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Generalità
Questo tipo di convertitore trova applicazioni sia nei sistemi di acquisizione dati, sia nella trasmissione di informazione. I segnali da essi prodotti sono molto tolleranti al rumore, in quanto non si trasporta un valore durante il trasferimento, ma un segnale a frequenza variabile a seconda del modulo del segnale in ingresso.
In uscita ad un convertitore tensione/frequenza si ha una forma d'onda periodica (ad esempio un'onda quadra, un'onda triangolare o una sinusoide), in modo tale che il rumore non incida sul segnale.
I convertitori tensione/frequenza che hanno in uscita un'onda quadra sono diversi:
-I VCO, che producono onde quadre con duty cycle fisso
-i convertori che producono onde quadre con duty cycle variabile

Convertitori VCO
Il circuito è composto principalmente da quattro blocchi: un amplificatore di transconduttanza, uno specchio di corrente, un comparatore di soglia con isteresi e un condensatore.
L'amplificatore è composto da un transistore (T4) e da una resistenza (Re), fornisce una corrente proporzionale alla tensione di ingresso Vin e ha una impedenza di uscita estremamente elevata. Il comparatore commuta dallo stato basso a quello alto quando la tensione al suo ingresso supera la tensione di soglia e fornisce in uscita un segnale pari alla tensione massima. Lo specchio di corrente ha lo scopo di portare in uscita l'ingresso, portando in uscita una impedenza elevata. Per produrre onde triangolari, basta variare il rapporto di "specchiaggio", variando le dimensioni di due transistori. Il VCO può essere utilizzato anche per produrre onde sinusoidali, inviando l'onda quadra in un filtro passa basso.

Convertitori a duty cycle variabile
In questo caso il duty cycle dipende dalla tensione in ingresso, mantenendo però costante uno dei due semiperiodi. I passi eseguiti da un convertitore di questo tipo sono i seguenti:
-la tensione di ingresso Vin viene integrata dal primo amplificatore, producendo una rampa decrescente (se Vin è positiva).
-nel momento in cui l'uscita dell'amplificatore supera in modulo la tensione -Vref il comparatore commuta
-la tensione del comparatore ha un fronte di salita che fa scattare il monostabile per un tempo Tm fissato dalla capacità esterna Cm
-quando l'uscita del monostabile vm è al valore alto il deviatore commuta iniettando una corrente I0 che si somma al contributo di corrente dato da Vin
-se I0 è maggiore a Vin/R il segno di Vc cambia, e quindi Vc inizia a salire
-variando Vin, variano anche le pendenze delle due rampe e di conseguenza variano i livelli di tensione raggiunti al termine della rampa ascendente
In questo tipo di convertitori la frequenza del segnale di uscita varia linearmente con la tensione di ingresso, mentre la scala di frequenza è regolata da Tm, che dipende da Cm e da R. Anche la resistenza R è da inserire esternamente. Cm regola l'ampiezza dell'oscillazione.
Per realizzare un convertitore frequenza/tensione vi sono due possibilità:
-si contano i fronti in un intervallo di tempo e nell'inviare il numero a un convertitore DAC
-utilizzare lo stesso circuito a duty cycle variabile, modificando ingressi e uscite.
In un convertitore frequenza/tensione a duty cycle variabile si hanno i seguenti passi:
-Vin viene inviata al comparatore (la tensione minima dell'onda quadra Vin deve essere inferiore a -Vref)
-ad ogni fronte di discesa il monostabile scatta fornendo un'uscita alta per un tempo Tm.
-durante il tempo di uscita alta del monostabile il commutatore connette l'ingresso dell'operazionale al generatore I0
-la corrente I0 andrà a caricare il filtro passa-basso formato da R//C
-terminato Tm il commutatore torna ad essere collegato a massa
In uscita Vo rappresenta quindi il valore medio della tensione del condensatore. Variando la frequenza di ingresso, il duty cycle sarà diverso e quindi Vo varierà in modo lineare.
Un'altra soluzione attuabile fa uso degli anelli ad aggancio di fase, in cui si usa un VC pilotato da na tensione e si aggancia mediante un rivelatore di sfasamento.
Oltre all'applicazione in ambienti rumorosi, i convertitori a duty cycle variabile si usano per contare i periodi. E' inoltre possibile integrarli in convertitori ADC.