4046 PLL Schleifenfilter Design

[Peter Heitzer]

Hallo,
ich möchte mittels einer 74HC4046 PLL einen Frequenzgenerator bauen.
Als Frequenzteiler will ich einen 8253 Timer verwenden, da der auch
im BCD Modus arbeiten kann.
Erste Versuche mit der PLL waren teilweise erfolgreich, aber die
erzeugte Frequenz mit starkem Jitter versehen. Ich habe mir heute
mal den Beitrag aus dem ELKO angesehen, der sich mit der Problematik
am Eingangsverstärker (Pin 14) befasst und werde die Eingangsspannung
entsprechend konditionieren. Vermutlich aber ist die Dimensionierung
des Schleifenfilters unpassend für den gewünschten Zweck.
Don Lancaster schreibt, mit dem Breitbandcomparator wären Frequenzver-
hältnisse bis 1000:1 möglich.
In meinem Fall möchte ich von einer Referenz von 1kHz mit dem VCO
Frequenzen von 1..999 kHz erzeugen.
Hat jemand diesbezüglich Erfahrungswerte für die Dimensionierung des
Schleifenfilters oder kann auf hilfreiche Seiten im Web verweisen?
Ist ein Frequenzverhältnis von 1000:1 überhaupt mit brauchbarer Stabilität
erzielbar oder sollte ich mich lieber mit max. 100:1 bescheiden?

Danke schon mal,
Peter


--
Dipl.-Inform(FH) Peter Heitzer, peter.heitzer@rz.uni-regensburg.de
HTML mails will be forwarded to /dev/null.

 

[Stefan Huebner]

Erste Versuche mit der PLL waren teilweise erfolgreich, aber die
erzeugte Frequenz mit starkem Jitter versehen. Ich habe mir heute
mal den Beitrag aus dem ELKO angesehen, der sich mit der Problematik
am Eingangsverstärker (Pin 14) befasst und werde die Eingangsspannung
entsprechend konditionieren. Vermutlich aber ist die Dimensionierung
des Schleifenfilters unpassend für den gewünschten Zweck.

Ich habe die Dimensionierung in meiner Applikation mit dem PLL Design
Tool von Philips probiert, dabei kamen sehr hohe Werte für die
Widerstände heraus. Es funktionierte weder damit vernünftig noch mit
herunterskalierten Werten für die R's. Daraufhin habe ich mich
traditionell an die Polstellen herangemacht, mit dem gleichen
Misserfolg. Mein Zielbereich waren 10Hz-1MHz, wobei ich mich erstmal
auf 1kHz-100kHz beschränkt habe. Wenn die Schleife bei 1kHz halbwegs
schnell eingerastet ist, war der Phasenjitter bei 100kHz besch....,
bei 500kHz wollte das Ding dann mit Sinus-Eingangssignal gar nicht
mehr einrasten, mit schnellem Komparator davor war es unglaublich
empfindlich auf Störungen im Eingangssignal. Mir kam es allerdings
auch auf einen Phasenfehler in der Grössenordnung von 1% an, falls
Dich das nicht interessiert:
http://www.standardics.philips.com/support/logic/
und dann unten bei PLL Design Assistance das Progrämmchen runterladen.
Wie gesagt: damit geht es, nur hatte ich mir von einer Phase(!) Locked
Loop besseres Phasenverhalten erwartet. Ich brauchte seinerzeit ein
Rechtecksignal mit 0 oder 90 Grad Phasenbezug zum Sinus-Referenzsignal
und habe das Problem nun mit Integrator und Komparator gelöst.
Zwischendurch hatte ich statt des HC4046 dann nochmal einen HC9046,
der hat einen anderen Komparatorausgang wenn ich mich richtig
erinnere, macht alles etwas einfacher, aber nicht wirklich besser.

Don Lancaster schreibt, mit dem Breitbandcomparator wären Frequenzver-
hältnisse bis 1000:1 möglich.

Ist möglich, nur - siehe oben...

In meinem Fall möchte ich von einer Referenz von 1kHz mit dem VCO
Frequenzen von 1..999 kHz erzeugen.
Hat jemand diesbezüglich Erfahrungswerte für die Dimensionierung des
Schleifenfilters oder kann auf hilfreiche Seiten im Web verweisen?

Link siehe oben, R-Werte nach unten und C entsprechend hoch skalieren,
falls die Werte abartig hoch werden.

Ist ein Frequenzverhältnis von 1000:1 überhaupt mit brauchbarer Stabilität
erzielbar oder sollte ich mich lieber mit max. 100:1 bescheiden?

