Frekwentiebijsloffer

Beter dan PLL

Ook op het gebied van het afstemmen van radio-ontvangers is de elektronica in een stormachtige ontwikkeling. Maakten we een paar jaar geleden kennis met de phase locked loop als het ideale systeem, inmiddels is daar weer verandering in gekomen. Het betere systeem gaat schuil achter de weinig elegante naam frekwentiebijsloffer.

De superheterodyne ontvanger - een uitvinding uit een lang vervlogen elektronicatijdperk - is eigenlijk al een beetje ouderwets. Niet dat het principe nu verlaten wordt: integendeel, vrijwel alle radio-ontvangers werken nog met een oscillatorsignaal, dat met het antennesignaal gemengd wordt en waaruit dan een middenfrekwentsignaal wordt betrokken. Alleen krijgt de oscillator er tegenwoordig wat hulp bij. En dat is ook wel nodig, omdat het niet meevalt om tegen de wil van allerlei temperatuurvariat ies, verouderingsverschijnselen en voedingsspanningsvariaties in, toch een konstante oscillatorfrekwentie te blijven leveren. Dat oscillatorhulpje kan bijvoorbeeld bestaan uit een schakeling die het verschil-signaal uit de mixer aan een onderzoek onderwerpt; is de frekwentie daarvan wel de juiste middenfrekwentie? Wanneer er een afwijking dreigt op te treden krijgt de oscillator door middel van een regelspanning opdracht om zijn frekwentie zo aan te passen dat er weer een keurig middenfrekwentsignaal ontstaat. Zo werkt, op een nogal vrijblijvende manier beschreven, de automatische frekwentiekorrektie (AFC).

Met zo'n AFC is het mogelijk een zeer stabiele oscillatorfrekwentie te realiseren; dat wil zeggen zolang de ontvanger over een ingangssignaal beschikt.

Het is echter ook mogelijk om niet de frekwentie maar de fase van het oscillatorsignaal te regelen. Dit is wat een PLL-systeem doet. De oscillator wordt afgestemd op een bepaalde zenderfrekwentie. Een regellus zorgt er nu voor dat het oscillatorsignaal in een starre faserelatie blijft met het HF-signaal. Het regelsignaal voor de oscillator, dat door fasevergelijking van het oscillator- en het HF-signaal verkregen wordt, varieert dus op het ritme van de modulatie; m.a.w. het regelsignaal levert tevens het gewenste LF-signaal op.

Net als andere vormen van terugkoppeling (want dat is het!) is een phase locked loop niet ongevoelig voor instabiliteit van zichzelf. Zoals een teruggekoppelde versterker in ongunstige situaties kan gaan oscilleren, kan een PLL-regellus last krijgen van zogenaamde PLL-jitter. Dit is een snel fluktueren van de oscillatorfrekwentie op zo'n manier dat het gemiddelde van die frekwentie wel precies het gemiddelde van het HF-signaal is, maar het resultaat toch volmaakt onbruikbaar is. Vandaar dat zo'n PLL-systeem in de praktijk nogal kritisch kan zijn. Het kan echter ook anders, door gebruik te maken van een frekwentiesynthesizer.

Vergelijken met kristal

Een frekwentiesynthesizer is een tamelijk komplexe schakeling, die het oscillatorsignaal voortdurend vergelijkt met het signaal van een zeer stabiele kristaloscillator. De synthesizer kijkt als het ware of de oscillatorfrekwentie wel voortdurend net zo konstant blijft als de kristalfrekwentie. Daarvoor wordt de hulp ingeroepen van allerlei frekwentiedelers, en dat neemt een wezenlijke eigenschap van de frekwentiesynthesizer met zich mee: de oscillator kan - binnen zijn bereik - niet iedere willekeurige frekwentie opwekken, maar alleen die frekwenties leveren, die gelijk zijn aan een vaste frekwentie maal een geheel getal. Een frekwentiesynthesizer is dus niet kontinu afstembaar, maar alleen in stapjes. Dat is een prijs die we betalen voor de stabiliteit. Een prijs overigens die ons helemaal niet zwaar hoeft te vallen, als we maar zorgen dat die stapjes klein genoeg zijn. Bovendien zitten de zenders die we willen ontvangen meestal ook niet op willekeurige plaatsen in de frekwentieband, omdat de zenderfrekwenties ook volgens een stapjes-systeem zijn verdeeld.

