Стабилизиран PLL осцилатор

Не ми се стори подходящо тази статия да е под заглавие "Направи сам", защото условията и процедурите по-долу по сложност се доближават до реалността.
По-скоро е описано едно работно изследване. Предполагам има някаква приложна стойност, без да зная каква. За мен изглежда интересно, защото осцилаторите са основни съставки в радиоелектронните разработки.
Към днешна дата (01.2018) не намирам много такива материали на български език в интернет.
Елементите на описаното тук устройство струват няколко долара.

Промяна!
Има по-нова статия на тази тема"

Въведение
Фуджицу имат цяла серия чипове на тема честотни делители и регулатори. MB1504 е честотен регулатор, според техен израз "super pll". Документи за него са публикувани в фирмения им сайт.
Идеята PLL
е следната: Обикновените осцилатори не дават стабилна честота, освен с помощта на кварцов резонатор. Използуването на кварц обаче е неудобно защото кварцовите резонатори са с дискретни стойности и не винаги достъпни. Да се построи осцилатор с плавно регулиране на честотата и стабилност, каквато има кварца - това е задачата, за която помага японския чип.
Решението
на тази задача е PLL. Съкращението е от "Phase Locked Loop". Грубо казано, той работи така:
Сам по себе си осцилаторът не е стабилен, но честотата му зависи от приложено в една точка напрежение. Такива осцилатори се наричат ГУН (Генератор Управляван с Напрежение) или VCO (Voltage Controled Oscillator). По-долу той се споменава и като основен осцилатор.
Стабилността идва от друг, кварцово-стабилизиран осцилатор, наричан еталонен или референтен. Референтната честота се съпоставя с тази идваща от VCO и от разликата им се формира (почти постоянно) напрежение. Това напрежение се подава в управляващата точка на VCO и ако основната честота надвиши еталонната, управляващото напрежение пада и я сваля надолу, (или обратно) така, че на изхода на VCO се поддържа честота, стабилна колкото кварцовата.

фиг.1
Въпрос 1:
От гореказаното излиза, че на изхода на VCO ще имаме честота равна на еталонната, но тогава какъв е смисълът на това усложнение?
Отговор 1:
Действително, горното обяснение скрива една важна особеност. Еталонната и основната честота не се съпоставят пряко, а след като минат през два различни делителя - тоест съпоставят се техни дробни части. Например ако еталонната е 1 MHZ, а изходната е 21 MHZ, то еталонната се дели на 200 а основната се дели на 4200. В резултат от еталона идват 1/200 MHZ = 5 KHZ, а от изхода идват 21/4200 MHZ = 5 khz.

фиг.2
И ако първите 5 khz са равни на вторите 5 khz, имаме смислено поведение на устройството. Тези (условни) 5 khz се наричат някъде резонансна честота. Тя се избира от потребителя и може да варира доста. Стабилността, както казахме, идва от кварца, а също и от целочислените делители на честоти. От тези делители произлиза и друго важно условие: Всъщност изходната честота не може да се променя плавно, а само като спазва дробните стойности от по-горе. Но е възможен избор от голямо множество честоти през малки интервали.
Въпрос 2:
Описаната функция ще работи и само с един делител - на основната честота? Защо трябва и двата сигнала да се делят?
Отговор 2:
Така е, в историята има и такава разработка. Но практически е по-удобна горната схема - от фиг.2. Тя има по-слаби изисквания към еталона и позволява регулиране през по-малки честотни интервали.
Устройство
Интегралната схема MB1504 се управлява от свързан към нея микроконтролер чрез сериен запис на делителните знаменатели. По-долу думата брояч и думата делител са синоними. Командите са само две: Едната изпраща кварцовия делител, а другата - основния. Макар че е подобен, това не е i2c протокол.
Командата се подава бит по бит по два проводника - данни (serial data) и такт (serial clock), обаче има трети проводник - резе (latch enable), по който накрая се предава задействуащ импулс. Трите крачета са 9-data, 10-clock, 11-latch (фиг.3).
Кварцовият брояч е 16-битова поредица от вида 1 бит, 14 бита, 1 бит (команда, брояч, прескалер).
Изходният брояч е 19 битова поредица от вида 1 бит, 7 бита, 11 бита (команда, настройваща добавка, брояч).
Тези команди са описани в документа на Fujitsu.
Схемата на цяло устройство, което аз построих за илюстрация е следната:

