Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : PLL Baustein 4046
Hallo zusammen,
ich benötige eine einstellbare Frequenz von 327,68Hz bis 655360Hz in Stufen von 327,68Hz.
Ich wollte das ganze mittels einer PLL realisieren, spezieller mit dem PLL Baustein 4046.
Um erstmal die richtige Dimensionierung des internen VCOs zu prüfen ist momentan nur dieser angeschlossen. VCO_in liegt eine variable Spannung zwischen 0V und 5V an.
Jedoch habe ich erhebliche Probleme bei der Dimensionierung der externen Bauteile für die gewünschten Eigenschaften wie oben beschrieben.
Ich schildere kurz meine bisherige Vorgehensweise:
f_0 liegt bei mir ca. bei 327734,6133Hz. Nun habe ich aus dem Diagramm im DB den Wert des Kondensators C1 abgelesen (eher weniger genau, gibt es vielleicht eine andere Möglichkeit außer das Diagramm?). Mit diesem Diagram ist auch schon gleich R1 bestimmt.
Aus einem anderen Diagramm bekomme ich über das Produkt von C1 und R1 nun den Frequenzbereich geliefert, bei dem später die PLL einrastet (das ist ja gleich dem Frequenzbereich des VCOs, wenn ich ihn alleine betreibe oder?)
Jedoch brauche ich für mein f_0 ein anderen Bereich als mir dann dieses Diagramm über das Produkt sagt. Gibt es da keine Möglichkeit diese unabhängig von einander ein zu stellen?
Dann gibt es noch ein Problem, dass ich nicht "beliebig", also bis zu meiner f_min nicht herrunter komme mit dem VCO. Im Datenblatt wird auch immer was von 0,9V bis Vcc-0,9V als Eingangsspannung des VCOs geschrieben. D.h, wenn ich überprüfen will mit dem Oszi, dann ist die nachher in der PLL niederste Frequenz bei 0,9V?
Fragen über Fragen...es wär nett, wenn mir einer das mit der Dimensionierung erklären kann.
Oder ist der Ansatz über den 4046 total falsch?
Viele hoffnungsvolle Grüße,
hacker
Besserwessi
02.01.2009, 16:16
Wenn es wirklich die gleichen Frequenzstufen sein müssen ist der Ansatz mit dem PLL schon richtig. Die Frequenz des VCOs hängt ab vom Kondensator, Widerstand und der Spannung am Eingang. Sollte nach einer Formel ungefähr wie f = Const * U/Ub / (R * (C+10pF)) gehen. Für den Widerstand gibt es da irgendwo Grenzen, sodass man da irgenwas so um die 20 KOhm wählt, kann man aber später gut zum Feinanpassen nehmen. Daraus kriegt man dann die Größe des Kondensators. Der 2 te Widerstand am 4046 wird einfach weggelassen (offen lassen).
Nach meinen Erfahrungen gehen auch Eingangsspannung unter 0,9 V noch ganz gut, aber die linearität ist vermutlich nicht mehr so gut.
Der große Frequenzbereich von etwa 1:2000 läßt sich kaum mit dem VCO ohn umschalten verarbeiten. Da wird man wohl entweder den Kondensator umschaltbar (bzw. einen 2 ten dazuschalten) machen müssen, oder einen Frequenzteiler dazuschalten müssen. Ob man mit 2 Bereichen auskommt, kann ich nicht sagen, 3 sollten aber reichen.
Die alternative wäre eventuell eine DDS Baustein. Damit hat man eine sehr fein einstellbare Frequenz, aber besonders beim Rechtecksignal bei höheren Frequenzen ziehmlich viel Jitter.
Der Frequenzbereich ist viel zu groß für den VCO. 1,000312..1,655360MHz und dann um 1MHz runtermischen würde gehen, aber berechne mal das Kvco - da brauchste schon ein sehr gutes Loopfilter.
Ich habe in meiner Diplomarbeit eine PLL, die von 2..100MHz arbeitet. So richtig sauber arbeitet das Ding nur mit 4 umschaltbaren Zeitkonstanten. Mit viel Finetuning wäre es auch mit 2-3 gegangen, aber die PLL war nur notwendiges Beiwerk, daher habe ich mich damit begnügt.
DDS habe ich auch verwendet, wenn man ein Rechteck braucht, tut man aus genanntem Grund gut daran, ersteinmal einen Sinus zu generieren, den ordentlich zu filtern und dann einen Komparator nachzuschalten.
Man sollte die Frequenzen 327680 Hz bis 655360 Hz per PLL erzeugen und eine Teilerkette (4040) nachschalten an der man die restlichen Frequenzen abgreifen kann.
Besserwessi
02.01.2009, 20:11
@Manf:
Mit einfachem Teilen ist es leider nicht getan um äquidistante Frequenzen zu bekommen.
Je nach erreichter Auflösung könnte man ja auch mit näherungsweise äquidistanten Frequenzen auskommen. Mit einem einfachen Teiler ist es aber kaum getan.
Hallo!
Der 4046 eignet sich für die Anwendung als VCO nicht besonders, weil er nur sweep range 200:1 hat (nötig ist 2000:1, da 655360 / 327,68Hz = 2000). Besser wäre ein XR-2206, der das ohne zusätzlichen Teiler erzeugen kann. Als PLL Baustein, der den VCO direkt steuert, kann man dann je nach Ansteuerung (seriel bzw. parallel) z.B. ADF4001 bzw. MC145151-2 nehmen. Es könnte sowieso schwerig werden ein passendes Quarz für Referenzfrequenz 327,68 Hz zu finden und man wahrscheinlich ein Uhrenquarz 32768 Hz durch 100 mit z.B. 74HC390 teilen muß.
