PLL-Oszillator zur Generierung nahezu beliebiger Frequenzen
im Bereich von 35-4400 MHz mit den ADF4350/4351
In Bearbeitung
Stand: 28. März 2017

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Für Oszillatoren mit in weiten Bereichen frei wählbaren Ausgangsfrequenzen gibt es eine Fülle von Anwendungen. Auf der Suche nach einem möglichst einfach umsetzbaren Konzept für Frequenzen bis  in den Mikrowellenbereich stiess ich auf mehrere fertig erhältliche Oszillatorbausteine. Sie verwenden PLL-IC's der Firma ANALOG DEVICES und erlauben eine direkte Erzeugung beliebiger Ausgangssignale in den Frequenzbereichen 138 bis 4400 MHz ( ADF4350 [1] ) bzw. 35 bis 4400 MHz ( ADF4351 [2] ).


Abb.1   ADF4350/4351-Oszillatorboard

Aus fernöstlicher Fertigung gibt es u.a. die Boards gem. Abb.1. Nachdem das von mir erworbene Exemplar erst ab etwa 138 MHz arbeitete, wurde hierbei offensichtlich ein ADF4350 eingesetzt.
Als Taktgeber befindet sich ein 10 MHz-Quarz auf der Platine. Nach Änderung einer Lötbrücke ist aber auch eine Zuführung externer Referenzsignale möglich.
Der PLL-Baustein besitzt zwei Signalausgänge für die sich über separate Softwarebefehle verschiedene Pegelwerte vorwählen lassen. In vier Stufen sind hierbei Werte zwischen -4dbm und +5dbm wählbar. Eine auf dem Board befindliche LED dient der Anzeige des PLL-Lock-Zustandes. Die Steuerung des Oszillatorchips erfolgt dreiadrig via SPI-Bus wobei zu beachten ist, dass die Signaleingänge nur für 3V-TTL-Signale ausgelegt sind. Zur Erzeugung der internen 3,3V-Boardspannung befindet sich auf der Platine ein Spannungsregler für Eingangswerte um 5V.


Abb.2   Versuchsaufbau  mit  Arduino Pro-Mini-Baustein zur SPI-Steuerung  ( hier mit 3,3V-Direktversorgung )
 +  Ansicht des SV1AFN-PLL-Boards zum Grössenvergleich

Ähnlich aufgebaut, aber mit deutlich geringeren Abmessungen ( Abb.2 ) wird eine PLL-Bausteinversion von SV1AFN [3] angeboten. Hierbei wird ein ADF4351 eingesetzt, so dass diese Variante Betrieb schon ab 35 MHz aufwärts erlaubt. Zum Unterschied mit dem vorher besprochenen Baustein enthält die SV1AFN-Version aber keinen eigenen Taktgeberquarz und ist somit immer auf Fremdtaktung  angewiesen. Im einfachsten Fall bietet sich hierbei die Verwendung eines der preiswert erhältlichen Quarzoszillatoren in einer 3,3V-Version an. Die Versorgung des Bausteins erfolgt ebenfalls mit einer Spannung um 3,3V, wobei die TTL-Pegelwerte an den Steuereingängen wiederum nicht um diesen Spannungswert überschritten werden dürfen.   
Hinsichtlich der hochfrequenten Parameter der Ausgangssignale sei auf die Angaben in [3] verwiesen.


Abb.3   Über Pin 20 der ADF4350/4351 ist eine Zuführung von FM-Modulationssignalen möglich

Bei der Suche nach geeigeter Arduino-Software zur Steuerung der PLL-IC's stiess ich auf die ausgezeichnete Arbeit von Alain, F1CJN [4]. Mit dem "Fernost-PLL-Board", einem Arduino "UNO" und  dem auch von Alain benutzten LCD-Board baute ich seine Generatorversion nach. Ohne Probleme erlaubte sie die Anwahl und EEPROM-Speicherung von bis zu 20 Frequenzen eigener Wahl im gesamten zur Verfügung stehenden Frequenzbereich.
Nachdem es bei vielen der von mir vorgesehenen Anwendungen allerdings nur um die Erzeugung jeweils EINER Frequenz ging, erschien mir Alains Konzept aber doch als zu aufwendig, so dass ich mir erlaubte, sein Softwarekonzept erheblich abzuspecken. Herausgekommen ist dabei eine Minimalversion, wobei zur Steuerung des PLL-Bausteins wiederum eines bei mir schon häufig benutztes kleinen Arduino-Boards des Typs "Pro-Mini" in seiner 3,3V-Version zum Einsatz kommen sollte ( Abb.4 ). Diese Bausteine bieten u.a. den Vorteil, dass sie eine direkte Zusammenschaltung mit den PLL-Bausteinen erlauben, ohne dass irgendwelche Massnahmen zur Pegelwandlung zu treffen sind. 


