Hoe werkt de PLL? 2

Na de beschrijving van PLL-systemen uit de jaren '70 in CQ-PA augustus (PAo KAM) en de verdere ontwikkelingen in de jaren '80 in CQ-PA van september gaan we deze keer de PLL in het laatste decennium van deze eeuw bekijken. De zelfbouwtransceiver T7F voor 70cm is een goed voorbeeld van de techniek van de jaren '90, een techniek die ook in moderne (GSM)telefoons, mobilofoons en ATF2/3 toestellen wordt gebruikt.

In de 80-er jaren komen er goede, snelle en vooral goedkope delers ter beschikking die frequenties tot 1GHz en hoger kunnen delen tot de veel lagere frequenties waarop de veelal in CMOS-techniek werkende PLL-IC's werken. Daarmee kan het gecompliceerde 'voormengen' met een twee-de hoge frequentie vervallen.

De gebruikelijke voordelers delen door mooie digitale getallen zoals 64 of 256. Stel dat we willen uitkomen op de simplex-frequentie 433,500 MHz. Met een voordeler van 256× wordt de ingangsfrequentie voor de PLL 1693, 36 kHz en dat is een frequentie die het PLL-IC best kan behappen.

Wordt de VCO-frequentie door 256 gedeeld dan moeten we ook de rasterfrequentie (referentie) delen door 256, anders worden de stappen veel te grout. Dat is geen probleem, delen door 256 is digitaal een fluitje van een cent.

Toch hebben we een probleem; met het bijmengen van een vaste hoge frequentie uit een kristaloscillator ontstaat een verschilfrequentie en de startfrequentie, kanaal nul, waarbij we een gewenst aantal rasterfrequenties kunnen optellen om zo op de gewenste eindfrequentie te komen. Met een voordeler hebben we geen verschilfrequentie, geen kanaal nul... en dus een probleem. Daar is een truukje op bedacht.

Fig. 1
Hier wordt voorgemengd met een frequentie van 429,800 die goed stabiel dient te zijn omdat de PLL de verschilfrequentie van de VCO en de kristaloscillator constant houdt. Verloopt de kristaloscillator dan verloopt óók de VCO.

Dual modulus prescaler

Men neme twee voordelers (prescalers) die met een verschillend deeltal delen. Het IC MB501 van Fujitsu bevat twee delers die delen door 128 en 129. Door nu afwisselend de 128 en de 129 deler te gebruiken creeert men een verschil, net als met het bijmengen van een vaste hoge frequentie. In de prescaler zit in werkelijkheid maar 1 deler die of door 128 Of door 129 deelt, m.a.w. Of mode 128, Of mode 129 en dat geeft de naam 'dual modulus prescaler'. Voor het omschakelen van 128/129 zorgt het PLL-IC; hiermee kwam een nieuwe generatie PLL-IC's op de markt.

Fig. 2
Het PLL-IC is gecompliceerder geworden. Er zijn drie delers aan boord: deler A, deler B en een deler voor de rasterfrequentie. De belangrijkste toevoeging is de omschakeling van de prescaler.

Velen van ons hebben een Bosch KF161 of een T813 omgebouwd. In beide sets worden dezelfde prescaler S89 en dezelfde PLL S187 gebruikt. De prescaler deelt door 100/101 en daarmee wordt in combinatie met de PLL een instelbare startfrequentie van 100 × B × raster verkregen, waarbij B de delingsfactor voor de startfrequentie is. Een voorbeeld: de startfrequentie van de VCO moet zijn 133 MHz en we gebruiken een raster van 12,5 kHz. 133.000 kHz/12,5 kHz = 10604 en dit is 100× het getal waarop deler B dient te worden ingesteld. Een deler, dus ook deler B, kan alleen maar op een geheel getal worden ingesteld. Dat wordt voor deler B dan 106 en dat geeft een startfrequentie van: 100 × 106 × 12,5 kHz = 132,500 MHz. Vanuit deze startfrequentie kunnen we met deler A een gewenst aantal kanalen van 12,5 kHz omhoog gaan. Voor een VCO-frequentie van 134 MHz moeten we 1,5 MHz = 120 kanalen omhoog. Deler A wordt dan op 120 ingesteld. Met de instelbare A- en de instelbare B-deler samen kan een enorm aantal frequenties worden ingesteld.