Den XR-2206 gibt es beim Reichelt und den ADF4001 bei eBay im zhoeffler Shop:
http://cgi.ebay.de/6-St-ADF-4001-200-MHz-Clock-Generator-PLL-E0866_W0QQitemZ350112820493QQcmdZViewItemQQptZBaut eile?hash=item350112820493&_trksid=p3286.c0.m14&_trkparms=72%3A1229|66%3A2|65%3A12|39%3A1|240%3A13 18
MfG
Man sollte die Frequenzen 327680 Hz bis 655360 Hz per PLL erzeugen und eine Teilerkette (4040) nachschalten an der man die restlichen Frequenzen abgreifen kann.
Nochmal ausführlicher:
Die Grundfrequenz von 327,68 Hz soll mit den Faktoren 1 bis 2000 zur Verfügung gestellt werden.
Es reicht hierzu zunächst aus, die Frequenzen über den Bereich der Faktoren 1000 bis 2000 zu erzeugen, ein Bereich der den Faktor 2 umfasst und der sich damit von einem VCO abdecken läßt.
Weitere Faktoren, die von 1 bis 1000, lassen sich exakt und jitterfrei aus diesen Frequenzen durch Teilung durch ganzzahlige Potenzen von 2 ableiten.
Hallo,
vielen Dank für die zahlreichen Antworten bis jetzt.
@Besserwessi
Ja, es müssen exakt diese Frequenzstufen von 327,68Hz sein! Das ist ganz wichtig. Und mit möglichst wenig Jitter, so scheidet dann auch DDS aus.
So wie du das beschrieben hast, bin ich auch vorgegangen. Aber irgendwie stimmt die ausgerechnete Frequenz f_0 mit der gemessen nie überein. Sind das im DB vielleicht nur ungefähre Angaben?
Ist diese Bereichsunterteilung des VCOs gebräuchlich, wenn man einen größeren Frequenzbereich mit abdecken will?
Wie würde ein Zuschalten eines zweiten Kondensators realisiert werden? Mittels Transistor?
Irgendwie komm ich immer weiter weg von dem 4046. Dieser scheint sich für meine Zwecke nur umständlich dazu bringen, das zu machen, was ich brauche.
@Manf
Gute Idee! Jedoch benötige ich um die Frequenz nachher auf einer Leitungs zu haben nochmals jede Menge UND Gatter, um je nach Bedarf den erforderlichen Abgriff auf die Leitung zu schalten, und µC Pins, mit denen ich sehr sparsam umgehen muss. Der µC muss noch externe RAMs, DAC und weiteres steuern.
@PICture
Der XR-2206 hört sich interessant an. Wenn im DB 2000:1 angeben sind, sind diese dann auch absolut gewährleistet? Ich würde ja dann den ganzen Bereich ausnutzen und dabei darf sich unter allen Umständen kein Aussetzer an den "Frequenzrändern" einschleichen!
Die genannten PLL Bausteine sehen gut aus. Ich werde mich da gleich mal ans DB Hirnen machen.
Ein Quarz mit anschließendem Teiler, der mir 327,68Hz liefert, ist hier schon vorhanden.
Wie oben schon erwähnt neige ich immer mehr dazu, einen exteren VCO und ein PLL Baustein zu verwenden. Diese erscheinen mir doch für meine Anforderungen besser geeignet zu sein als der 4046.
Oder wie seht ihr das?
Ich will auf jeden Fall eine Lösung, die stabil über Jahre hinweg läuft! Die Schaltung wird später in einer Schwingprüfmaschine zur Materialprüfung eingesetzt und es muss gewährleistet sein, dass die PLL absoult zuverlässig funktioniert!
Ich muss aber zugeben, dass ich gerade bei der PLL GEschichte doch ziemliches Neuland betreten habe. Was mir noch schleierhaft ist, nach welchen Kriterien der Loopfilter dimensioniert sein muss?
Kennt ihr dazu gute Literatur, die vielleicht nicht zu mathematisch ist?
Vielleicht kann einer sogar die Zeit opfern und mir das in ein bis zwei Sätzen erklären (wenn das so einfach ist).
Grüße,
hacker
Hallo Hacker!
Wenn für einen VCO ein sweep range min 2000:1 in Datenblatt angegeben ist, dann müsste es auch sicher sein.
Das PLL ist heutzutage in allen stabilen Radioempfänger benutzt, die jahrzehnte stabil arbeiten. Es muss nur gewärleistet werden, dass nach dem Einschalten der Versorgungsspannung der VCO bei 0 V Spannung eine Frequenz generiert, die im Bereich Lock-in liegt, meistens soll die Frequenz kleiner als die minimale sein.
Wenn es um Loopfilter geht dann sollte die Steuerspannung für den VCO eine Gleichspannung sein. Die Welligkeit der Spannung verursacht ein Jitter. Anderseits die Glättung der Ausgangspannung vom Frequenzkomparator verzögert einstellen der Ausgangsfrequenz.
Das Problem ist änlich wie eine Gleichspannung aus einer PWM zu bekommen und da ist eine Kompromislösung gefragt. Wenn die Zeit nach der sich die gewünschte Ausgangsfrequenz einstellen darf nicht kritisch ist, ist der Tiefpass für Frequenzkomparator nicht so wichtig, wenn es um Frequenz geht.
Ich denke, dass es sich lochnt ein bischen Zeit zum Lernen in die Enwicklung zu investieren, dafür entsteht aber gewünschte Schaltung.
Du kannst selber nach "PLL" googeln um mehr zu lernen. Ich bleibe jedenfalls dabei. :)
MfG
Besserwessi
03.01.2009, 16:20
Der Phasenvergelicher im 4046 ist recht gut wegen des großen Fangbereichs. Ohne den nutzt auch der große Frequenzbereich des VCOs nicht viel.