фиг.3

фиг.6
Кварцовият осцилатор (без самия кварц) е вграден вътре в интегралната схема MB1504, кристалът се свързва към крачета 1 и 2.
Пак вътре в чипа се намира и честотния компаратор. Входът и управляващият изход са крачета 8 и 5. Генераторът (зелената област) е триточков с транзистор BFR93A, в която и двата кондензатора D1 C2 са управляеми. Единият от тях (D1) всъщност е варикап, именно той реализира функцията с управляващо напрежение. Другият (C2) би могъл да е постоянен, но докато устройството е с непознато действие, е добре да го оставим променлив, за по-удобна настройка на схемата, която иначе не е много лесна.
Пътеката от изхода (краче 5 на IC2) до варикапа е филтър, който трябва да изглади управляващото напрежение. На схемата филтриращите елементите са RF1, RF2, RF3, RF4, CF1, CF2, CF3, LF1. Този филтър е критично важен за работата на устройството. За съжаление RLC - стойностите пряко зависят от избраната резонансна честота и всеки трябва да си ги измисли сам. Устройството се събра на платка 4х4 см (фиг.6), повечето елементи са SMD, но кварца, микроконтролера и тримера C2 с нормален размер.
Условия
Разработката на чипа е предназначена за определени реални условия на ползване - няколкостотин мегахерца изходна честота при 12-20 мегахерца кварц. Фуджицу казват, че с този чип може да се стигне до 520 mhz (за повече - друг, по-скъп). Аз го пробвах успешно на няколко честоти между 200 и 240 mhz.
Референтен делител
Делителя на референтна честота е 14 битова двоична поредица, тоест число до 16383. В командата, която записва този делител е предвиден още един бит - прескалер (виж следващите изречения). Обаче прескалерът не дели референтната, а само основната честота. Пулсовете след референтния делител са видими (при късмет) на пин 13 от японския чип.
Основният делител
има три последователни елемента.
- Първият от тях се нарича прескалер (англ. prescaler). Той сваля основнат честота 32 или 64 пъти. Това е защото реално изходните честоти (както по-горе е казано) са много по-високи от кварцовите.
- Вторият (англ. frequency counter) е основен делител - това е 11-битово двоично число (до 2047).
- Третият елемент (англ. swallow counter) е специално добавен настройващ брояч на малки честотни разлики.
По предназначение с него се избират съседни честотни канали (тоест честоти на най-малко разстояние).
Пулсовете след основния делител са видими (отново - при късмет) на пин 14 от японския чип.
Резонанс
Резонансната честота е по принцип свободна. Според моите сведения тя може да варира от няколкостотин херца нагоре. Аз успях да получа резултат за 1700, 4200, 5100, 5800, 6700, 12700 херца. Не съм правил всички опити. Според мой опит, резонансната честота е разстояние между две съседни честоти по swallow-брояча. Ако резонансната е малка, трудно се филтрира и трудно се настройва. Ако е голяма, тя лесно прониква в осцилатора и зашумява високочестотния спектър.
Резонансната честота е тази, до която трябва да достигнат след делението двете честоти - кварцовата и основната. След като си намислим каква ще е резонансната честота, смятаме двата делителя така:
