MODULATORE FM 64 MHz A PLL



Un semplice modulatore FM controllato da un PLL che ha dato risultati soddisfacenti sia a livello di jitter che di  qualità del segnale modulato. Ho scelto la frequenza di 64 MHz semplicemente perché essa rientra nella banda che possono ricevere un gran numero di ricevitori commerciali anche a basso costo, con il ricevitore ho potuto verificare in altoparlante  la qualità del segnale audio ricevuto e ho potuto effettuare  misure di banda passante semplicemente collegando  il jack uscita cuffie ad un canale dell'oscilloscopio. Ho applicato  notevole sforzo mentale  per la progettazione del filtro attivo, con esso, nel modo in  cui invio il segnale audio modulante, il PLL si comporta come  un filtro passa alto con pendenza di 12 dB/ottava.Tenendo conto della necessità di preenfasi a 50uS e del massimo livello  applicabile al sistema senza fare sganciare il PLL il lavoro è stato notevole sia a livello analitico che sperimentale (anche a causa della deenfasi imprecisa dei  ricevitori commerciali che all'inizio mi ha fatto uscire di strada diverse volte).
Lo schema a blocchi è il seguente:

:

Lo schema elettrico è il seguente:



VCO
Il VCO è costituito da un inverter trigger di schmitt 74AC14 (IC1),  un integrato abbastanza veloce che con una resistenza di 75 ohm (R1) collegata tra uscita ed ingresso e un diodo varicap (D1) collegato tra ingresso e GND  riesce ad oscillare tra frequenze  comprese  tra i 60 MHz ai 75 MHz variando rispettivamente la tensione ai capi del diodo tra 0V a 4V (tensioni superiori a 4V spengono l'oscillatore). I tempi di salita e di discesa dell'integrato si attestano mediamente attorno ai 10nS, è quindi ovvio che a 64 Mhz dove il periodo del segnale è di 15.6 nS la forma d'onda dell'oscillazione non sarà propriamente quadrata ma piuttosto trapezoidale; questo non ha importanza  perché, come vedremo,  in uscita è presente un filtro a PI che trasforma  questa  forma trapezoidale in sinusoidale.
Ai capi del diodo varicap è presente un condensatore variabile da 6pF - 50 pF (C2) che, come vedremo,  va regolato in fase di collaudo per avere ai capi del diodo una tensione di circa 2.5V quando il PLL è agganciato.

BUFFER
Nonostante il 74AC14 sia in grado di erogare una corrente di 12 mA essa non è sufficiente per pilotare direttamente  un carico di 50 ohm quando ai suoi capi siano presenti i teorici 5 Vpp, occorre quindi farlo precedere da un buffer. Esso è costituito dal BJT 2N3904 (T1) in connessione emitter-follower, il diodo collegato tra la base e GND serve a "clempare" il segnale a -0.7 V in questo modo  sull'emettitore dovrebbe essere  presente una tensione di circa 3.6 Vpp (tenendo conto della caduta sulla giunzione base emettitore), in realtà per effetto della capacità di ingresso del transistor e per le perdite del filtro ai capi del carico giungono solo 2.3 Vpp che però sono sufficienti per un modulatore.
La  resistenza R2  serve a limitare la corrente di collettore a 100 mA nel caso siano dinamicamente presenti ai suoi capi i 5 V teorici, l'induttanza L1 serve per far avvicinare il guadagno del transistor all'unità. Molto importante è collegare il più vicino possibile al collettore di T1  i condensatori di by-pass  C4 e C5, gli emitter-follower tendono ad oscillare facilmente.
Nella figura seguente è rappresentato il digramma di Smith per il filtro:



DIVISORE
Dato che la frequenza di riferimento è di 1 MHz e quella del VCO è 64 MHz occorre dividere quest'ultima per 64. L'integrato 74HC4040 (IC2) è molto veloce e non ha problemi di sorta nel dividere i 64 MHz, anche in questo caso il condensatore di by-pass sull'alimentazione deve essere molto vicino al pin  16 dell'integrato.
NOTA:
Nello schema non sono riportati i pin dell'alimentazione di questo integrato, essi sono l'8 per il GND ed il 16 per i 5V.

