Heute möchte ich von meinem Experiment mit dem PLL-Synthesizer-IC LM7001 berichten. Ich wurde bereits mehrfach darauf angesprochen, ob ich nicht einmal einen VCO (oder VFO für Kurzwelle) mit dem LM7001 vorstellen könnte.

Ja gut, ob man heute im Zeitalter von DDS einen Kurzwellen-VFO mit PLL aufbauen sollte, darüber kann man sicher streiten. Je nach gewünschtem Frequenzraster benötigt man evtl. zwei oder drei Phasenregelkreise (PLLs).

Heute aber soll es nur um die Vorstellung des LM7001 gehen. Dieses PLL-IC im DIL-Gehäuse ist für ca. 1€ noch erhältlich. Für Freunde, die mit SMD-Technik noch auf Kriegsfuß stehen, könnte das besonders interessant sein.

Nun habe ich mir den LM7001 besorgt und etwas näher angesehen.

Der LM7001 ist speziell für den Einsatz in einem AM/FM-Receiver konzipiert.
Der 14 Bit breite High-Speed N-Teiler ermöglicht den Betrieb ohne Vorteiler bis 130 MHz.
OK, dafür kann der LM7001 ohnehin keinen Vorteiler steuern, bei 130 MHz ist auch wirklich Schluß.

Der PLL-Synthesizer verfügt über zwei VCO-Eingänge, einen für AM (0,5 – 10MHz)
und einen für FM (5 – 130MHz).

Zu erwähnen sind noch die drei Open-Drain-Ausgänge, die zum Beispiel zur Bereichsumschaltung genutzt werden können.

Es gibt noch einige kleinere Einschränkungen.
Der Referenz-Teiler bietet nur sieben feste Teilerfaktoren an, die in Verbindung mit einem 7,2MHz-Quarz die Frequenzraster (Vergleichsfrequenzen) 1kHz, 5kHz, 9kHz, 10kHz, 25kHz, 50kHz und 100kHz ergeben.

Weiterhin ist der Ausgang des Phasen-Detectors negativ polarisiert was bedeutet, daß ein invertierendes (aktives) Schleifenfilter eingesetzt werden muß. In den Anwendungshinweisen im Datenblatt des LM7001 ist ein entsprechendes Schleifenfilter-Beispiel mit einem FET-Transistor gezeigt. Bei meinen Experimenten mit dem LM7001 habe ich allerdings eine Schleifenfilter-Variante mit OPV verwendet.

Ich hielt also jetzt den LM7001 in den Händen.
Aber was sollte ich damit anstellen? – Ein Experiment wäre nicht schlecht!
Sogleich habe ich mich ans Werk gemacht und damit einen “Drahtigel” aufgebaut.
Na Sie wissen schon, man nehme eine kupferkaschierte Leiterplatte als Massestützpunkt, und löte die Bauteilen mehr oder weniger freischwebend darauf.

Bei dem Wort “Drahtigel” stehen sicher jedem HF-Techniker die Nackenhaare zu Berge, aber für einen ersten Test im Kurzwellenbereich durchaus ein gangbarer Weg. Damit es nicht ganz so gruselig wird habe ich auf ein Foto dieses Aufbaus verzichtet.

Für die ersten Tests stand mir nur ein 4MHz-Quarz zur Verfügung. Damit ließ sich wenigstens ein 5kHz-Kanalraster (Vergleichsfrequenz) realisieren. Näheres dazu erkläre ich im Beispiel “Laden des PLL-ICs LM7001“. Inzwischen habe ich mir auch 7,2MHz-Quarze besorgt.

Der erste Test bestand darin, verschiedene Frequenzen (1 bis 60MHz) an die VCO-Eingänge anzulegen und den N-Teiler immer so zu programmieren, daß sich die Vergleichsfrequenz 5kHz ergibt. Damit kann man sehen, ob das Laden der Frequenzteiler und der Phasenvergleich richtig funktioniert.
Alles noch ohne VCO und Schleifenfilter!

Mit einem kleinen Trick konnte ich die Up/Down-Impulse sichbar machen, indem ich mittels Spannungteiler den PD-Ausgang mit ca. halber Betriebsspannung hochohmig vorgespannt habe.

An dieser Stelle habe ich für Sie ein kleinens Experiment gemacht.
Die Grundlagen um dieses Experiment zu verstehen finden Sie im PLL-Crashkurs, oder lesen Sie noch einmal die Abschnitte Phasenvergleich und Schleifenfilter.

