Phase locked loop middenfrekwent met TBA 120
Hoewel het phase locked loop FM detektiesisteem wezenlijke voordelen biedt ten opzichte van de andere detektiesistemen, liggen de prijzen van de in de handel zijnde IC's dermate hoog, dat slechts weinigen zich de luukse van aanschaf kunnen veroorloven. Na intensief onderzoek is in het elektuurlab een schakeling ontwikkeld die goedkoop is, zonder dat daarbij enige konsessies aan de prestaties worden gedaan. Er wordt gebruik gemaakt van twee IC's TBA 120 en de in maart '72 beschreven elektuuroscillator. Behalve als FM-demodulator met regelbare bandbreedte, komen in dit artikel een aantal toepassingen en uitbreidingen ter sprake waaraan momenteel nog onderzoek wordt verricht.
Algemene inleiding
Het blokschema van de meest eenvoudige phase locked loop (PLL) is getekend in figuur 1 en is opgebouwd uit vier delen:
- fasedetektor/vermenigvuldiger
- laagdoorlaatfilter
- gelijkspanningsversterker
- spanningsgestuurde oscillator.
Figuur 1. Het blokschema van een phase locked loop (PLL). Hoewel het blokschema eenvoudig is, blijkt de technische uitvoering vrij kompleks to zijn.
De fasedetektor Levert een uitgangsspanning die het produkt is van het ingangs- en oscillatorsignaal. Af te leiden is dat in het uitgangssignaal de som- en verschilfrekwentie van het ingangs- en oscillatorsignaal aanwezig zijn.
Als het verschilsignaal binnen het frekwentiegebied van het laagdoorlaatfilter valt, wordt de oscillatorfrekwentie bijgeregeld, totdat deze gelijk is aan de frekwentie van het ingangssignaal. De eigenschappen van de PLL worden dus in hoofdzaak bepaald door het laagdoorlaatfilter.
Is de ingangsspanning een FM-signaal, dan bevat de uitgangsspanning de FM-modulatie. De vervorming hangt of van de lineariteit van de fasedetektor en de spanningsgestuurde oscillator.
De waarde van de uitgangsspanning wordt onder meer bepaald door de grootte en de vorm (bijvoorbeeld blok of sinus) van het ingangssignaal. Om de PLL optimaal te laten werken, dienen deze faktoren voor alle ingangsnivo's dezelfde invloed te hebben, wat het eenvoudigst th bereiken is door het ingangssignaal te begrenzen.
Het blokschema van de PLL zoals deze in het elektuurlab is ontwikkeld, staat afgebeeld in figuur 2. Het FM-signaal wordt toegevoerd aan een begrenzerversterker, waarvan het uitgangsnivo regelbaar is. Aangezien de loop-versterking afhangt van de grootte van de ingangsspanning, wordt zo de bandbreedte geregeld.
Figuur 2. Het blokschema van de schakeling, die in het elektuurlab is ontwikkeld. Dit is zonder meer een luukse PLL, waarvan de verdere mogelijkheden, die erg groot lijken, nog worden onderzocht.
Een bijkomstig voordeel van deze regelmetode is, dat de overige eigenschappen, lock range en capture range, eveneens veranderen, zodat het effekt vergeleken kan worden met het varieren van de middenfrekwent bandbreedte bij een superhet.
Vanwege de goede lineariteit is voor de VCO de elektuuroscillator (maart '72) genomen. Omdat deze op hogere frekwenties geen zuivere blokspanning meer afgeeft, is tussen de VCO en de fasedetektor eveneens een begrenzerversterker opgenomen. Met de tweede fasedetektor zijn een aantal toepassingen mogelijk, die aan het slot van dit artikel worden besproken.
De praktische uitvoering (fig. 3)
Het FM-signaal wordt via C1 toegevoerd aan punt 14 van de TBA 120 (1). De ingangsimpedantie bedraagt ca. 1k8. Met P1 wordt de bandbreedte geregeld. Het regelgebied is globaal genomen, in twee delen te splitsen, omdat de regeling bestaat uit basisstroomvariatie van een stroombron. Tot het punt dat de stroombron nog net geleidt, is de PLL betrekkelijk breedbandig. In dit gebied vallen de FM-omroepsignalen.
Figuur 3. Het principeschema voor toepassing als FM-demodulator.
De vermindering van storing op zwakke zenders, verkregen door de bandbreedte zo te verkleinen dat nog net geen vervorming optreedt, is zeer aanzienlijk.
In het gebied, waar de stroombron niet meer geleidt, heeft de PLL een kleine bandbreedte en is daardoor geschikt voor de ontvangst van mobiele diensten, zoals politie, taxi, brandweer enz. Het laagdoorlaatfilter wordt gevormd door een interne weerstand van 2k6, R2 , R3 , C4 en C5. Om het filter niet te belasten is een emittervolger (T1) aangebracht.
