我在已發表的電壓頻率轉換器(VFC)電路原理圖(圖1)中增加了兩個50歐姆輸出。然后，我設計了PCB，購買了(大部分)表面貼裝元件，將它們裝板并回流焊接到PCB上，最后對設計進行了測試。
圖1：工作頻率范圍為100kHz至100MHz以上的VFC設計，采用5.00V單電源供電，可提供主振蕩器頻率的1/2和1/4的方波輸出。
圖2：硬件實現了100MHz VFC，目的是為了找出只有在構建完成后才能獲得的信息。
我的目標是了解電路的工作原理。
理論和仿真固然重要，但只有在電路搭建和測試完成后，才能真正了解實際情況。此時才會顯現那些未預料到的后果。
電路大部分運行正常，但為了使電路良好運行，必須解決一些重要的問題。
v-to-f的靈敏度
我首先關注的是電路對輸入電壓細微變化的高靈敏度。其靈敏度為每5伏100兆赫茲，即每伏20兆赫茲。這意味著輸入電壓1毫伏的變化會導致輸出頻率變化20千赫茲！
那么，如何提供一個幾乎完全沒有噪聲和/或紋波的輸入電壓，以避免振蕩器信號抖動呢？為了解決這個問題，我使用了一個電池供電系統，由四節串聯的堿性電池組成，連接到一個10圈、100kΩ的電位器，為電路輸入提供大約0到6V的電壓。這種方法效果很好。為了防止過壓，我在U1的同相輸入端串聯了一個10kΩ的電阻。
問題及解決方法
第一個意料之外的問題是，NE555定時器無法為電壓反相器電路和倍壓電路提供足夠的驅動力。這完全是我的責任；我沒有仔細查看數據手冊，手冊上說它可以提供很大的輸出電流，但實際上在高電流下，輸出電壓下降得非常厲害，導致反相器和倍壓電路無法提供足夠的輸出電壓。此外，我用于仿真的LTspice模型非常不切實際。我建議不要使用它！
我通過使用74HC14施密特觸發器芯片替換NE555定時器芯片解決了這個問題。74HC14能夠提供足夠的電流和電壓來驅動這兩個電路。我將74HC14電路設計成一個外置模塊，連接到主PCB板上。
我將倍壓電路的輸出改為穩定的6V輸出(R16改為274Ω，R18改為3.74kΩ，D8和D9改為SD103)。這樣，U1的輸入電壓最高可達約5.9V。此外，我用TLV9162雙運算放大器替換了U1/U2，因為TLV9162的價格遠低于LT1797。
在給U1/U2施加正確的電壓后，我開始測試電路，發現振蕩器會卡在大約2MHz的頻率上。這是由并聯的施密特觸發器反相器引起的。一個反相器會先于另一個反相器切換，導致后者吸收了已切換到高電平輸出的反相器的電流，從而使振蕩器停止工作。并聯反相器，尤其是在輸入信號下降(或上升)速度相對較慢的情況下，絕對不是一個可行的方案！
為了解決這個問題，我從電路中移除了U4，并在反相器U3的輸出端串聯了一個22Ω的電阻，以減少其電流負載，振蕩器就按預期工作了。
我對電流-電壓轉換器電路進行了一些改動，以提供更大的調節范圍，并優化5V供電參數。我將R8改為3.09kΩ，將電位器R9改為1kΩ，將R13改為2.5kΩ。
調整
電路有兩處調節：R9是電流-電壓轉換器U2的調節，R11是偏置電流調節。
我調整R9，使振蕩器頻率設置為100MHz，輸入電壓設置為5.00V，然后調整R11至2MHz。
電路的百分比誤差在低頻時增大；可能是由于二極管漏電流，或是由D2–D4和C8–C11組成的頻率-電壓轉換器的非線性行為所致？
測試結果
在上述調整實施后，我開始測試VFC。輸出信號抖動問題很明顯，尤其是在低頻段。