1. Кварцовата делена на кварцовия делител дава резонансната.
2. Основната делена на (първо прескалера, после) основния делител дава резонансната.
3. Swallow counter е нула (за по-лесен старт).
Осцилатор
Не е възможно без микроконтролер да стартираме PLL функцията. Но само осцилатора, оцветен в зелено на фиг.3, може да бъде пробван и без останалите елементи. Чрез тримера C2 това трябва да дава генерация в широк диапазон, при мен той беше 175-250 MHZ. За наблюдение ползвам един Hantek 200 mhz. Въпреки заглавието си, той показва охотно 250-270 mhz синусоиди. За излъчването си помагам с RFE (Radio Frequency Explorer) и компютърен SDR-стик през популярната програма SDR Sharp.
Амплитудата (пик-пик) при мен е около 1 V. Силата на генерация се определя от базовия и емитерния резистор Rb Re. Емитерният Re е ограничаващ. Не бива да пуска повече от 30 ma, защото толкова може транзистора. Базовият резистор Rb определя силата на генерация. Ако е малък, сигналът става силен, но осцилаторът твърде слабо реагира на управляващо напрежение. Ако Rb е голям, сигналът отслабва и може да падне под прага на чувствителност на PLL-входа (краче номер 8 от IC1).
Програма
Сорсът е стотина линии асемблер. Не че е тайна - бих го дал всекиму, но ако го публикувам, ще съм забравил нещо грозно и започват едни спорове "Ама туй трябваше така, Ама онуй защо", които аз не харесвам. Затова по-накратко: Двата светодиода на фиг.3 служат за индикация. Първият от тях мига като "hello" за да покаже, че изобщо в микроконтролера се развива желания процес. Вторият има за цел да покаже, че PLL - устройството работи. Той светва, когато на изхода LD от японския чип (краче номер 7, Lock Detector) се установи "логическа единица". Затова крачето LD е свързано с един от входните пинове на микроконтролера - за да може програмата да го прочете и да засветне LED2. Програмата изпраща две команди на PLL - чипа и трябва да стартира стабилна генерация.
Само че това за мен се оказа
Не много лесно.
Ако се зачетем по документите, ще намерим доста формули и указания на тази тема. Моят опит казва, че най-добре е, след като установим двата делителя, ръчно да намерим условието за резонанс - чрез тримера C2.
Защо ли?
Да помислим. Кварцът дава гарантирана честота, и резонансната също е гарантирана, тя се определя от еталонния делител. Обаче основната честота се знае само приблизително и не можем да отгатнем каква е тя, след като поначало тя не е стабилна и след като вече е включено и управляващо напрежение.
Образно казано, процедурата е токова трудна, колкото да намерим по радиото една радиостанция при високи честоти и голям обхват на скалата.
И така:
1. Измервам резонансната честота (изведена на краче номер 13 от японския чип). Тя трябва да е в ред. При мен е 5100 hz.
2. Включвам осцилоскопа на краче номер 5 от японския чип (изход за управляващо напрежение). В правилния случай, този изход трябва да покаже управляваща поредица импулси, както е на фиг.4 - извинявам се за ръчната рисунка, опитвам се да мина с по-малко бюрокрация.

