Mükemmel, basit ve ucuz FM/VHF PLL vericisi

[guclusat]

Mükemmel, Basit ve Ucuz FM/VHF PLL Verici

PLL Teknolojisinin Önemi​

Yüksek frekanslı bir radyo vericisi tasarlarken, özellikle VHF bandında frekans kayması (drift) büyük bir sorundur. Eski tip tek kristalli osilatörler stabil olsa da, FM modülasyonu için gerekli olan geniş sapmaları (sapma/deviation) sağlamakta zorlanırlar. Kristaller doğaları gereği çok dar bir aralıkta salınım yaparlar.

PLL teknolojisi ise bize hem kristal hassasiyetinde kararlılık sağlar hem de tek bir devre ile geniş bir frekans aralığında (VHF, µHF ve hatta SHF) çalışma imkanı sunar. Bu proje, Motorola'nın MC145151 veya 145152 gibi pahalı entegrelerine kıyasla çok daha ucuz ve kolay bulunan bileşenlerle aynı performansı sunmaktadır.

Projenin Temel Özellikleri​

• Geniş Frekans Aralığı: Sadece "n" bölücü faktörünü değiştirerek 120 MHz'e kadar VHF frekansları üretilebilir.
• Düşük Maliyet: Piyasada kolayca bulunan standart entegreler kullanılmıştır.
• Yüksek Doğrusal Modülasyon: Gerilim kontrollü osilatör (VCO), çok düşük gürültülü ve yüksek doğrusallığa sahip bir taşıyıcı üretir.
• Yazılım Gerektirmez: PIC, DSP veya EPROM programlamaya ihtiyaç duymaz, tamamen donanımsal olarak ayarlanır.
• Hızlı Senkronizasyon: Sıcaklık, nem veya gerilim değişimlerinden kaynaklanan kaymaları anında düzeltir.
• Yüksek Hassasiyet: Yapılan testlerde 96,5 MHz'e ayarlanan cihazın, frekansmetrede 96,50000 MHz değerini hiç sapma olmadan sabit bir şekilde koruduğu gözlemlenmiştir.

Teknik Detaylar: 1 - VCO ve Buffer (Tampon Katı)​

VCO (Gerilim Kontrollü Osilatör), PLL sisteminin kalbidir. Bu projede BFR90 veya BFR91 gibi 6 GHz geçiş frekansına (fT) sahip, yüksek frekanslı bir transistör kullanılarak "Clapp Osilatör" konfigürasyonu tercih edilmiştir. Bu transistörlerin bulunamadığı durumlarda BF494 veya BF495 kullanılabilir; ancak bu durumda taşıyıcı sinyaldeki beyaz gürültü (white noise) bir miktar artabilir.

Montaj ve Kurulum İpuçları:​

1. Faraday Kafesi (Zırhlama): VHF sinyalleriyle çalışırken devreyi dış parazitlerden korumak için metal bir kutu içine (örneğin süt tozu kutusu parçalarıyla yapılacak bir bölme) monte etmek şarttır.
2. Kondansatör Seçimi: Frekans kararlılığı için LC devresinde NPO (plate) veya gümüş mika kondansatörlerin kullanılması önerilir. Seramik kondansatörler de çalışır ancak mika kondansatörler sıcaklık değişimlerine karşı daha dirençlidir.
3. Gürültü Engelleme: BFR91'in beyzi ile kolektörü arasına bağlanan 2.2 pF kondansatör, transistörün iç eklemlerindeki faz farkını dengeleyerek beyaz gürültüyü minimize eder.
4. Elektrolitik Kondansatör Yerleşimi: 2200 µF'lık filtre kondansatörü, plakete tam sıfır lehimlenmemelidir. Bu kondansatörün parazit indüktansı "ıslık" sesine benzer bir gürültüye neden olabilir. Bu yüzden bacakları yaklaşık 1 cm uzunlukta bırakılarak, diğer bileşenlerden 1.5 cm uzağa monte edilmelidir.
5. Bobin Hazırlığı: Hava nüveli bobin, 6 mm iç çapında, 1 cm uzunluğunda, 19 numara emaye telden 2 ile 6 spir (tur) arası sarılmalıdır. FM ticari bandı (87.5 - 108 MHz) için 4 spir idealdir.

İlk Testler:​

PLL ünitesini bağlamadan önce VCO'nun temiz bir taşıyıcı sinyal ürettiğinden emin olunmalıdır. Başlangıçta BB809 (veya muadili BB405, BB109) varikap diyotlarını lehimlemeyin. Çünkü PLL'den gelecek olan AFC (Otomatik Frekans Kontrol) voltajı olmadan bu diyotlar devreyi aşırı kararsız hale getirebilir.

