模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換方法比電壓頻率轉(zhuǎn)換器 (VFC) 與計(jì)數(shù)器的經(jīng)典組合更“成熟”。VFC 數(shù)字化自然是積分的，因此具有良好的噪聲抑制能力，可編程分辨率也是如此（如果您想要更多位數(shù)，只需計(jì)數(shù)更長時間）。不幸的是，出于同樣的原因，高轉(zhuǎn)換速度并非如此。準(zhǔn)確、高分辨率、微秒級的 VFC 轉(zhuǎn)換時間困難，但至少毫秒級的速率肯定是可行的，如本設(shè)計(jì)理念所示。

近四十年前（在他的《高性能電壓頻率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)》中），的模擬大師 Jim Williams 列出了電壓頻率轉(zhuǎn)換的五種基本技術(shù)。他列出的個被稱為“明顯的”技術(shù)是“斜坡比較器”類型。由于我一直是顯而易見的忠實(shí)粉絲，因此圖 1中顯示的簡單 VFC是該基本主題的變體。它適用于從單個電源軌運(yùn)行，具有方便靈活的差分雙極輸入，并且在高達(dá) 200 kHz 的頻率下運(yùn)行時具有可接受的線性度。下面是它的工作原理。

A2、R1 和 Q2 組合形成一個精密（Q2 α~0.998）電流吸收器，Q2 集電極電流為：

Ic2 = (V1 – V2)/R1 = 100?A(V1 – V2)

非反相輸入 V1 的范圍為 0 至 (2 – V2)，具有相當(dāng)高的輸入阻抗 (>1 TΩ) 和低偏置電流 (10 pA)。反相輸入 V2 具有較低的阻抗 (10 kΩ)，但可接受的電壓范圍從正 V1 到負(fù) (V1 – 2)。如果僅使用一個輸入，則另一個輸入應(yīng)接地。零點(diǎn)偏移約為 200 ?V (0.01%)。

如圖2 （黃色線）所示，Ic2 將 1 nF 定時電容器 C1 從其復(fù)位電壓 3.5 V 降至電壓參考 U1 提供的 2.5 V 觸發(fā)電平。執(zhí)行此操作所需的斜坡時間如下：

T = C1(3.5 – 2.5)/Ic2 = C1R1/(V1 – V2)

= 1nF 10k/(V1 – V2) = 10?s/(V1 – V2)

Fout = 1/T = 100kHz (V1 – V2) < 200kHz

圖 2 VFC 振蕩波形其中：Vc1 是 VFC 時序斜坡，F(xiàn)out 是計(jì)數(shù)器的輸出，A1p5 是比較器的非反相輸入。

比較器 A1 的反相輸入連接到 C1，而其非反相輸入則監(jiān)視 2.5 V 參考。當(dāng) Vc1 斜坡下降到 2.5 V 時，將引發(fā)一系列（相當(dāng)快的）事件。

首先，A1 的輸出向 5 V 過渡，以 30 V/?sec 的速度在約 160 ns 內(nèi)完成轉(zhuǎn)換，通過C4的正反饋可提高速度。這在 Fout 上提供了一個輸出脈沖（圖 2 綠色軌跡），并打開 Q3 以開始 C1 的斜坡復(fù)位充電。同時，C3 將 Q3 的輸出耦合到 D1，反向偏置二極管并暫時將 Ic2 從 C1 轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生圖 2 黃色和紅色軌跡上看到的有趣的小平點(diǎn)。稍后將對此進(jìn)行詳細(xì)介紹。

C1 的充電電流通過 Q3 的發(fā)射極流向 Q1 的基極，使 Q1 進(jìn)入飽和狀態(tài)，準(zhǔn)確地將 R3 的頂端拉至 +5 V，從而將 A1 的非反相輸入（引腳 5）拉至2.5(R5/(R3 + R5)) + 2.5 = 3.5 V（圖 2 紅色軌跡）。C1 充電持續(xù)進(jìn)行，直到 A1 引腳 5 達(dá)到引腳 6 的 3.5 V，此時 A1 切換回 0，關(guān)閉 Q3（速度很快，因?yàn)?Q3 永遠(yuǎn)不會飽和）并完成 Fout 脈沖。

同時，Q3 的關(guān)斷已從 Q1 中移除基極驅(qū)動，使其從飽和狀態(tài)恢復(fù)（大約需要 500 納秒，主要包括存儲時間）、關(guān)斷并釋放 R3。這允許 A1 的引腳 5 返回到 U1 的 2.5 V 參考電壓，等待下一個超時和 VFC 周期結(jié)束。

它還將斜坡復(fù)位期間在 C3 上積累的積分 Ic2 電荷通過 D1 轉(zhuǎn)儲到 C1 上。因此，D1 C3 電路特性可消除積分非線性誤差，這種誤差通常會因斜坡復(fù)位間隔期間電荷丟失而困擾斜坡比較器 VFC。Williams 在其斜坡比較器拓?fù)浞治鲋芯痛巳毕萏岢隽私ㄗh：“這種方法的一個嚴(yán)重缺點(diǎn)是電容器的放電復(fù)位時間。積分中‘丟失’的這個時間會導(dǎo)致嚴(yán)重的線性誤差…… ” D1 C3 連接可防止這種非線性，允許 Ic2 積分在斜坡復(fù)位期間不間斷地繼續(xù)進(jìn)行，因此不會“丟失”時間