我意識到5V電源上的紋波和噪聲會導致輸出信號抖動。正如原理圖所示，振蕩器頻率是電源電壓的函數。
為了避免這個問題，我再次選擇使用電池供電。我用了六節堿性電池提供大約+9V的電壓，然后用LM317T穩壓器和其他一些元件將電壓降到+5V。
該方案實現了電源紋波噪聲最小化與振蕩器抖動最小化。其余可能的噪聲/抖動源包括U1的開關電源、U1的反饋電壓，以及計數器和反相器的開關操作，這些操作都可能在+5V電源上產生噪聲。
頻率與輸入電壓的關系曲線并非如預期那樣呈線性，但在50mV至5.00V的寬輸入電壓范圍內，對應頻率范圍為1.07MHz至103.0MHz時，曲線擬合效果相當不錯(圖3和圖4)。圖5顯示了百分比誤差與頻率的關系。
圖3：頻率從1.07MHz到103.0MHz與輸入電壓從50mV到5.00V的關系。
圖4：當Vin<0.1V時，頻率(高達2MHz)與輸入電壓的關系。
圖5：百分比誤差與頻率的關系。
波形
圖6、圖7、圖8和圖9顯示了一些波形。大多數波形來自2分頻輸出，因為它比振蕩器的3.4ns輸出更有趣(將2分頻頻率乘以2即可得到振蕩器頻率)。
輸入電壓范圍為10mV至5V，可產生200kHz至100MHz的振蕩器/反相器輸出。
圖6：示波器波形，輸出頻率為100kHz，分頻比為2。
圖7：示波器波形，500kHz分頻輸出。
圖8：示波器波形，5MHz時輸出為二分頻。
圖9：示波器波形，50MHz時采用二分頻輸出。
圖10顯示了振蕩器/反相器在100MHz時的輸出。圖11顯示了3.4ns的振蕩器/反相器輸出脈沖。
圖10：示波器波形，振蕩器輸出頻率為100MHz。
圖11：示波器波形，振蕩器脈沖寬度為3.4ns。
結果
在這個應用中，兩個并聯的逆變器無法正常工作。解決方法是移除其中一個，并在剩余逆變器的輸出端串聯一個更大的電阻，以降低其電流負載。
電路對輸入電壓的高靈敏度在實際應用中帶來了挑戰。產生足夠穩定的輸入電壓十分困難。
電池供電雖然有所幫助，但實際應用中又衍生出新問題。5V電源的噪聲便是一個相關問題。第二個二分頻電路U7的電源必須經過嚴格穩壓，并且極低噪聲和紋波，以最大程度地減少振蕩器信號的抖動。
正如上文所述，為了獲得可接受的運行狀態，需要對幾個組件的值進行一些更改。
最后，如果需要在較低頻率下實現更精確的電壓-頻率特性，則需要更精細的工程設計。如有必要，此項工作可由用戶自行完成。
目前我對電路的現狀很滿意。
一些為獲得更佳效果的建議
由于電路僅使用單個5V電源供電，因此其工作難度較大。如果為U1/U2使用獨立的、穩壓良好的電源，例如，正電源使用14V穩壓至11V，負電源使用5V穩壓至-2.5V(兩個電源均使用線性穩壓器！)，則工作難度會降低。
輸入范圍可以從0到10V，這將使輸入靈敏度降低一半，從而更容易為輸入放大器和電流電壓電路U1/U2設計更安靜的電源。
在較低頻率下，應該進行一些調查，以揭示該頻率范圍內非線性的原因，并指出可以改善電路運行的改進方案。
另一種選擇是將操作分成兩個范圍，例如100kHz到1MHz和1MHz到100MHz。
最終結論
按照建議修改電路后，其運行效果令人印象深刻。我認為能夠實現一個輸出頻率范圍為200kHz至113MHz的振蕩器，確實是一項了不起的成就。感謝已故的Jim Williams和充滿活力的Stephen Woodward，正是他們為該電路的實現鋪平了道路！
