A-196 PLL

Doepfer A-196 Phase Locked Loop (PLL)

Das Modul A-196 enthält eine sogenannte Phase Locked Loop (PLL) - im deutschen oft auch mit Nachlaufsynchronisation bezeichnet.

Eine PLL besteht aus 3 Teilen:

spannungsgesteuerter Oszillator (VCO), Phasenkomparator (PC) und Tiefpass-Filter (LPF).

Die 3 Einheiten sind normalerweise so miteinander verschaltet dass ein geschlossenes Frequenz-Rückkopplungssystem gebildet wird.

Und so funktioniert eine PLL:

Der Ausgang des internen VCOs (lineare Steuerspannungskennlinie, Rechteck-Ausgang) wird in dem Phasen-Komparator PC mit der Frequenz eines externen Signals (z.B. der Rechteck-Ausgang eines normalen VCOs/A-110) verglichen.

Der Ausgang des PCs ist ein digitales Signal (low/high/tristate), das angibt ob die Frequenz- bzw. die Phasen-Differenz der beiden verglichenen Signale positiv, Null oder negativ ist.

Der Ausgang des PCs wird mit dem Tiefpass-Filter LPF geglättet, um ein "weiches" Steuersignal für den internen VCO zu erhalten.

Die drei Einheiten VCO, PC und LPF bilden ein rückgekoppeltes System das folgendermaßen arbeitet:

Falls die externe Frequenz größer ist als die des internen VCOs steigt die Steuerspannung für den internen VCO solange an, bis beide Frequenzen gleich sind.

Falls die externe Frequenz kleiner ist als die des internen VCOs fällt die Steuerspannung für den internen VCO solange, bis beide Frequenzen gleich sind.

In beiden Fällen erreicht der interne VCO nach einer gewissen Verzögerungszeit, die durch die Frequenz des LPF festgelegt wird, die gleiche Frequenz wie das externe Signal.

Man fragt sich natürlich: was soll ein Modul, das einer vorgegebenen Frequenz (z.B. VCO) folgt. Da kann man ja gleich den VCO selbst verwenden. Der Grund hierfür sind einige "Stolpersteine", die dafür sorgen, dass eine PLL weit davon entfernt ist immer genau das zu machen, was oben so einfach beschrieben wurde.

Der erste "Stolperstein" ist der Phasencomparator (PC). Das A-196 verfügt über 3 verschiedene PCs, wobei jede ihre Vor- und Nachteile hat:

PC1 ist ein Exor-Gatter (Exor = Exclusive Oder) und "rastet" beispielsweise auch bei Harmonischen der Frequenzen (d.h. Frequenzvielfachen) ein. Dies muss jedoch für musikalische Anwendungen nicht unbedingt ein Nachteil sein,

sondern kann gezielt für bestimmte Funktionen genutzt werden.

PC2 ist ein sogenanntes RS Flipflop und insbesondere für Effektsounds gut einzusetzen.

PC3 ist ein komplexes digitales Speichernetzwerk und - vom rein technischen Standpunkt her gesehen - der beste PC, da er z.B. nicht bei Harmonischen "einrastet" und auch sonst das beste Verhalten zeigt.

Der Anwender kann beim A-196 einen der 3 PC mit Hilfe eines Schalters anwählen.

Wird PC2 verwendet, so zeigt eine LED an, wenn die PLL "eingerastet" (locked) ist, d.h. wenn die Frequenz des VCOs der PLL mit der externen Frequenz übereinstimmt.

Besonderes Augenmerk muss auch dem Tiefpassfilter (LPF) geschenkt werden. Um eine möglich weiche Steuerspannung für den internen VCO zu erhalten (geringe Restwelligkeit), sollte die Frequenz des LPF deutlich niedriger als die Frequenz des externen Signals bzw. des internen VCOs sein. Andernfalls "tanzt" die Frequenz des internen VCOs ständig um die Frequenz des externen Signals herum und man erhält einen sog. Frequenz-Jitter.

Man kann dieses "Fehlverhalten" aber auch ganz gezielt für bestimmte Effekte einsetzen.

Schließlich kann man die Frequenz des LPF auch so hoch wählen, dass diese im Bereich des externen Signals bzw. des VCOs liegt. In diesem Fall ändert sich die Steuerspannung für den VCO innerhalb einer Periode, was wiederum zu völlig neuen Effekten führt.

