Hoe werkt de PLL? 1
Op veler verzoek besteedt CQ-PA aandacht aan de wens om eens goed uit te leggen hoe de PLL -de faselus- werkt. Vanwege de duidelijke uitleg heeft Ome Bas in het augustusnummer het werk van wijlen PA0KAM te voorschijn gehaald. Daarbij zouden we het natuurlijk kunnen laten maar twee gezichtspunten verduidelijken meer dan gen... bovendien heeft de techniek sinds de 70-er jaren niet stilgestaan. Het principe van de PLL is natuurlijk niet veranderd maar de praktische uitvoering wel, vooral door de stormachtige ontwikkelingen in de digitale techniek. Dit artikel behandelt de PLL-techniek der 80-er jaren. De 90-er jaren komen in het volgend nummer van CQ-PA aan de beurt met een beschrijving van de huidige stand der techniek aan de hand van de T7F zelfbouwtransceiver.
Laten we eerst eens gaan kijken waarom de PLL eigenlijk zo vaak wordt toegepast. Waarom we er iets van moeten weten is een duidelijke zaak: op het C-examen wordt er naar gevraagd. Maar dat kan natuurlijk niet de enige reden zijn. De PLL is uit moderne zendapparatuur niet meer weg te denken en zeker als wij amateurs ons bezig gaan houden met het aanpassen van mobilofoons en autotelefoons dan lopen we tegen de faselus aan.
Voor het opwekken van een stabiel signaal op VHF en UHF komt een LC-kring in de oscillator al jaaaren niet meer in aanmerking vanwege de geringe stabiliteit. We kunnen dan overgaan op het gebruik van een kristal en dan komen we verschillende problemen tegen.
- Een kristal resoneert maar op een frequentie.
- De hoogste frequentie waarvoor een (betaalbaar) kristal geslepen kan worden is ca. 25MHz. Door een kristal op een overtoon te laten resoneren kunnen hogere frequenties bereikt worden.
De oudere lezers onder u kunnen zich waarschijnlijk nog wel het MUS-zendertje van PA0MUS herinneren. Dit is een klein zendertje voor 2-meter met een vermogen van 100 mW. Met een kristal van 12 MHz komt men in stappen naar de 2-meter band. Er wordt gewerkt met het 12MHzkristal op de 3e overtoon... dus de basis-oscillator werkt op 36 MHz en die wordt verdubbeld naar 72 MHz en dan nog een keer naar 144 (145 )MHz. Helaas is frequentievermenigvuldiging niet mogelijk zonder dat er allerlei (on)mogelijke en ongewenste bijprodukten ontstaan die uiteraard moeten worden weggefilterd voordat het eindresultaat de ether ingaat. Een lastig bijprodukt is bijv. 5 × 36 MHz = 180 MHz. Deze frequentie ligt vrij dicht bij de gewenste 144 MHz en is moeilijk weg te filteren.
Zouden we een oscillator construeren die direct op 2-meter werkt dan hebben we geen last meer van die ongewenste produkten maar helaas is een dergelijke oscillator niet stabiel genoeg om er mee op de amateurbanden uit te komen. Als we nu eens iets maken dat de oscillator bijstuurt als deze van frequentie verloopt.
Toen de TV-uitzendingen in Nederland van start gingen op VHF gebeurde het weleens dat de met buizen gestookte kanalenkiezers zoveel verliepen dat de zender er langzamerhand "uitliep". Het was toen echter al mooi genoeg dat er wat te zien was op het wonderscherm en zo of en toe de afstemming wat bijregelen was niet zo'n probleem. Dat werd andere koek toen men het "tweede net" op UHF begon. De veel hogere frequenties hadden een veel groter frequentieverloop ten gevolge, waartegen de AFC werd geIntroduceerd. AFC = Automatic Frequency Control.
AFC is een vorm van een bescheiden PLL-systeem en werkt als volgt: bij de detector wordt gekeken of het signal uit de zender goed (op de juiste frequentie) door de MF-filters komt en zo niet dan wordt er een stuurspanninkje gemaakt dat aangeeft of de frequentie iets omhoog of omlaag moet. Dit stuurspanninkje wordt naar de tuner gevoerd alwaar een varicap de oscillatorfrequentie van de tuner net zolang verstemt totdat het signaal bij de detector op de juiste plaats' zit. Gaat de frequentie weer verlopen, door bijv. het stijgen van de temperatuur in de kast, dan wordt de tuner opnieuw bijgestemd door de stuurspanning.
Dit systeem werd en wordt nog steeds toegepast. Zo wordt in een aantal legertransceivers (ca. 1960) het signaal dat de zender op de eigen ontvanger veroorzaakt gebruikt om de zender op frequentie te houden. Het signaal op de FM-detector geeft informatie (de stuurspanning) of de zender goed op frequentie zit en er wordt zonodig bijgestuurd. Zonder deze bijstuurloop kan de zender enkele MHz van de gewenste frequentie afwijken... zo slecht is de zenderoscillator eigenlijk. Een nadeel van deze constructie is dat zender en ontvanger op dezelfde frequentie moeten werken en dat het soms lang kan duren voordat de loop ingeregeld is, d.w.z. voordat de zender op de ontvangstfrequentie is gekomen en dan pas wordt de zender gelockt aan de ontvanger.
