Le PLL 4046 pour les nuls... Discriminateur de phases

Bonjour,

Pour savoir si un schéma peut correctement fonctionner il est nécessaire de connaitre le fonctionnement de chacun de ses circuits.
C'est pour cela que je publie deux "tutos" d'une brève description du fonctionnement de ce 4046.
Le premier, ici, le discriminateur de phases
Puis, le VCO

Et explications qui pourront, je l'espère, servir à certains d'entre vous qui se lance dans cette grande aventure  


LE 4046 - Discriminateur de phases

Important : vue interne du 4046  :

A gauche le VCO et à droite le discriminateur de phases.
C'est ce dernier qui est traité ici.

Suivant le type de 4046, nous avons 3 discriminateurs :
- PC1
- PC2
- PC3

A noter que PC3 n'existe que dans les versions HCT donc fonctionnant sous 5v.
Les circuits que nous employons sont du type CD4046 donc pas de PC3 (à la place, pin15, nous disposons d'une tension de +5v environ, fournie par une zener).
La partie PC3 est encadrée en rouge.

Nous disposons donc de deux comparateurs de phases : PC1 et PC2.

Ces comparateurs comparent deux fréquences qui arrivent l'une en SIGIN (pin 14) et l'autre en COMPIN (pin 3).

Et en fonction du déphase de ces deux fréquences, nous obtenons en sortie des signaux proportionnels à leur déphasage.

PC1

Le plus simple des comparateurs puisque les deux signaux d'entrée passent par un OU EXCLUSIF.
En sortie, nous obtenons un niveau 1 uniquement lorsque un seul des signaux d'entrée est à 1.

Signaux à l'oscillo (simulateur) :

COMPIN en retard de phase par rapport à SIGIN

COMPIN en avance de phase par rapport à SIGIN

Ne pas prendre en compte PCP, ce signal sera traité avec le comparateur n°2, PC2.

PC2

Ce comparateur possède deux sorties : PC2out, qui est une sortie dite analogique, et une proprement numérique : PCP.

Bon, la formulation de "analogique" pour ce qui est de PC2out est quand même exagérée.
Les deux signaux SIGIN et COMPIN déclenchent respectivement deux bascules D qui font conduire chacune un mosfet (un canal N et l'autre canal P), un qui fournit +Vcc en sortie et l'autre la masse en sortie.
Un seul mosfet ne peut conduire à chaque période. C'est celui qui "arrive le premier" qui déclenche sa partie (sur front montant du signal).



Reportez-vous au schéma interne du 4046 et vous remarquerez que lorsque aucun des deux mosfets ne conduisent, en sortie nous avons... rien.
Situation nommée "haute impédance".

Alors pas facile de pouvoir tout vérifier car dans un cas nous aurons le Vcc en sortie et ça c'est mesurable, mais dans l'autre cas nous aurons la masse donc 0v et cela n'est pas mesurable.
Je veux dire par là que l'appareil de mesure connecté à la masse ou la sonde en l'air (c'est comme si lorsque aucun de mosfets ne conduisent : sortie en haute impédance) donnera toujours 0v.

Alors afin de bien valider le fonctionnement, j'ai rajouté en sortie PC2out (pin 13) une résistance (R2) mise à un potentiel de +2,5v (la moitié du Vcc - je travaille en Vcc=5v).


Nous obtenons ainsi un créneau d'un niveau de +Vcc ou bien de 0v suivant les cas, et pendant les temps où un déphasage n'apparait pas, une tension de +2,5v :

COMPIN en retard de phase par rapport à SIGIN

COMPIN en avance de phase par rapport à SIGIN

La sortie PCP est en quelque sorte le reflet de PC2out mais en numérique, active à 0v.

Lorsque COMPIN est en retard de phase par rapport à SIGIN, la sortie PC2out est à +Vcc.
Lorsque COMPIN est en avance de phase par rapport à SIGIN, la sortie PC2out est à 0v.

Toujours est-il que maintenant, le discriminateur de phases du 4046 n'a plus de secret pour nous

@++

Pour télécharger le pdf regroupant tout le 4046 : ICI

Bonjour Alain,

Comme toujours une très bonne analyse.

Perso, je pense que le schéma de Meyer est un schéma de départ, et que comme dans toute étude, il a certainement subi des évolutions, qui n'ont jamais été publiées (volontairement ou pas ?).

Cette explication que tu donne, pourrait expliquer que beaucoup de tentatives de reproduction de ce montage ont été abandonnées. Saurons nous trouver et faire les corrections nécessaires ?

A+
JCV

Bonjour Jean-Claude,

Merci.

Oui, en effet, c'est probablement un schéma de départ. Enfin, peut-être.

