Die Frequenzregelung mit einem PIC


Das Schaltbild zeigt den Detailauszug, welcher für die Frequenzregelung zuständig ist. Diese erfolgt nach einem bewährten, äußerst zuverlassig arbeitenden Verfahren mit modernsten Komponenten der Prozessortechnologie. Sie unterscheidet sich von allen anderen bisher benutzten Verfahren, indem keine phasenstarre PLL eingesetzt wird, sondern die sprunghaften, digital nummerisch erzeugten Frequenzänderungen des Referenzsignals vom GPS-Empfänger langsam ausgeregelt werden. Erstaunlich ist, dass nur zwei integrierte Schaltkreise vollkommen ausreichend sind. Dabei handelt es sich um einen Standard-CMOS-Baustein in High-Speed-Technologie und um einen 8-Pin-µP mit speziell programmierter Software.

Das 10-MHz-Ausgangssignal wird durch „rückwärtige" Anbindung nachgeregelt. Damit ist gemeint, dass ein relativ niederfrequentes Signal einen wesentlich größeren Wert kontrolliert. Mit einer Frequenzkorrektur-Regelung (FLL, d.h. Frequency-Lock-Loop) wird so aus dem 10-kHz-Signal des GPS-Moduls ein 10-MHz-Quarzoszillator auf „Frequenzkurs" gehalten. Eine FLL unterscheidet sich im Wesentlichen von einer PLL (Phase-Lock-Loop) dadurch, dass die Regelkomponenten derart vergrößert sind, dass die Regelung zeitlich einfach nicht mehr nachkommt, Phasenänderungen mit auszuregeln. Die angewandte FLL-Regelung erfolgt mit einer Pulsbreitensteuerung als Digital/Analog-Wandler der aus einem „umfunktionierten" Teiler-Schaltkreis besteht und die Aufgabe eines RS-Flip-Flop übernimmt. Durch den Einsatz von genügend großen Widerstands- und Kondensatorwerten zur D/A-Wandlung, welche hier gleichzeitig als Regelfilter verwendet werden, kann sich das System eben nur noch allmählich auf gleiche Frequenz(-verhältnisse) einpegeln. Mit üblichen Regelkreisen würde sich, wie beim ZDF-Frequenznormal beschrieben, der Phasenfehler „vertausendfachen"; nachzulesen auf der zitierten Homepage!
Dieses Verfahren birgt zwei gravierende Vorzüge. Zum einen kommt man ohne Quarzofen aus, da Temperaturschwankungen gerade noch genügend schnell ausgeregelt werden. Zum anderen erfolgt das „Hochfahren" der Regelung so schnell, dass in weniger als 5 Minuten nach dem Einschalten sicher eine genaue Frequenz zur Verfügung steht.
Im systembedingten 1000er-Teiler wird in altbewährter Methode ein µP verwendet, welcher alle notwendigen Steuersignale erzeugt. Von der Grundfunktion her ließe sich dieser 8-Pin-Baustein bedingt natürlich auch durch konventionelle Technologie ersetzen. Dabei müsste man allerdings auf einige, bedeutende Features verzichten: Durch den kleinen „PIC®" (eingetragenes Warenzeichen des Herstellers Microchip) braucht man äußerst wenig Platz und Strom. Zudem bietet dieser durch seine vom Entwickler „programmierte (eingeimpfte) Intelligenz" weitere Vorteile, was aus der Funktion, dem Flussdiagramm und der Software leicht zu entschlüsseln ist. Informationen zur SoftwareAll das gleicht der jahrelang bewährten Technik des ZDF-Frequenznormals.
 

programmierter PICDie PIC-Programmierung hat dem Entwickler viel Gehirnakrobatik abverlangt und ist verständlicherweise somit auch nicht frei verfügbar. Gegen einen kleinen Unkostenbeitrag für die vielen Stunden Entwicklungsarbeit ist jedoch ein komplett programmierter und getesteter Baustein exklusiv von mir zu beziehen. Eigentlich wollte ich auf diesen Hinweis verzichten, aber anscheinend geht es nicht ohne: Bitte nicht so!
 

Es sei aber nicht verschwiegen, dass das produzierte 10-MHz-Signal durch die softwaremäßige Korrektur lediglich im GPS-Empfänger (aber nicht in der nachgeschalteten Regelelektronik) in kleinen Zeitschritten eine geringe, jedoch nicht störende „Unreinheit" in der Phasenstabilität aufweist, welche ohne gewaltigen technischen Aufwand natürlich mit einer relativ einfachen (analogen) Frequenznachregelung leider nicht ganz zu beseitigen ist.
Es wurden deshalb auch Versuche unternommen, auf niedrigeren Frequenzen als 10 kHz die Frequenzregelung durchzuführen. Tests liefen aber auch mit Vergleichsfrequenzen bis hinunter zu 100 Hz. Der in einer anderen, noch zu beschreibenden Funktionsgruppe bereits enthaltene Teiler lieferte dafür die notwendigen Referenzsignale, während die Software im PIC dafür entsprechend angepasst wurde. Dadurch wurde zwar die Regelzeit „digital" technisch perfekt verlängert, was sich aber doch letztendlich durch die zu große Trägheit negativ auf das Nachregelverhalten auswirkte und den theoretisch vorstellbaren Phasenstabilitätsvorteil beim Ausgangssignal wieder zunichte machte.

Besondere Bedeutung für präziseste Frequenzregelung hat eine weitgehend lineare Regelkennlinie. Mit nur einem zusätzlichen Widerstand (R22) konnten erhebliche Verbesserungen erzielt werden.