 

[guclusat]

2 - PLL SENTEZLEYİCİ (SYNTHESIZER)​

Bu bölümde, Şekil 2'de görülen sentezleyici katının çalışma prensiplerini inceleyeceğiz. VCO ve Buffer katından gelen VHF sinyali, DC izolasyonu sağlamak amacıyla 1 nF'lık seramik bir kondansatör üzerinden DS8629 entegresinin 7. pinine aktarılır.

Prescaler (Bölücü) Katı: DS8629​

National Semiconductor tarafından üretilen ECL teknolojisine sahip bu "prescaler" (ön bölücü), kendisine gelen frekansı 100'e bölmekle görevlidir. Aynı zamanda bir "Schmitt Trigger" gibi çalışarak, giriş sinyalinin şekli ne olursa olsun 2. pininden dijital bir çıkış verir.

• Besleme ve Isınma: Bu entegre 4.5V - 5.5V arasında çalışır. Bu nedenle devrede bir LM7805 regülatör kullanılmıştır. DS8629 yaklaşık 100 mA akım çektiği için regülatörün üzerine iyi bir soğutucu takılmalıdır (yaklaşık 700 mW ısı yayar). Diğer CMOS entegrelerin (4060, 4040, 4046) güç tüketimi oldukça düşüktür.

Referans Frekansı ve HEF4060​

Sistemde yüksek kararlılık sağlamak için bir kuvars kristalinden referans alınır.

• Kristal Osilatör: 4.096 MHz'lik kristal, HEF4060 entegresi üzerinden 4.096 MHz dijital sinyal üretir.
• Bölme İşlemi: 4060 entegresi içindeki bölücüler kullanılarak bu sinyal 4096'ya bölünür (Pino 1 - Q11 çıkışı).
• Sonuç: 4096 kHz / 4096 = 1 kHz referans sinyali. Bu 1 kHz'lik sinyal, PLL'in kalbi olan karşılaştırıcıya (4046) gönderilir.

Faz Karşılaştırma ve Kilitleme: HEF4046 ve HEF4040​

Sistem, VCO'dan gelen örnek sinyali ile kristalden gelen 1 kHz'lik referans sinyalini sürekli karşılaştırır.

1. Örnekleme: VCO'dan gelen frekans DS8629 ile 100'e bölünür (Örneğin 102.4 MHz -> 1024 kHz).
2. Programlanabilir Bölücü (4040): Bu 1024 kHz'lik sinyal, HEF4040 üzerinden kullanıcı tarafından belirlenen "n" değerine (BCD anahtarlarıyla) bölünür. Eğer 1024'e bölünürse çıkış yine 1 kHz olur.
3. Hata Gerilimi (AFC): HEF4046 faz karşılaştırıcı, 3. ve 14. pinlerine gelen iki 1 kHz'lik sinyali karşılaştırır. Arada fark varsa, 13. pininden bir "hata voltajı" (AFC) üretir.
4. Düzeltme: Bu voltaj VCO katındaki varikap diyotlara geri gönderilir. Voltaj değiştikçe varikapın kapasitesi değişir ve VCO'nun frekansı tam olarak hedeflenen değere gelene kadar zorlanır.
5. Kilitlenme: İki sinyal eşitlendiğinde sistem "kilitlenir" (Lock). Bu durum, 4046'nın 1. pinine bağlı olan LED'in maksimum parlaklıkta yanmasıyla anlaşılır.

Frekans Programlama (BCD Mantığı)​

İstediğiniz frekansı ayarlamak için MHz değerindeki virgülü kaldırıp BCD anahtarları (dip switch veya jumper) üzerinden 4040 entegresine "girmeniz" yeterlidir.

• Örnek 102.4 MHz ayarı: 1024 değerini elde etmek için Q11 (Pino 1) aktif edilir.
• Örnek 102.5 MHz ayarı: Q11 (1024) + Q0 (1) aktif edilir.
• Örnek 105.7 MHz ayarı: 1024 (Q11) + 32 (Q6) + 1 (Q0) aktif edilir.

Önemli Not: Türkiye'de FM yayın standardı virgülden sonra tek sayıları (95.5, 102.7 gibi) kullanır. Çift sayıları (102.4 gibi) test amaçlı kullanabilirsiniz ancak standart yayın için tek sayıları tercih etmelisiniz.

