VCO y Divisor para PLL

por Mario 10 septiembre, 2012, 3:06 pm 16 Comments

Hace tiempo atrás, cuando trabajamos con un Motor Brushless y controlamos su velocidad mediante un circuito de Lazo Enganchado en Fase (PLL), vimos que podíamos controlar, mediante el uso de sencillos circuitos lógicos, un régimen de funcionamiento con extremada estabilidad. Utilizando la misma base teórica, hoy comenzaremos a ver el uso del contador/divisor binario síncrono TTL 74163 que nos permitirá ajustar la frecuencia de trabajo de osciladores libres para su uso en radio, TV o cualquier aplicación donde un PLL sea fundamental y donde la frecuencia a comparar dentro de un 4046, provenga de un circuito que trabaje a una frecuencia muy diferente a la de referencia que, como es habitual en estos casos, está controlada por un cristal de cuarzo. Llega el montaje del año; es momento de comenzar.

Un oscilador de cualquier tipo, que pueda variar en frecuencia, abarcando un rango específico y determinado de frecuencias, se conoce como “Oscilador Libre”. Este es el caso de un simple circuito tanque L – C o de cualquier otro oscilador donde la variación de frecuencia sea necesaria y posible. Un ejemplo clásico, dentro del mundo analógico, se encuentra en el mando de sintonía de cualquier receptor de radio o de TV, donde la frecuencia de un oscilador local debe variar para tener acceso a seleccionar la emisora a escuchar o ver. Existen casos donde la estabilidad en frecuencia del mencionado oscilador, no es un factor crítico, pero en muchos otros es necesaria y fundamental, por ejemplo para transmisores de radio, de TV o en aquellas aplicaciones donde la frecuencia fundamental de trabajo debe cumplir con una estabilidad determinada por normativas. En ese caso, cualquier desplazamiento (por mínimo que sea) provocará un funcionamiento deficiente o para el que habrá que hacer continuos ajustes manuales. Para resolver estos inconvenientes, el Lazo Enganchado en Fase (PLL), como ya sabemos, es la solución más utilizada desde hace décadas.

Los circuitos integrados fabricados para trabajar específicamente como PLL para frecuencias útiles en bandas altas de radio, suelen ser caros y difíciles de encontrar en el mercado. Sin embargo, la lógica discreta hoy nos permite construir nuestro PLL en función de nuestra necesidad. Hasta hace pocos años, las limitaciones en la frecuencia de trabajo de los circuitos TTL o CMOS tradicionales, hacían que no fuera sencillo lograr la construcción de sistemas PLL sin la ayuda de complejos divisores de frecuencias (prescalers) también, caros y/o difíciles de encontrar y comprar. Hoy, existe en el mercado y a muy bajo costo la tecnología LVC y ALVC que nos permite trabajar con circuitos Bi-CMOS en frecuencias de hasta 200Mhz sin mayores inconvenientes cuando antes, apenas podíamos superar los 40Mhz y en el mejor de los casos llegábamos a 100Mhz (74Sxx). En consecuencia, hoy es muy sencillo construir un receptor o un transmisor, por ejemplo para Frecuencia Modulada (88Mhz – 108Mhz) o para cualquier frecuencia, en la mayor parte de la banda de VHF con la eterna tecnología TTL – CMOS, que evoluciona en forma constante alcanzando rendimientos sorprendentes. Tal como te adelantamos al principio, el artífice de esta posibilidad será el 74LVC163 y para los ensayos iniciales, preparamos este circuito.

Este contador/divisor, por ser síncrono, posee la característica de que el pulso de reloj que ingresa por el pin 2 no transita activando un flip-flop tras otro, dentro del circuito integrado. Todos estos elementos reciben el mismo impulso en forma simultánea evitando de este modo, los retardos por propagación de los “cambios de estado” de cada báscula y sus circuitos internos (o flip-flop). A diferencia de los contadores asíncronos, con estos se puede lograr un divisor más veloz y en consecuencia, se podrá trabajar con frecuencias más elevadas y mayor precisión en la división. Además, por tratarse de un dispositivo programable, los interruptores en los pines 3 a 6 nos ofrecerán un valor de división que puede ser fácilmente cambiado a voluntad y conveniencia dentro del valor de módulo 16. Por último, el pin de acarreo (15), al terminar la cuenta programada, se encarga de reiniciar el sistema a la vez que es usado para sumarse a otros circuitos integrados para aumentar el módulo de división o bien, para la salida final, como utilizaremos nosotros en nuestro sencillo ejemplo de hoy.

Vale aclarar que si no activamos ninguna división, la salida será nula. Al menos una de las entradas (D0-D3) debe estar activada para poner el circuito a trabajar. Además, el “+1” que puedes ver en las imágenes superiores, se suma a los bits de DSW1 y a un ejemplo muy claro, lo tienes en la imagen capturada durante la simulación, que además de agregarle los frecuencímetros para comprobar los valores de frecuencia resultantes, según la posición de los conmutadores de entrada de división, le agregamos un osciloscopio para graficar el modo en que un pulso sale desde el pin de “Acarreo” (Carry Out o Terminal Count) luego de la división de la frecuencia de entrada por 10. Una vez que tenemos un divisor de frecuencias “programable” y con posibilidades de expansión en cascada, podemos pasar a hablar de un oscilador sencillo para ensayar en la práctica, toda esta teoría. En consecuencia, vamos a ver un oscilador muy simple y muy eficiente que ya fuera publicado con anterioridad y que se construye alrededor de un pequeño conjunto de puertas lógicas aprovechando sus “defectos” que se transforman en virtud para la formación de un oscilador controlado por tensión (VCO) muy versátil y sencillo.

