PLL Baustein 4046

[hacker]

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]

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.

[shaun]

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.

[Manf]

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]

@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.

[PICture]

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&_t rkparms=72%3A1229|66%3A2|65%3A12|39%3A1|240%3A1318

MfG

[Manf]

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.

[hacker]

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

[PICture]

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]

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.