Test ve Doğrulama​

Sistem kilitlendiğinde, bir FM radyonun "otomatik tarama" (scan) özelliğini açarsanız, radyo tam olarak ayarladığınız frekansta duracaktır. VCO bobinine dokunsanız bile PLL sistemi saniyede 1000 kez düzeltme yaptığı için frekansın kaymasına izin vermeyecektir. Vericiyi açtıktan yaklaşık 2 saniye sonra radyodan kısa bir "bip" sesi duyulması, sistemin başarıyla kilitlendiğini gösteri

HEF4060 Pin Fonksiyon Tablosu​

Pin No	Fonksiyon (Türkçe)	Bölme Oranı / Açıklama
1	Çıkış (Q12)	4096'ya böler
2	Çıkış (Q13)	8192'ye böler
3	Çıkış (Q14)	16384'e böler
4	Çıkış (Q6)	64'e böler
5	Çıkış (Q5)	32'ye böler
6	Çıkış (Q7)	128'e böler
7	Çıkış (Q4)	16'ya böler
8	VSS / GND	Şase / Negatif Besleme (0V)
9	Eviren Clock Çıkışı	Dahili osilatör eviren çıkışı
10	Clock Çıkışı	Dahili osilatör çıkışı
11	Clock Girişi	Osilatör girişi / Harici clock girişi
12	MR (Reset)	Master Reset (Sıfırlama girişi)
13	Çıkış (Q9)	512'ye böler
14	Çıkış (Q8)	256'ya böler
15	Çıkış (Q10)	1024'e böler
16	VDD	Pozitif Besleme Voltajı

 

[guclusat]

Önemli Teknik Notlar ve Püf Noktaları​

PLL devresini kurarken ve ayarlarken dikkat edilmesi gereken bu detaylar, sistemin kararlılığı için hayati önem taşır:

1. Mantıksal Seviyeler ve Reset Voltajı​

Sentezleyici 5V ile beslendiği için mantık seviyesi (Logic High) 2.5V civarındadır. HEF4040 bölücü devresinde programlama yapıldığında, reset pini (11. pin) yaklaşık 1.2V verir. Bu düşük gibi görünse de, HEF4046 faz karşılaştırıcı bunu "mantık 1" (yüksek seviye) olarak algılar.

2. Kritik 47 pF Kondansatör​

HEF4040'ın reset pini (Pino 11) ile toprak (GND) arasına bağlanan 47 pF seramik kondansatör çok kritiktir.

• Bu kondansatör olmadan, bölücü devre ayarladığınız BCD değerinden farklı sonuçlar üretebilir.
• Özellikle 106.7 MHz veya 107.5 MHz gibi bazı frekanslar bu kondansatör yoksa kilitlenmeyebilir veya yanlış frekansta kilitlenebilir. Eğer devreniz bazı frekansları "reddediyorsa", bu kondansatörü kontrol edin.

3. VCO Bobin ve Kapasite Ayarları​

VCO katında bobine paralel olan 2.2 pF kondansatör (tercihen NPO veya gümüş mika) frekans aralığını belirler:

• 4 Spir (Tur): 95 MHz ile 109 MHz arasındaki frekanslar için idealdir. Sentezleyici bu aralıkta anında kilitlenir.
• 5 Spir (Tur): Eğer 90.1 MHz gibi bandın alt kısımlarında kilitlenme sorunu yaşıyorsanız, spir sayısını 5'e çıkarın veya paralel kondansatörü 4.7 pF - 10 pF arasına yükseltin.

4. Zırhlama (Gaiola de Farad) ve Isınma​

PLL kartı da tıpkı VCO gibi metal zırh içine alınmalıdır.

• Dijital Gürültü: Zırhlama, sentezleyiciden çıkan dijital gürültülerin VCO'yu modüle etmesini (vınlama yapmasını) engeller.
• Entegre Isınması: DS8629 prescaler entegresinin yaklaşık 90-100 mA akım çekmesi ve ısınması normaldir. Bu nedenle devreye mutlaka soket takılmalıdır (havya ısısından ve statik elektrikten korumak için). LM7805 regülatörü için ise mutlaka bir soğutucu (heatsink) kullanılmalıdır.

5. Kristal Hassasiyeti ve 39 pF Kondansatörler​

Kristalin yanındaki 39 pF kondansatörler, referans frekansının tam 4.096 MHz olmasını sağlar.

• Bu kondansatörlerin kalitesi, frekansın 107.50000 MHz yerine 107.50001 MHz gibi çok küçük sapmalar yapmasını belirler.
• Daha yüksek hassasiyet isterseniz, bu kondansatörlerden birinin yerine kaliteli bir trimmer takarak tam 1000 Hz (referans) ayarı yapabilirsiniz.