Die relativ hohen Frequenzen über einen PLL zu erzeugen ist auch nicht immer ideal, denn das Ausgangssignal des Phasenvergleichers wird nur eher selten aufgefrischt (327 Hz). Für ein wirklich Jitterarmes signal ist das nicht iedal. Ich würde mal davon ausgehen, das man das mit einem DDS und Filter, oder DDS und nachgeschalteten PLL ähnlich oder besser hinkriegen kann. Allerdings hat man beim DDS keine schritte von 327,68 Hz sonder eher sowas wie 0,12345 Hz oder auch noch kleiner. Mit etwas suche und Abgleich sollte man aber auch einen exakten Teiler 327,68 Hz finden. Dafür sind die DDS Bausteine relativ klein und oft per SPI oder I2C zu steuern, brauchen also wenige pins.
Edit:
Die umschaltung des Kondesators kann man mit einem einfachen Transistor oder 2 Dioden und Widerstand machen. Das ist nicht so ungewöhnlich. Allerdings könnte es die Auslegung des Loopfilters noch etwas schwieriger machen.
Hallo!
@ hacker
Wenn du mit dem 4046 kämpfen willst, würde ich unbedingt das lesen:
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/pll4046.htm
Der Frequenz/Phasenkomparator muss, wenn die Frequenz des VCOs (Fvco) mit der Spannung wächst, eigentlich nur die Ausgangspannung UKout = ~0 für Fvco/N > Fref und UKout = ~Vcc oder höher (Ladungspumpe) für Fvco/N < Fref ausgeben und für Fvco/N = Vref hochohmig sein, wobei Fref Referenzfrequenz ist. Die Ausgangsfrequenz des Komparators und gleichzeitig die Eingangsfrequenz des Loop-Filters ist immer Fref.
Die meisten PLL Bausteine haben umschaltbaren Strom der Ladungspumpe, was ermöglichst bei größeren Frequenzänderungen das Einrasten zu beschleunigen. In fast jedem PLL Regelkreis wird alles durch ein µC gesteuert.
MfG
Ja, ich muss es ja nicht bauen, ich meine nur dass der Bereich über den die Größe Frequenz analog gesteuert werden soll mit 2000 etwas groß ist.
Eine sinnvolle Abstufung ergibt sich dann wohl mit dem Faktor 4 oder 8, wobei der restliche Bereich über Teiler abgegriffen wird.
Es sind dann keine vielen Und Gatter sondern ein Multiplexer-IC mit wenigen Steuerleitungen.
Der VCO des 4046 ist schon recht gut. Seine Bauteilwerte können aber erfahrungsgemäß nicht unmittelbar aus dem Datenblatt abgelesen werden und es ist nicht zu erwarten dass gerade er über den Faktor 2000 so linear arbeitet dass der Loop Filter bei dem großen Bereich einfach abzugleichen wäre.
Als analoge Schaltung kann er aber sehr einfach ein stabiles und jitterarmes Signal über den verkleinerten Bereich liefern.
Ich kenne bischen keine PLL Schaltung, wo der ganze Frequenzbereich nicht durch VCO gedeckt wird. Bei Radios ist natürlich ein Bereichsumschalter nötig, da sie von LW ca. 600 kHz bis UKW ca. 120 MHz von LC Oszillator (der nur 3:1 kann) sinusoidalen Signal für Mischer liefern müssen. Aber für niedrige Frequenzen sind die Funktionsgenerator-Bausteine die beste Wahl.
MfG
Ja, es müssen exakt diese Frequenzstufen von 327,68Hz sein! Das ist ganz wichtig. Und mit möglichst wenig Jitter, so scheidet dann auch DDS aus.
Ich Denke so lange man nicht auf die internen Frequenzvervielfacher zurückgreift sollte sich der Jitter bei der DDS doch in Grenzen halten.
Die Frequenzstufen von 327,68Hz sollten sich auch mit einer DDS durch die Wahl einer geeigneten Taktfrequenz herstellen lassen.
Und auch eine PLL hat einen Phasenjitter.
Die Einstellung der Frequenz ließe sich am einfachsten per Microcontroller und SPI bewerkstelligen.
Die Frequenzvorgabe könnte dann dabei vom PC per RS 232 oder USB zum Microcontroller erfolgen.
Guck mal bei Analog Devices unter den Bausteinen AD 9851, bzw AD9951 - eventuell wäre ja einer von denen geeignet ?
Besserwessi
03.01.2009, 21:50
Jitter ist bei PLL vor allem ein Problem bei niedriger Ref. Frequenz, wei hier den 327 Hz bzw. bei hohen Multiplikatoren (hier 1...2000).
Beim DDS ist jitter vor allem ein Problem wenn man da direkt ein Rechteckraushohlen will, und dann auch noch eher hohe Frequenzen haben will. Imerhin ist die Unsicherheit beim DDS mit Recheck-direktausgang einfach zu bestimmen, das ist halt eine Halbe Periode des Taktes. Für hohe Frequenzen kann das schon störend sein, oder man müßte einen der relativ teuren DDS Chips nehmen, mit ziehmlich hohem Takt.
Eine Kombination, die ich wohl wählen würde, wäre den DDS (z.B AD983x) mit rund 50-200 KHz laufen lassen, die Frequenz per PLL um den Faktor 4 hochsetzten und dabei viel vom Jitter entfernen, und dann durch Teilen durch 4^N die grobe Frequenzeinstellung machen.
Klingt etwas umständlich, braucht aber gar nicht so viele Teile.
So was ähnliches, aber mit gebrochenem Teiler (im µC) statt DDS habe ich mal aufgebaut und funktioniert recht gut.
Hallo!