Et comme tu dis, malheureusement, nombre de personnes ont appliqué tel quel.
Et ça ne pouvait absolument pas fonctionner (je vais l'expliquer en détail dans le prochain post normalement dès mardi prochain - car je m'absente entre temps).

Quant à y arriver, je suis persuadé qu'il n'y a aucun problème.
Je dirai même que c'est déjà dans les cartons

@++

Bonjour Jean-Claude,

Désolé, j'ai jugé qu’il était plus profitable pour tout le monde de distinguer séparément les différents sujets.
Les explications du fonctionnement du 4046, et ensuite le sujet initiateur concernant le schéma Meyer, sans les mixer tous les deux.

C'est pour cette raison que le sujet sur Meyer va faire l'objet d'un sujet séparé.

Mais tu as répondu à ce sujet... Je rajouterai donc un lien renvoyant sur ton message.

@++

Bonjour Alain,

Tout a fait d'accord, ne mélangeons pas tout. Le 4046 est toujours d'actualité dans bien des applications, surtout dans sa version HC ou HCT.

A+
JCV

Bonjour Jean-Claude,

Oui, tout à fait exact et tu me rappelles que mon explication n'est pas complète concernant le discri du 4046.

Car il manque PC3.
Que je vais rajouter car, pour certaines applis, il peut être très pratique aussi.

@++

Bonjour,

Quelques cogitations:

A la fréquence de résonance d'un circuit RLC, celui-ci est équivalent à la résistance R, les impédances de L et de C se compensent.

On a donc le courant qui circule dans le résonateur qui est phase avec la tension.

Si on compare ces deux signaux avec un 4046, il faut utiliser le comparateur PC2 qui va positionner la fréquence au point ou la phase entre les deux signaux est nulle (voir explication d'Alain).

Si on utilise PC1 ou PC3, on va se positionner au point ou la phase est de 90°, ce qui en principe correspond au point -3dB (si mes souvenirs sont exact). On pourrait compenser en introduisant un retard sur l'un des signaux, mais un retard (qui il est facile à faire) introduit un déphasage qui varie avec le fréquence, d'où une erreur dès que la fréquence de résonance de la cellule va changer.

Voila une première cogitation sur une petite manip. en cours de réalisation.

A suivre ...

A+
JCV

Bonsoir Jean-Claude,

J'aime bien tes cogitations...

@++

Bonjour Alain,

Asl a écrit:

J'aime bien tes cogitations...

Bon, je viens de m’apercevoir que mes cogitations ont leur explications ici par toi-même.

https://generation-hydrogene.forumpro.fr/t1528-meyer-2-4-fonctionnement-de-l-accrochage-de-la-frequence-de-resonance#19785

et

fonctionnement-du-maintien-de-la-frequence-de-resonance

Mais comme j'ai un HCT4046, je vais faire quelques expérimentations. Histoire de voir en pratique si ça fonctionne bien comme cela.

A+
JCV

Edité le 23 janvier 2016
Pour suppression du deuxième lien mort suite à refonte des sujets par Asl.
Admin

Bonjour,

Essai du HCT4046 en bouclé.

1 - Le montage



- pour la partie VCO les valeurs suivantes (composants en stock):

C1 = 22nF
R1 = 10k
R2 = 22k

Ce qui donne comme valeurs de plage de fréquence:

Fmin ~ 24kHz
Fmax ~ 50kHz

- La boucle de phase est constitué d'une constante de temps 100k, 100nF+2.7k.
La valeur des composant a été choisi de façon arbitraire sans optimisation.

- Le générateur de fonction est ajusté pour sortir 4V crête positif.



- Sur le scope, en bleue la sortie du générateur, en jaune la sortie VCOout.

2 - Utilisation de la sortie PC2out.

- Fin = 27kHz : VCOin = 1.26V, VCOout en phase avec SIGin



- Fin = 37kHz : VCOin = 2.26V, VCOout en phase avec SIGin



- Fin = 47kHz : VCOin = 3.49V, VCOout en phase avec SIGin



Le saut d'une fréquence à l'autre provoque un verrouillage quasi instantané malgré la non optimisation de la boucle de phase.

3 - Utilisation de la sortie PC1out

- Fin = 37kHz : VCOin = 2.47V, VCOout en quadrature avec SIGin



L'essai aux fréquences de 27kHz et 47kHz donne un résultat identique. Le saut de fréquence (pas trop grand) donne un verrouillage instantané. La stabilité semble aussi meilleure si on est bien accroché. Mais en cas de décrochement la sortie se positionne à la fréquence moyenne vers 37kHz.