Abb.4  Zusammenschaltung von Oszillatorboard und Arduino "Pro-Mini"

Die vereinfachte Softwareversion erfordert allerdings eine Direkteingabe der zum Betrieb der ADF435x-Chips benötigten sechs Registerinhalte ( im HEX-Format ). Zu ihrer Berechnung gibt es von Fa. Analog Devices aber ein sehr nützliches Tool ( Abb.5 ) . Auf einfache Weise lassen sich mit seiner Hilfe die für gewünschte Takt- und Ausgabefrequenzen benötigten Registerwerte ermitteln. Danach sind diese lediglich noch in den Arduino-Quellcode zu übernehmen.


Abb.5 Beispiel für Verwendung des Konfigurationstools; hier mit Fref.: 10 MHz und Fout: 474 MHz

Anwendungsbeispiele

Die Abbildungen 6 und 7 zeigen das Anwendungsbeispiel für einen einfachen PLL-Oszillator mit externem 10MHz-Steuerquarz und möglichem Frequenzbereich von 35 bis 4400 MHz. Die Software basiert auf einer Version von OE6OCG, wobei deren Vorteile darin liegen, im Programmcode schon die Direkteingabe gewünschter Ausgangsfrequenzen zu erlauben und ohne die zusätzliche Einbindung spezieller Libraries auszukommen.
In einer aktuellen Softwareversion nutze ich die Porteingänge #8 und #9, um hierüber eine Auswahl zwischen 4 im Programmcode abgelegten Ausgangsfrequenzen treffen zu können ( Frequenzwechsel erfordert Programmneustart ). Die im Musterprogramm  ( siehe unter NACHBAU ) benutzten Frequenzen lassen sich dabei selbstverständlich auch durch solche eigener Wahl ersetzen. Nach entsprechender Hard- und Softwareerweiterung sind an dieser Stelle aber auch Versionen mit z.B. Frequenzanwahl über Schalter oder Drehgeber möglich. Darüberhinaus ist auch eine Anschaltung von Displays z.B. zur Frequenzanzeige ( siehe dazu auch weiter unten ) denkbar.


Abb.6 und 7 zeigen ein einfaches 4-Kanal-Oszillatormodul mit einem ADF4351-Board von SV1AFN und einem ARDUINO "Pro-Mini" zur Steuerung

An anderer Stelle [5] hatte ich schon über die Verwendung handelsüblicher 10 GHz-Downconverter ( LNB ) für Amateurfunkzwecke berichtet. In diesem Zusammenhang kam nun die Idee auf, die bei ihrer Verwendung für den Empfang des 10 GHz-Schmalbandsegments 10368-10370 MHz resultierenden Zwischenfrequenzen aus dem Bereich 618-620 MHz in das 10m- oder 2m-Amateurband umzusetzen. Der dahinter liegende Gedanke war, dass nur relativ wenige Empfänger bereits einen Direktempfang des genannten Zwischenfrequenzbereiches zulassen. Ein entsprechender Converter würde dabei z.B. einen Oszillator benötigen, der auf der Frequenz 618 - 144 = 474 MHz arbeiten müsste, wofür sich die Verwendung eines nach dem oben beschriebenen Konzept aufgebauten Generators anbieten würde. Selbstverständlich lassen sich an dieser Stelle auch durch Ungenauigkeiten des LNB-Oszillators hervorgerufene Frequenzfehler korrigieren, wozu für den Converter dann lediglich eine entsprechend geänderte Mischfrequenz zu wählen ist. Dieses Projekt ist derzeit allerdings noch in der Realisationsphase und wird dabei etwa wie aus Abb.8 ersichtlich aufgebaut sein.

 
Abb.8 denkbares Konverterkonzept zur Umsetzung des LNB-ZF-Bereiches in das 10m- oder 2m-Amateurband

Mein alter Freund Christian Petersen, DD7LP benutzte den PLL-Baustein ADF4351, um damit einen auch optisch sehr gelungenen Signalgenerator aufzubauen. Sein Konzept ( an dem ich mich auf der Softwareseite ein wenig beteiligt hatte ) deckt den gesamten vom Chip erfassten Frequenzbereich ab und erlaubt dabei auch eine Auswahl zwischen unterschiedlichen Schrittweiten, Ausgangsleistungen und voreingestellten Festfrequenzen [6].

 
Abb.9 und Abb.10  Frontansicht des Signalgebers nach DD7LP  ( Fotos: DD7LP )

Nachbau

Passend zum Projekt gem. Abb.6 und 7 sende ich auf E-Mailanfrage gern auch den zugehörigen Arduino-Sketch.   

Linkliste

[1] http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADF4350.pdf
[2] http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADF4351.pdf
[3] https://www.sv1afn.com/adf4351m.html
[4] http://f6kbf.free.fr/html/ADF4351%20and%20Arduino_Fr_Gb.htm
[5] http://www.kh-gps.de/bake.htm
[6] http://www.darc-husum.de/Frequenzsynthesizer.html

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