Der Alternative Elektronik-Adventskalender
von Fritjof Flechsig hat mein Interesse an diesem IC wieder geweckt.
Jetzt habe ich mir einige CD4046 und auch zwei 74HC4046 besorgt. Damit
will ich die Experimente nachbauen und verstehen. Das Schaltbild oben
zeigt den typischen Einsatz der PLL (Phase Locked Loop,
Phasenregelschleife). Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) soll so
gesteuert werden, dass sein Signal die gleiche Frequenz und Phase hat
wie ein Eingangssignal am Pin 14. Solche Schaltungen werden z.B.
verwendet, um einen Empfänger in einem genauen kHz-Raster abzustimmen,
wozu dann noch ein einstellbarer Frequenzteiler gebraucht wird. Ich
will z.B. eine Frequenz von 1200 kHz erzeugen. Dann teile ich das
VCO-Signal durch 1200 und lege ein genaues Signal mit 1 kHz an Pin 14.
Das Signal eines der drei möglichen Phasenvergleicher wird geglättet
und steuert den VCO. Nach kurzer Zeit rastet der VCO dann genau auf
1200 kHz ein.
Der originale CD4046 unterscheidet sich in einem Punkt: Am Pin 15
gibt es eine Zenerdiode. Der HC-Typ hat stattdessen einen dritten
Phasenkomparator. Meine Versuche verwenden den CD4046. Der HC4046 kommt
später, wenn es um höhere Frequenzen geht.
Tag 3: Erster Versuch mit dem CD4046
Hier wird der
erste Phasenkomparator PC1 ausprobiert. Er besteht aus einem
XOR-Gatter. Und genauso verhält er sich auch. Wenn beide Eingänge an 3
und 14 ungleich sind, geht der Ausgang an, wenn sie gleich sind, bleibt
er aus. Für die Versuche verwende ich einen Li-Akku mit ca. 3,7 V. So
kann ich auch den HC-Baustein einsetzen, der zwar wesentlich schneller
ist, aber nur maximal 6 V verträgt.
Tag 4: Zeitschalter
Diesmal wird
ein Elko mit 10 µF zwischen VCC und Pin 14 angeschlossen. Die LED ging
dann erst nach 15 Minuten an, wenn gerade die halbe Betriebsspannung am
Eingang liegt. Seltsam, woher kommt der Ladestrom? Ein CMOS-Eingang ist
ja normalerweise unendlich hochohmig. Man kann aber berechnen, dass
hier ein Ladestrom von 0,02 µA geflossen sein muss. Im Datenblatt steht
tatsächlich, dass man mit einem Eingangsstrom in dieser
Größenordnung rechnen muss. Genauere Messungen mit einem hochohmigen
Voltmeter zeigen, dass offensichtlich ein Spannungsteiler mit zweimal 2
MOhm am Eingang liegt. Das hat wohl den Sinn, dass man eine kleine
Signalspannung kapazitiv einkoppeln kann. Ein genaueres Studium der
Datenblätter zeigt, dass es so gemeint war und man sogar ein kleines
Sinussignal anschließen darf.
P.S.
Eigentlich beginnen die Versuche ja erst im Dezember. Ich wollte aber
jetzt schon darauf hinweisen, damit sich jeder noch rechtzeitig die
nötige Hardware zusammenstellen kann.
Tag 5: Wechselblinker
Diesmal steuert eine rote Blink-LED den Eingang am Pin 4. Das
XOR-Gatter sorgt für einen Invertierung, wenn der Pin 3 an GND liegt.
Aber man kann auch einen Gleichtakt erzeugen, wenn man Pin 3 an VC legt.
Tag 6: Lichtsensor
Zwei LEDs in
Sperrrichtung bilden einen Spannungsteiler. Nur zur Vorsicht habe ich
noch 10 k in Reihe gelegt, für den Fall, dass die LEDs falsch herum
eingebaut werden. Im Ruhezustand ist jetzt die grüne LED an. Wenn
helles Licht auf die untere gelbe LED fällt, geht sie aus. Die andere
LED schaltet an. Vermutlich ist der Ruhezustand unsicher und kann je
nach IC abweichen.
Tag 8: Langsamer Blinker
Hier wird
erstmalig der VCO in Gang gesetzt. Die Regelspannung ist maximal. Die
Frequenz wird durch den Kondensator mit 100 nF und den Widerstand mit
10 MOhm bestimmt. Meine grüne LED blinkt mit ca. 1 Hz.
Tag 9: Tongenerator
Der
frequenzbestimmende Widerstand wird um den Faktor 100 auf 100 kOhm
verkleinert. Eine Piezoschallwandler bringt einen gut hörbaren Tin. Der
Frequenzmesser zeigt 96 Hz. Nach einem Test mit anderer
Betriebsspannung wurde klar, dass die Frequenz bei 9 V deutlich höher
liegt.
