A-196 Phase Locked Loop (PLL)

Youtube video: https://www.youtube.com/watch?v=62zargS-5RQ

Das Modul A-196 enthält eine sogenannte Phase Locked Loop (PLL) - im deutschen oft auch mit Nachlaufsynchronisation bezeichnet. Das Prinzip der PLL ist in der Abbildung am unteren Ende dieser Seite skizziert. Eine PLL besteht aus 3 Teilen: spannungsgesteuerter Oszillator  (VCO), Phasenkomparator (PC) und Tiefpass-Filter (LPF). Die 3 Einheiten sind normalerweise in der in der Skizze angegebenen Form miteinander verschaltet um ein geschlossenes Frequenz-Rückkopplungssystem zu bilden.
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) nud "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 (detaillierte Angaben hierzu folgen noch).
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. Einige Patch- und Sound-Beispiele finden Sie am Ende dieser Seite.

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

Die deutsche Bedienungsanleitung ist als PDF-Datei auf unserer Website verfügbar: A196_anl.pdf

Technischer Hinweis: mit den beiden Stiftleiten JP3 und JP4 kann zwischen Gleichspannungskopplung (Jumper aufgesteckt) und Wechselspannungskopplung (Jumper entfernt) für Signal Eingang 1 (JP3, neben C2) und Signal Eingang 2 (JP4, unterhalb C4) gewählt werden.

Hinweis zum Betrieb / Start-Einstellungen

Um die prinzipielle Funktionsweise einer PLL nachzuvollziehen, empfehlen wir mit folgenden Einstellungen zu beginnen:

• VCO Offset = 0
• VCO Range = mid
• Phase Comparator 3
• Low Pass Frequ. = 0
• In 2 = Rechteck-Signal eines VCOs mit ca. 50% Pulsbreite
• Ausgang = Buchse Rechteck Out

In einem Frequenzbereich von ca. 30Hz bis 1kHz sollte bei diesen Einstellungen die Frequenz des Ausgangssignal der PLL (Buchse Rechteck Out) der des Eingangssignals folgen. Durch Ändern der Parameter kann man dann mit der PLL weiter experimentieren: z.B. der Einfluss des gewählten Phasen-Komparators auf das Ergebnis, der Einfluss der Low Pass-Frequenz oder der Kurvenform des Eingangssignals oder der VCO-Parameter usw.). Für andere Frequenzbereiche muss ggf. der Range-Schalter des VCOs umgestellt werden. 