D'expérience avec ce type de comparateur de phase il fait bien ajuster la boucle de phase pour avoir une exploration en tension suffisante en cas d’écart trop élevé entre l'entrée et la sortie. Ici nous pouvons avoir 10kHz entre entrée et sortie, il faut que la boucle de phase passe le 10kHz (ce qui n'est pas le cas avec les valeurs que j'ai choisi au départ).

4 - Essai avec la sortie PC3out

Le résultat est assez curieux, si le verrouillage est correcte et stable, la phase entre SIGin et VCOout varie avec la fréquence. En quadrature à 27kHz et en opposition de phase à partir de 38kHz.

A 27kHz



A 37kHz



A+
JCV

Bonjour,

Super travail, ASL et JCV.

JCV as-tu réussi à mettre aussi en évidence l'état haute impédance ?

C'est plutôt intéressant pour détecter une avance ou un retard de phase...

et de pouvoir, à terme, ajuster le signal de travail en fonction de l'évolution de la température de la cellule.

Bonjour,

- En utilisant PC2, on est bien quasiment tout le temps en haute impédance, avec des pulses positive puis négative qui rattrape la dérive éventuelle. Les pulses sont très brèves et quasi invisible au scope.

J'ai 15µS d'état haute impédance pour des pulses de ~100nS.

Dans ce fonctionnement on a un comparateur phase/fréquence c'est celui qui fonctionne le mieux dans le cas de grande variations de fréquence.

- En utilisant PC1, on a un beau signal rectangulaire avec un rapport cyclique qui varie pour avoir la bonne tension de vérouillage.

Edit: dans ce que je dit ci-dessus, le scope est branché sur PCx.

A+
JCV

Note: en utilisant PC2, et en verrouillant le scope sur le signal d'entrée SIGin, j'observe sur VCOout un "jitter" de +/- 250nS.

Je pense que ça pourrait être optimisé en modifiant les valeurs de ma boucle de phase. Mais pour le moment je laisse comme cela. Je passe à d'autres manips.

A+
JCV

Bonjour,

En préparation pour l'utilisation avec le HCT4046

Comportement d'un résonateur

1 - Les bobines

- L1 : 30t de 35/100e sur diam=27mm, lg=12.5mm
 Soit une valeur théorique de self de 29µH

- L2 : 300t de 35/100e sur diam=10mm, lg=106mm
 Soit une valeur théorique de self de 85µH

2 - Schéma de connexion



Le générateur utilisé est un vieux Marconi 2022E, freq=1.3MHz et son niveau de sortie est ajusté pour avoir environ 1Vcàc sur la bobine L1. On a placé un atténuateur 3dB et une charge de 50 ohms au bout du coax avant d'attaquer L1, pour éviter tout problème d'adaptation d'impédance au niveau du générateur (vu son grand age, il est un peu susceptible).

3 - Le montage



Le couplage primaire secondaire est maintenu faible. Si on le fait varier, cela change juste le niveau de sortie et légèrement le point d'accord à cause des variations d'éléments parasites.

Au point d'accord la valeur du condensateur Cv est de 170pF auquel on ajoute la capa de la sonde du scope de 12pF, soit 182pF, ce qui donne pour L2 une valeur de 82µH à 1.3MHz ce qui est très proche de la valeur théorique.

4 - Mesure à la résonance



On voit qu'à la résonance la tension aux bornes du secondaire (bleue) est en quadrature avec la tension au primaire (jaune). Si on fait varier l'accord, on perd cette quadrature.

C'est pas ce que je pensais au départ: on est en quadrature et non en phase.

A+
JCV

Super boulot JC!

On reconnais bien les ex TSF et compagnie!

Grand bravo pour tes manips et les résultats obtenus!

Bonjour,

Mes neurones ont travaillé cette nuit pendant mon sommeil.

Résultat des cogitations:

La tension V1 induit un courant dans L1 qui est en quadrature avec la tension.

Ce courant dans L1 va induire dans L2 un courant en phase. Et à la résonance de L2 et Cv le courant et la tension V2 aux borne du résonateur sont en phase (résistif).

V2 est en phase avec le courant dans L2 et le courant dans L1, donc en quadrature avec V1.

C'est le raisonnement que j'ai fait, mais il reste à vérifier, en tout cas le résultat pratique est là.

A+
JCV

Re,

Note:

On voit que la trace bleue (V2) est en retard de PI/2 sur la trace jaune (V1), on peut donc utiliser le comparateur PC1 du 4046. Si on est pas dans le bon sens pour la boucle de PLL, il suffit d'ajouter PI, soit inverser le signal de V2.

Le montage devrait autoadaptater sa fréquence pour avoir la bonne phase.