Also ich habe es bisher verstanden entweder PLL oder DDS, aber wofür beide, verstehe ich jetzt nicht mehr.
Wenn die Frequenz/Periode nicht sehr stabil sein muss, lang vielleicht sogar FLL und bleibt nur VCO und µC.
MfG
Besserwessi
03.01.2009, 22:18
Beim PLL hat man Probleme mit dem großen Frequenzbereich und dem Jitter wegen der kleinen Ref Frequenz von 327 Hz.
Beim DDS hat man ein Probleme mit Jitter bei den hohen Frequenzen, besonders wenn man kein Vermögen für einen 400 MHz DDS chip ausgeben will oder die entsprechende HF taugliche Platine nicht bauen will/kann. Wenn man mit Filtern und Komperator klarkommt geht das natürlich auch.
Wenn man beide Wege kombiniert nimmt man den DDS zur bequemen Frequenzeistellung und den PLL um Jitter des DDS rauszufiltern. Der Teiler hinter dem PLL umgeht den VCO mit großem Frequenzbereich.
Ich kann mir aber auch Vorstelln, das das signal direkt aus dem DDS auch schon reichen kann. Dann hat man eventuell nur die Schwierigkeit so einen mini SMD chip zu löten und günstog zu bekommen.
Hallo zusammen,
Das PLL ist heutzutage in allen stabilen Radioempfänger benutzt, die jahrzehnte stabil arbeiten. Es muss nur gewärleistet werden, dass nach dem Einschalten der Versorgungsspannung der VCO bei 0 V Spannung eine Frequenz generiert, die im Bereich Lock-in liegt, meistens soll die Frequenz kleiner als die minimale sein.
Im Lock-Bereich/Fangbereich des Phasenkomperators oder? Ich benutze weiter unten den Phasenkomperator, der den Fangbereich = Frequenzbereich des VCOs hat. Der VCO kommt ja (zwar nicht linear) aber ohne Frequenzoffset bis auf wenige Hz bei 0V runter. Ist das damit gewährleistet?
Ich habe mir gestern auch den Tag Zeit genommen und mich nach deiner Motivation PLL richtig zu verstehen, nicht nur die Funktionsweise, sondern auch die Technik dahinter (Wie sind die einzelnen Komperatoren aufgebaut, wie funktioniert das mit dem Ausgangssignal und der Ladungspumpe)
Ich muss sagen, es ist ein sehr interessantes Gebiet. Aber da ich erst dieses Semester mit E-Technik angefangen habe zu studieren, hab ich vielleicht auch was falsch gemacht (z.B bei dem Loopfilter). Von daher immer gleich einschreiten, wenn was nicht passt ;-)
Vielen Dank für die ganzen anderen Vorschläge, auch in Richtung DDS. Ich bin aber noch nicht ganz dazu gekommen, mir die vorgeschlagenen ICs anzuschauen.
Ich habe jedenfalls meine Entscheidung den 4046 NICHT zu verwenden erstmal wieder revidiert. Aus folgenden Gründen:
- Manf sein Vorschlag hab ich nochmals überdacht und kann mich immer mehr mit ihm anfreunden
- den 4046 und alles drum und dran hab ich bereits hier zur Verfügung. Bis ich mich da für ein neues IC entschieden hab, dieses bestellt habe, da kann ich im Zweifel den 4046 richtig austesten. Wenns danach nicht klappt, kann ich immer noch mich für ein anderen Baustein entscheiden
Ich habe also mit dem 4046 weiter gemacht. Entgegen den Datenblattwerten hab ich ihn für meine gewünschte Frequenz mit den Faktoren 1000 - 2000 (siehe Manfs Vorschlag) mit R1 = 10k und C1 = 330p für brauchbare Frequenzen von ca. 100kHz bis 1MHz beschalten. Mich schockiert aber diese deutlich Abweichung von den Diagrammen vom Datenblatt oder mach ich irgendwas falsch? Wird diese Abweichung stabil sein?
Ich verwende den Komperator 2 (Phasenkomperator). Vielen Dank an PICture für den Hinweis mit dem Fehler bei diesem Komperator. Hab aber auch schon davor so ziemlich alle Artikel vom ELKO abgegrast gehabt, bevor ich hier postete ;-)
Jetzt blieb nur noch das Loopfilter zu designen. Entgegen dem im Datenblatt angegeben Filter hab ich mich für folgenden zweistufigen entschieden:
http://www.imgbox.de/users/public/images/g14053n11.png (http://www.imgbox.de)
Grund dafür war, dass die gesamte Phasenverschiebung 360° nicht erreichen darf. 180° gehen an den Phasenkomperator schon drauf und 90° an den VCO. Somit bleiben für den Filter weniger als 90° übrig. Der Filter sollte aber auch noch Störungen eleminieren können und sollte weit über seiner Grenzfrequenz betrieben werden. Bei einem einstufigen Filter entspräche das aber wieder genau 90° und wir brauchen ja weniger. Bitte sofort berichtigen, wenn das falsch ist (bin erst am lernen) :-)
Mittels der Verstärkung des VCO, des Phasenkomperators, maximal Frequenz, Referenzfrequenz und weiteren Angaben/Vorgaben hab ich dann die Werte der einzelnen Zeitkonstanten berechnet und daraus die der Bauteile.
Hier kam ich auf folgende Werte:
C1 = 2,2µF ; C2 = 100µF ; C3 = 4,7µF ; R1 = 270 ; R2 = 100
Das müsste auch ca. 45° Phasenverschiebung ergeben. Natürlich gleich aufgebaut und getestet. Ich muss sagen, dass ich von dem Ergebnis selbst überrascht ware. Davor hatte ich es immer mit einem einfachen RC Filter versucht. An Pin 1 kann man mit dem Oszi feine Nadelimpulse nach unten feststellen. Gestern kam es aber ganz selten noch zu kleinen Ausrastern. Der Jitter ist so gering, dass ich ihn auf dem Oszi nicht "einfangen" kann.
