最初に、マイコン制御のPLLの実験、次にVCOの制作実験、そしてそれらを繋いで動作を確認しました。

随分大昔に買ったまま放置してあったPLL-ICのMB87014をPIC12F629で制御してみました。

このICは既にディスコンのため入手は難しいと思いますが、同様の回路を検討する際の参考として、ここに掲載します。

PICの制御プログラムはmikroPascalで書きました。mikroPascalフリー版は2kB程度までの規模の開発ができます。

組み込みマイコンのプログラムをPascal言語でどのように書くかも参考になると思います。

このPLLの機能は、基準発振周波数の2倍、4倍または8倍でロックするようピン設定できるようにしました。なお、この倍数設定ピンの変更は動作中でも変更できるようにしました。(プログラムソース参照)

回路図です。

基板の様子です。

PLL-ICのMB87014と組み合わせて使うVCOを制作してみました。

VCOの回路には、ハートレー、コルピッツ、クラップ、フランクリンなどいろいろな回路があります。使用する周波数帯や可変幅などに適した回路を選びます。

この制作実験では、上記のいずれにも属さない特殊な回路を使ってみました。この回路はLC回路のQを高く保つことができ、しかも帰還量を大きく保つことができそうな回路です。

この回路、実はデンマーク発祥の測定器メーカであるRE INSTRUMENTS社のSGに使われている回路をアレンジしてみました。

回路図です。

基板の様子です。

このVCOの発振段の次のバッファには帰還容量が少ないFETを使う必要があります。帰還容量が少ないFETとしては2SK241(Crss=0.035pF)がありましたがディスコンです。代わりに3SK291(Crss=0.016pF)、3SK294(Crss=0.02pF)がありますが表面実装のチップ部品なので工作が難しいと思います。(VCO基板の上部、ケーブルに隠れているのは3SK291の基板です。周辺回路のためチップ部品にも関わらず却って多くの場所を占有しています。)

その後、2SK212を入手しましたので、それを使ってみました。出力は+10dbm近く得られます。(次の写真)かなりスッキリとしましたので、これを近日中に基板にしたいと思います。(以下の記述は3SK291を使った基板で行っています。)

2SK212を使った基板の様子です。(ついでに余計となった回路は除去しました。)

MB87014Aのfvピン、frピンには分周信号が出力されているが、非常に細いパルスなので1GSPS程度のサンプリングオシロでは完全には信号を捕獲できません。アナログオシロでも「信号の痕跡」程度にしか観測できません。

そういうときは、信号を直接観測することを諦めて、7474型のFFのトグル信号として入力し、1/2の周期の信号を観測すると、周波数関係を把握できます。直接波形を見ることは出来ませんがここでの目的には充分です。

PLL部分の回路定数の設定はなかなか決められません。(結局、今でも決まっていません。)

以下は、この基板にVCOを接続して測定した結果です。

スペアナで主信号及び高調波を観測した様子です。スパンは5kHzです。これは、PLLのローパスフィルタを調整した最良の状態です。まあ、シールド等の対策はまだ不完全ですけどね。

ここでちょっと悪戯してみました。

PLLループの帰還を増やすとどうなるか試してみました。

盛大にサイドバンドが出現しています。

適正なループゲイン、ローパスフィルタの定数に調整すればかなり実用的な高純度信号が得られると思います。この図はスパン1kHzで観測したものです。

サイドバンドは50Hzの位置にありますので、電源ハムが混入してるかもしれません。電源が完璧であっても測定系から混入することもあります。

実は、PLLの帰還ループの設計プログラムはネット上にあります。そうしたものを使って設計するのが早道だと思います。