Het voortdurend vergelijken van de oscillatorfrekwentie met een stabiele kristalfrekwentie is iets dat ook in onze frekwentiebijsloffer gebeurt. Het blokschema van figuur 1 laat zien hoe een en ander werkt.

Fig 1
Figuur 1. Blokschema van de frekwentiebijsloffer. Een centrale rol wordt vervuld door de D-flipflop FF, die hier als zogenaamde harmonische mixer werkt. De frekwentiebijsloffer vergelijkt de oscillatorfrekwentie voortdurend met een zeer stabiele kristalfrekwentie.

Het ingangssignaal van de frekwentiebijsloffer komt van de oscillator uit het afstemgedeelte (HF-gedeelte) van de ontvanger. Het gaat om de frekwentie f_osc van dat signaal. De frekwentiebijsloffer levert een uitgangssignaal in de vorm van een regelspanning uc naar de oscillator toe. De schakeling regelt uc nu zo, dat fosc precies gelijk is aan een van een reeks "rasterfrekwenties", frekwenties die op een vaste afstand van elkaar liggen.

Harmonische mixer

Een centrale plaats in de schakeling van de frekwentiebijsloffer wordt ingenomen door de D-flipflop FF. Deze werkt hier als een zogenaamde harmonische mixer met twee ingangen: de D-ingang en de clock-ingang van de flipflop. De ingangssignalen zijn regelmatige blokgolven met als frekwentie respektievelijk f_osc en f_cl. Het blijkt dat er in dat geval op de Q-uitgang van de flipflop ook een regelmatige blokgolf komt, met frekwentie f_q. Die frekwentie is uiteraard afhankelijk van de twee ingangsfrekwenties, en wel volgens de volgende formules:

f_q = | f_osc - k × f_cl | en f_q ≤ ½ f_cl

Hierin betekenen de twee vertikale strepen dat het gaat om de absolute waarde, dat wil zeggen het getal zonder plus- of min-teken ervoor (anders zou f_q wel eens een negatieve frekwentie kunnen worden, en wat betekent dat?). Het getal k in de formule is een positief geheel getal. Stel dat f_osc gelijk is aan 2005 kHz en f_cl aan 20 kHz. Uit de voorwaarde f_q ≤ ½f_cl volgt dat k dan gelijk moet zijn aan 100 en f_q 5 kHz bedraagt. Als f_osc gelijk is aan 2010 kHz zijn er twee waarden voor k mogelijk, namelijk k = 100 en k = 101 (f_q is dan 10 kHz). We zien dus dat er een raster ontstaat van f_cl (de clock-frekwentie). Het getal k noemt men ook wel het harmonischen-getal.

Waarom er zo een ongebruikelijke formule geldt voor f_q is niet zo gemakkelijk uit te leggen, maar het is wel min of meer aan te voelen. Immers, bij elke periode van f_cl, dus iedere 1/f_cl sekonden, krijgt de flipflop de kans om zijn uitgangsspanning te veranderen. Of hij van die kans gebruik maakt hangt af van wat er met zijn andere ingangssignaal gebeurt. Als dat niet verandert, zal het uitgangssignaal ook niet veranderen. Het zal ook niet veranderen als f_osc gedurende die 1/f_cl sekonden wel veranderd is, maar op het moment dat de flipflop "zijn kans krijgt" toch weer de oude waarde heeft. Dat is bijvoorbeeld het geval als er gedurende die tijd precies een geheel aantal perioden van f_osc verstreken is. De uitgangsfrekwentie van de harmonische mixer is dan 0, en k is gelijk aan f_osc/f_cl, het bewuste aantal perioden, dus een geheel getal.

Hiermee is de formule weliswaar allesbehalve afdoende verklaard, maar misschien toch enigszins geloofwaardig geworden.

