉冲以后，便产生一个电流iQ，其方向和I\(_{i}\)流向电容C1的方向相反，由于i\(_{Q}\)远大于Ii，因此积分器便正向积分（电容反向放电），于是很快使电容C\(_{1}\)的电平复原到负向积分前的初始状态（这段时间即为图3中的tD）。此后，电流i\(_{Q}\)又变为零，于是Ii又对C负向积分，重复上述过程。

电平检测器实际上就是一个多谐振荡器，它是由与非门M\(_{2}\)、M3和电容C\(_{3}\)、C4以及二极管D\(_{3}\)、D4和电阻R\(_{4}\)、R5构成的。它是怎样检测积分器输出电压V\(_{A}\)的呢？由图2可见，多谐振荡器受与非门M1的控制，当V\(_{M3}\)为高电平，VA的电平也较高时，V\(_{M1}\)为低电平，正是这个低电平封锁了M3，使多谐振荡器停振。前面谈到，积分器的输出电压V\(_{A}\)是不断下降的，当低到M1的翻转电平时，V\(_{M1}\)由低电平变为高电平，从而解除了对多谐振荡器的封锁，多谐振荡器起振，这时VM3立即由高电平变为低电平，而V\(_{M2}\)则由低电平变为高电平。VM2的这个变化，就起到了检测V\(_{A}\)的作用。

那么，定电荷发生器又是怎样工作的呢？由图2可见，当V\(_{M2}\)为低电平时，三极管T是截止的，若将D1、D\(_{2}\)视为理想开关，则C2两端就会充电到参考电平V\(_{r}\)伏。当VM2翻转到高电平时，三极管T则导通并且饱和，这时三极管集电极电压V\(_{c}\)就由Vr下降到零伏（忽略T的饱和压降），V\(_{D}\)则随着下跳为-Vr伏，D\(_{1}\)导通，于是产生一个很大的电流iQ。i\(_{Q}\)为C2′的放电电流，故使积分器反向积分，使V\(_{A}\)电平很快上升。VA上升以后，若V\(_{M3}\)还处于低电平状态，则通过VM3到M\(_{1}\)输入端的一条反馈连线使VM1仍为高电平，只有当M\(_{2}\)、M3振荡半个周期结束后，V\(_{M3}\)成为高电平时，这个振荡器才被封死。以后，VA又再次下降，当达到M\(_{1}\)的翻转电平时，又重复上述过程。这样VA就形成了一个锯齿电压，而V\(_{M2}\)则为一系列脉冲电压，该脉冲电压的频率正比于输入电压Vi。V\(_{i}\)改变，脉冲频率也就随着发生变化。这又是为什么呢？从图2不难看出，每次电流iQ所反馈的电荷量Q都等于电容C\(_{2}\)从电压Vr放电到0伏的电荷量。显然，在一个周期T内，电容C\(_{1}\)两端电压差没有变化，也就是说，由输入电压Vi产生的I\(_{i}\)充电电荷与电流iQ的放电电荷Q是相等的，即

这里只要保证R\(_{1}\)、Q为常数，并令K=\(\frac{1}{R}\)1Q，则式2就与式1一样了，因而构成了VFC。R\(_{1}\)为常数是容易作到的，为保证Q为常数，只要保证C2与V\(_{r}\)为常数就行了。

DL8100系列VFC的外形图如图4所示。正方扁块形的边长有50毫米和38毫米两种。其尺寸除了厚度较国外的大一点以外，其它均与国外多数产品一样，因此DL8100系列VFC与国外大多数的VFC是兼容的，有些可以直接代换。

VFC的应用领域很广，下面介绍几个应用实例。

（1）VFC在ADC方面的应用

ADC是模数变换器（把模拟量变成数字量）的简称。用一个VFC、一个时钟电路和一些计数器可以方便地构成一个ADC（图5）。电压V\(_{i}\)加到VFC的输入端，VFC的输出脉冲通过一个由时钟电路控制的门在单位时间内向计数器输送。每次计数前先将计数器原来的数清除。这样，计数器每次的计数都正比于输入电压Vi的值，从而完成模数变换。如果计数器再配上显示器，则可构成一个数字电压表。此外，输入电压V\(_{i}\)可以通过热敏、力敏等器件由温度、压力等转换而得，因此VFC与热敏、力敏等器件连接，还可以方便灵活地构成数字温度计、数字压力表、数字流速计等等。尤其值得一提的是，由于VFC的成本不高，允许大量使用，因此每一个传感器的现场都可以接一个VFC。每一个VFC的输出可以传送到数据采集中心（见图6），在中心有多路开关和时钟逻辑电路及计数器，把VFC输出的脉冲信号分头显示、打印或去计算机，也可以变成控制信号去控制某些参量。

显然，采用图6的系统，传输线不比传输常规的电压或电流的导线多，而转换成脉冲数字传输，抗干扰能力则大大加强。此外，当传感器现场与采集中心有较大的共模电压时，由于VFC输出的是脉冲信号，所以它与采集中心可以方便地用光电耦合器件来隔离，见图7。

（2）VFC用于积分

VFC可以很简单地完成积分运算，图8就是用它作积分运算的原理框图。这个框图与用VFC构成ADC的框图差不多，只是t\(_{1}\)～t2开门时间是根据要解决的问题而定的，而不是时钟电路。

日常需要积分的量很多，如电解生产中的“安时”积分，功率对时间积分成为功，流速对时间积分为流量等等。这些都可以通过一次传感器将电流、功率、流速等转换成电压后，送到图8的积分器中，得到它们的积分值。

在一些化学分析和物理测试中，常要对一些随机的峰形信号进行积分，解决这类问题运用VFC也是最合适的。图9是一般色谱数字积分仪的简略框图，VFC在这里起了积分的核心作用。为了正确求得各个峰的积分面积（图中阴影部分），还附有“基线校正”和“峰检测”等单元电路。“基线校正”使送进VFC的峰信号基线为零电平，“峰检测”可检测出峰的起始点与终止点，在这两点之间，VFC的输出才通过门去到计数器，当到终止点时计数门关闭，计数器中的数值就正比于该峰的面积。

（3）VFC构成脉冲信号源

VFC可以很简单地构成可变频率的脉冲信号源，如图10所示，只要加上一个调节频率的电位器即可。为了得到方波输出，在VFC后面可加一个双稳态触发器。

如果把一个锯齿波加到VFC的输入端，便可构成一个低频扫频脉冲信号发生器。

VFC的用途很多，限于篇幅，这里不一一列举。总之，VFC作为一个单元电路的功能块出现，开辟了模拟与数字量转换的一个方便而又价廉的途径，由于它简单、精度较高和使用方便等优点，必将大量地应用于科研与生产实际中去。(唐坚卓）