Meine Sorge ist aber noch diese kleinen Ausraster, die vielleicht gestern Abend 2-3 mal auftraten.
Wie kann ich die Schaltung mit meiner Dimensionierung auf Stabilität teste? Ich kann ja wohl kaum stundenlang vor dem Oszi sitzen?
Ist der Loopfilter vielleicht doch noch nicht so gut ausgelegt? Vielleicht hat mir einer da einen Tipp. :-) Vielleicht hab ich ihn auch komplett falsch berechnet (1. Semester E-Technik hat man nichts dergleichen ;-))
Ich werde weiter berichten.
Viele Grüße und nochmals danke für eure Hilfe.
hacker
Besserwessi
05.01.2009, 11:03
Der Loopfilter sieht relativ kompliziert aus, aber da habe ich auch immer so meine Probleme mit. Wenn der Funktioniert, dann ist das ja schonmal OK. Wenn man den Loopfilter testen will, kann man da ein zusätzliches externes Signal einkoppeln und dann die antwort darauf anschauen. Wenn der Filter gut ist, sollten das zusätzliche Signal einen eher glatten frequenzganz zeigen. Wenn die PLL Schleife zur Instabilität neigt, sollte man das als Resonanzartige Effekte beim Zusatzsignal erkennen.
Den Teil mit dem Loopfilter sollte man auf alle Fälle gut abschirmen, denn kleine eigekoppelte Störungen hier führen zu einer Frequenzmodulation, die man auch nicht unbedingt am Oszilloskop sieht, es sei denn man triggert das Ozilloskop unabhängig, z.B. vom Teiler aus der das 327 Hz Signal zur Verfügugn stellt.
Über dei gelegentlichen Ausraster beim 4046 habe ich auch schon einiges gelesen. Man muß da wohl etwas auf die Amplitude des Eingangssignals achten, denn einige der digitalen Eingänge sind keine ganz normalen.
Tests sind schwierig, da müßte man wohl schon eine extra Testgerät aufbauen, das über lange Zeit die Schaltung auf funktion testet und Fehler ggf. Protokolliert. Sonst müßte manmal etwas Stress ausüben um Fehler zu provozieren, also Versorgungsspanung höher/niedriger probieren.
Dein angesprochenes Problem des Referenzeinganges ist mir bekannt und es wurde auch schon dafür gesorgt, dass die Pegel um den Mittelwert oszilieren aber niemals GND und Vcc annehmen.
Da jedoch trotzdem ab und zu Ausraster passieren (extrem selten). Kann es sein, dass man solch eine Beschaltung zur Pegelreduzierung auch beim zweiten Eingang des Phasenkomperators vornehmen sollte?
Ich hab mir jetzt an den PD Ausgang der bei "Out of Lock" Auf Masse gerissen wird, eine kleine LED Beschaltung gehängt. Sobald die Nadelimpulse zu häufig auftreten (Out of Lock) dann leuchtet die LED.
Ab und zu leuchtet sie kurz auf. Also so ganz stabil scheint mir die PLL noch nicht zu sein.
Hallo!
Wie sehen die Austaster aus? Wenn nur die Nadelimpulse auftreten zeigt es, dass nur die Phasen der beiden Frequenzen sich unterscheiden, die Frequenzen aber gleich sind. Richtiger Aussetzer ist erst dann, wenn das Signal vom Phasenkomparator längar als eine Periode der Fref gleich GND oder VCC bleibt.
Den Phasenunterschied gibt es bei PLL immer und ist für solche Schaltung ganz normal. Die Phasennachregelungen stellen der Jitter der Frequenz dar, treten bei jedem PLL immer auf und zeigen, dass das PLL eingerastet bleibt.
Wenn nur die Phase sich ändert, bleibt die Frequenz des VCOs gleich Fvco/N = Fref +/- 180 °. Besser kann es beim PLL nicht sein und das muss man in Kauf nehmen oder andere Lösung annehmen.
MfG
Ich würde das Einschwingverhalten testen und am Loopfilter abgleichen.
An den Endpunkten des Bereichs hat der VCO vielleicht unterschiedliche Steilheit, seine Arbeitspunkt sollte nicht ganz an der Grenze des Bereichs liegen, aber gut voneinander getrennt. 100k - 1M könnten gehen, vielleicht reichen auch 800k für den oberen Wert.
Es ist sicher sinnvoll, die Phasenverschiebung über den Einschwingvorgang am Oszillografen aufzunehmen. Mit einem EXOR Gatter (auch mit dem internen) und mit Tiefpass sollte es möglich sein, den Phasenverlauf z.B. beim Umschalten der Referenzfrequenz in eine Spannung umzuwandeln und anzuzeigen.
Die Abweichung von den Datenblattwerten habe ich auch schon bemerkt, bei den relativ hohen Frequenzen für diesen VCO, aber bei konstantem Aufbau sollte die Schaltung dann stabil sein.
Um großen Bereich der Frequenzen ohne Umschalten abzudecken, wird oft eine Lösung mit zwei HF Oszillatoren und balansiertem Mischer benutzt. Den nutzlichen Frequenzbereich ergibt dann eine Differenz der Frequenzen. Eine kommt vom stabilem Quarzoszillator und die zweite aus einer PLL Schaltung.
Beispielweise um Frequenzen 1 Hz bis 1 MHz zu bekommen, nimmt man ein Quarzoszillator 2 MHz und substrahiert durch PLL erzeugte Frequenzen 1.. 2 MHz. So kann man, wie im Beispiel, ein Verhältniss 1 000 000 : 1 mit VCO 2 : 1 erreichen.