Ja ist es, aber hart an der Grenze. Wenn Du bis 1MHz erzeugen willst,
hast Du bei einer VCO-Steuerspannung von 4V einen VCO-Gain von
250kHz/V. Wenn Dein kHz dann auf 1Hz genau sein soll, sprechen wir von
4 Mikrovolt am VCO-Eingang!

 

[Peter Heitzer]

Stefan Huebner <stefan.huebner@tu-harburg.de> wrote:

Erste Versuche mit der PLL waren teilweise erfolgreich, aber die
erzeugte Frequenz mit starkem Jitter versehen. Ich habe mir heute
mal den Beitrag aus dem ELKO angesehen, der sich mit der Problematik
am Eingangsverstärker (Pin 14) befasst und werde die Eingangsspannung
entsprechend konditionieren. Vermutlich aber ist die Dimensionierung
des Schleifenfilters unpassend für den gewünschten Zweck.

Ich habe die Dimensionierung in meiner Applikation mit dem PLL Design
Tool von Philips probiert, dabei kamen sehr hohe Werte für die
Widerstände heraus. Es funktionierte weder damit vernünftig noch mit
herunterskalierten Werten für die R's. Daraufhin habe ich mich
traditionell an die Polstellen herangemacht, mit dem gleichen
Misserfolg. Mein Zielbereich waren 10Hz-1MHz, wobei ich mich erstmal
auf 1kHz-100kHz beschränkt habe. Wenn die Schleife bei 1kHz halbwegs
schnell eingerastet ist, war der Phasenjitter bei 100kHz besch....,
bei 500kHz wollte das Ding dann mit Sinus-Eingangssignal gar nicht
mehr einrasten, mit schnellem Komparator davor war es unglaublich
empfindlich auf Störungen im Eingangssignal. Mir kam es allerdings
auch auf einen Phasenfehler in der Grössenordnung von 1% an, falls
Dich das nicht interessiert:
http://www.standardics.philips.com/support/logic/
und dann unten bei PLL Design Assistance das Progrämmchen runterladen.
Wie gesagt: damit geht es, nur hatte ich mir von einer Phase(!) Locked
Loop besseres Phasenverhalten erwartet. Ich brauchte seinerzeit ein
Rechtecksignal mit 0 oder 90 Grad Phasenbezug zum Sinus-Referenzsignal
und habe das Problem nun mit Integrator und Komparator gelöst.
Zwischendurch hatte ich statt des HC4046 dann nochmal einen HC9046,
der hat einen anderen Komparatorausgang wenn ich mich richtig
erinnere, macht alles etwas einfacher, aber nicht wirklich besser.

Don Lancaster schreibt, mit dem Breitbandcomparator wären Frequenzver-
hältnisse bis 1000:1 möglich.

Ist möglich, nur - siehe oben...

In meinem Fall möchte ich von einer Referenz von 1kHz mit dem VCO
Frequenzen von 1..999 kHz erzeugen.
Hat jemand diesbezüglich Erfahrungswerte für die Dimensionierung des
Schleifenfilters oder kann auf hilfreiche Seiten im Web verweisen?

Link siehe oben, R-Werte nach unten und C entsprechend hoch skalieren,
falls die Werte abartig hoch werden.

Ist ein Frequenzverhältnis von 1000:1 überhaupt mit brauchbarer Stabilität
erzielbar oder sollte ich mich lieber mit max. 100:1 bescheiden?

Ja ist es, aber hart an der Grenze. Wenn Du bis 1MHz erzeugen willst,
hast Du bei einer VCO-Steuerspannung von 4V einen VCO-Gain von
250kHz/V. Wenn Dein kHz dann auf 1Hz genau sein soll, sprechen wir von
4 Mikrovolt am VCO-Eingang!
Mir reichen 100 Hz Abweichung oder gar +/- 1 kHz, allerdings sollte die

Frequenz schon stabil sein. Bei niederen Frequenzen könnte ich auf die
PLL verzichten und mit dem 16Bit Teiler alleine arbeiten. 0.1% Abweichung
sollten damit erreichbar sein und das würde mir reichen.



--
Dipl.-Inform(FH) Peter Heitzer, peter.heitzer@rz.uni-regensburg.de
HTML mails will be forwarded to /dev/null.

 

[Gerhard Hoffmann]

On 13 Mar 2006 17:50:21 GMT, "Peter Heitzer" <peter.heitzer@rz.uni-regensburg.de> wrote:

Hallo,
ich möchte mittels einer 74HC4046 PLL einen Frequenzgenerator bauen.
Als Frequenzteiler will ich einen 8253 Timer verwenden, da der auch
im BCD Modus arbeiten kann.