Module A-196 contains a so-called phase locked loop (PLL). The basic PLL system is shown in the sketch at the bottom of this page. A PLL consists of three parts: voltage-controlled oscillator (VCO), phase comparator (PC), and low-pass filter (LPF). All parts are normally connected to form a closed-loop frequency-feedback system.
This is how a PLL works: The output of the internal VCO (linear CV control, rectangle output) is compared with an external signal (e.g. the rectangle output of a A-110 VCO) in the so-called phase comparator (PC). The output of the phase comparator is a digital signal (low/high/tristate) that indicates if the frequency resp. phase difference of the two input signals is negative, zero or positive. The output of the phase comparator is processed by a low pass filter (LPF) to generate a smooth voltage that is used to control the frequency of the internal VCO. The 3 units VCO, PC and LPF form a feedback loop that works like this: The control voltage (output of the LPF) increases as long as the external frequency is higher than the frequency of the internal VCO und stops increasing when both frequencies become identical. The control voltage decreases as long as the external frequency is lower than the frequency of the internal VCO und stops decreasing when both frequencies become identical.
But there are some stumbling blocks: Different types of phase comparators with advantages and disadvantages an be made. Some phase comparators e.g. even lock at harmonics, i.e. if the two frequencies to be compared are integer multiples. But for some applications this can be used to create interesting effects. The A-196 contains 3 different types of phase comparators: PC1 is a simple exclusive OR, that even locks at harmonics. PC2 is a so-called RS flipflop and PC3 a more complex digital memory network. The user can select one of the three phase comparators with a 3-position switch. When PC2 is used a LED displays the "locked" state, i.e. when the frequency of the internal VCO is identical to the external frequency.
Special attention has to be directed to the frequency of the LPF. To obtain a smooth control voltage for the VCO the frequency of the LPF has to be much smaller than the lowest frequency of the internal or external audio signal. Otherwise the frequency of the internal VCO will jitter or wobble around the correct frequency. But for special effects this frequency jitter can be used intentionally. Example: frequencies in the range 50Hz...1kHz have to be processed with the PLL. Therefore the frequency of the LPF has to be about 10Hz or even less. Such a low frequency of the LPF causes a noticeable slew of the internal VCO. When the frequency of the external signal jumps e.g. between 500Hz and 1kHz it takes about 0.1 second until the internal VCO reaches the new frequency (like portamento). So one has to find a compromise between frequency jitter and portamento. But these remarks are valid only for the "ideal" working PLL. As the A-196 is used in a musical enviroment the "problems" and disadvantages with jitter and slew time lead to additional musical applications like portamento effects, wobbling frequencies or harmonic locking according to the type of frequency comparator and time constant of the PLL low pass filter. Instead of the internal manually controlled low pass filter the voltage controlled slew limiter A-171 can be used to obtain voltage control of this parameter. Normal audio filters (e.g. A-120, A-121) cannot be used for this job as the minimum frequency is to high (down to a few Hz or even less necessary) and the signal has to be DC coupled due to the low frequencies. Audio filters are normally AC coupled. 
Another very important application of a PLL is frequency multiplication in combination with an external frequency divider. For this the output of the PLL-VCO is processed through an external frequency divider (e.g. A-163, A-160, A-161, A-115) before it is fed to In1 of the phase comparator. In this case the frequency of the PLL-VCO will be a multiple of the master frequency. E.g if the the A-163 is used and adjusted to dividing factor 5 the frequency of the PLL-VCO will be 5 times the frequency of the master VCO. Consequently frequency division (A-163) leads to frequency multiplication with the PLL circuit. In combination with the PLL low pass frequency several effects can be realized (frequency multiplication with portamento or wobbling). The frequency multiplication can even be used to drive a graphic VCO. If your graphic VCO e.g. has 8 steps (e.g. A-155) and you use a frequency divider with factor 8 in the PLL feedback the output of the graphic VCO has the same frequency as the master VCO. Another application is the generation of pseudo-harmonics (not real harmonics as only rectangle waves are available) or clock generation for switched-capacitor filters.
The PLL components are available as separate building blocks in the A-196 module. The standard PLL patch is realized by means of normalized sockets. But it is also possible to use each component separately. E.g. the VCO can be used as a simple VCO with linear control input and rectangle output. For this an external voltage has to be fed into the CV input socket. The VCO has two controls: Offset and range (switch). As the VCO has a linear control input the frequency will go down to zero (i.e. the VCO stops) if the input CV is 0V. The offset control is used to adjust the lowest frequency (i.e. the frequency for CV = 0V). The range switch is used to switch between 3 frequency ranges. The position of the switch defines the max. available frequency (detailed specifications will follow).
For other treatments of the phase comparator output (e.g. with an external voltage controlled filter or any other processing module) the output of the phase comparator is available. Same applies to the LPF output and input 1 of the phase comparator.

It has to be pointed out that the A-196 is a very experimental module and its functions cannot be described straight forward as for other modules. Rather the user should try out the possibilities by trial and error. Some patches and sound examples can be found at the end of this page.

Applications: frequency multiplication, special sound effects, generation of clock signals for graphic VCO (high speed VCO, e.g. for A-155 as graphic VCO), clocked audio delays or switched-capacitor filter

For more detailed information please look at the English user's manual A196_man.pdf

Technical note: the pin headers JP3 and JP4 are used to choose between DC coupling (jumper installed) and AC coupling (jumper removed) of signal input 1 (JP3, next to C2) and signal input 2 (JP4, below C4).

Operation notes / Inital settings

To reproduce the basic function of a PLL we recommend to start with these settings

• VCO Offset = 0
• VCO Range = mid
• Phase Comparator 3
• Low Pass Frequ. = 0
• In 2 = rectangle signal of a VCO with about 50% pulsewidth
• Output = rectangle Out socket

With these settings the frequency of the PLL output should follow the frequency of the input signal in a range of about 30Hz up to 1kHz. By changing the parameters one can become familiar with the PLL features, like the influence of the chosen phase comparator to the output signal, or the effect of changing input waveform, the low pass frequency or the VCO range and offset. If applicable the position of the range switch may have to be changed for other frequency ranges.

PLL principle

Klangbeispiele / Audio Examples