GPS受信モジュールGE-612TとPLLで作る高精度発振器 - CD4046Bの使い方

さっそく製作に入ります。PLLはCD4046Bで、まずこの使い方を練習します。

CD4046BはPFDとVCOの二つの部分からなります。分周器は含まれていません。

緑の線の左側がPFD、右側がVCOになるようなピン配列になっています。

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PFDは入力として基準になる信号（Signal In 14ピン）とそれにロックさせたい信号（Comp In 3ピン）の二つの入力と位相を比較した結果（Phase Comp. Out）の出力があります。

出力には

　　Phase Comparator I Out　（2ピン）
　　Phase Comparator II Out　（13ピン）

の二つがあるのですが、ここでは Phase Comparator II Out を使っています。この二つはそれぞれの特性がありますので目的・用途によって選ぶようですが、後者は基準周波数の高調波にロックしない、基準周波数入力とVCO出力との位相差がない、と書いてあったからです（データシート読み間違ってたらすみません）

VCOは制御するための入力（VCO In 9ピン）と入力に応じた周波数の信号の出力（VCO Out 4ピン）があります。VCOの周波数範囲を決めるためC1、R1、R2があります。

PFDの出力をVCOの入力とするためローパスフィルター（ループフィルター）が必要でこれはC2、R3、R4からなります。

ふつうVCOの出力を分周してPFDの入力とするわけですが、今回は（練習なので）そのまま入力としています。基準周波数と同じ周波数の信号がVCOから出力されればOKということになります。

電源はVDD(1)とVSS（２）です（５は“Inhibit”なのでローに落としておきます。“Inhibit”をハイにすると動作は停止し消費電流はほとんどゼロ（25μA）になります）

電源電圧は5Vから15Vくらいまで使えます。他の回路との関係で５Vでやりたいのですが、そうするとただでさえ低いVCOの発振可能最高周波数がさらに低くなります。今回は練習なので５Vにしました。

回路定数を決めなければならないのですが、これがけっこう手間です。

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資料（CD4046B Phase-Locked Loop: A Versatile Building Block for Micropower Digital and Analog Applications ）にしたがって決めていきます。

確実に動くようにと思い基準周波数1kHz、VCOの最低周波数fmin=500Hz、最高周波数fmax=2kHzとします。

まずR1 R2を決めます。高くもなく低くもない値ということで100kΩとしてみます。

次にfmax/fminを求めます。4となりますのでこれとR1 R2=100kΩをもとに図9bを見てC1の値を決めます。C1=0.02μFくらいみたいです。

今度は図9cを見てfmax/fmin=4に対するR1/R2 R2/R1の値を求めます。これは5くらいみたいです。R2=R1/5 R1=R2/5=20kΩということになります。

VCOの回路定数が決まったので、ローパスフィルターの定数を決めようと思うのですが、

　　G.S. Moschytz, Miniaturized RC Filters Using PLL, BSTJ, May 1965.

を見ろ、みたいなふざけたことが書いてあります。

もっともWikipediaを見るとループフィルターだけについた本とか出てるみたいですから、それなりに難しいのでしょう。より高精度（安定度）を求める場合このあたりがポイントになりそうです。

サンプルの4.2 Frequency Synthesizer が1kHzの基準周波数に対し、3kHzから999kHzまで1kHzステップで出力できるような回路の例になっており今回と条件（基準周波数=1kHz）が同じなのでこの回路図の定数を使うことにします。

　　C2=0.068μF、R3=100kΩ、R4=5kΩ

基準周波数が1kHzじゃないときどうしたらいいかよくわからないのですが、今回は基準周波数としてGPS受信モジュール GE-612T の1kHz出力を使う予定なので、何も考えないことにしました。

手元にある部品と見比べ作るときは次の定数することにします。


　　C1=0.022μF、R1 R2=100kΩ、R2 R1=20kΩ
　　C2=0.1μF、R3=100kΩ、R4=5.1ｋΩ

　　C2はちょっとまずいような気もしますが、ひとまずこれで作ってみることにします。
　　（0.068であれば0.1を三個使えば作れるわけですが）

Phase Comparator II Out をVCOの入力とするやり方の場合、基準周波数が入力されないときのVCOの出力はfminになります。実際に使った回路ではfminは736Hzになっていましたので500Hz～2kHzであればC1は0.033μFにすればよかったようです。

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で、作ってみたのですが結果だけ書くとVCOの出力は無事基準周波数にロックされました。

写真とか動作した証拠とか必要なんですが、それは次の記事にしたいと思います。

　　==> 「PLL(CD4046BE)とGPS受信モジュール(GE-612T)で作る高精度発振器 - PLLのテスト」
　　　　　「PLLとGPS受信モジュールで作る高精度発振器 - PLLのテスト(2)」

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