A+
JCV

Bonjour Jean-Claude,

Beau travail et excellentes cogitations !

As-tu les moyens (matos) de coupler un autre bobinage sur le primaire ?

Ce serait le bobinage L3, de chez Meyer   , qui recueille le signal devant indiquer un déphasage, du moins une différence, à la résonance :
Dans ce dessin, tout ce qui est après L2 n'a bien sûr aucune importance dans ton expérience.


Ce signal en sortie de L3 vers un aop, différentiel par exemple, afin d'obtenir un crénal correct en sortie.
Ces créneaux de sortie envoyés sur COMPIN (3), et en SIGIN (14) on met les créneaux (référence) du primaire L1 (noté ici SIG_PRI).

Et on pourrait ainsi valider ce qui se passe exactement aux sorties PC1OUT (2) et PC2OUT (13) aux états de résonance et de non résonance.

Car, et je l'ai déjà formulé, depuis près de vingt ans que Meyer a disparu, Dieu sait si beaucoup de monde a planché sur ce projet, et jamais personne n'a encore testé la chose, ou du moins publiée.
Un comble quand même...

@++

Bonjour Alain,

Faire le couplage comme tu l'indique, je l'ai programmé pour la suite, mais pas tout de suite.

Pour le moment je suis en train de préparer et vérifier le rebouclage.

J'ai fait un petit buffer qui attaque L1 avec du 5Vcàc, et j'ai 50Vcàc sur L2 à la résonance, donc j'ai ajouter au pied de L2 une self de 7µH pour faire le prélèvement. Il faut que je fasse l’écrêtage et la mise au bon niveau pour l'entrée du 4046.

Quand tout ça sera fait, je ferais une publication avec schéma, comme d'habitude.

C'est un peu long, car je fais d'autres choses entre deux.

A+
JCV

Bonjour Jean-Claude,

Avec 5v au primaire tu as donc 50v au secondaire à la résonance.

Mais quelle tension (toujours sur L2) en non résonance ?

Tu dis que tu as rajouté une self "au pied" de L2.
Cela pourrait donc être la fameuse L3 de prélèvement du signal de déphasage dans ce cas, non ?

@++

En non résonance, comme j'ai un couplage faible, la tension doit descendre à 10 ou 15V. Dans le cas du transfo Meyer, le couplage est fort, on aura le rapport de transformation.

La self au pied de L2 peut être assimilée à L3, mais ça restera à vérifier quand même par la suite.

A+
JCV

Bonjour,

Quelques soucis, la fréquence ne suit pas bien. Comme je fonctionne entre 1 et 1.5MHz, j'ai un peu de retard de propagation à travers les circuits, ce qui crée un déphasage global que la boucle ne rattrape pas. Pourtant au scope ce retard est difficile à apprécier. Investigation en cours pour essayer d'amélioré cela.

Note: j'utilise de la logique en HC qui est donnée pour 55MHz max, je problème ne doit pas être de ce côté là. Je pense plutôt au driver qui actuellement est fait avec un BS170 et en sortie un push-pull de 2N2222A et 2N2907A (composant que j'avais en stock).

Edit (14h): Après un peu d'optimisation, ça suit déjà mieux, il semble qu'en fait on manque un peu de gain de boucle.

Edit (15h): La valeur de la sortie PC1 est fonction du décalage de phase, et c'est ce décalage de phase qui donne la tension de commande sur VCOin. On ne peut être à la fois à la résonance (décalage de phase à PI/2) et avoir une tension de commande donnant la bonne fréquence (décalage de phase différent de PI/2). Je pense qu'il faut ajouter un comparateur entre PC1out et VCOin.

Edit (18h): Ajout d'un LM358 en comparateur, et ça fonctionne, la fréquence du VCO du 4046 suit de l'accord par le Cv de la bobine L2 de ~1MHz à ~1.43MHz. Tension quasi constante à 60V aux bornes de L2.

Le Schéma sera publié par la suite.

A+
JCV

Bonjour Jean-Claude,

Je ne te cache pas que pour moi, un schéma serait le bienvenu.

Car il y a certaines chose (parties) que je n'arrive pas à relier dans ma tête.

@++

Bonjour Alain,

Asl a écrit:

Je ne te cache pas que pour moi, un schéma serait le bienvenu.

Car il y a certaines chose (parties) que je n'arrive pas à relier dans ma tête.

Schéma et compte rendu en cours de rédaction, mais je prépare au brouillon d'abord.

A+
JCV

Bonjour,

J'ai mis le schéma et le compte rendu dans un nouveau post:

https://generation-hydrogene.forumpro.fr/viewtopic.forum?p=20192

A+
JCV