фиг.4
Имайте предвид, че осцилоскопа може и да не съумее да покаже много тесни импулси. Импулсите при деление не стават по-широки и ако мащабът е колкото картинката, излиза, че ширината на пулса трябва да е по-малка от един екранен пиксел (сегашните осцилоскопи имат ужасен навик да рисуват с пиксели). Все пак аз видях тази картинка ясно. За съжаление тя не се вижда веднага. Трябва да я намерим. Именно затова помага тримера C2. Внимателно и бавно, с него можем да установим изходната честота на желаното място. ТОВА МЯСТО Е САМО ЕДНО. Веднъж улучено, можем да почувстваме, че е стабилно, защото малки вариации на C2 вече не променят изходната честота, а само развалят картинката от фиг.4.
Крачето LD - Lock Detector, краче номер 7 от чипа е малко трудно за тълкуване. Нормално то варира около 0.5-1.7 V, но при резонанс скача до 3.2 V и стои там. Но ако някой, като мен не вярва много на самоконтролни електронни показания, по-добре да погледне излъчването през SDR - приемника (за който не знае, това е отличен и лесно достъпен спектрален анализатор):

фиг.5
Горната част от фиг.5 е спектрална картинка с обща ширина 2 mhz, там се виждат и външни сигнали. Долу вляво е увеличен върха на спектралната област. Долу в дясно е звуков спектър - (честотно) демодулирана версия на сигнала. Там се виждат петте килохерца резонансна честота, които явно не съм успял да филтрирам добре. По принцип тази картинка е наблюдаема и без PLL регулатор - правил съм подобни осцилатори. Обаче точно тук, ако оставя устройството да работи десетина минути, без PLL се вижда как честотата "плава" в ляво и дясно. С гореописания осцилатор - не мърда, пробата казва OK.
Управление.
Така построеното устройство вече има някакви възможности за генерация.
Ако не пипам тримера C2, само с различни делители на основна честота, наблюдавах 16 честотни стабилни канала на отстояние около 155khz един от друг. Извън тези 16 делителя, Lock-механизма в японския чип не работи. Това показва, че по чисто програмен начин имаме възможност за стабилна генерация в една област от около 2 мегахерца.
Ако искаме да се изместим повече, тогава е нужно да се настрои тримера C2. Ще получим още една, пак толкова широка област за програмно избираеми честоти, на друго място. Правих успешни такива проби за няколко различни области от 200 до 242 мегахерца.
Допълнение.
След като разбрах, че имам известно програмно управление, дойдох до заключение, че вместо към LED - лампички, по-добре да изведа двата пина на микроконтролера към съединителя - през тях може да се приема i2c в режим slave. Така от външна команда, ще e възможно да се избират честоти, както и да "се вижда" LOCK - индикатора.
Веднъж опитах да променя swallow-брояча за да видя какъв е ефекта. Оказа се, че със всяка негова единица, честотата нараства с резонансните 5 khz. За мен- безполезно, но това може да улесни настройката. Сега, като се замисля, изглежда, че ако вместо RF4 включа обикновено електретно микрофонче 2к, това ще се превърне в звуков предавател. Но не съм правил такава проба.

След две седмици.
Опитвайки да подобря шумовете, направих нова платка и повторих схемата с малки изменения- стойностите на филтъра са други, како и на делителя Rd1/Rd2. Това го пуснах по-трудно. Работата е там, че чиповете 1504 имат три различни версии MB1504, MB1504H, MB1504L.
На новата платка е попаднал чип с индекс H, на което обърнах внимание чак след като се зачудих защо не работи. Оказа се, H - версията работи по друг начин. Управляващите импулси са с по-малко напрежение и обратен поляритет. Наложи се да променя делителя Rd1/Rd2. По-долу се виждат, и двете за 14khz резонансна честота.
Ето снимка на управлението за MB1504 (фи.7):
- напрежение около 2 волта, отрицателен поляритет. Rd1 = 56k, Rd2 липсва.

фиг.7
Ето снимка на управлението за MB1504H (фиг.8):
- напрежение около 0.3 волта, положителен поляритет. Rd1 = 20k, Rd2 = 4.7k

фиг.8
По-късно видях, че тези особености са записани в документа на чипа, но кой да им обърне внимание...
Паралелно на C2 добавих 10 пф, това поногна да намеря резонанс при 233.483 MHZ. С този чип (MB1504H) настройката е много по-трудна и устройството няма добра устойчивост - защото той е предвиден за 10 волта управляващо напрежение, а не за 3.3 волта, както е при мен. Не успях да намаля шумовете.

Стъпка назад
Върнах чипа MB1504. Смених резистора Rd1 - сега е 91k, махнах (временно) Rd2, смених RF1 на 1.5k, сложих цял C2 10-40pf.
Смених микроконтролера с 12f675, за да мога да измервам LD-индикатора по напрежение. Пак за тази цел свързах LD-пина към GP1 крачето на MCU. Продължавам на резонансна 14 khz. Дори когато премине през филтъра, тя почти не се чува.
Ето снимка на празната платка:

фиг.9
Настройката остава дяволски трудна - устойчивата област на генерация е тясна и варира с каква да е промяна в схемата.
Например след като настроих схемата с имитиран товар - 10пф и малка антена, забелязах, че без антена не работи.
Също така заземих LD-пина (пин 7 от чипа) през резистор 33k. Това намаля шумовете.
Но след настройката, управлявлението е сносно, както в началото. Ето осцилограмата му (Rd1=200k, Rd2=91k):

фиг.10
Добрата новина е, че генерацията остава стабилна и управляващият сигнал 14 khz е почти невидим. Подобрява се и шумовото ниво.
SDR показва отлична картинка:

фиг.11
Шумовете са приемливо ниски.
Ето схема на филтъра:

фиг.12
Управляващият пин (пин 5 от PLL-чипа) може да поеме само 1-2 милиампера ток.
Делителят Rd1/Rd2 трябва да пропуска поне 10 пъти по-малко. Съпротивлението на този делител влияе на стръмността на управление MHZ/Volt за осцилатора.
Колкото е по-голямо Rd2, толкова по-стръмна е зависимостта df/du.
Стойностите на филтриращите елементи зависят от резонансната честота - не е обещано, че ще работят във всеки случай. Филтъра от фиг.12 работи при мен на 14khz резонанс, при изход 238 mhz.
Опитах да намеря приемливо решение за LD-пина.
Поначало LD (lock-detector) пина има несигурно поведение - има пиково напрежение при резонанс, но абсолютното ниво на напрежението се влияе от чипа, апликацията и др. подробности. От Фуджицу твърдят, че той се установява в "логическа единица" при резонанс. При мен той се явява и приемник на шумове. Накрая го свързах към захранването с два кондензатора, както е на тази картинка:

фиг.13
По правило "логическа единица" е някъде в горната половина на захранващото напрежение. Аз оставих ADC - то на 128/255.
Така LED - диода светва близо до равновесното състояние. Ако се примирим с факта, че LD-показанието не е надеждно, можем да оставим по-простия 12f629 контролер и да ползваме "digital input" - настройка.
Точният статус се вижда само чрез SDR. Там става ясно, че резонанс възниква след секунда-две.
Закъснението може да се регулира от RD1 - ако го увеличм малко, например до 270k, стартовото закъснение расте и става 10-30 секунди, но намляват шумовете. При 330k и повече, изчезва даже остатъка от управляващия сигнал 14KHZ - както е на фиг.11, обаче стартът се бави цяла минута. Затова го оставих на компромисна стойност 200k. Управляващият сигнал е видим, но слаб, а старта - секунда.

Проверка
Няколко единици напред и назад с основния делител са допустими. Опитът ми каза, че имам 4 възможни съседни стойности на делителя, водещи до стабилни честоти на отстояние около 450 KHZ една от друга. Общо обхватът е около 1.4 MHZ
Swallow - брояча работи за стойности 0,2,4,6.. 16 (а може би и повече), като всяка следваща четна стойност увеличава с 14KHZ изходната честота.

Откритие - 10.02.18
Новата платка има по-малки капацитети между пътечките. Тя работи устойчиво на по-висока честота. Тайната е, че трябва да има включено товарно съпротивление 50 ома. Осевн това, спазих изискването на Фуджицу - според тях пин LD трябва да е свързан през резистор 100k към плюса. Затова вместо Cld1 на фиг.13 сложих 120k. Намерих устойчива точка на 310 mhz. Товарното съпротивление е критично важно при определянето на режима за VCO. Чак когато е в условие на консумация (тоест при включен товар) има смисъл настройка.
Както разбирам по документи, чиповете MB1502, MB1504, MB1507, MB15E07L, MB1511, Cypress MB15E03SL, Motorola MC12202 имат съвместимо действие и разположение на изводите. Разликите са козметични - в обхвата на честотите и някои нива на напрежение. MB15E03SL, MC12202 и MB1511 стигат 1.1 .. 1.2 GHZ. MB1507 / MB15E07L работят до 2GHZ / 2.5 GHZ, но MB1507 иска захраване 5V.

Радостин Желязков, 01.01.2018, последна редакция 25.01.2018

roncho.net - начална страница