VCO y Divisor para PLL

VCO y Divisor para PLL

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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.

VCO y Divisor para PLL

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.

VCO y Divisor para PLL

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.

VCO y Divisor para PLL

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 “programabley 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.

VCO y Divisor para PLL

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. Súmate y ofrécenos tu opinión en el Foro de Electrónica de NeoTeo, donde cada aporte o idea es bienvenida. ¡Te esperamos!


Avatar de Mario
Autor: Mario
  • Anónimo

    Ya decía Yo que algo tramaba el Maestro!!! Excelente Artículo, será una experiencia extraordinaria poder comunicarse con toda la Familia de NeoTeo a través de una radio construida con nuestras propias manos. Gracias Mario.
    Saludos.

  • ades

    yo pense que le habia pasado algo, Como siempre sus articulos de exelente calidad,

    • ls2k

      #2 Ades de foros de electronica?

      • ades

        #3 si

  • Anónimo

    Bravo Mario. Como te hiciste esperar!. Volvimos a la acción

  • Guala

    ¿Qué simulador es el que aparece en las imágenes?

    Salu2! gente de Neoteo. ;)

    • ades

      #5 Se Llama Proteus muy facil de utilizar
      tanto para simular microcontroladores, ya sea para microchip o Atmel,
      tambien sirve para diseñar tus pcbs,

  • Anónimo

    Excelente, muchísimas gracias :D

  • Anónimo

    Hola. Mario. Estoy realizando mi propeller clock y e seguido tus post paso a paso sin perder nada aunque solo llevo unas pocas semanas en el blog. Bueno el punto es el siguiente: el prototipo esta muy adelante ya esta trabajando y estoy realizando el programa para el micro en lenguaje c, el sistema que utilice para la alimentacion de cto es el metodo de las ecobillas y a funcionado con gran eficiencia, el unico inconveniente es el acople que diseñe para acondicionarle el motor ya que tiene que ser con una precision milimetrica y no poseo las herramientas. La cuestion es que quiero acondicionarle el motor brushless. Por fin concegui uno tras mucho buscar estoy en el proceso de verificar los pines. Al desarmar del motor me encuentro que tiene mas de dos bobinas mal contadas le veo 6 o 7 entonces no sabria cual usar lo otro seria una asesoria en el diseño del pll para su funcionamiento. Espero que me puedas ayudar muchas gracias de antemano

  • sebas

    Idolo.
    Llevaba tiempo esperando que llegaras al PLL y la misitica de la RF.

    GRACIAS.

  • Anónimo

    Hola. Saludos a todos, escritores y lectores.

    Hace unos meses que vengo visitando neoteo, lo descubri por casualidad, por referencia de alguien que parece que también os lee,
    y desde mi primera visita vi que este es un foro "a tener vigilado", realmente engancha.
    Desde entonces voy como loco leyendo y descargándo páginas publicadas, no solo de la sección electrónica, si no también de la de noticias generales.
    Ufff!, aqui hay trabajo para años!. :-)

    Referido a esta sección, a mi me gusta leer las revistas de la época dorada de la electrónica, (Radiorama, radioplans, elektor, circuito impreso …).
    Pero lo malo de las épocas doradas es que se terminan, y aunque a dia de hoy aún subsiste alguna de ellas sus artículos ya no tienen
    nada que ver con aquella electrónica práctica del "hágaselo usted mismo", son como kits específicos que dependen de unos
    componentes especializados y una programación a medida para el artículo tratado.
    Quiero decir que un montaje de radiorama o elektor de hace 30 años, lo puedes seguir montando hoy. Un montaje de los publicados en una revista de este año,
    ¿ quien sabe si dentro de 30 años existirá aún el integrado. O la editorial que te proporcionaba el sofware y las piezas especiales ?.
    Son montajes muy espectaculares, no diré que no puedan ser útiles, pero se apartan del concepto de la electrónica fácil y práctica
    que les dió auge. Eran como la "mecánica popular" de la electrónica. :-)

    Yo pensé que esto se había perdido ya para siempre, pero mira por donde que me encuentro que no se perdió, solo retrocedió y se refugió,
    Y parece que acabo de descubrir donde se esconde. :-). Está aqui, custodiada y atendida por un tal Mario Sacco.