Via R7 wordt de oscillator, bestaande uit T3 tot en met T6 , gestuurd. De oscillatqrfrekwentie volgt uit: fosc = ¼ × R12 × (C16 + C17). Voor een frekwentie van 10,7 MHz vindt men dat C16 ingesteld moet worden op ca. 8,4 pF. De waarden van C16 en C17 zijn zo genomen, dat instelling op 5,55 of 21,4 MHz, waarbij de schakeling minder goed zou werken, vermeden wordt. Fijnregeling van de oscillatorfrekwentie is mogelijk met P2. Een vrij lineair frekwentieverloop wordt verkregen door een logarithmische potmeter "omgekeerd" aan te sluiten. De frekwentievariatie bedraagt ca. 200 kHz. Omdat belasting van de oscillator de lineariteit ongunstig beinvloedt, is een emittervolger met 12 voor de TBA 120 (2) geschakeld. Via C7 en C8 wordt het tot een blokspanning begrensde oscillatorsignaal aan de punten 7 en 9 van de TBA 120 (1) toegevoerd.
Het feit dat de schakeling met bloklikpanningen van 10 MHz werkt houdt in, dat de opbouw dusdanig is, dat zo weinig mogelijk parasitaire kapaciteiten worden geintroduceerd. Om deze reden bevat de print weinig koper en liggen de indikatoraansluitingen niet naast elkaar.
Het indikatorcircuit (figuur 4) bestaat uit een difamp met de transistoren BC 237. Aangezien de tracking range veel groter is dan de capture range (de schakeling "vangt" een signaal in of doet helemaal nets) kan de indikator in principe vervallen.
Figuur 4. De indikatorschakeling. Met P1 wordt de meter in de middenstand gebracht en met P2 stelt men de maksimale meteruitslag in.
Als de schakeling voor mono wordt gebruikt, moet tussen uitgang en massa een de-emphasiskondensator van 10 n worden geschakeld. Bij FM-omroep is aan de uitgang een signaal van ca. 300 mV beschikbaar, als de belasting hoogohmig is.
R6 vormt met de belastingsimpedantie een spanningsdeler, die gevoed wordt vanuit een emittervolger. In kombinatie met de kapaciteit van het afgeschermde snoer naar de stereodekoder filtert R6 de laatste resten hoogfrekwent spanning uit, terwijl tevens beinvloeding van de PLL door de belasting wordt verhinderd. Omdat een voedingsspanningvariatie de interne transistorkapaciteiten wijzigt, waardoor het frekwentieverloop optreedt, verdient het gebruik van een gestabiliseerde voeding de voorkeur.
De afregeling
Nadat de tuner is aangesloten, wordt P1 in de stand maksimale bandbreedte gezet. Er is dan een sterke ruis hoorbaar. Bij verdraaing van de tunerafstemming zullen de sterkste zenders hoorbaar zijn.
Men stemt vervolgens of op de zender, die het zwakst doorkomt en stelt P1 zo in, dat het signaal nog net niet hoorbaar vervormt. Hierbij kan het zijn, dat de tuner wat bijgestemd moet worden. Met een trimsleuteltje of een plastic spatel (metaal is onbruikbaar omdat beide kanten van de trimmer hoogfrekwent signaal voeren) wordt de trimmer C16 verdraaid en de tunerafstemming bijgeregeld, totdat de zender met zo weinig mogelijk ruis ontvangen wordt.
Is men in de omstandigheid dat de tuner erg gevoelig is en/of dat de veldsterkte groot is, dan hoort men op de plaats, waar een zender aanwezig is, een vermindering van de ruis en tevens het vervormde zenderzignaal. C1 6 wordt nu verdraaid, totdat de schakeling op deze zender lockt.
Gebruikt men de PLL in de plaats van een bestaande ratio- of andere demodulator, dan kan de laatstgenoemde procedure zonder meer worden gevolgd, waarbij P2 in de middenstand wordt gezet. De frekwentiefijnregeling is dan simmetrisch ten opzichte van de centrale middenfrekwentie. Dit laatste speelt bij de meeste tuners geen rol vanwege de voldoend grote bandbreedte ervan.
Hoewel de meeste tuners reeds bij de fabrikage zijn afgeregeld, komen er, met name in de dump, uitzonderingen voor. Ms men om welke reden dan ook de afregeling wil kontroleren, dient dit eveneens te gebeuren met een zwakke zender als referentie. Bij juiste afregeling wordt deze zender met minimale ruis en maksimale sterkte ontvangen.
Uitbreiding van de schakeling
In de meeste gevallen zal de schakeling zonder meter goed voldoen. Als men het onderste uit de kan wil, dient men na te gaan, waardoor beperkingen kunnen optreden. De enige beperking is gelegen in de dynamic range.