Truuk

Als je de ingangssignalen van de harmonische mixer, f_osc en f_cl, konstant houdt, dan geeft de formule de waarde van de uitgangsfrekwentie f_q. Maar via een truuk kun je er ook op een andere manier van gebruik maken: door juist de uitgangsfrekwentie, samen met een van de ingangsfrekwenties konstant te houden. Stel bijvoorbeeld dat f_q gelijk is aan 250 Hz en f_cl aan 1000 Hz. Welke waarden kan f_osc dan aannemen zodat de formule blijft kloppen? Vul om te beginnen voor k maar eens het getal 1 in. Dan staat er: 250 = | f_osc - 1 × 1000 |. Dat klopt voor f_osc = 1250 Hz en (weer in verband met de absoluut-strepen) voor f_osc = 750 Hz. Vul nu voor k het getal 2 in. Dan wordt de formule: 250 = | f_osc - 2 × 1000 |, en dat is juist voor f_osc = 2250 Hz en f_osc = 1750 Hz. Voor k mag je ieder willekeurig positief geheel getal invullen, en als je dat doet blijkt dat f_osc de volgende waarden kan aannemen: 750 Hz, 1250 Hz, 1750 Hz, 2250 Hz, 2750 Hz, 3250 Hz ... enz. Precies zo'n reeks van rasterfrekwenties als we met de frekwentiebijsloffer willen hebben!

De vraag is nu alleen: hoe houden we die ene ingangsfrekwentie (f_cl) en de uitgangsfrekwentie (f_q) konstant? De ingangsfrekwentie levert geen problemen op, die leiden we af van een stabiele kristaloscillator. In het blokschema zien we dan ook dat f_cl ontstaat door de frekwentie van een kristaloscillator door N te delen.

Het konstant houden van de uitgangsfrekwentie f_q is minder gemakkelijk; die kunnen we immers niet rechtstreeks beinvloeden. De enige andere frekwentie die we nog rechtstreeks kunnen beinvloeden is f_osc. Daarom gebruiken we een regelkring: we sturen f_osc za dat f_q konstant blijft.

Daartoe wordt f_q voortdurend vergeleken met een stabiele referentiefrekwentie f_r. De beide te vergelijken signalen worden elk toegevoerd aan een eenvoudige pulsgenerator. De ene pulsgenerator levert bij iedere periode een positieve puls de andere een negatieve. De uitgangssignalen van de twee pulsgeneratoren worden bij elkaar opgeteld en daarna door een integratorschakeling geintegreerd. Het uitgangssignaal van de integrator levert via een inverterende bufferversterker de regelspanning u_c op, die de frekwentie f_osc bijregelt.

Als, hetgeen de bedoeling is, f_q precies even groot is als f_r, zal de gemiddelde uitgangsspanning van de opteller nul zijn en de regelspanning u_c daarmee ook. Er komen op de ingang van de integrator dan immers evenveel positieve als negatieve pulsen.

Wordt f_q om een of andere reden te hoog, dan komen er meer negatieve dan positieve pulsen op de ingang van de integrator terecht. Na verloop van tijd zal de uitgang van de integrator daarom ook negatief worden. Dit resulteert in een hoger worden van u_c en daardoor zal f_osc afnemen totdat f_q weer gelijk is aan f_r.

Het is een vrij ingewikkelde gang van zaken, maar het resultaat is de moeite waard: f_osc is met "kristalnauwkeurigheid" gelijk aan een van de frekwenties uit het rijtje rasterfrekwenties.

De praktijk

Na de uitvoerige toelichting bij het blokschema hoeven er niet zoveel woorden vuilgemaakt te worden aan het praktische schema van figuur 2. Het blokschema is er trouwens gemakkelijk in te herkennen. Er blijkt meteen een erg aantrekkelijke kant van de frekwentiebijsloffer: ondanks de niet zo erg eenvoudige werking van de schakeling is hij bepaald niet kostbaar. Een stukje vernuftige elektronica blijkt in de praktijk te kunnen worden gemaakt met een paar voor de hand liggende IC's en enkele losse onderdelen. De elektronica is veel eenvoudiger dan die van een PLL-systeem.

Fig 2
Figuur 2. In het uitgewerkte schema is de struktuur van het blokschema nog goed te herkennen.