Bij de bekende 'Lotus' mobilofoon van Philips gaat men wat anders te werk. De VHF-zender heeft een fraaie oscillator die wij bij de ombouw naar een gewenste 2-meter frequentie draaien. Die oscillator is weliswaar een prachtig stukje werk maar toch nog niet stabiel genoeg. De ontwerpers bij Philips hebben een klein signaaltje van het zendsignaal afgetakt en delen dit -met een aantal discrete transistordelers- in frequentie door 16 en dat geeft een signaal van een megaherz of negen. Er is ook een kristaloscillator van 9MHz en een fasedetector waarmee de gedeelde zendfrequentie en de stabiele kristalfrequentie met elkaar vergeleken worden.
Komen deze twee frequenties niet met elkaar overeen dan zorgt het stuursignaal vanuit de fasevergelijker ervoor dat de zender in de pas gaat lopen. Voor het op frequentie houden van de ontvanger wordt een identiek systeem gebruikt.
In de Lotus wordt een deler gebruikt die altijd door 16 deelt maar je zou je natuurlijk kunnen voorstellen wat er gebeurt als we de 16-deler door een 15-deler vervangen. De zender zal dan net zolang worden bijgestemd totdat de frequentie 15 × 9 MHz = 135 MHz is. Dat een 10-deler een frequentie van 90MHz geeft zal duidelijk zijn.
Een PLL is niet alleen in staat om een oscillator op een hoge frequentie 'op frequentie' te houden... deze frequentie is ook gemakkelijk te veranderen door het instellen van een ander deeltal van de deler en dat met den en hetzelfde kristal. Bovendien levert een PLL met de oscillator op de eindfrequentie een schoon signaal.
We gaan er nu maar even van uit dat de oscillator zich over dit enorme frequentiebereik soepel last verstemmen. De zojuist geschetste situatie bij de Lotus komt geheel overeen met het bekende blokschema van de faselus op het C-examen. Laten we maar eens naar dat schema kijken... de door mij ingevulde getallen zijn de situatie voor 144MHz bij de Lotus.
PLL bij de Lotus
Van dit 'examen-schema' hebben we nog een ding niet bekeken: het laagdoorlaatfilter. Een fasevergelijker mag u best beschouwen als een mengtrap waaraan twee signalen van 9MHz worden toegevoerd. Aan de uitgang van deze mengtrap ontstaan dan behalve 9 MHz ook nog nul en 18 MHz... en zolang de variabele oscillator nog niet is gelockt nog een breed scala aan alle mogelijke mengprodukten. Als we die 'rommel' naar de 144 MHz-oscillator voeren om deze bij te regelen dan moduleren we deze oscillator in FM met rommel en dat kan nooit de bedoeling zijn. Na het laagdoorlaatfilter dient het signaal ontdaan te zijn van alle rommel en dan blijft er slechts een langzaam veranderende gelijkspanning. We moeten zelfs oppassen dat die gelijkspanning op zijn weg naar de variabele oscillator geen brom of ander ongerief oppikt.
Wat nog wel eens wordt gedaan is nd het filter doelbewust deze gelijkspanning moduleren met gewenste audio. In principe werkt de regellus de modulatie (is een frequentie-afwijking) tegen maar omdat het laagdoorlaatfilter alleen maar lage tonen doorlaat voor de terugregeling worden alleen de lage audiocomponenten door de faselus weggeregeld. Dit zijn zulke lage tonen dat u daar bij spraak niets van merkt maar wel bij 9k6 packet want daar zijn ook de zeer lage tonen van belang. Vrij veel amateurtransceivers en mobilofoons worden op deze manier gemoduleerd en dat geeft met 9k6 problemen die niet eenvoudig op te lossen zijn. (Zie ook de T7F waarin maatregelen tegen dit verschijnsel zijn genomen.)
Het uitstapje naar de Lotus van Philips was leerzaam om eens te zien hoe men een schoon en stabiel signaal op een hoge frequentie kan opwekken. Het is alleen jammer dat er bij de Lotus geen gebruik gemaakt is van een van de aardigste eigenschappen van de PLL; de frequentie is te veranderen door een ander deeltal te nemen. Bij de Lotus moeten we voor iedere frequentie op twee-meter twee andere kristallen nemen, eentje voor het zenden en eentje voor de ontvangst. Dat wordt een kostbare grap en met een paar verfijningen aan de PLL kunnen we elke gewenste frequentie in een amateurband met een of enkele kristallen maken. Een goed voorbeeld daarvan is de "normale" PLLschakeling zoals die voorkomt in bijv. de AP mobilofoons voor UHF (70cm).
