Transceptor NeoTeo: PLL – Divisor Programable

Una de las partes importantes dentro de un sistema de lazo enganchado en fase (o PLL) es el Divisor  Programable que se encargará, mediante un ajuste apropiado, de determinar la frecuencia de trabajo de un VCO que tenemos incorporado dentro del lazo cerrado. En esta oportunidad, veremos el clásico sistema de componentes discretos y pequeñas llaves Dip Switch, pero en el futuro, estos elementos serán reemplazados por un sistema organizado bajo un microcontrolador, con LCD indicador de frecuencia de trabajo y mucha electrónica digital, de la que muchos esperan. Lo que hoy llega es la manera de cerrar el lazo del PLL y aprender a colocar en frecuencia a nuestro VCO de ejemplo. Todavía falta lo mejor. ¡No te lo pierdas!

En un artículo anterior habíamos visto que trabajar con un 74XX163 era una tarea que, a pesar de ser simple (y lógica, por supuesto), no dejaba de tener sus pequeños secretos a tener en cuenta para alcanzar un trabajo efectivo y exitoso. Uno de ellos, era saber utilizar el terminal de acarreo del impulso que indicaba el final de cuenta, según el ajuste inicial que poseían los terminales de pre-ajuste del contador. Este resultado podía transmitirse a otro 74XX163, a otro y así formar una “cascada de divisores” que nos permitieran dividir una frecuencia elevada en una resultante de pocos Hertz. Por ejemplo, si tenemos una frecuencia de entrada de 10Mhz tendríamos que dividir por 20.000 para finalizar en una salida de 500Hz. Lo mismo si deseamos obtener en salida una frecuencia de 1Khz, la división sería por 10.000, es decir, con un solo circuito divisor (que puede dividir hasta 16) no sería suficiente y por ese motivo, debemos organizar “una serie” de divisores que nos permitan seleccionar el valor exacto de división, según dos parámetros básicos: La frecuencia que deseamos de trabajo del VCO y la frecuencia de referencia que proviene del oscilador que vimos en el artículo anterior.

En el ejemplo que vemos, hemos utilizado los elementos más comunes y sencillos de obtener en cualquier tienda y que nos garantizarán trabajar hasta 16Mhz en forma cómoda y gracias al oscilador que vamos a utilizar. Si recuerdas, a este oscilador lo vimos en el mismo artículo de referencia al 74XX163. Vale reiterar que es un oscilador que se basa en la velocidad de propagación de las señales dentro de las puertas HCMOS, las que varían según la tensión de alimentación. El resultado es muy notable: variando la alimentación al conjunto de compuertas realimentadas en forma positiva, la frecuencia se incrementará gracias a la propiedad de que a mayor tensión, los circuitos HCMOS son más veloces, alcanzando su máxima expresión a los 6Volts de alimentación. Pero nosotros no llegaremos a tanto; trabajaremos en valores más bajos, confiables y estables para poder aprender de manera sencilla, la posibilidad de una conexión en cascada de los 74XX163, que es muy fácil de razonar. Los terminales de habilitación (Enable) y reinicio (Reset) se conectan a una tensión que les permita trabajar libremente, el terminal de reloj (Clock) lo hace a la frecuencia de entrada para trabajar en modo “síncrono”, el final de cuenta se reingresa a los terminales de carga y cada “desborde” (acarreo, Carry Out) se traslada como cuenta al circuito siguiente. El resultado de la división se obtiene del mismo pin que indica a los terminales de carga (pin 9) que deben reiniciar la cuenta.

Como puedes ver en la parte superior, cada llave  correspondiente a un Dip Switch tendrá asignado un peso binario que determinará el número final de la división. Por topología del circuito (como está organizado) la frecuencia de entrada que provine desde U9A, e ingresa a cada circuito integrado por el pin 2 de cada 74XX163(CLK), tendrá una división establecida e inicial de 2. Esto es: imagínate que ingresas por J1 (a U9D) con 10Mhz y no colocas ninguna llave del divisor en posición activa (a GND), por el terminal 11 de U5, obtendrás una frecuencia de 5Mhz. Por lo tanto, cuando hagas las cuentas para ajustar el VCO, debes contemplar este número 2 sumándolo. Lo importante a destacar (y que debes tener en cuenta para ajustar el divisor en forma correcta) es que en la salida del mismo, debes obtener una frecuencia igual a la que decides utilizar en el Oscilador de Referencia.

Si desde allí extraes 1Khz, deberás hacer la división, partiendo de la frecuencia que deseas lograr en tu VCO y que a la salida de U9F obtengas 1Khz, igual que la señal de referencia. Por ejemplo: si deseas llegar a 7.095Khz (banda de 40 metros) debes hacer una división por 7095 (obvio, ¿verdad?) Sin embargo, si deseas avanzar con “pasos” de 500Hz, será 7095Khz/0,5Khz, lo que te arrojará un resultado de 14.190. Si a este número lo llevamos a las llaves nos quedaría (X = indefinido, 0 = GND, 1 = VCC) X0110111 | 01101010. Por supuesto, tu VCO deberá ser capaz de trabajar a la frecuencia que intentas obtener. Esto es: con un oscilador de 14Mhz nunca llegarás a alcanzar 88Mhz.
Una vez que hemos dispuesto al divisor para obtener un valor de frecuencia aproximado al necesario, éste debe resultar equivalente al obtenido desde el Oscilador de Referencia y así entonces, podremos ingresar al comparador de fase, podremos acceder al CMOS 4046. De este circuito integrado, utilizaremos una sección que se encargara de comparar la frecuencia y fase de las señales ingresadas por los pines 3 y 14 entregando en su salida (P2O, pin 13) pulsos, de tiempos variables en función del desfasaje que exista entre las señales que ingresan. Estos pulsos, una vez que atraviesan un filtro pasa-bajos, se transforman en una tensión (casi) continua (tensión de error) que se utiliza para polarizar al VCO haciendo que éste alcance la frecuencia deseada por el divisor programable. Esta parte es muy interesante de comprender.