COMPARATORE DI FASE
Per il comparatore di fase non occorre un  integrato veloce dato che la frequenza massima di lavoro è 2 MHz, per questo ho usato  il CD4070 (IC3) che alimentato a 5V riesce a gestire segnali a quella frequenza facilmente.
NOTA:
Nello schema non sono riportati i pin dell'alimentazione di questo integrato, essi sono il 7 per il GND ed il 14 per i 5V.

FILTRO E SOMMATORE

Questa parte del circuito è quella che mi ha più impegnato nel progetto. Per poter modulare il segnale generato dal VCO ci sono due punti dove immetterlo, uno prima del filtro l'altro dopo il filtro. Nel primo caso il segnale modulante viene sommato al valore medio della tensione all'uscita del comparatore di fase. Il livello del segnale modulante quindi, attraverso il filtro, va a cambiare la frequenza del VCO ma non essendoci alcun filtro tra l'uscita del VCO e il punto dove viene immesso il segnale modulante  il controllo è veloce e riesce a compensare quasi immediatamente la variazione di frequenza variando notevolmente però la fase di uscita rispetto a quella del segnale di riferimento. In questo caso si ha una piccola variazione di frequenza (istantanea) ma una forte variazione di fase, siamo in presenza di un segnale modulato in fase. In questo caso il PLL assume il comportamento di un filtro passa basso. Vedi la figura sottostante:


Nella modulazione di fase  la massima frequenza modulante deve essere minore della frequenza naturale, ma a noi non interessa, in questo progetto, la modulazione di fase ma quella di frequenza.
Nel secondo caso il segnale modulante viene sommato a quello in uscita dal filtro. Il segnale modulante va a variare la frequenza del VCO ma ora essendoci il filtro tra il VCO e il punto dove si immette il segnale modulante il PLL non riesce a compensare la variazione di frequenza istantaneamente e questa è notevole mentre la variazione di fase tra il segnale all'uscita del VCO e il segnale di riferimento è bassa. Siamo in presenza di una modulazione di frequenza e il PLL assume il comportamento di un filtro passa alto (il che è intuitivo perché maggiore è la frequenza del segnale modulante e più è lento il PLL a rispondere alle variazioni del segnale stesso) vedi figura sottostante:


Quindi per poter modulare correttamente in FM  la frequenza più bassa del segnale modulante dovrebbe essere superiore  alla frequenza naturale del PLL. Io però, in questo progetto, ho voluto approfittare della pendenza della curva a sinistra  della frequenza naturale per usarla, assieme  ad un filtro di primo ordine,  per realizzare una preenfasi di 50 uS. La pendenza del filtro  è infatti di 12 dB/ottava mentre quella usata nel circuiti di preenfasi è di 6 dB/ottava, allora mettendo una rete RC in serie al segnale modulante si aggiunge un  filtro passa basso a -6 dB/ottava alla catena ottenendo  una risposta complessiva molto vicina allo standard dei 50 uS. Le misure sull'audio in uscita del ricevitore hanno rivelato  una banda quasi piatta dai 500 Hz ai 15 KHz con un leggero  picco a 8 KHz e un avvallamento dai 500 Hz in giù, però essendo in campo hobbistico posso ritenermi soddisfatto.
Qui di seguito una serie di fotografie e di video.

Segnale di riferimento 1 MHz  (CH1), segnale sul carico 64 MHz (CH2) agganciati:



Segnale di riferimento a 1MHz (CH1), segnale all'uscita del comparatore di fase (CH2):



Segnale di riferimento 1 MHz (CH1), segnale ai capi del diodo varicap (senza modulazione) (CH2):



Lettura su frequenzimetro:



Video di aggancio all'accensione

Video segnale audio

REGOLAZIONI
A PLL agganciato regolare C2 per avere ai capi del diodo varicap una tensione di 2.5 V.
Regolare C7 e C8 per avere il massimo livello ai capi del carico.

Fabio