Een sterk signaal zal de schakeling doen begrenzen, ook buiten de capture range, zodat een sterke zender de ontvangst van een naburige zwakke zender onmogelijk maakt. Dit verschijnsel kan voorkomen worden door tussen de tuner en de PLL een selektief filter te plaatsen, bijvoorbeeld een of meer keramische filters.
Figuur 5 geeft aan, hoe keramische filters in kaskade kunnen worden geschakeld. Ms vier filters gebruikt worden, zijn zenders met een frekwentieverschil van 100 kHz en een sterkteverschil van ca. 60 dB nog te scheiden. De ingangsspanning waarbij de TBA 120 begint te begrenzen, ligt bij ca. 70 µV. Wenst men signalen te ontvangen van 0,1 µV, dan dient men te beschikken over een gevoelige, ruisarme tuner, terwijl tussen het in figuur 5 afgebeelde filter en de PLL nog een middenfrekwent versterker wordt opgenomerki Dit projekt wordt momenteel in het elektuurlab onderzocht.
Figuur 5. Het in kaskade schakelen van keramische filters is mogelijk met op 10,7 MHz afgestemde serie-resonantiekringen. De spoelen zijn gewikkeld op vormen van 6 mm ø met poederkern en bezitten 30 windingen geemailleerd koperdraad, 0,2 mm. De afregeling geschiedt op maksimum signaalsterkte en is niet kritisch.
Mogelijke toepassingen
Zoals in de inleiding al is vermeld, biedt de aanwezigheid van een tweede fasedetektor interessante perspektieven. Is de PLL op een signaal gelocked, dan bedraagt het faseverschil tussen ingangs- en oscillatorsignaal 90°. Wordt het ingangssignaal via een 90° fasedraaiend netwerk aan de ingang van de tweede fasedetektor toegevoerd, dan levert deze een uitgangssignaal, dat evenredig is met het deel van het ingangssignaal, dat koherent is met de door de PLL opgewekte draaggolf.
Aangezien ruis een niet-koherent signaal is, kan de signaal/ruisverhouding sterk worden verbeterd door de bandbreedte van de PLL zo klein mogelijk te maken. Op deze wijze kan een AM-demodulator worden verwezenlijkt die signalen verwerkt beneden het ruisnivo. De hierbij optredende beperking is eveneens gelegen in de dynamic range. De AM-sinchroondetektie vindt reeds geruime tijd toepassing in de ruimtevaart en de militaire kommunikatie. Toepassing in TV ontvangers biedt als voordelen, dat de vooral bij kleur zo hinderlijke sneeuw geelimineerd wordt, terwijl het gebruik van een (kleine) kamerantenne al een goed beeld oplevert, waardoor men niet afhankelijk is van een al dan niet naar wens funktionerend centraal antennesiteem. De schakeling kan goede diensten bewijzen in een kommunikatie-ontvanger, aangezien alle voorkomende modulatiesoorten gedetekteerd worden.
Omdat de tweede fasedetektor alleen een signaal afgeeft als een draaggolf aanwezig is, kan zo een automatische squelch worden verwezenlijkt.
In plaats van een potmeter kan voor P1 een spanningsafhankelijke weerstand, bijvoorbeeld een fet, worden genomen; die gestuurd wordt met het laagfrekwent uitgangssignaal. De bandbreedte is dan nooit meer dan noodzakelijk voor vervormingsvrije ontvangst.
Het effekt is, dat de signaal/ruisverhouding altijd maksimaal blijft, zonder dat de weergavekwaliteit wordt beinvloed.
| R1,R8 | 2k2 |
| R2 | 47 Ω |
| R3,R12 | 1 k |
| R4,R6,R9 | 4k7 |
| R5 | 220 k |
| R7 | 56 k |
| R10 | 390 Ω |
| R11 | 470 Ω |
| R13 | 680 Ω |
| R14,R15 | 10 k |
| C1 | 47 p |
| C2,C3,C12,C13 | 22n |
| C4 | 10 n |
| C5 | 3n3 |
| C6,C10,C11,C15,C19,C20 | 47 n |
| C7,C8,C14 | 1 n |
| C9 | 4µ7, 12 V |
| C16 | 3,5-13 p keramische trimmer |
| C17 | 15 p |
| T1,T2 | BC 237 |
| T3,T4,T5,T6 | BC 259 |
| D1,D2 | zenerdiode 2V7, 400 mW |
| IC1,IC2 | TBA 120 |
| P1 | potmeter 2 k lin. |
| P2 | potmeter 47 k log. |
Figuur 6. De print lay-out. De print bevat weinig koper om de invloed van parasitaire kapaciteiten zo klein mogelijk te houden.