Das alles lässt sich aber nur für nicht rechteckige Signale nutzen. Am Ende könnte man natürlich durch einen Schmitt-Trigger ein Sinus ins Rechteck umwandeln.
MfG
Besserwessi
05.01.2009, 22:58
Wie sehen denn die Anforderungen genau aus ? Wenn man weiss wo man hin muß wird es einfacher eine funktionierende Lösung zu finden.
Ein paar mögliche Ansätze haben wird jetzt schon:
1) DDS mit Filter und Komperator
2) DDS mit PLL dahinter
3) 2 Frequenzen mit Mischer für Differenzfrequenz (1 x Quarz, 1 x PLL)
4) PLL mit Bereichsumschaltung (könnte gehen, aber Jitter ist noch ein Porblem)
Wenn die Anforderungen nicht so hoch sind gibts noch ein paar mehr Wege.
Hallo,
Wie sehen die Austaster aus?
Feine Nadelimpulse stellen den eingerasteten Zustand dar. Beim Ausrasten kann ich wilde Sprünge zwischen GND und VCC kurzzeitig beobachten, bis sich die PLL wieder "gefangen" hat. Diese sind dann vorrübergehend länger als eine Periode.
Ich zeige dies mittels einer LED an mit Pufferung durch einen Kondensator, sodass die feinen Nadelimpulse nicht zum Leuchten der LED führen.
Du redest von dem Jitter, als dieser recht groß ist, ich kann am Oszi in meinem Frequenzbereich aber absolut kein Jitter beobachten, gestochen scharfes Bild ohne Murren und Zuckungen.
Ich würde das Einschwingverhalten testen und am Loopfilter abgleichen.
Das Einschwingverhalten der PLL greift doch eigentlich nur bei einer vorgegebenen Frequenzänderung oder beim Start oder? Hier hab ich aber absolut keine Probleme. Es kam nie vor, dass die PLL nicht einrasten wollte nach einer Frequenzänderung. Die Aussetzer kamen stehts bei schon seit Minuten und Stunden eingerasteten PLL. Auch die Einschwingdauer ist für mich extrem kurz (muss nicht sein, ist aber ein schöner Effekt, dass ich nicht ne Sekunde auf meine Frequenz warten muss)
An den Endpunkten des Bereichs hat der VCO vielleicht unterschiedliche Steilheit, seine Arbeitspunkt sollte nicht ganz an der Grenze des Bereichs liegen, aber gut voneinander getrennt. 100k - 1M könnten gehen, vielleicht reichen auch 800k für den oberen Wert.
Dem bin ich sofort nachgegangen. Nachdem ein nochmaliges exakteres Ausmessen des eingestellten Frequenzbereiches des VCO nur eine Frequenz bis ca. 750kHz ergab, hab ich den Bereich gleich mal nach oben hin erweitert, da auch die sporadischen Kurzaussetzer (und vorhin ein etwas längerer) nur bei meinem F_max = 655kHz auftraten. Seitdem hab ich keinen Aussetzer mehr feststellen können (letzte halbe Stunde).
Aber wieso kann es eigentlich passieren, dass ein eingerastetes PLL plötzlich aus dem Tritt kommt? Was könnten dafür Gründe sein?
Ein doch falsch dimensionierter Loopfilter müsste sich doch gleich zeigen oder?
Vielen Dank für die ganzen weiteren Ansätze. Jedoch möchte ich (vorerst) bei der PLL mit dem 4046 bleiben, da mir diese Lösung, falls sie stabil läuft, ausreichend gut wäre.
Ich würde mich also sehr freuen, wenn wir gemeinsam die PLL stabil bekommen.
Grüße,
hacker
Hallo!
Die Aussetzer nach dem Einrasten des PLLs sind eine Folge dessen, dass der Loop-Filter zu träge ist und erlaubt nicht genug schnell die Phase im Bereich +/- 180° zu halten.
Am besten, wenn du schon experimentierst, versuch einfachen Loop-Filter (Tiefpass) mit nur einem R und einem C. Auf dem Oszilloskop sollten ganze Zeit die Nadelimpulsw sichtbar sein, wenn das PLL eingelockt ist, da sie zeigen, dass PLL ganze Zeit die Phase nachregelt.
In Radios sind keine Filter höherer Ordnung verwendet. Die Grenzfrequenz des Filters sollte an die Fref so angepasst werden, dass die Welligkeit nicht zu groß und die Verzögerug der Reaktion des PLLs auf Phasenänderung genug schnell ist. Es ist eine Kompromislösung gefragt und die lässt sich am schnellsten experimental ermitteln, anstatt viel zu rechnen, vor allem wen man nicht große Erfahrung damit hat.
Ich bin selber dafür interresiert eine gute PLL zu bauen, weil ich es zukünftig für stabile Oszillatoren mit änderbarer Frequenz für µCs brauchen werde.
MfG
Ich würde das Einschwingverhalten testen und am Loopfilter abgleichen.
Das Einschwingverhalten der PLL greift doch eigentlich nur bei einer vorgegebenen Frequenzänderung oder beim Start oder?
Wenn die Schaltung stabil läuft ist es gut. -
Nur wie stabil läuft sie? und wie ragiert sie auf Störungen wie auch Rauschen.
Der Regelkreis hat eine Stabilität die am einfachsten durch Beobachten von Reaktionen auf periodische kleine Sollwertsprünge getest wird.
Wenn Du eine solche Testmöglichkeit wie mit einem EXOR Gatter und Tiefpass vorsiehst und eine periodosche Störung einbringst wirst Du sicher gleich sehen wie es läuft.