Serie-aansturing

In veel mobilofoons (ATF-2) van eind jaren '80, begin jaren '90 vinden we ook een dual modulus prescaler, veelal de MB501/504 in combinatie met het PLL-IC MC145158 (Motorola) of de identieke MB87006A (Fujitsu). Deze

combinatie werkt op een zelfde wijze als de S89 plus S187 in de KF161 en de T813.

Maar er is een verschil: de frequentie kan bij de MC145158 niet met schakelaars of een diode-matrix worden ingesteld. De MC145158 heeft maar een aansluiting voor het ingeven van de frequentie en via deze ene aansluiting dient men het deeltal voor de rasterfrequentie en het deeltal voor de A- en B-delers in te geven.

Via een draadje... dat kan niet anders dan met serie-sturing. Elk van de drie deeltallen wordt uitgedrukt als een digitaal getal en die digitale getallen worden als 'eentjes' en 'nulletjes' op de 'data-ingang' van het PLL-IC gezet.

Een voorbeeld: stel we gebruiken een kristal van 6 MHz en we willen een raster gebruiken van 10 kHz. Het deeltal van de R-deler wordt dan 6000 / 10 = 600. 600 ziet er binair als volgt uit: 600 = 512 + 64 + 16 + 8 → de bits voor 512, 64, 16 en 8 moeten '1' zijn en alle andere bits '0'. Het getal voor de referentiedeler (raster) dient altijd uit 14 bits te bestaan en moet worden afgesloten met een '1'; alleen zo wordt het getal door het PLL-IC herkend als het deeltal voor de raster-deler. Behalve het deeltal voor de rasterdeler (Rdeler) zijn nog de getallen voor de A- en B-deler noodzakelijk. Om de zaak ingewikkeld te maken noemt men in de PLLtechniek de B-deler meestal de N-deler en voor de N-deler is een 10-bits getal nodig. Een 10-bits getal is maximaal 1023 (decimaal). Voor de A-deler is de hoogste decimale waarde 127, dus A is een 7-bits getal. Het N- en het A-deeltal worden direct achter elkaar gegeven als een lang 17-bits binair getal dat wordt afgesloten met een control-bit dat '0' (laag) is. Dit gaat op dezelfde manier als het ingeven van het R-deeltal. Willen we tijdens bedrijf van frequentie wisselen, maar in hetzelfde raster blijven, dan behoeft men alleen een nieuwe 17-bits reeks in te geven. Het rasterdeeltal blijft in het IC bewaard... totdat de voedingsspanning wegvalt. Bij het inschakelen van de transceiver dient men dus altijd opnieuw de frequentie-informatie naar de PLL te sturen.

Fig. 3
Het 14e bit wordt als eerste naar het PLL-IC geschreven en het control-bit als afsluiting van de serie bits. Op de data-lijn zijn de eerste vijf bits een '0' (laag) en hoe weet het IC nu of er een langzame of vijf snelle bits achter elkaar gegeven zijn? Dat is te zien aan de klok die tijdens het geven van ieder bit een keertje hoog en laag wordt.

De eenvoudigste manier om deze informatie naar de PLL te sturen is met de computer (PC) waarbij we de 'klok' en 'data' lijnen via de printerpoort met een passend programma van de juiste bits voorzien. Via het toetsenbord kunnen we dan de werkfrequentie naar de PLL sturen. Deze methode is bijzonder praktisch bij het ombouwen van een mobilofoon of autotelefoon naar de amateurbanden; gewoon om te kijken 'of ie het doet'. Een nadeel van deze manier van werken is dat men altijd een PC bij het setje moet hebben en dat is niet erg praktisch, zeker niet bij portabel gebruik. (De PC kan een eenvoudig ding zijn. Een oude XT, een Commodore 64 of een MSX is voldoende.) Werkt alles naar behoren dan kunnen we overwegen om de computer door een ingebouwde mini-computer te vervangen... een micro-processor. De micro-processor kan dan tevens een display aansturen want helaas zijn we met het verwijderen van de PC ook het monitorscherm kwijt waarop de frequentie is te zien. Dat het installeren van een µ-PC en vooral het programmeren daarvan geen eenvoudige zaak is heeft u kunnen ontdekken in de serie over dit onderwerp in CQ-PA.