Wenn Du den Frequenzteiler mit einer konstanten Frequenz fütterst,
kommt dann eine saubere, stabile Frequenz raus oder womöglich
Pulsgruppen mit Löchern oder Jitter?

Gruß, Gerhard

 

[Peter Heitzer]

Gerhard Hoffmann <dk4xp@freenet.de> wrote:

On 13 Mar 2006 17:50:21 GMT, "Peter Heitzer" <peter.heitzer@rz.uni-regensburg.de> wrote:

Hallo,
ich möchte mittels einer 74HC4046 PLL einen Frequenzgenerator bauen.
Als Frequenzteiler will ich einen 8253 Timer verwenden, da der auch
im BCD Modus arbeiten kann.

Wenn Du den Frequenzteiler mit einer konstanten Frequenz fütterst,
kommt dann eine saubere, stabile Frequenz raus oder womöglich
Pulsgruppen mit Löchern oder Jitter?
Der Teiler arbeitet sauber. Auch die _Frequenz_ am VCO Ausgang ist exakt

ein Vielfaches, aber auf dem Oszilloskop kriege ich kein stabiles Bild.
An Pin 1 sind auch keine Nadelimpulse sondern ca. 50% Dutycycle zu sehen.
Ich muß mal die Empfehlungen zur Dimensionierung im HC4046 Datenblatt
durchprobieren.

 

[tekamn]

20:1 wäre wohl eher praktikabel. Es gab da mal eine schöne
applikation in der ELO-Zeitschrift (Franzis-Verlag) Anfang der 90er
Jahre.

Da wurde kurz auf die Einschwingzeit und den Jitter eingegangen. Fazit
war eine Beschränkung auf geringe Variation (10:1 bis 20:1).

100:1 oder mehr kannst du sicher erreichen, aber dann würde ich an
Deiner Stelle auch gleich das Schleifenfilter umschaltbar machen. Die
Information kann der Mikrocontroller sicher mitausgeben, Ports sind
vorhanden bzw. Programmierung sind nun wirklich kein Hexenwerk.

Ich habe das mal in reiner Hardware für den 4046 und für 250:1 mit
Gattern realisiert, ware IMHO 3 bis5 Nand-Verknüpfungen für diesen
Bereich. Ist nun schon mehr als 18 Jahre her, und die Schaltungen
funzen immer noch


hth,
Andreas

 

[Chris Jones]

Peter Heitzer wrote:

Hallo,
ich mĂśchte mittels einer 74HC4046 PLL einen Frequenzgenerator bauen.
Als Frequenzteiler will ich einen 8253 Timer verwenden, da der auch
im BCD Modus arbeiten kann.
Erste Versuche mit der PLL waren teilweise erfolgreich, aber die
erzeugte Frequenz mit starkem Jitter versehen. Ich habe mir heute
mal den Beitrag aus dem ELKO angesehen, der sich mit der Problematik
am Eingangsverstärker (Pin 14) befasst und werde die Eingangsspannung
entsprechend konditionieren. Vermutlich aber ist die Dimensionierung
des Schleifenfilters unpassend fĂźr den gewĂźnschten Zweck.
Don Lancaster schreibt, mit dem Breitbandcomparator wären Frequenzver-
hältnisse bis 1000:1 mÜglich.
In meinem Fall mĂśchte ich von einer Referenz von 1kHz mit dem VCO
Frequenzen von 1..999 kHz erzeugen.
Hat jemand diesbezĂźglich Erfahrungswerte fĂźr die Dimensionierung des
Schleifenfilters oder kann auf hilfreiche Seiten im Web verweisen?
Ist ein Frequenzverhältnis von 1000:1 ßberhaupt mit brauchbarer Stabilität
erzielbar oder sollte ich mich lieber mit max. 100:1 bescheiden?

Danke schon mal,
Peter

Wenn man der Teiler wert aendert, aendert sich auch das "loop gain" (wie
heisst das auf Deutsch?) Wenn man es weit aendert, braucht man das
Schleifenfilter auch gleichzeitig zu aendern. Es ist erklaert in Horrowitz
& Hill.

Mein Vorschlag: Eine Frequenzverhaeltnis von 2:1 mit der PLL erzeugen, und
danach runterteilen mal 2, 4, 8, 16 ... 256 oder 512. Dann hat man 1024:1
ohne schwierigkeiten.