Mit der Methode kannst Du dann auch leicht den Tiefpass mit oder ohne Zusatzglieder beurteilen. Ein reiner Tiefpass schafft es zwar, er ist aber eher an der Schwinggrenze und kann durch die angegebene Schaltung ein Stück verbessert werden.
Besserwessi
07.01.2009, 16:58
Einen schlechten Loopfilter kann man am Einschwingverhalten erkennen. Das VCO signal macht dann deutliche Überschwinger und braucht lange um sich zu Stabilisieren. Zu schnell sollte der Loopfilter auch nicht sein, denn sonst kommen die Störungen von den kurzen Pulsen mit durch und man hat einen Art Jitter.
Der Phasencomperator 2, das ist der mit dem 3 möglichen Ausgangszuständen, reagiert relativ empfindlich auf Überschwinger oder unsauberes Signal. Eine kurze Störung am Eingang kann zu einer relative großen Störung am Ausgang führen und damit den PLL ganz aus dem Tritt bringen. Der einfache Phasenkomperator mit dem XOR ist da weniger empfindlich, der ist aber schlechter, um das signal erstmal überhaupt zu fangen.
Ursache für die Störungen können eine schlechte entkopplung der Versorgung, lange Leitungen oder ein unsauberes Eingangssignal sein.
Ich würde empfehlen sich einiges in dem Datenblatt anzuschauen, vor allem den üblichen aktiven Loop-Filter auf der Seite 23 (Fig.9).
http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/1150/250186_DS.pdf
MfG
Besserwessi
07.01.2009, 17:53
Der Filter beim 4046 sollte nicht invertierend sein, zumindestens beim Phase Komperator 2 (= Freq. Komperator). Der einfache andere Phasen- Komperator ist hier wegen des großen Frequenzbereichs eher ungeeignet.
Ein Filter erster Ordnung ist zwar einfacher aber, hat das problem, das die Pulse immer ein wenig mit auf den VCO durchkommen. Gerade bei dem großen Frequenzverhältnis ist das nicht gut und führt zu einer Frequenzmodulation. Der 4046 geht eigentlich ganz gut auch mit einem passiven Filter.
Es sind nun doch ein paar Filter angesprochen.
Ich meinte die Konfiguration im Datenblatt des 4046, zwei Widerstände und ein Kondensator.
Verkleinert man den Widerstand am Kondensator dann ist man beim einfachen Tiefpass. Dazwischen sollte es irgendwo liegen und durch Messung verifiziert werden.
Die Transistoren im Filter im anderen genannten Datenblatt verringern auch den Ausgangswiderstand des Filters. Das ist wohl beim 4046 nicht erforderlich.
Im elektronik-kompendium ist noch ein Kondensator dabei. Mit dem Test sollte sich zeigen wie die Schaltung gut arbeitet und wieviel Komplexität für das Filter erforderlich ist.
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/bilder/4046_01.gif
Hallo zusammen,
Ich hab mir mal das EXOR Signal mit einem in Serie geschaltenen 10k Widerstand angeschaut. Hier ist die PLL eingerastet. Das erste Bild ist mit 50mV/DIV und das zweite mit 20mV/DIV aufgenommen. Bei beiden Bildern war 0.5µs/DIV eingestellt. Bessere Bilder kann ich leider nicht liefern (auch aufgrund des eher doch bescheidenen Oszis)
http://www.imgbox.de/users/public/images/j16328w145.jpg (http://www.imgbox.de)
http://www.imgbox.de/users/public/images/w3755v145.jpg (http://www.imgbox.de)
Könnt ihr trotzdem vielleicht ein qualitätive Aussage treffen?.
So wie ich denke, sieht das doch nicht schlecht aus oder?
Manf, meintest du mit einer periodischen Störung eine ständige Änderung der Sollfrequenz (des Teilers im Rückkoppelpfad)?
Da kann ich nichts spektakuläres "einfangen". Diese "Phasenverschiebungsschwingungen" von oben treten einfach nur periodisch öfter auf (wenn ich andauernd zwischen ca. 300kHz und 650kHz hin und her schalte mit einer Frequenz von ca. 2Hz)
Ich bin auf eure Posts gespannt.
Viele Grüße,
hacker
Das sieht bei so einem kräftigen Umschalten schon mal nach einem recht gutmütigen Verhalten an beiden Enden des Bereichs aus.
Schön wäre es dann wenn Du a.) den Kondensator und b.) das Widerstandsverhältnis noch variieren kannst gerade mal in ein paar Werten.
Es hat den Sinn, dass Du erkennst wie sich die Schwingneigung des Sytems dabei ändert. Jetzt hast Du Gelegenheit und der Aufwand ist nicht groß. Wenn sich nichts spektakuläres ergibt ist es auch gut, wenn sich ein prinzipielles Verhalten zeigt, eine nachvollziehbare Änderung, dann kannst Du gezielt den besten Wert auswählen.
Hallo!
@ Hacker
Herzlichen Glückwunsch! :)
Die Bilder zeigen, dass die PLL Schaltung richtig arbeitet. Mit eventuellen Störungen, falls sie auftreten, muss man sich erst in realer Umgebung der Schaltung beschäftigen.
MfG
Besserwessi
08.01.2009, 18:01
Die Bilder zeigen für mich wohl Störungen auf der Masse und/oder Versorgungsspannung. Diese Störungen können auch ein Grund für die Ausraster sein. Ähnlich wie bei AD-wandlern ist bei PLLs eine gute Masseführung und gute Enkopplung der Versorgungsspannung wichtig.
Danke für eure Meinungen :-)
@Manf
Das Variieren der Kondensatorwerte und des Widerstandsverhältnis ist auf den Filter beim ELKO bezogen, oder?
