没有什么模拟数字转换方法比电压频率转换器(VFC)与计数器的经典组合更“成熟”了。VFC的数字化本身就是积分的，因此具有良好的噪声抑制能力和可编程分辨率(如果您想要更多位数，只需计数更长时间)。遗憾的是，出于同样的原因，会很难获得高转换速度。准确、高分辨率、微秒级的VFC转换时间难以获得，但至少毫秒级的转换速度是绝对可以实现的，也就是本设计实例将向您展示的。
近四十年前(在《高性能电压频率转换器设计》一书中)，著名的模拟大师Jim Williams为电压频率转换编列了五种基本技术。他列出的第一个被称为“最明显的”技术是“斜坡比较器”类型。由于我一直对“浅显”的技术情有独钟，因此图1中显示的简单VFC是该类型的变体。它适用于从单电源轨运行，具有方便灵活的双极差分输入，并且在高达200kHz的频率下运行时具有可接受的线性度。下面是它的工作原理。
图1：斜坡比较器式200kHz VFC，采用单电源轨供电，具有双极差分输入和可接受的线性度。
A2、R1和Q2组合形成一个精密(Q2 α~0.998)电流阱，Q2集电极电流为：
Ic2 = (V1 –V2)/R1 = 100µA(V1 –V2)
非反相输入V1的范围为0至(2–V2)，具有相当高的输入阻抗(>1TΩ)和低偏置电流(10pA)。反相输入V2具有较低的阻抗(10kΩ)，但可接受的电压跨度从正V1到负(V1–2)。如果仅使用一个输入，则另一个输入应接地。零点偏移约为200µV(0.01%)。
如图2(黄色线)所示，Ic2将1nF定时电容器C1从其复位电压3.5V降至电压基准U1提供的2.5V触发电平。执行此操作所需的斜坡时间如下：
T = C1(3.5 – 2.5)/Ic2 = C1R1/(V1 – V2)
= 1nF 10k/(V1 – V2) = 10µs/(V1 – V2)
Fout = 1/T = 100kHz (V1 – V2) < 200kHz
图2：VFC振荡波形，其中Vc1是VFC时序斜坡，Fout是计数器的输出，A1p5是比较器的非反相输入。
比较器A1的反相输入连接到C1，而其非反相输入则监视2.5V基准电压。当Vc1斜坡下降到2.5V时，将引发一系列(相当快的)事件。
首先，A1的输出向5V过渡，以30V/µsec的速度在约160ns内完成转换，通过C4的正反馈可提高速度。这在Fout上提供了一个输出脉冲(图2绿色轨迹)，并接通Q3以开始对C1的斜坡复位充电。同时，C3将Q3的输出耦合到D1，反向偏置二极管并暂时将Ic2从C1转移，从而产生图2黄色和红色轨迹上看到的有趣的小平坦点，稍后再详述。
C1的充电电流通过Q3的发射极流向Q1的基极，使Q1进入饱和状态，准确地将R3的顶端拉至+5V，从而将A1的非反相输入(引脚5)拉至2.5(R5/(R3 + R5)) + 2.5 = 3.5 V (图2红色线)。C1充电持续进行，直到A1引脚5达到引脚6的3.5V，此时A1切换回0，关闭Q3(速度很快，因为Q3永远不会饱和)并完成Fout脉冲。
同时，Q3的关断已从Q1中移除基极驱动，使其从饱和状态恢复(大约需要500纳秒，主要是存储时间)、关断并释放R3。这使得A1的引脚5返回到U1的2.5V基准电压，等待下一个timeout和VFC周期结束。
它还将斜坡复位期间在C3上积累的积分电荷Ic2通过D1转储到C1上。因此，D1 C3电路特性可消除积分非线性误差，这种误差通常会因斜坡复位间隔期间电荷丢失而影响斜坡比较器VFC。Williams在其斜坡比较器拓扑分析中就此缺陷提出了建议：“这种方法的一个严重缺点是电容器的放电复位时间。积分中‘丢失’的这个时间会导致严重的线性误差……”D1 C3连接允许Ic2的积分在斜坡复位期间不间断地进行，因此不会"损失"时间，从而避免了这种非线性误差。
(原文刊登于EDN美国版，参考链接：Single supply 200kHz VFC with bipolar differential inputs，由Ricardo Xie编译)
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