6. Alçak Geçiren Filtre (LPF) ve AFC Temizliği​

PLL'in 13. pininden (faz dedektörü çıkışı) çıkan voltaj, VCO'ya gitmeden önce çok sıkı bir filtreden geçer.

• Filtre Yapısı: 10K direnç ve 33 nF kondansatör ile yaklaşık 482 Hz kesim frekansına sahip bir filtre kullanılmıştır. Bu, 1000 Hz'lik referans gürültüsünü yok eder.
• Clipping (Kırpma): Devredeki antiparalel diyotlar ve 33K direnç, faz dedektöründen gelen ani voltaj sıçramalarını (spike) kırparak hırıltı ve ıslık seslerini engeller.
• Temiz Voltaj: Bu filtreleme sistemi sayesinde VCO'ya giden AFC voltajı tamamen temizdir, bu da profesyonel kalitede bir yayın sağlar.

Teknik İpucu: Yayını açtığınızda yaklaşık 2 saniye sonra gelen kısa "bip" sesi, PLL'in frekansı yakalayıp kilitlediğinin (Lock) işaretidir. Eğer LED yanıp sönüyorsa veya kilitlenmiyorsa, bobin aralıklarını hafifçe esneterek veya daraltarak PLL'in yakalayabileceği aralığa getirin.

PLL Sentezleyici: Frekans Programlama Mantığı​

Sentezleyici katında üretilecek frekanslar tamamen dijital olarak belirlenir. Bu işlem, BCD (Binary Coded Decimal) formatında programlanabilen "A" ile "K" arasındaki mantık seviyelerinin kombinasyonuna bağlıdır.

Programlama ve Bileşen Detayları:​

• Mantık Seviyeleri: Şemada "A"dan "K"ya kadar işaretlenen girişler, HEF4040 bölücü entegresinin çıkışlarına bağlı diyot hatlarını temsil eder. Her bir giriş, belirli bir ikili (binary) değere karşılık gelir. Bu girişlerin birleştirilmesiyle (jumper veya switch yardımıyla) istenen bölme katsayısı ve dolayısıyla hedef frekans elde edilir.
• Diyot Seçimi: Devrede kullanılan diyotlar kritik değildir. Orijinal şemadaki diyotlar yerine piyasada çok kolay bulunan 1N4148 veya 1N4151 gibi hızlı anahtarlama diyotları güvenle kullanılabilir.

Bağımsız Modülasyon İçin Üçüncü Varikap (Varaktör) Eklenmesi​

Orijinal tasarımda, hem AFC (Otomatik Frekans Kontrolü) voltajı hem de ses (modülasyon) sinyali aynı varikap diyotlara uygulanır. Ancak frekans yükseldikçe AFC voltajı artar, bu da varikapların kapasitesini kilitleyerek ses sinyalinin frekans üzerindeki etkisini (modülasyon indeksini) azaltır. Yani yüksek frekanslarda ses daha kısık çıkabilir.

Bu durumu önlemek için Şekil de önerilen yöntem şudur:

Çalışma Prensibi:​

1. Üçüncü Bir Varikap Eklemek: Osilatörün (VCO) tank devresine, diğerlerinden bağımsız üçüncü bir varikap diyot eklenir.
2. Sabit Gerilim (V): Bu üçüncü diyot, AFC hattından ayrılır ve üzerine sabit bir DC gerilim (genellikle bir potansiyometre veya gerilim bölücü ile ayarlanmış sabit bir voltaj) uygulanır.
3. Doğrudan Ses Girişi: Ses (modülasyon) sinyali artık sadece bu üçüncü varikap üzerinden uygulanır.

Avantajları:​

• Sabit Modülasyon İndeksi: Ses sinyali her zaman aynı DC çalışma noktasında (sabit gerilim altında) çalıştığı için, ana yayın frekansınız ne olursa olsun (88 MHz veya 108 MHz), sesin şiddeti ve kalitesi değişmez.
• Bağımsız Kontrol: AFC sadece frekansı sabit tutmaya odaklanırken, üçüncü varikap sadece sese tepki verir. Bu, profesyonel vericilerde kullanılan standart bir yaklaşımdır.

Uygulama Notu: Eğer vericiyi sadece belirli bir frekansta sabit kullanacaksanız bu ekleme zorunlu değildir; ses girişindeki potansiyometre ile seviyeyi bir kez ayarlamanız yeterli olur. Ancak sürekli frekans değiştiren bir "laboratuvar" veya "test" vericisi yapıyorsanız, bu modifikasyon ses kalitesinde büyük fark yaratacaktır.