Los get’s!
Ich habe 10,7MHz am VCO-Eingang (FMin) angelegt und die Teiler entsprechend programmiert.
Als nächsten habe ich die 10,7MHz für einen kurzen Moment verringert, um eine nacheilende Phasenlage des VCO-Signals am Phasenvergleich zu erreichen. Nachdem sich eine hinreichend nachlaufende Phase eingestellt hatte, habe ich die Frequenz am VCO-Eingang um 100Hz auf 10,7001MHz erhöht, um die Phasendrehung am Phasenvergleich in Richtung vorlaufend zu beobachten.

Zu beobachten war, daß sich die Phase am Phasenvergleich nur langsam dreht, obwohl die Eingangsfrequenz des N-Teilers um 100Hz höher ist als die Sollfrequenz (10,7MHz).
21,4 Sekunden für eine Umdrehung am Phasenvergleich!!! (bei einem N-Teilerfaktor von 2140)
Versuchen Sie es nachzurechnen. Es Stimmt!

Dieses Experiment zeigt deutlich die integrierende Wirkung des N-Teilers. Eine Frequenzänderung des VCOs kann erst verspätet am Phasenvergleich erkannt werden. Obwohl der simulierte VCO schon vorlaufende Phasenlage hat (100Hz höher), dreht sich die Phase am Phasenvergleich nur sehr langsam. Dieser Effekt verstärkt sich mit steigendem N-Teilerfaktor und verlängert damit die Einschwingzeit der PLL.

Um Ihnen das zu zeigen, haben ich versucht einige Schnappschüsse vom Oszilloskop zu machen. Dabei sind 5 Bilder entstanden, die ich hier aneinandergereiht haben. Die ersten drei Bilder zeigen Up-Impulse, bedingt durch eine nacheilende Phase, und die zwei letzten Bilder zeigen Down-Impulse, bedingt durch eine voreilende Phase des simulierten VCO-Signals.
(Video kann ich im Moment leider nicht)

Das folgende Bild zeigt die Up/Down-Impulse und wie sich die VCO-Phase langsam von nacheilend auf voreilend dreht.

Wie man sieht handelt es sich hier um eine echte Amateuraufnahme und die Kamera spiegelt sich auch wunderbar auf dem Bildschirm!

So, jetzt wird es aber Zeit einen VCO anzuschließen.
Ich habe mir ein fertiges 10,7MHz-LC-Bandfilter und einen Transistor geschnappt und daraus einen VCO improvisiert. Als aktives Schleifenfilter kam ein OPV zum Einsatz. Nach einigen Optimierungsarbeiten am Schleifenfilter ergab sich eine Einschwingzeit von knapp 10ms bei 5kHz Vergleichsfrequenz.

Das folgende Bild zeigt die VCO-Abstimmspannung während eines Frequenzwechsels.
(ein Skalenteil entspricht 10ms)

Das nächste Bild zeigt den gleichen Frequenzwechsel mit suboptimalem Schleifenfilter.

Zusammenfassend kann ich sagen, daß der LM7001 im Frequenzbereich 0,5 – 130MHz problemlos einsetzbar und sehr einfach zu steuern ist.

Wie genau der LM7001 über den 3-Leiter-Bus angesteuert wird erfahren Sie hier anhand eines Beispiels.

Ok, ein kleiner Wermutstropfen bleibt.
Man ist auf einen 7,2MHz-Quarz angewiesen und kommt nicht über 130MHz hinaus.

Ein Test mit einem UKW-VCO wird folgen …

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Sie haben vielleicht keine Lust oder die Möglichkeit den Lötkolben in die
Hand zu nehmen, um Ihr PLL-Design zu testen und zu optimieren.
Das müssen Sie auch nicht unbedingt. Es gibt heute eine Vielzahl an
Elektronik-Simulationsprogrammen.

Eines zur PLL-Simulation möchte ich heute mal vorstellen.
Es ist das bekannte ADIsimPLL von Analog Devices, die bewährte
PLL-Synthesizer-Entwicklungssoftware für PLL-Schaltungen.
Zur Zeit ist die Version V3.3 verfügbar.

Alle Elektroniker, die diese Software bereits benutzen, wissen wie hilfreich
sie bei der Planung eines neuen PLL-Projekts ist.
Ich kann Ihnen nur dazu raten, sich ADIsimPLL mal etwas näher anzuschauen.
Sie werden überrascht sein, was diese Software leistet und wie schnell sie
damit Ergebnisse erhalten.

Man kann damit z.B. die Einflüsse von Referenzfrequenz, N-Teilerfaktor und
Schleifenfilter-Topologie auf das Einschwingverhalten testen.
Auch das Phasenrauschen und das Nebenwellenspektrum
(Spurious-Signale) kann man damit schon mal gut abschätzen.
Entweder mit realen Bausteinen (VCO, Synthesizer) von Analog Devices,
oder man kann auch die Custom-Einstellungen verwenden.