    GRACIAS, MIL GRACIAS MARIO ( ¿puedo llamarle Mario yo también? ) POR TRAERNOS EL ESPIRITU DE LA EPOCA DORADA DE LOS AFICIONADOS A LA ELECTRÓNICA.

    ——————————————————-

    Y una vez hecha la presentación y agradecimientos, (perdón por la extensión), paso a una consulta/propuesta.

    Para abrir boca he decidido empezar por probar esa idea del vco con un 74HC00. Realmente funciona!, que cosas.
    Yo había probado alguna vez de hacer algo parecido modificando osciladores normales. pero los resultados no fueron demasiado brillantes.

    El único punto debil que le veo a este montaje, es que al ir bajando la tensión del 7400 también decrece la amplitud de la onda, que se reduce
    hasta solo algunas décimas de voltio. Es cierto que para compensar esto es por lo que se pone el 74HC04 como bufer de salida,
    pero si miro con los instrumentos, veo que el vco sigue oscilando hasta mucho después de que la señal a la salida del 7404 haya desaparecido.
    En concreto yo he medido desde periodos de 50-60 miliseg hasta algunos de tan pequeños que ya no llego ni a verlo. (Excelente gama dinámica).
    Pero la salida por el 7404 es muchisimo mas pobre. Ello se debe a que exceptuando la porción óptima de la oscilación, el resto tiene
    tan poca amplitud que no llega a superar el umbral de conmutación de niveles lógicos del ttl, ( 1 v. o voltio y pico ).

    Y se ocurre a mi: ¿por que en vez de una puerta ttl no usamos un operacional comparador de tensión?, como los que se usan en algunas fuentes conmutadas.
    De esta manera la salida puede cambiar de estado ante variaciones de décimas de voltio, o incluso menos, aprovechando entonces
    toda la gama de frecuencias de oscilación del integrado, en verdad impresionante.

    Solo queda algún detalle que resolver, y aqui es donde pido tu consejo.
    Hemos de adoptar un comparador de tensión que conmute entre dos niveles de tensión que identificaremos como ‘H’ y ‘L’
    de una manera estable dentro de una gama de frecuencias que va desde pocas decenas de hercios a … digamos 30 Mhz.

    ¿ Que integrado podríamos usar para ello?. ¿ Podrías ilustrarnos un ejemplo de esta función con el?.
    O si no, ¿ Hay algún montaje de los que has publicado del que podamos "recortar y pegar" la etapa de salida ya que cumple con esto ?.

    Bueno, ya vale de daros la paliza ¿no?. Termino.

    Muchas, muchas gracias por tu trabajo y tus ideas. Poco a poco ire probándolas.

  • Diletante

    Vale, no se si es por la fecha del tema, por haberme presentado y saludado antes o porque,
    pero veo que no ha habido eco.

    Asi pues permititme "repostear" la segunda parte, que es la que interesa al tema.

    ____________________________

    Y una vez hecha la presentación y agradecimientos, (perdón por la extensión), paso a una consulta/propuesta.

    Para abrir boca he decidido empezar por probar esa idea del vco con un 74HC00. Realmente funciona!, que cosas.
    Yo había probado alguna vez de hacer algo parecido modificando osciladores normales. pero los resultados no fueron demasiado brillantes.

    El único punto debil que le veo a este montaje, es que al ir bajando la tensión del 7400 también decrece la amplitud de la onda, que se reduce
    hasta solo algunas décimas de voltio. Es cierto que para compensar esto es por lo que se pone el 74HC04 como bufer de salida,
    pero si miro con los instrumentos, veo que el vco sigue oscilando hasta mucho después de que la señal a la salida del 7404 haya desaparecido.
    En concreto yo he medido desde periodos de 50-60 miliseg hasta algunos de tan pequeños que ya no llego ni a verlo. (Excelente gama dinámica).
    Pero la salida por el 7404 es muchisimo mas pobre. Ello se debe a que exceptuando la porción óptima de la oscilación, el resto tiene
    tan poca amplitud que no llega a superar el umbral de conmutación de niveles lógicos del ttl, ( 1 v. o voltio y pico ).