IC1 bevat een kristaloscillator en een veertienbits binaire teller. Voor het kristal is een 4,43 MHz-type gekozen, zoals dat in kleurentelevisietoestellen zit. De enige redenen daarvoor zijn de lage prijs en de goede verkrijgbaarheid. Het kan zonder bezwaar vervangen worden door een kristal met een andere frekwentie, zolang die maar ligt tussen 1 en 6 MHz (anders werkt de oscillator niet). Het enige waaraan het gebruiken van een kristal met een andere frekwentie te merken zal zijn, is een andere onderlinge afstand van de rasterfrekwenties.

Het signaal op pen 3 van IC1 heeft een frekwentie van ca. 270 Hz. Dit is het ingangssignaal van een tweede teller, IC2. Daarin wordt de frekwentie nog eens door vier gedeeld (uitgang Q2 op pen 11), zodat een signaal ontstaat van zo'n 70 Hz. Dit is het signaal fcl uit het blokschema. Zodoende komen de rasterfrekwenties ca. 70 Hz uit elkaar te liggen. Van uitgang Q3 van IC2 wordt ook een signaal afgenomen. Dit wordt nog een keer in frekwentie gehalveerd door FF1 zodat een "bijsloffrekwentie" van ca. 17 Hz ontstaat.

FF2 is de harmonische mixer (FF in het blokschema). De twee pulsgeneratoren zijn elk eenvoudig gemaakt van een diode en een weerstand (respektievelijk D1/R2 en D2/R3). Om de noodzaak van een negatieve voedingsspanning te vermijden werken ze beide rond een nulnivo van de halve voedingsspanning. De optelling van de pulsen gebeurt met de weerstanden R4 en R5. IC4 is geschakeld als inverterende integrator en doet zo het werk van de integrator en de inverterende bufferversterker uit het blokschema. Zijn uitgangsspanning is dan ook de gewenste regelspanning u_c. De "reset"-drukknop S is aangebracht om het integreren, en daarmee het gehele regelproces, te kunnen onderbreken. Dat is van belang voor het afstemmen op een andere frekwentie. Het is beslist noodzakelijk om voor IC4 het aangegeven type opamp te gebruiken, omdat deze een FET-ingang heeft en er gewerkt wordt met hoge impedanties.

Indikator

De regelspanning uc wordt niet alleen gebruikt om de frekwentie van de oscillator in het HF-gedeelte bij te regelen, het heeft ook zin om de waarde ervan op een of andere manier zichtbaar te maken. De regelkring van de frekwentiebijsloffer werkt alleen als u_c niet al te ver van zijn nulnivo afwijkt, en alleen dan is de ontvanger optimaal afgestemd. Vandaar dat u_c zichtbaar gemaakt wordt met behulp van de indikatorschakeling van figuur 3. Dit is een zogenaamde vensterkomparator. Als u_c in zijn "goede gebied" zit licht de groene "lock"-LED D6 op; de ontvanger is dan optimaal afgestemd. Wanneer een van de twee rode "out of range"-LED's oplicht is het raadzaam de afstemming van de ontvanger bij te stellen, omdat anders de frekwentiebijsloffer niet aktief is (als D4 oplicht naar een lagere frekwentie, en als D7 oplicht naar een hogere).

Fig 3
Figuur 3. Deze vensterkomparator maakt de regelspanning zichtbaar. Als de groene "lock"-LED oplicht is de regelkring aktief.

Aansluiten op de HF-oscillator

Er zijn vele verschillende ontvangers, en evenzovele verschillende hoogfrekwentoscillatoren. Daarom is er ook niet een eenduidig recept te geven voor het aansluiten van de frekwentiebijsloffer. De meest klassieke (en trouwens niet de slechtste) uitvoering van de HF-oscillator werkt met behulp van een resonantie-kring, bestaande uit een parallelschakeling van een spoel en een afstemkondensator. Het oscillatorsignaal staat over die resonantiekring. In dat geval kan de oscillatorfrekwentie gestuurd worden door de regelspanning als we een varikap-diode aan de afstemkondensator parallel schakelen.

Deze wetenswaardigheden zijn in de praktijk gebracht in figuur 4. Het over de resonantiekring staande oscillator-signaal wordt afgenomen via een versterkertrapje met een dual-gate MOSFET. Zo wordt de resonantiekring nauwelijks belast. Het versterkertrapje heeft twee uitgangen: een voor het signaal f_osc naar de frekwentiebijsloffer en een met hetzelfde signaal, die bedoeld is om een eventuele counter (digitale frekwentieaanduiding) van ingangssignaal te voorzien. Die uitgang is dus niet van belang voor de frekwentiebijsloffer, maar we krijgen hem er als het ware gratis (of liever gezegd: voor de prijs van C14) bij.