Wenn man das einführende kurze Tutorial durchgearbeitet hat, ist die
Bedienung relativ einfach.
(leider nur in englisch, aber man kommt gut zurecht, wenn klar ist um was es geht)

Wenn Sie den Crashkurs PLL-Synthesizer durchgearbeitet und verinnerlicht haben,
dürfte es keine Probleme im Umgang mit diesem PLL-Simulator geben.

Schauen Sie sich das folgende Demo-Video an, um einen ersten Eindruck
davon zu erhalten, wie man damit arbeitet.

Das Demo-Video zum Programm gibt es hier.

Oder laden Sie sich gleich die Software (wenn nicht schon geschehen)
herunter, und testen Sie damit ihr eigenes PLL-Design.
Man könnte auch vorhandene Schaltungen damit simulieren oder optimieren.

zum kostenlosen Download der Software ADIsimPLL Version V3.3 geht es hier.

Ich wünsche Ihnen viel Spaß damit und neue Erkenntnisse durch die
Verwendung dieser Simulation.

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Da dieses Fehlerbild bzw. Problem schon öfters aufgetreten ist, werde ich heute mal über den jüngsten Fall berichten, den ich auf dem Tisch hatte.

Ich hatte einen Sender vor mir, dessen VCO (Oszillator) mit 5kHz FM-moduliert war.
Ein Hinweis: Der PLL-Synthesizer arbeitete mit 5kHz Vergleichsfrequenz!

Ich habe zuerst den PLL-Synthesizer MC145158 über den 3-Leiter-Bus mit den Frequenz-Daten geladen, und die PLL rastete auch sofort ein.

Na super, aber der VCO pfeift!

Der erste Blick auf den PD-Ausgang zeigte schon die Ursache für den Pfeifton. Es waren deutlich Up-Impulse zu sehen. Irgend ein Bauelement im Schleifenfilter oder VCO musste einen Leck-Strom gegen Masse haben. Der Phasendetector hatte ordentlich zu arbeiten, um die Abstimmspannung oben zu halten.

Sofort hatte ich die Kondensatoren im Schleifenfilter in Verdacht.  Also habe ich die Kondensatoren überprüft und versuchsweise ausgetauscht, aber die waren es dieses mal nicht.

Ich konnte auch keine Verschmutzung auf der Leiterplatte finden, die für einen Strom gegen Masse hätte sorgen können.

Also habe ich noch mal den Schaltplan studiert, und es gab eigentlich nur noch ein Bauteil was in Frage käme, die Kapazitäts-Diode des VCOs.

Eine BB112 mit einer Kapazität von max 500pF. Eine Messung der Diode ergab einen Leck-Strom von mindestens 2µA der mit steigender Temperatur zunahm. Der typische Leck-Strom dieser Diode liegt laut Datenblatt bei 0,1 bis 10 nA.

Also, neue BB112 eingebaut, und das Pfeifen war weg!  Problem gelöst!

Manchmal liegt es an Bauelementen, die man am wenigsten in verdacht hat, wenn die PLL spinnt. Dieses Beispiel zeigt aber wieder, dass die meisten PLL-Fehler im Schleifenfilter bzw. im VCO zu suchen sind.

Ich hoffe dieser kleine Reparaturbericht ist hilfreich für den einen oder anderen Leser, der vielleicht ein ähnliches Problem hat.

PS: Ich freue mich immer über nützliche Kommentare.

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Heute habe ich einige Informationen über ein neues PLL-IC von  Crystek Corp. entdeckt.

Crystek Corp ‘s CPLL66-3475-3475 PLL-Synthesizer arbeitet bei 3475 MHz mit einer typischen Schrittweite von 2.500 KHz.
Das Modell CPLL66-3475-3475 ist in einem kompakten SMD-Gehäuse untergebracht. Das spart Platz auf der Leiterplatte.

Der PLL-Synthesizer Baustein beinhaltet im Wesentlichen einen VCO und eine PLL in einem Modul, und ist nur geringfügig größer als ein VCO-Modul und wesentlich kleiner als separate VCO / PLL-Module. Die CPLL66-3475-3475 ist ein kompletter PLL-Synthesizer und benötigt nur eine externe Referenz-Frequenz und Versorgungsspannung für die interne PLL (Phase Lock Loop) und VCO (Voltage Controlled Oscillator).

Die Crystek CPLL66-3475-3475 wird mit einem 3-Leiter-Bus-Interface (Data, Clock und Enable) programmiert.

Die CPLL66-3475-3475 ist ideal für den Einsatz in der Telekommunikation, Computer, Radio, Basisstationen und andere elektronische Anwendungen.

Für genauere Informationen hab’ ich hier ein Datasheet gefunden:
http://www.crystek.com/microwave/admin/webapps/welcome/files/pll/CPLL66-3475-3475.pdf

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