74HC9046 ist besser als 74HC4046 (Phasencomparator hat kein "Backlash")

Chris

 

[Peter Heitzer]

Chris Jones <lugnut808@nospam.yahoo.com> wrote:

Peter Heitzer wrote:

Hallo,
ich mĂśchte mittels einer 74HC4046 PLL einen Frequenzgenerator bauen.
Als Frequenzteiler will ich einen 8253 Timer verwenden, da der auch
im BCD Modus arbeiten kann.
Erste Versuche mit der PLL waren teilweise erfolgreich, aber die
erzeugte Frequenz mit starkem Jitter versehen. Ich habe mir heute
mal den Beitrag aus dem ELKO angesehen, der sich mit der Problematik
am Eingangsverstärker (Pin 14) befasst und werde die Eingangsspannung
entsprechend konditionieren. Vermutlich aber ist die Dimensionierung
des Schleifenfilters unpassend fĂźr den gewĂźnschten Zweck.
Don Lancaster schreibt, mit dem Breitbandcomparator wären Frequenzver-
hältnisse bis 1000:1 mÜglich.
In meinem Fall mĂśchte ich von einer Referenz von 1kHz mit dem VCO
Frequenzen von 1..999 kHz erzeugen.
Hat jemand diesbezĂźglich Erfahrungswerte fĂźr die Dimensionierung des
Schleifenfilters oder kann auf hilfreiche Seiten im Web verweisen?
Ist ein Frequenzverhältnis von 1000:1 ßberhaupt mit brauchbarer Stabilität
erzielbar oder sollte ich mich lieber mit max. 100:1 bescheiden?

Danke schon mal,
Peter



Wenn man der Teiler wert aendert, aendert sich auch das "loop gain" (wie
heisst das auf Deutsch?) Wenn man es weit aendert, braucht man das
Schleifenfilter auch gleichzeitig zu aendern. Es ist erklaert in Horrowitz
& Hill.

Mein Vorschlag: Eine Frequenzverhaeltnis von 2:1 mit der PLL erzeugen, und
danach runterteilen mal 2, 4, 8, 16 ... 256 oder 512. Dann hat man 1024:1
ohne schwierigkeiten.
Für binäre Teilerverhältnisse brauche ich aber keine PLL. Ich möchte

aber z.B. eine beliebige Frequenz von 1..100 kHz auf 0.1% genau erzeugen.
Das ginge mittels Teiler nur, wenn eine Mutterfrequenz von über 100 MHz
verwendet wird. Der 8253, den ich verwenden will, kann aber nur max. 2 MHz.
Also bleibt letztlich nur der Weg mit der PLL.

 

[Falk Brunner]

Peter Heitzer schrieb:

Mein Vorschlag: Eine Frequenzverhaeltnis von 2:1 mit der PLL erzeugen, und
danach runterteilen mal 2, 4, 8, 16 ... 256 oder 512. Dann hat man 1024:1
ohne schwierigkeiten.

Für binäre Teilerverhältnisse brauche ich aber keine PLL. Ich möchte

Nochmal lesen. Deine PLL ist im Verhältnis 2:1 steuerbar (z.B. 200..400
kHz).
Geteilt duch 2 kannst du damit 100..200 kHz erzeugen.
Geteilt durch 4 kannst du damit 50..100 kHz erzeugen.
Geteilt durch 8 kannst du damit 25..50 kHz erzeugen.

Na dämmerts?

Das Problem bei PLLs ist eben, dass man für hohe Frequenzauflösungen
niedrige Vergleichsfrequenzen braucht (bei einstufiger Bauweise). Und
dort schlägt der Jitter schnell ins Kontor. Neben anderen Problemen.

aber z.B. eine beliebige Frequenz von 1..100 kHz auf 0.1% genau erzeugen.
Das ginge mittels Teiler nur, wenn eine Mutterfrequenz von über 100 MHz
verwendet wird. Der 8253, den ich verwenden will, kann aber nur max. 2 MHz.
Also bleibt letztlich nur der Weg mit der PLL.

Nicht wirklich. Für solchen müden Gleichstrom nimmt man heute ne DDS. Da
gibt keine Probleme mit Frequenzauflösung und nur wenig mit Jitter
(naja, immer ne Frage der Ansprüche). Wenn es also darum geht, einen
Generator zu bauen, nimm ne DDS. Wenn du aber im Wesentlichen mit PLLs
basteln willst, denk mal über die Sachen oben nach.