La tecnología HCMOS permite a los circuitos integrados trabajar cómodamente con valores de tensión comprendidos entre 2 y 6Volts. La particularidad de estos componentes es que su velocidad es mucho mayor a 6Volts que a 2Volts. De este modo, al generar una realimentación positiva en el circuito mostrado arriba, observamos que los estados lógicos a la salida de cada puerta sufren un retardo de tiempo al pasar de un elemento a otro. Este fenómeno, genera una oscilación que alcanza su valor máximo a los 6Volts y el mínimo en valores cercanos a 1Volt, en función de las observaciones prácticas que pudimos realizar. De todos modos, nosotros trabajaremos hasta 5Volts para no correr riesgos, en la alimentación del circuito integrado, además de aprovechar esta tensión para alcanzar niveles compatibles para las etapas posteriores del desarrollo (TTL). Para esta función, N4 se encargará de llevar a un nivel de 5Volts, pico a pico, la oscilación que tendrá valores cambiantes de amplitud en función de la tensión de alimentación al circuito integrado que forma el oscilador (74HC00). La tensión “Vosc” estará controlada por un resistor variable o potenciómetro durante este ejemplo y los resultados que nos ofreció el VCO de ensayo fueron los siguientes:

Con valores comprendidos entre 1Mhz (@ 1Volt) y 26Mhz (@ 5Volt), se pueden hacer muchas aplicaciones útiles, en diferentes frecuencias y bandas, para aprender a diseñar los deseados divisores de frecuencia, basados en el 74163. Por supuesto, para trabajar con frecuencias bajas, bastará con un 74S163 o un 74LS163 ya que, como mencionamos y vimos, la frecuencia máxima de trabajo del VCO, apenas supera los 26Mhz. Uniendo los circuitos mostrados, podemos dar lugar a una parte importante del sistema de Lazo Enganchado en Fase. Luego nos faltará el oscilador de referencia que servirá de “patrón” para los intervalos de frecuencia que tendrá el sistema oscilador y además, será el encargado de brindar la estabilidad en frecuencia al oscilador libre creado alrededor del 74HC00. Por último cerraremos el inicio de este gran trabajo con la incorporación del detector de fase y frecuencia, junto al filtro “pasa-bajos”, elemento de diseño fundamental para brindarle al sistema velocidad y precisión en alcanzar la frecuencia de trabajo designada por los interruptores en las entradas del divisor de frecuencias. Por ahora ya tenemos el oscilador capaz de variar con la tensión de referencia (VCO) y el diseño inicial con un 74S163 para realizar algunas divisiones de demostración. Observa en el siguiente video la forma en que este tipo de dispositivo divide la frecuencia de entrada en función del ajuste o activación (“set”) de las llaves conectadas en las entradas D0-D3.

El paso siguiente entonces, como mencionamos antes, será incorporar el popular y eficaz 4046 (y sus circuitos accesorios) hasta formar el PLL completo. Luego de esto, estaremos en condiciones de pasar a ampliar el divisor programable, mejorarlo y adaptarlo a un uso sencillo, práctico y efectivo. Trabajaremos con “encoders”, microcontroladores, ensayaremos otros modelos de osciladores libres (mayor frecuencia) y de divisores programables (74LVC163). El objetivo final, como ya hemos estado soñando durante estos años, será poder disponer de un equipo de radio completo para poder comunicar, por esa vía, a toda la comunidad de seguidores de NeoTeo. Los que quieran podrán seguir haciéndolo por Skype u otro tipo de “videochat”, pero nosotros avanzaremos hacia una radio que nos pueda comunicar entre los que logremos construir este equipo y con el rincón más insólito del mundo. Como es lógico suponer, eso no se logra con 3 o 4 circuitos integrados sencillos y un par de artículos. Hay mucho camino por recorrer, tenemos mucho para experimentar y aprender aún, pero lo importante es haber dado el primer gran paso. Trabajar con osciladores, divisores y lazos enganchados de fase. Luego de esto, podremos avanzar a otras etapas con la seguridad de que nuestro equipo de radio (o de TV ¿porqué no?) estará siempre en la frecuencia deseada; sin derivas, ni cambios.

Por supuesto, generar una frecuencia exacta, no sólo es útil para construir un equipo de radio. Tú puedes adaptar estos conceptos a otras aplicaciones. Para muchos, éste puede ser el descubrimiento de un nuevo mundo, para otros, sólo será un cúmulo de circuitos sencillos, útiles y compilados en una única aplicación. Para lo que los quieras usar, aquí comienza una serie que se inscribirá en la historia grande de NeoTeo.

Simulación del divisor 74S163Descargar archivo

Divisor hasta 200Mhz74LVC163

Reportar

oscilador pll vco