Tag 10: VCO-Frequenzbereich
Jetzt kommt
der im Datenblatt erwähnte R2 dazu, der mit 100 k die untere
Frequenzgrenze (Offset) des VCO festlegt. R1 mit 10 k bestimmt
die Breite des nach oben abstimmbaren Bereichs. Der VCO-Eingang am Pin
9 wird entweder an GND (unterste Frequenz) oder an VCC (oberste
Frequenz) gelegt. Die untere Frequenz war 96 Hz, die obere 715 Hz. Wenn
man den VCO-Eingang offen lässt, gibt es eine zufällige Frequenz, die
meist noch mit 50 Hz frequenzmoduliert ist.
Um den VCO besser zu verstehen, habe ich die Signale an beiden Seiten
des frequenzbestimmenden Kondensators zwischen Pin 6 und 7 mit dem
Oszilloskop untersucht. An beiden Seiten findet man genau dasselbe
Signal, aber um 180 Grad verschoben. Das bedeutet, dass der Kondensator
intern periodisch umgepolt wird. Dann reicht dieselbe Stromquelle zum
Aufladen bzw. Umladen des Kondensators. Am Ausgang entsteht so ein
perfekt symmetrisches Rechtecksignal.
R2 bestimmt den kleinsten Ladestrom und R1den maximalen
zusätzlichen Strom, der durch die VCO-Eingangsspannung
eingestellt werden kann. Ich hätte gedacht, dass man mit 100 k und 10 k
genau ein Verhältnis von 1 zu 11 erreichen kann. Aber die Zusammenhänge
sind komplizierter, sodass die Datenblätter keine Formel angeben,
sondern nur Diagramme für die verschiedenen Abhängigkeiten.
Tag 11: Zweiton-Sirene
Eine grüne LED und eine rote Blink-LED liegen parallel und
verwenden denselben Vorwiderstand. Beide blinken daher abwechselnd und
haben eine wechselnde Spannung, die nun den VCO ansteuert. Wie erwartet
gibt es einen laufenden Tonwechsel. Wenn ich R2 mit 100 k herausziehe,
wird der Tonabstand größer. Mit einem zusätzlichen Kondensator am Pin 9
verwischen die Töne zu weichen Übergängen.
Tag 12/13: Einstellbare Tonhöhe
Jetzt wird die VCO-Spannung einstellbar. Statt des
Bleistiftwiderstands habe ich ein Poti mit 15 k genommen. Die Tonhöhe
kann nun frei eingestellt werden. Wenn man R2 mit einbaut, wird damit
der tiefste Ton festgelegt. Insgesamt überstreicht die Orgel fast drei
Oktaven.
Tag 14: Tremolo
Hier kommt der Wechselblinker wieder zum Einsatz und moduliert
den Ton. Weil mein Poti niederohmiger ist als das Bleistiftpoti aus dem
Kalender, musste ich einen größeren Kondensator mit 22 µF
einsetzen. Tag 15/16: Frequenz/Temperatur anzeigen
Am Pin 10
gibt es einen Puffer-Ausgang für die VCO-Steuerspannung. Hier kann man
ein NF-Signal auskoppeln, wenn der PLL-Baustein als FM-Demodulator
verwendet wird. Eine angeschlossene LED zeigt die Spannung jetzt über
ihre Helligkeit. Im unteren Bereich bleibt sie dunkel, weil jede LED
eine Mindestspannung braucht.
Wenn ich den Kondensator berühre, erhöht sich die Frequenz, obwohl die
VCO-Spannung gleich bleibt. Alle keramischen Kondensatoren mit
großer Kapazität haben einen großen Temperaturkoeffizienten. Wenn die
Temperaturabhängigkeit unerwünscht ist, muss man Folienkondensatoren
nehmen.
Die vorgeschlagene Sensorschaltung mit einem Transistor war bei mir
nicht erfolgreich, der Transistor war zu temperaturstabil. Statt der
Kollektorspannung die Basis-Emitterspannung auszuwerten war auch nicht
erfolgreich, weil die Unterschiede zu gering sind. Bliebe noch ein
Stromspiegel, aber dazu braucht man zwei Transistoren.
Tag 17: Lichtschranke
Eine gelbe LED wird hier als Fotodiode eingesetzt und
empfängt das Blinklicht einer weißen LED. Das originale Blinksignal und
das verstärkte Lichtsignal werden auf den Phasenkomparator 1 gegeben,
dessen Ausgang die grüne LED steuert. Wenn beide Signale gleich sind,
bleibt die grüne LED aus. Wenn man ein Blatt Papier in die Lichtstrecke
hält, beginnt die LED zu blinken. Solche synchronen Lichtschranken sind
sinnvoll, weil sie sehr unempfindlich gegen Fremdlicht sind.