    Y se ocurre a mi: ¿por que en vez de una puerta ttl no usamos un operacional comparador de tensión?, como los que se usan en algunas fuentes conmutadas.
    De esta manera la salida puede cambiar de estado ante variaciones de décimas de voltio, o incluso menos, aprovechando entonces
    toda la gama de frecuencias de oscilación del integrado, en verdad impresionante.

    Solo queda algún detalle que resolver, y aqui es donde pido tu consejo.
    Hemos de adoptar un comparador de tensión que conmute entre dos niveles de tensión que identificaremos como ‘H’ y ‘L’
    de una manera estable dentro de una gama de frecuencias que va desde pocas decenas de hercios a … digamos 30 Mhz.

    ¿ Que integrado podríamos usar para ello?. ¿ Podrías ilustrarnos un ejemplo de esta función con el?.
    O si no, ¿ Hay algún montaje de los que has publicado del que podamos "recortar y pegar" la etapa de salida ya que cumple con esto ?.

    Bueno, ya vale de daros la paliza ¿no?. Termino.

    Muchas, muchas gracias por tu trabajo y tus ideas. Poco a poco ire probándolas.

    Feliz navidad a todos.

  • Diletante

    Vale, no se si es por la fecha del tema, por haberme presentado y saludado antes o porque,
    pero veo que no ha habido eco.

    Asi pues permititme "repostear" la segunda parte, que es la que interesa al tema.

    ____________________________

    Y una vez hecha la presentación y agradecimientos, (perdón por la extensión), paso a una consulta/propuesta.

    Para abrir boca he decidido empezar por probar esa idea del vco con un 74HC00. Realmente funciona!, que cosas.
    Yo había probado alguna vez de hacer algo parecido modificando osciladores normales. pero los resultados no fueron demasiado brillantes.

    El único punto debil que le veo a este montaje, es que al ir bajando la tensión del 7400 también decrece la amplitud de la onda, que se reduce
    hasta solo algunas décimas de voltio. Es cierto que para compensar esto es por lo que se pone el 74HC04 como bufer de salida,
    pero si miro con los instrumentos, veo que el vco sigue oscilando hasta mucho después de que la señal a la salida del 7404 haya desaparecido.
    En concreto yo he medido desde periodos de 50-60 miliseg hasta algunos de tan pequeños que ya no llego ni a verlo. (Excelente gama dinámica).
    Pero la salida por el 7404 es muchisimo mas pobre. Ello se debe a que exceptuando la porción óptima de la oscilación, el resto tiene
    tan poca amplitud que no llega a superar el umbral de conmutación de niveles lógicos del ttl, ( 1 v. o voltio y pico ).

    Y se ocurre a mi: ¿por que en vez de una puerta ttl no usamos un operacional comparador de tensión?, como los que se usan en algunas fuentes conmutadas.
    De esta manera la salida puede cambiar de estado ante variaciones de décimas de voltio, o incluso menos, aprovechando entonces
    toda la gama de frecuencias de oscilación del integrado, en verdad impresionante.

    Solo queda algún detalle que resolver, y aqui es donde pido tu consejo.
    Hemos de adoptar un comparador de tensión que conmute entre dos niveles de tensión que identificaremos como ‘H’ y ‘L’
    de una manera estable dentro de una gama de frecuencias que va desde pocas decenas de hercios a … digamos 30 Mhz.

    ¿ Que integrado podríamos usar para ello?. ¿ Podrías ilustrarnos un ejemplo de esta función con el?.
    O si no, ¿ Hay algún montaje de los que has publicado del que podamos "recortar y pegar" la etapa de salida ya que cumple con esto ?.

    Bueno, ya vale de daros la paliza ¿no?. Termino.

    Muchas, muchas gracias por tu trabajo y tus ideas. Poco a poco ire probándolas.

    Feliz navidad a todos.

  • DiegoMas

    Excelentes aportes, como siempre…. anoche me dediqué a mirar casi todos los videos durante toda la madrugada y en verdad que no me cansé de verlos, me sorprende la sencillez y la efectividad de los circuitos presentados y además la orientación que don Mario realiza hacia el visitante para guiarlo en la construcción y en la explicación de cómo funciona cada parte del mismo.

    Excelentes tutoriales, y espero pronto comenzar a construir algo que se presente por aca, y obviamente estoy a la espera de más material para complementar aun más los conocimientos que, en estas épocas son de valor incalculable.

    Saludos a todos!!