Allereerst de referentie-oscillator, waarvoor ik de uitdrukking 'rasteroscillatof prefereer omdat hiermee het raster van de kanalen wordt bepaald. lk ga uit van een raster van 25 kHz maar een 12,5 kHz raster is ook mogelijk omdat de :256 deler ook in te stellen is op :512. Andere rasters zijn mogelijk met een andere oscillatorfrequentie. De vorige gebruikers van deze sets gebruikten een 20 kHz raster en daarvoor zat er oorspronkelijk een 5,12 MHz kristal in de AP2140. Ik heb dit kristal vervangen door een 6,4 MHz exemplaar voor het gebruikelijke 12,5/25kHz amateurraster.
Het blokschema, zoals dat gegeven is, werkt niet. De oorzaak daarvoor ligt in het PLL-IC dat vanwege de CMOS-constructie geen signalen van 430 MHz kan verwerken, maar signalen tot ca. 6 MHz. Om de signalen van 430 MHz naar minder dan 6MHz te krijgen wordt eerst met een signaal uit een kristaloscillator, waarvan de frequentie ver-24-voudigd wordt, gemengd. In het voorbeeld is de gewenste frequentie 430,100 MHz verhoogd met de gebruikte MF van 21,400 MHz en dat geeft 451,500 MHz voor de oscillator (VCO).
De frequentieberekeningen hebben betrekking op de z.g.n. startfrequentie; we kunnen ook spreken over "kanaal nul". Het maximum aantal kanalen dat met de PLL (Motorola MC145151) instelbaar is, is 511.
In veel transceivers wordt voor de PLL gebruik gemaakt van een IC waarin vrijwel de gehele schakeling is opgeborgen. Met vrijwel wordt hier bedoeld... alles, behalve de variabele oscillator, de VCO. De VCO kan voor allerlei frequenties bedoeld zijn en wordt daarom niet in het PLL-IC geintegreerd. Er zijn nog wel meer redenen: zo zijn de PLL-IC's vaak in CMOS uitgevoerd en dan is de maximale frequentie veelal begrensd tot ca. 10 MHz.
Als we de deler instellen op :69 dan moet de VCO min de kristal-frequentie gelijk zijn aan 69 kanalen @ 25kHz = 1,725 MHz. De VCO staat dan op 451,400 (24× kristal) + 1,725 = 453,125 MHz. Dat geeft een ontvangst (en bij de AP ook een zendfreq.) op 453,125 - 21,4 (MF) = 431,725 MHz.
Het IC MC145151 wordt o.a. gebruikt in de AP2140 maar het kan ook met eenvoudige digitale IC's van een paar gulden zoals men dat in de AP2157 doet.
Fig. 3. De PLL moet nu de 100 kHz constant houden en met een raster-frequentie van 25 kHz moeten we de deler instellen op ':4'. De VCO komt dan 4 kanalen van 25 kHz hoger dan de start-frequentie en die is 451,400. De VCO staat zo op 451,400 + 0,100= 451,500 MHz.
Fig. 4. Het deeltal voor de PLL kan worden ingesteld door de betreffende aansluitingen van het IC NIET aan massa te leggen. Zo stelt men het delen door 69 in door alle, behalve de pennen voor 1, 4 en 64, met massa te verbinden.
Het signaal van de VCO-mixer wordt eerst in een blokgolf omgezet en dan naar twee programmeerbare delers van het type 74LS193 gevoerd. De voorinstelling van deze delers wordt op het gewenste deeltal ingesteld. We nemen weer ±69. De eerste deler staat met de lijnen voor 1 en 4 en de tweede met de lijn voor 64 ingesteld. Net als bij de MC 145151. De deler kan optellen of aftrekken en wordt gebruikt als aftrekker. Na 69 pulsen is de teller die op 69 stond afgeteld tot nul en dan wordt gereset (terug op 69 gezet) en zo komt er om de 69 pulsen een puls uit deze deler.
Ook voor de fasevergelijker wordt een goedkoop IC gebruikt.
De MC4044 heb ik niet in de documentatie kunnen vinden maar deze bevat vermoedelijk 4 set/reset flip/flops waarvan de set en reset door de gedeelde VCO-frequentie en de referentie-frequentie worden aangestuurd. Als het setten en resetten niet te gelijker tijd gebeurt dan verschijnt aan de uitgang een fout-signaal dat na filtering de VCO bijtrekt... net zolang totdat VCO en referentie wet in de pas lopen (zie ook PAoKAM in CQ-PA augustus 1999). Bij het ombouwen van de AP2157 is geen 400kHz kristal gebruikt maar een veel gemakkelijker verkrijgbaarder en goedkoper 6,4MHz kristal en een extra 16-deler (nog een 74LS93).
Deze verhandeling over PLL-systemen bevat waarschijnlijk voldoende informatie om te begrijpen hoe het in de diverse mobilofoons en transceivers toegaat bij de frequentie-opwekking. Een belangrijke mededeling voor het zelf spelen met PLL's ontbreekt echter nog: de VCO moet over de gewenste frequenties of te stemmen zijn met de afstemspanning uit de PLL... lukt dat niet dan dient u de VCO voorzichtig te verstemmen zodat deze in het 'vanggehied' komt. Let er op dat na het bijtrimmen van de VCO de laagste en de hoogste frequentie 'lockt!
Bastiaan, PA3FFZ.