Fig 4
Figuur 4. Deze schakeling kan worden toegevoegd aan bestaande HF-oscillatoren. De varikapdiode D9 wordt, in serie met C9, parallel geschakeld met de afstemkondensator.

D9 is de varikap-diode. Hij wordt niet zonder meer parallel geschakeld aan de afstemkondensator, maar in serie met C9. Anders zou de geringste verandering in uc al een enorme verandering in de oscillatorfrekwentie met zich meebrengen, waardoor instabiliteiten niet kunnen uitblijven.

Voor het geval de afstemkringen van de ontvanger ook al zijn voorzien van varikaps is een extra varikap natuurlijk niet nodig. De regelspanning uc kan in dat geval gewoon worden opgeteld bij de afstemspanning naar de varikap van de oscillatorkring. D9, C9 en R22 van figuur 4 kunnen dan vervallen. Is, zoals steeds meer gebruikelijk, de ontvanger bovendien voorzien van een "counter"-uitgang waarop de oscillatorfrekwentie beschikbaar is, dan kan figuur 4 in zijn geheel vervallen. De ingang van de frekwentiebijsloffer wordt dan op de "counter"-uitgang aangesloten.

De schakeling van figuur 4 moet zo dicht mogelijk bij de oscillator zelf worden aangebracht. De schakeling wordt als het ware zelf een onderdeel van de oscillator. Vooral de ingang van de versterkertrap is uiterst gevoelig.

Experimenteren

Een schakeling als die van de frekwentiebijsloffer is bij uitstek bedoeld voor experimenteerlustige elektronici. De dimensionering in de schema's is eigenlijk een soort grote gemene deler. De dimensionering die de beste resultaten levert verschilt evenwel van geval tot geval. Die is dan vooral afhankelijk van de drifteigenschappen van de ontvanger-oscillator. Het kan dan ook in sommige gevallen zin hebben iets aan het schema te veranderen.

Zo kunnen bijvoorbeeld de clockfrekwenties van FF1 en FF2 hoger of lager gekozen worden, door ze te betrekken van andere uitgangen van IC2 dan de nu gebruikte Q2 en Q3. Voorwaarde is wel dat de twee gebruikte uitgangen van IC2 onmiddellijk naast elkaar liggen (dus: de clock-frekwentie van FF1 is de helft van die van FF2). Het hoger of lager kiezen van de clockfrekwenties komt tot uiting in respektievelijk het verder van elkaar en het dichter op elkaar liggen van de rasterfrekwenties, en in de snelheid waarmee de frekwentiebijsloffer zijn bijregelwerkzaamheden uitvoert.

De frekwenties kunnen ook veranderd worden door een ander kristal te kiezen: de oscillator werkt zolang de kristalfrekwentie tussen 1 en 6 MHz ligt. Als de clock-frekwenties van de flipflops veranderen, moeten de kondensatoren C3, C4 en C5 meeveranderen: bij tweemaal zo lage frekwenties worden de kondensatoren tweemaal zo groot, en bij tweemaal zo hoge frekwenties tweemaal zo klein. In plaats van C5 (waarvoor geen elko mag worden gebruikt) te vergroten, kunnen ook R4 en R5 groter gekozen worden.

Het is ook mogelijk de frekwentiebijsloffer gebruik te laten maken van een externe referentiefrekwentie. Die zou bijvoorbeeld betrokken kunnen worden uit de tijdbasis van een counter. Zo'n frekwentie (bijvoorbeeld 1 MHz) kan via een kondensator van 39 pF worden toegevoerd aan pen 11 van IC1. R1, C1, C2 en het kristal vervallen dan. Wanneer een lage referentiespanning aanwezig is (bijvoorbeeld 100 of 250 Hz) kan IC1 zelfs geheel vervallen. De referentiefrekwentie kan dan rechtstreeks op pen 1 van IC2 worden aangesloten. Een externe referentiefrekwentie moet natuurlijk wel "kristalstabiel" zijn!

Rob's web