作者：實作派
前幾天聽同事說有一台衛星訊號的調變器 Modulator 掛了，由於是台歷史悠久的儀器，也過保固很久了，所以基本上送修跟買新機的費用會幾乎一樣，看來這意思就是要來維修 DIY 了。
如下圖，當我看到儀器時，右方一顆紅色的警告燈馬上映入眼簾，為了看到細節，馬上進入儀器的警報 Alarm 選單，看看到底是怎麼回事，結果訊息顯示是頻率合成器 Synthesizer 裡面的鎖相迴路 Phase Lock Loop 故障了，這下麻煩了，它可不像一般接觸不良這麼好處理。
儀器顯示 PLL 故障（圖片來源：實作派提供）
鎖相迴路 Phase Lock Loop/PLL
鎖相迴路的概念並不難，它的目的很簡單，就是要讓 Output 相位與 Input 相位同步，也就是 Vin 往上跳，Vout 也要往上跳，反之亦然，總之就是輸出相位要跟緊，有跟上源頭就稱為 Lock，沒跟上就稱為 UnLock。
你可能會覺得輸出和輸入頻率的相位若同步的話，那兩者頻率不就一樣？那就直接拉一條線過去就好了，這樣多此一舉鎖相位是鎖心酸的嗎？答案在下圖，因為 PLL 通常拿來作倍頻用，如下圖只要在 PLL 當中加個 N 倍的除頻器，如此一來壓控振盪器 Voltage Control Oscillator（VCO）的輸出頻率 fout 就會是 N 倍的輸入頻率 fin。
Phase lock loop diagram（圖片來源：實作派提供）
檢查 PLL 的輸出頻率
我先用頻譜檢查過儀器的 RF output，發現頻率會抖動，這樣接收器當然無法抓到訊號，難怪同事會跳腳，所以我先檢查載波的電路是否正常工作。
如下圖，板子上有 2 個 PLL 迴路，目前不知道誰才是負責載波頻率，應該是其中一個故障，總之先挑一個來檢查。我把 Cable 放在其中一個 VCO 附近，這樣 Cable 就能感應到振盪器輻射出來的電波，然後接上頻譜 Spectrum 看頻率。
先挑下方的 Voltage Control Oscillator（VCO）來偵測頻率（圖片來源：實作派提供）
接著 Modulator 頻率設定為 1.5 GHz，理論上應該要下圖一樣，頻譜軌跡要一柱擎天，不會左右搖晃，在頻譜上呈現一個非常穩定的中心頻率。剛開機時頻率確實是穩定的，但一段時間後變得不穩定，這也是為什麼一開始大家都誤認為這台 Modulator 是正常的原因。
穩定的載波頻率（圖片來源：實作派提供）
儀器到了某個時間點，也許是熱的因素，載波頻率就開始抖動，只要出現抖動，機器就會亮紅燈 Major Alarm。 下圖就是頻率抖動的畫面，此時頻譜的中心頻率設定為 1.5 GHz，Span 設定改為 20 MHz，頻譜軌跡出現在畫面左方，也就是它在距離中心頻率 1.5 GHz下方約 10 MHz 的地方，而且還是不穩定的跳動狀態，難怪同事會覺得這台機器有問題，頻率都偏了，這到底是 PLL 裡面的哪個地方出問題呢？我們一起來找找。
偏移且跳動的載波頻率（圖片來源：實作派提供）
至於另外一個 PLL，無論 Alarm 有無出現，它的頻率都是穩定的 930 MHz，所以我認定與本次的問題無關，就先不管它，我也不知道它是拿來做什麼用的。
儀器的 PLL 方塊圖
在拆解故障的 PLL 之前，先確認一下輸入頻率是否穩定，或許上一級的訊號就是抖動狀態，畢竟 PLL 只是在追前一級的相位而已，總要先確認輸入是沒問題的。從下圖實際的電路板來看，上面有個 10.7 MHz 的濾波器，於是我推測 PLL 的輸入頻率應該是 10.7 MHz。
PLL 倍頻的實際電路（圖片來源：實作派提供）
除了濾波器外，電路板最右邊還有個白色方塊的混波器 Mixer ADE-1H，你很難不看到它，Mixer 的作用是將兩個訊號相乘。
為了方便除錯，我必須把 PLL 的完整方塊圖畫出來，所以我查了 ADE-1H 的 Datasheet 以及其他 IC 的資料，做了些反向工程，終於確認 PLL 包含前級 Mixer 的整個方塊圖如下，這還滿花時間的，其中 Phase detector 與 N div 是包裝在單一個 Chip LMX2347 內。
PLL and mixer diagram（圖片來源：實作派提供）
追查混頻器 MIXER 是否抖動
接著要確認 PLL 的輸入頻率是否穩定，也就是要測量方塊圖中 B 處的頻率，為了確保 10.7 MHz 真的有進入 PLL 晶片 LMX2347，我測量的是 finb 腳位，結果我觀察到它確實是個 10.7 MHz 的穩定波形，所以輸入頻率 B 是沒問題的。