Tag 18: Ein PLL-Spiel
Hier gibt es zwei blinkende Signalquellen, die Blink-LED und den
VCO mit seiner gelben LED. Beide Signale werden dem Phasenkomparator
zugeführt, dessen Ausgang die weiße LED steuert. Die Aufgabe besteht
darin, den VCO so einzustellen, dass er genau die gleiche Frequenz wie
die Blink-LED hat. Normalerweise ist das die eigentliche Aufgabe einer
PLL. Wenn man es aber selbst schaffen will, muss man ganz genau auf die
Phasenunterschiede und ihre Änderungen achten. Tatsächlich ist das kaum
zu schaffen. Mein bestes Ergebnis war, dass ich beide Frequenzen fast
gleich einstellen konnte. Die weiße LED zeigt die Phasendifferenzen
durch kurzes oder längeres Blinken, das sich ganz langsam ändert. Wenn
man die Frequenz bis auf 0,1 Hz genau getroffen hat, dauert es zehn
Sekunden, bis alle Phasendifferenzen durchlaufen werden und man
eine Schwingung aufgeholt oder verloren hat.
Tag 19: Die geschlossene Phasen-Regelschleife
Nun wird das
IC erstmalig für eine geschlossene Regelschleife verwendet, also für
den eigentlichen Zweck des CD4046. Die rote Blink-LED gibt die Frequenz
vor, und der VCO soll automatisch so eingestellt werden, dass genau die
gleiche Frequenz entsteht. Die VCO-Steuerspannung wird durch Glättung
aus dem Ausgangssignal des XOR-Phasenkomparators gewonnen. Nach dem
Einschalten dauert es eine kurze Zeit, bis sich die richtige Frequenz
einstellt. Nun blinken beide LEDs mit gleicher Frequenz, aber mit einem
deutlichen Phasenunterschied.
Das
Tiefpassfilter mit 10 MOhm und 100 nF liefert noch keine absolut glatte
Steuerspannung, sondern eine Gleichspannung mit einem überlagerten
Dreiecksignal der doppelten Blinkfrequenz.
Tag 20: Der Phasenkomparator 2
Dieselbe Regelschleife wird nun mit dem Komparator PC2 betrieben,
dessen Ausgang am Pin 13 liegt. Der Tristate-Ausgang ist die meiste
Zeit hochohmig und korrigiert die Regelspannung nur mir kurzen Impulsen
noch oben oder nach unten. Die Regelspannung lässt sich daher viel
leichter glätten. Die grüne LED zeigt die gepufferte Regelspannung vom
Ausgang am Pin 10. Am Oszilloskop sieht man eine eine exakte
Übereinstimmung der ersten Flanke beider Rechtecksignale. Die rote LED
blitzt noch kurz auf, weil die Blink-LED ein von 50% abweichendes
Pulsverhältnis hat.
Zuerst hatte ich Probleme mit dem Einrasten der PLL. Ich musste den
Vorwiderstand der Blink-LED verkleinern und den Frequenzbereich mit
einem Widerstand von ca. 5 MOhm etwas nach oben verschieben.
Tag 21: Frequenz-Vervielfachung
Dass man mit
dem 4046 eine Frequenz ohne Einsatz eines Frequenzteilers vervielfachen
kann, war mir ganz neu. Weil ich mit weniger Spannung arbeite, musste
ich etwas probieren. Jetzt ist mir eine exakte Frequenz-Vervierfachung
gelungen. 2,2 MOhm als R2 an Pin 12 legen den Offset fest, 10 MOhm als
R1 an Pin 11 den Stellbereich. Das Oszillogramm zeigt beide Signale.
Tag 22/23: 50/30-Hz-PLL
Diese Versuche aus dem Kalender haben meinen Spieltrieb entfacht,
deshalb ist die Schaltung etwas anders geworden. R1 hat jetzt 100 kOhm
und legt die Obergrenze auf ca. 100 Hz. Den Vorverstärker habe ich
weggelassen und stattdessen ein Sinussignal vom Tongenerator über 22 nF
direkt am Pin 14 eingekoppelt. Das Tiefpassfilter für die
VCO-Steuerspannung hat 2,2 MOhm und 22 µF. Und ich verwende den
Phasenkomparator 2 am Pin 13.
Die PLL habe ich im Bereich 10 Hz bis 100 Hz getestet. Der VCO folgt
jeder Frequenzänderung quälend langsam, rastet am Ende aber sehr abrupt
auf die richtige Frequenz ein. Am Oszilloskop kann man leichte
Schwingungen in der Phase erkennen. Man sieht sehr anschaulich, wie die
PLL den Oszillator immer wieder nachregelt, wenn es eine kleine
Abweichung gibt. Für ernsthafte Anwendungen müsste man noch versuchen
das Schleifenfilter zu verbessern, damit die PLL schneller einrastet.