De T7F-synthesizer

Er zijn amateurs die het voor elkaar gekregen hebben om een serie-gestuurde PLL met een micro-processor aan te sturen en 1 van die amateurs is Holger, DF2FQ. In de de vorige maand beschreven zelfbouw-transceiver, de T7F, wordt het PLL-IC MB1504 gebruikt. Een IC dat de voordeler MB504 en de PLL MC145158 bevat in een behuizing. De MB1504 moet net als de MC145158 met een pulstrein van informatie worden voorzien. [In handies kunt u de MB1501 tegenkomen. Dit is een zelfde IC, alleen met een hogere grensfrequentie (1100 MHz)]. Voor het opwekken van die pulstreinen voor de R-, N- en A-delers wordt een micro-controller (PIC-controller) gebruikt. Over dat digitale gedoe gaan we het de volgende maand hebben. Voor de nabouwers van de T7F zijn er geen problemen... de PIC wordt geprogrammeerd geleverd. U behoeft hem alleen maar in het voetje te steken. Deze maand kijken we naar de synthesizer van de T7F. Hoe de PLL werkt is al uit de doeken gedaan... op een paar bijzonderheden na.

Laagdoorlaatfilter vs. ladingpomp

Het bij de PLL gebruikelijke laagdoorlaatfilter is vrij hoogohmig en bevat vrij grote condensatoren. Het gevolg daarvan is dat het filter vrij traag op frequentieveranderingen reageert en dat kunnen we bij packet radio niet hebben. Om dat probleem te omzeilen heeft men de lading-pomp (charge pump) uitgevonden. De ladingpomp is een laagdoorlaatfilter met een versterker erin. De in de MB1504 ingebouwde ladingpomp is nog niet snel genoeg en daarom is een externe ladingpomp toegevoegd, de complementaire transistoren T1 en T2, rechtsboven in het schema. Met een RC-netwerk (C13, R6, C75, R11, R5 en C11) wordt de laatste 'rommel' verwijderd en met L3 als HFscheiding komt de frequentie-sturende gelijkspanning dan op de varicaps van de VCO. De varicaps BB204 zijn twee varicaps in een behuizing.

VCO-Voltage Controled Oscillator

De VCO is een klassieke oscillatorschakeling die werkt op de halve frequentie (200...225 MHz). De afgestemde Laing bestaat uit een helix-kring en de genoemde BB204. De oscillator T3 wordt gevolgd door een buffertrap T10 van waaruit via C18 een signaal terug naar de PLL gaat en via C6 signaal naar de frequentie-verdubbelaar T9. Na T9 is het signaal op de werkfrequentie en gaat dan verder naar de zender (TX-LO) en de eerste mixer van de ontvanger (RX-LO1). Inmiddels hebben we al een flink deel van het schema doorlopen... behalve het onderste deel.

Moduleren

Vertrekken we bij de modulatie-ingang MOD aan R21 dan komen we allereerst de FET T11 tegen. Met +RX wordt deze FET volledig in geleiding gebracht tijdens ontvangst en daarmee wordt het moduleren tijdens ontvangst gebiokkeerd. Direct na deze FET gaat de LF-modulatie twee wegen die ieder afzonderlijk met een instelpot kunnen worden afgeregeld. De eerste weg, via R41, voert naar de VCO die be-halve de hoofdafstemming BB204 nog een varicap BB405 heeft (licht gekoppeld met de kring via de 1 pF C14) voor de directe modulatie van de VCO. De tweede weg voert naar de dubbel-varicap BB204 over het kristal van de PLL. Van dit kristal wordt de referentiefrequentie (het raster) afgeleid en ook daarop wordt gemoduleerd. De laagste audio-frequenties van de modulatie op de VCO worden via het laagdoorlaatfilter weggeregeld en dat verlies van het lage deel van het spectrum wordt via 'raster-modulatie' weer gecompenseerd. Holger zal er vast wel flink wat tijd in gestoken hebben om op deze mater het hele frequentiegebied vanaf 10 Hz mooi vlak gemoduleerd te krijgen en toch een snelle omschakeling van frequentie (zenden/ontvangen) te behouden. We zijn het schema rond.

Als laatstf nog een blik op de aansluitingen van het IC, de MB1504, die overigens gelijk zijn aan die van de MB1501. Het verschil tussen beide IC's is de grensfrequentie... 1100 MHz voor de MB1501.

Bastiaan, PA3FFZ.