出於好奇我也順便測量了 Mixer ADE-1H 的輸出頻率，我在頻域上看到了2個很穩定的波峰，這就是通訊原理講的雙邊帶 Double Side Band，它是 700 KHz 輸入訊號與 10 MHz 本地振盪器相乘之後的結果，至於為何混頻的輸入訊號是 700KHz？我沒去研究。
（圖片來源：實作派提供）
題外話，你是否發現我改用示波器來測量？那是因為頻譜被借走了，加上待測頻率不高，我就改用示波器來觀察，只要搭配 FFT 功能，一樣能看到頻譜，詳情可以參考這篇 FFT 頻域測量-示波器瞬間變頻譜-進階功能解說。
接著也順便測量一下 Mixer 的輸入，也就是本地振盪器，結果如下圖。它果然是很穩定的 10 MHz，用來給後面的系統做倍頻之用，所以它是量測的基準，它的誤差是多少，後面 PLL 倍頻之後的誤差就會跟著是多少。
（圖片來源：實作派提供）
所以如果你嫌儀器量起來不夠精準，可以找個很準的 10 MHz 訊號源，插入儀器背板的 REF IN，一般有檔次的儀器都會有這個孔，通常會標示 Ref IN 10 MHz +10 dBm，插入之後就可以取代內部的振盪器，讓你的量測更精準。
通常振盪器一定有頻率誤差，即便是儀器內部的 10 MHz 的參考頻率也不例外，一般商用如 PC、冷氣之類的振盪器頻率飄移誤差大約在 50 ppm 左右，稍微好一些的有到 25 ppm，至於用在一般儀器上的振盪器大約在 1~2 ppm 附近，如果對於頻率要求非常高的應用，那麼就需要用到所謂的 Oven controlled oscillator，它的精度可以到 20 ppb（parts per Billion）也就是 0.02 ppm。
再查PLL的壓控振盪器 VCO
現在已經確認 PLL 的輸入頻率是穩定的了，所以問題應該在 PLL 本身，那就先來看看壓控振盪器 VCO 是否有問題。既然頻率會抖動，一定是 VCO 輸出有問題，但到底是 VCO 本身有問題？還是外部的控制電壓有問題？
先量看看 VCO 的輸入電壓吧，也就是 PLL 方塊圖中 D 點的部分。如下圖，果然 VCO 的輸入電壓就已經會上下跳動了，當然輸出頻率也會跟著左右跳動。
VCO 的輸入電壓波形（圖片來源：實作派提供）
即便是 VCO 的輸入電壓有跳動，我還是不能排除 VCO 本身故障，因為這個電壓也是從 VCO 的頻率與 10.7 MHz 互相比較來的，如果 VCO 本體故障也能導致這個結果，所以我決定把 D 點斷開來（R15），輸入固定電壓並且期待 VCO 輸出固定頻率，這樣才正常。
為了做到這件事情，我必須把反向工程再做深一些才知道應該在哪裡斷開，經過一連串的努力，終於得到 LPF 電路如下：
PLL 的低通濾波器 LPF 電路（圖片來源：實作派提供）
所以我要做的事情就是把右邊的 R15 斷開，再將 VCO 的輸入端接到附近的 5 V，然後觀察它的頻率是否會跳動，你可以看到下圖標示 Open 處，我已經把電阻立起來了。
當然，這顆 VCO（UMS-2000-A16-G）要做實驗之前，要先把它可接受的電壓範圍查出來，千萬別讓超標的電壓接進去，根據資料這顆 VCO 電壓範圍在 1 V~14 V，所以接 5 V 是 OK 的。
VCO 改用固定電壓 5 V（圖片來源：實作派提供）
現在 VCO 的電壓已經固定在 5 V，我實際測量它相對應的頻率是落在 1372 MHz，而且不會飄移，但硬要說的話它還是會飄大約幾十 Hz 的程度（基本上可算沒有飄），所以確定 VCO 是正常的，真是感謝老天爺，如果它真的壞了我也無能為力，因為這零件停產了，那這樣就會再往前推進把問題縮小到 PLL 的晶片輸出了。
順帶一提，在做反向工程的時候，我發現 OP 放大器的供電並不是對稱的，+Vcc 是 17 V 但 -Vcc 卻是 -11 V，這跟一般的用法不太一樣，這個問題我回頭再來處理，我們先處理 PLL 的問題，或許原廠是故意這樣設計的。
檢查 Low Pass Filter 輸出
VCO 的電壓是從 PLL 晶片的 CP（Charge Pump）腳位轉換來的，也就是 PLL 方塊圖中的 C 點，Charge Pump 與外部的電容 C27 形成一個充放電的線路，充電時電壓會拉高，放電時電壓會降低，透過下一級的低通濾波器 LPF，最後會轉換成平順的 DC 給 VCO，我們來檢查一下 LPF（Low Pass Filter）的輸出是否正常。