Beispiel:

Die PLL soll für Frequenzen im Bereich 50Hz...1kHz arbeiten. Im Normalfall müsste die Frequenz des LPF ca. 10 Hz oder weniger sein. Eine derart niedrige LPF-Frequenz wird jedoch zu bereits hörbaren Gleit-Effekten führen (eine Art Portamento). Wenn die Frequenz des externen Signal zwischen 500Hz und 1kHz springt, dauert es ca. 1/10 Sekunde bis der interne VCO seine neue Frequenz erreicht.

Bei einer PLL im herkömmlichen Sinn muss man also immer einen Kompromiss zwischen Frequenz-Jitter und Nachgleiten finden. Dies gilt aber nur für den normalen Einsatz einer PLL.

Da der A-196 jedoch in einem musikalischen Umfeld eingesetzt wird, reizen gerade diese "Probleme" und "Nachteile" zum Experimentieren (ein VCO, der immer die gleiche Frequenz eines anderen annimmt ist ja musikalisch nicht gerade sehr spektakulär).

Statt des internen, manuell gesteuerten Tiefpassfilters kann auch der spannungsgesteuerte Slew-Limiter A-171 verwendet werden, um diesen Parameter spannungsgesteuert zu machen. Normale Audio-Filter (z.B. A-120, A-121) sind für diesen Zweck nicht geeignet, das der Frequenzbereich nicht weit genug herab reicht und das Signal gleichspannungsgekoppelt sein muss.

Eine sehr wichtige Anwendung der PLL ist Frequenz-Vervielfachung:

Zu diesem Zweck wird der Ausgang des internen VCOs einem Frequenzteiler (z.B. A-163, A-160, A-161, A-115) zugeführt und dessen Ausgang mit dem PC verbunden.

Hierdurch schwingt sich der interne VCO auf ein Vielfaches der Frequenz des extern zugeführten Signals ein. Wird der A-163 z.B. auf Teilerfaktor 5 eingestellt, so ergibt sich am Ausgang des internen VCOs die fünffache Frequenz des externen Signals.

Somit führt die spannungsgesteuerte Frequenzteilung des A-163 zu einer Frequenz-Vervielfachung und man kann mit einer Steuerspannung verschiedene Pseudo-Harmonische durchfahren ("Pseudo" wegen der Rechteck-Kurvenform).

Frequenz-Vervielfachung kann auch dazu benutzt werden, um das Clock-Signal für einen graphischen VCO zu erzeugen. Hierfür kann beispielsweise der A-155 verwendet werden - auch wenn er nur über Drehregler statt der üblicherweise bei grafischen VCOs verwendeten Schieberegler verfügt. Hierzu wird der Clock-Eingang des A-155 mit einem in der PLL um den Faktor 8 multiplizierten Master-VCO-Signal angesteuert. Am Pre-Out des A-155 erscheint dann ein Audio-Signal, dessen Kurvenform mit den 8 Drehreglern eingestellt werden kann und dessen Frequenz identisch zu der des Master-VCOs ist.

Alle PLL-Komponenten sind im A-196 als getrennte Blöcke verfügbar. Der PLL-Standard-Patch ist mit Hilfe normalisierter Buchsen (d.h. Buchsen mit Schaltkontakten) realisiert. Die PLL-Standard-Verschaltung kann aber über die Schaltbuchsen aufgetrennt und jede Einheit einzeln verwendet, bzw. andere Module in die Signalwege eingefügt werden. Der VCO kann beispielsweise als Rechteck-VCO mit linearer Kennlinie verwendet werden. Der VCO hat zwei Bedienungselemente: Range und Offset. Da der VCO linear gesteuert wird, geht der Frequenzbereich (theoretisch) bis Null Hz. Mit Hilfe des Offset-Regler kann die niedrigstmögliche Frequenz eingestellt werden. Mit dem Range-Schalter sind 3 Frequenzbereiche verfügbar. Die Stellung des Range-Schalters bestimmt die maximal mögliche Frequenz. Um das Ausgangssignal des PCs mit anderen Modulen zu bearbeiten (z.B. VCF oder andere Signal-Prozessoren) steht dieses an einer eigenen Buchse zur Verfügung. Das gleiche gilt auch für das Ausgangssignal des Filters und Input 1 des PCs. Grundsätzlich muss gesagt werden, dass es sich beim A-196 um ein sehr experimentelles Modul handelt, dessen Funktionen und Anwendungen sich dem Benutzer nicht sofort offenbaren. Vielmehr sollten durch Versuch-und-Irrtum die Möglichkeiten des Moduls ausgelotet werden.

Anwendungen: Sound-Effekte, Frequenzmultiplikation, Erzeugung von Clock-Signalen für graphische VCOs, Clocked-Audio-Delay oder Switched-Capacitor-Filter.