Ich benutze ein etwas erweiterterten Filter, aber auch hier kann ich die Werte mal ein wenig variieren:
http://www.imgbox.de/users/public/images/g14053n11.png (http://www.imgbox.de)
Wenn ich dazu komme, werde ich heute Abend diesbezüglich noch ein paar Bilder posten mit den dazugehörigen Variationen. Interessant wäre dabei auf jeden Fall auch ein Vergleich der verschiedenen angesprochenen Filter.
@PICture
Danke :-) Ich freu mich selbst ziemlich, dass das so gut hinhaut. Aber noch hake ich die Schaltung nicht ab. Ich werde dran bleiben und auch noch ein paar Dauertests machen, wo ich evtl. Ausraster mitloggen will.
@Besserwessi
Daran hab ich auch schon gedacht und ist durchaus plausibel. Bei mir hängt die PLL direkt an einem Labornetzgerät, jedoch mit einem Kondensator zum Elemenieren von Störungen. Die Masse, sowie andere HF Eigenschaften und Überkopplungen sind natürlich auf einem Steckbrett nicht wirklich das wahre. Der nächste Schritt wäre das ganze mal auf PCB auf zu bauen. Könntest du mir für die Entkopplung vielleicht noch Tipps geben?
Danke für eure echt starke Hilfe bisher!
Grüße,
hacker
Besserwessi
08.01.2009, 20:27
Zur Entkopplung halt die typischen Verfahren:
Den Entkoppelkondensator so kurz wie Möglich anschleißen. Bei der Platine also wohl als SMD-Keramik unter den Chip. Alternativ noch ein Keramik Kondensator direkt unter dem Sockel, wenn das IC als DIP Ausführung sein soll. Die Masseleiterbahnen sollten relativ dick sein, idealerweise einen eigenen Durchgehenden Masse-ebene.
So ähnlich sollte es auch bei den anderen Digitalschaltungen aussehen. Je nach restlicher Schaltung eventuell eine kleine Spule/Widerstand als Trennung in die VCC Leitung. Auch eine relativ niedrige Versorgungsspannung (z.B. 4 V) kann helfen weniger Störungen zu verursachen. Weil es ja nur um rund 600 kHz geht, könnte man auch die langsamere MOS Version (HEF , CD, HC1.. je nach Hersteller) des 4046 statt der schnelleren 74HC4046 zu nehmen.
Die Leitungen mit den Digitalsignalen von und zum PLL sollte kurz (<5 cm) sein. Eventuell sogar Widerstände von etwa 50-100 Ohm an den Ausgängen vorsehen, wenn die Leitungen länger sind oder mehr als 2 Eingänge dran hängen.
Der Loop filter sollte auf eine direkte Masseverbindung zum IC achten, vor allem der Kondensator am Ausgang. Wenn da Elkos genommen werden, sollte noch eine kleiner Keramik (z.B. 470 pF) parallel bei C1 und C3.
Man muß es aber auch nicht Übertreiben. Schon der Schritt vom Steckbrett auf eine einigermaßene Platine bringt viel.
Vom Steckbrett direkt auf eine geätzte Platine würde ich nicht gehen. Zuerst baue ich mir die ganze Schaltung auf einer Lochrasterplatine mit gleicher Plazierung der Bauteile und Verbindungen, die später fast gleich auf einer fertiger Platine werden. Das braucht zwar Zeit, verhindert aber große Probleme, da auf der fertiger Platine Änderungen kaum möglichst sind.
Für Einzelnstücke lohnt sich sowieso keine Platine ätzen, es sei denn, dass die Schaltung ohne Gehäuse bleiben wird.
MfG
Besserwessi
08.01.2009, 22:39
Ich habe mir noch mal den Loopfilter angesehen: Da sollte glaube ich noch ein Widerstand zwischen Eingang und dem Filter. Außerdem solle man die Widerstände etwas größer (z.B. 10-20 mal) und dafür die Kondensatoren kleiner wählen. Dann sollte man mit einem Elko auskommen und die Belastung für die Schaltung wird nicht so extrem.
Für wenig jitter ist es auch gut wenn man den Frequenzvergleicher Ausgang des 4046 ein klein wenig in eine Richting zieht. Dann hat man im Eingeschwungenen Zustand immer nur pulse einer sorte, nur halt leicht unterschiedlicher länge. Beim Umschalten zwischen den beiden Pulsarten ist eine kleine Nichtlinearität zu erwarten und damit ein nicht idealer Loop filter.
Der Aufbau auf Lochraster solle schon deutlich besser als auf dem Steckbrett werden. Was wird denn für eine Teiler zum einstellen der Frequenz benutzt ? (4059 ?)
Ich werde deine vorgeschlagenen Filteränderungen sobald wie möglich testen.
Auch werde ich noch Bilder der Signale bei verschieden aufwändigen Filtertypen posten.
Als Teiler verwende ich, wie du richtig vermutet hast, den 4059.
Deine Befürchtung der unsauberen Vcc und GND Leitungen hat sich bewahrheitet. Ich hab bei Vcc und GND so gut wie das gleiche Bild wie oben gepostet hinter dem EXOR, und das mit Vss = 0,4V. Jegliche Versuche mittels Kondensatoren schlugen fehl. Womöglich eine kapazitive Überkopplung. Ich muss das mal auf Lochraster aufbauen...
Besserwessi
09.01.2009, 17:06
Ein Trick um auch auf dem Steckbrett eine gute Entkopplung hinzukriegen, ist es einen Präzisionssockel für das IC zu verwenden, und direkt an den Sockel den Entkoppelkondensator zu löten. Die Logic ICs habe praktischerweise meistens eine ähnliche Position von GND/Vcc.
bluelight_electronic
14.01.2009, 15:14
oder gleich schon sockel mit nem 100nF drin beschaffen ;)
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