由於 VCO 已經固定接在 5 V，因此頻率也固定在 1372 MHz，而檢查方式就是藉由設定大於和小於 1372 MHz 的輸出頻率，來看看 LPF 的反應是否符合期望，所以我透過儀器面板分別設定了下面兩種頻率，以及 LPF 應有的反應。
- 1472MHz：較高的目標頻率，LPF 輸出電壓應該要降低，結果電壓確實有降低
- 1100MHz：較低的目標頻率，LPF 輸出電壓應該要拉高，結果電壓確實有拉高
LPF 的輸出完全按照期望，這下子反而我有點失望了，因為 PLL 的各個方塊我幾乎要查過一遍了，但現在看來似乎是都正常，那到底問題在哪裡？
檢查 PLL 的 CP 輸出
我突然想到，既然當初出問題的時候是在某個設定頻率上看到的，那麼當時的輸出設定頻率一定與 VCO 的頻率是相吻合的。由於現在 Loop 是切開的，如果刻意讓設定頻率與 VCO 頻率相等，應該就能重現當時的狀況。
現在 VCO 的頻率只能固定在 1372 MHz，那我就將 Modulator 的目標頻率也設定在相同的 1372 MHz，理論上 CP output 應該會是 High 或 Low 其中一種，因為 VCO的頻率一定會比 1372 MHz 多或少一點點，觀察 CP 腳位應該就能發現一些端倪。
於是我把 Modulator 頻率設定為 1372 MHz，接著用示波器來觀察 CP 的波形，量測結果如下圖，我發現 CP 輸出並非 high 或 low，而是高高低低的波形，但並不是VCC 到 GND 那種頂天立地的方波。
PLL chip 的 CP 輸出（圖片來源：實作派提供）
為什麼不是穩定的 High 或 Low？我想到由於 VCO 的 1372 MHz 雖然宏觀來看是固定頻率，但微觀來看它還是會在 1372 MHz 附近有些微的飄移，這是難免就會發生的，因此在 C 點的 Phase detector 輸出會有高低交錯的訊號出現。
如果把 Loop 在封閉起來，在正常 Lock 的情況下就不會有這麼多高低波形，因為頻率會越調越接近目標頻率，一但相位鎖住之後，就只會有些許方波出現用來微調 VCO 的電壓。
至於 CP 的波形為何沒有頂天立地，我查了 LMX2347 的 CP 輸出級說明。如下圖，我想是因為它的輸出級是由 2 顆互補 MOS 所構成的緣故，當 MOS 導通時，如果在線性區的話會很類似一個電阻，所以電阻會吃掉一些電壓，輸出電壓沒有頂天立地我認為是正常的，但它起碼有個方波的樣子。
LMX2347 PLL 晶片輸出級的等效電路（圖片來源：實作派提供）
檢查 Low Pass Filter 電路
CP 輸出方波是合理的，但是 LPF 的輸出為何也會跟著方波跳動？我從示波器看起來就是如此，LPF 的輸出與輸入都會跳動這也太奇怪了，輸出不是應該要是 DC 值嗎？
我一開始以為是 LPF 故障了，後來才發現原來是我測量的地方在右邊的 R15 之前，如果測量的是 R15 之後，也就是 VCO 的電壓輸入的話，那就會得到一個穩定的 DC值，因為有個電容做濾波，所以還是要有電路圖才不會搞混。
PLL 的低通濾波器 LPF 電路（圖片來源：實作派提供）
這個電路若沒有二極體 D3 的話它應該要是個積分器，因為以前課本上的 OP 放大器只要回授電路有接電容，它就是積分器，而且是反相積分，但現在多了個二極體，我也不確定跑起來是怎樣，那就來跑模擬看看吧。
模擬的結果如下，輸入與輸出都有方波，和我實際觀察到的波形一樣 ，那就表示 LPF 的線路是正常工作的。
LPF的輸入/輸出模擬（圖片來源：實作派提供）
PLL 各部分都沒問題，怎麼會？
這就怪了，一開始明明就看到輸出頻率會抖動，於是開始檢查 PLL 的各個部位，甚至把 VCO 的輸入電壓斷開，從 VCO、LPF、CP、PLL Chip 都檢查了，竟然全部都沒問題！
不會吧！之前明明就有問題，看了一圈回來卻沒問題，這是見鬼了嗎？走到這裡，我想需要暫時休兵一下，讓思緒沉澱再來戰它個一回，有時候回家休息隔天之後腦袋就會有新的想法，剩下的過程我寫在下集的文章當中。
（本文經同意轉載自實作派電子實驗室、原文連結；責任編輯：賴佩萱）
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