Al iniciar su funcionamiento, el VCO como un oscilador libre, estará en una frecuencia próxima a la deseada, o quizás separado algunos Khz. (o hasta Mhz.) Si se encuentra muy alejada, el ancho de los pulsos que entregará el 4046 en su salida (P2O), polarizarán al VCO  (luego del pasa-bajos) para intentar llevarlo a “otra frecuencia” Si la diferencia empeora, el comparador comenzará a variar su salida (rango de captura)  intentando llevar al VCO a valores que devuelvan una mínima diferencia en la salida del 4046 (P2O). Para esto, se habrá llegado a un valor que no será igual a cero, que no será una cancelación de señales (antes del filtro pasa-bajos), sino que la señal quedará estabilizada, sin desplazamientos originados por el VCO. De este modo, el VCO se detendrá al alcanzar la frecuencia y la fase que el divisor le imponga en su división, que en la práctica y en la salida final, “equivale” a una tensión de continua. En el mundo real, sucede de este modo

A la derecha del gráfico anterior, donde se observa al 4046, encontramos dos partes importantes que se ubican en rectángulos de líneas punteadas. Uno es el indicador de “Enganche” (Lock) y el otro bloque es el (siempre misterioso) filtro pasa – bajos. El indicador de enganche es apreciable de analizar cuando el VCO se encuentra en los límites de la posibilidad de que el Oscilador alcance la frecuencia deseada. Esto es: si el VCO no llega “ni cerca” al valor que pretendemos, el indicador se apagará en forma directa o puede quedar encendido en forma tenue. Cuando está en un límite que intenta llegar a un punto de enganche y no lo logra, se observa una intermitencia suave que pasa de un encendido a un apagado progresivo. Cuando el sistema logra enganchar en frecuencia y fase de manera óptima (coinciden los tiempos de los semiperíodos de las señales a comparar) y sin inconvenientes, el LED se ilumina a pleno. Esta salida del 4046 es en realidad una señal cuadrada (impuso escalón), que varía su frecuencia en función del enganche del 4046. Una vez alcanzado el objetivo de obtener que en las entradas del comparador la frecuencia y la fase de éstas señales “coinciden” en el eje del tiempo, el resultado en el pin de salida se detiene (ideal para verlo y cuantificar el porcentaje en un LCD gráfico, ¿verdad?).

Por el lado de la salida del comparador de fase, los impulsos pueden variar en frecuencia y en ciclo de trabajo, dependiendo de la cercanía o lejanía de la frecuencia resultante del divisor respecto a la de referencia. Este fundamento sirve para hacerte notar algo muy importante: si utilizas una frecuencia de referencia de 5Khz, no podrás utilizar el mismo filtro pasa – bajos que para una referencia de 500Hz ya que estamos hablando de eso: de un filtro que tendrá una optimización en función de la frecuencia de trabajo. En nuestro caso, que intentamos hacerlo, notamos la dificultad del divisor y del VCO en alcanzar los valores estables de oscilación. El otro dato clave que debes saber sobre este filtro es la corriente que deberá entregar al circuito de polarización del VCO. No será lo mismo alimentar un circuito integrado que requiere unos 5 a 10mA (como hacemos nosotros en este ejemplo) a polarizar un diodo Varicap, donde con pocos uA ya es suficiente. Si comparas el filtro utilizado por nosotros, verás valores de resistencias “series” muy bajas respecto a otros circuitos que polarizan diodos varicap, esto es debido a que lo necesitamos de este modo para poder energizar el 74HC00 encargado de oscilar, lo que redundará en algunos mA.

Por último, vale agregar que al trabajar con bajas frecuencias, los circuitos 7HC y 74LS son buenas alternativas y de bajo consumo energético. Una opción de alta frecuencia (125Mhz) es la serie 74S, pero cada IC consume 100mA, por lo que el consumo total del circuito se eleva a más de medio Amper (o Amperio), haciendo necesario el uso de disipadores de calor en la alimentación general. Otra opción son los pertenecientes a la serie 74LVC, que alcanzan frecuencias mayores a 250Mhz (ideal para VHF). Por ahora, para ensayos con trabajos de hasta 15Mhz y para comprender la teoría, los circuitos mencionados funcionan sin problemas. Con ellos podrás trabajar en 80, 40, 30 y 20 Metros en receptores de conversión directa o de Doble Conversión para frecuencias más bajas. ¿Cómo son los receptores de conversión directa? Pues, como veremos en esta serie de artículos dedicados a la radio y para desembocar en el ansiado Transceptor NeoTeo. Como este, veremos otros modelos de receptores y transmisores buscando acercarte al apasionante mundo de la radio. Y como te mencionamos al principio, todavía falta utilizar “en este desarrollo” (no en otro) microcontroladores, bus I2C, display alfanumérico, y mucha electrónica digital aplicada a la radio de hoy.