MfG
Falk

 

[Peter Heitzer]

Falk Brunner <Falk.Brunner@gmx.de> wrote:

Peter Heitzer schrieb:

Mein Vorschlag: Eine Frequenzverhaeltnis von 2:1 mit der PLL erzeugen, und
danach runterteilen mal 2, 4, 8, 16 ... 256 oder 512. Dann hat man 1024:1
ohne schwierigkeiten.

Für binäre Teilerverhältnisse brauche ich aber keine PLL. Ich möchte

Nochmal lesen. Deine PLL ist im Verhältnis 2:1 steuerbar (z.B. 200..400
kHz).
Geteilt duch 2 kannst du damit 100..200 kHz erzeugen.
Geteilt durch 4 kannst du damit 50..100 kHz erzeugen.
Geteilt durch 8 kannst du damit 25..50 kHz erzeugen.

Na dämmerts?
Ja, jetzt schon. Ich habe am WE noch mal herumexperimentiert.

Problematisch ist weniger das Schleifenfilter, sondern der
Variationsbereich des VCOs, der bei der von mir verwendeten PLL (74hc4046a)
kaum über 2:1 hinauskommt. Ich habe das mit dem Fangbereich etwas
mißverstanden. Ein Frequenzverhältnis von 1000:1 ist in der Tat kein
Problem, z.B. um 50 Hz zu vervielfachen.
Wichtig ist aber, daß das Eingangssignal gut konditioniert ist.
Mit dem Signal von einem Transistor funktionierte es überhaupt nicht (sah
auf dem Oszi auch nicht so steilflankig aus). Auch nach einem HC14 Schmitt
Trigger, dem via Widerstand eine Wechselspannung zugeführt wurde, ging
es nicht, obwohl es am Oszi gut aussah. Erst als ich die Wechselspannung
kapazitiv zuführte, klappte es.

 

[Thomas Schaerer]

Peter Heitzer <peter.heitzer@rz.uni-regensburg.de> wrote:

Hallo,
ich möchte mittels einer 74HC4046 PLL einen Frequenzgenerator bauen.
Als Frequenzteiler will ich einen 8253 Timer verwenden, da der auch
im BCD Modus arbeiten kann.
Erste Versuche mit der PLL waren teilweise erfolgreich, aber die
erzeugte Frequenz mit starkem Jitter versehen.

Lies mal das da:

"PLL-Frequenzsynthesizer mit digitalem Potentiometer"
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/pllsynth.htm

Beachte vor allem das Kapitel "3.5 Das Loop-Tiefpassfilter".

Ich habe mir heute mal den Beitrag aus dem ELKO angesehen,

Das ELKO entdecken ist immer gut... ))

der sich mit der Problematik am Eingangsverstärker (Pin 14) befasst
und werde die Eingangsspannung entsprechend konditionieren.

Prima, das ich ein wichtiges Thema. Dieser Elektronik-Minikurs hat
schon bei manchem einen Anfall verhindert, wie ich von Mails lesen
konnte.

Vermutlich aber ist die Dimensionierung
des Schleifenfilters unpassend für den gewünschten Zweck.

Wenn Du das Filter mathematisch exakt angehen willst, gibt es Formeln
im Datenblatt des MC14046 von Motorola.

Don Lancaster schreibt, mit dem Breitbandcomparator wären Frequenzver-
hältnisse bis 1000:1 möglich.

Das ist richtig, aber allerdings ist bei dieser hohen Sensivitaet die
Sache mit dem Phasenjitter entsprechend kritischer, und die
Stabilitaet vermutlich auch.

In meinem Fall möchte ich von einer Referenz von 1kHz mit dem VCO
Frequenzen von 1..999 kHz erzeugen.

Dann schau Dir das einfach mal genau an:

"PLL-Frequenzsynthesizer mit digitalem Potentiometer"
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/pllsynth.htm


Gruss
Thomas
--
Meine Elektronik-Minikurse in:
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/
(Loesche alle 'x' in der Mailadresse fuer Replay!)
*** 'de.sci.electronics' wurde am 07.02.2006 12 Jahre alt! ***

 

[Rolf_Bombach]

Peter Heitzer wrote:

Hat jemand diesbezüglich Erfahrungswerte für die Dimensionierung des
Schleifenfilters oder kann auf hilfreiche Seiten im Web verweisen?
Ist ein Frequenzverhältnis von 1000:1 überhaupt mit brauchbarer Stabilität
erzielbar oder sollte ich mich lieber mit max. 100:1 bescheiden?

Vielleicht hilft Natsemi AN-210 über Weitbereichs-PLL
mit adaptiver Zeitkonstante.

--
mfg Rolf Bombach