Prctica 4

PLL

1. Objetivo

Estudio de una red PLL y del integrado NE564, con el cual se realizarn diversas

aplicaciones (modulacin y demodulacin de seales de FM y extraccin de una

portadora de AM).

2. Introduccin

2.1. Funcionamiento

Los PLLs (phase-lock loop) son circuitos empleados para seguir o detectar la fre-

cuencia y la fase de la portadora de una seal de entrada.

La gura 1 muestra los componentes bsicos de un PLL: un detector de fase (que

compara las fases de dos seales), un ltro paso baja y un oscilador controlado por

tensin (VCO). Cuando la tensin aplicada a la entrada del VCO es nula (V

d

= 0 V),

ste genera una seal peridica de frecuencia f

f

.

La salida del detector de fase es proporcional a la diferencia entre las fases de

ambas seales (

s

t+

s

0

t

0

) y controla la frecuencia de oscilacin del VCO.

Esta realimentacin tiende a igualar las frecuencias de las dos seales (f

s

= f

o

) y a

establecer una diferencia de fase constante entre ambas (

d

=

s

0

). Cuando se

verican estas condiciones, se dice que el bucle est enganchado.

El VCO slo es capaz de sincronizarse con la seal de entrada siempre que la

frecuencia de sta sea prxima a la frecuencia de oscilacin libre del VCO. Se de-

nomina rango de captura al intervalo de frecuencias para las cuales el PLL (estando

previamente desenganchado) puede engancharse. No obstante, estando enganchado

el PLL puede variarse la frecuencia de la seal de entrada en un rango ms amplio

(si se hace lo sucientemente despacio) sin que se desenganche el bucle. Al intervalo

de frecuencias para el cual sucede esto se le denomina rango de bloqueo.

Figura 1: Diagrama de bloques con los componentes bsicos de un PLL.

1

2.2. Aplicaciones

El PLL tiene diversas aplicaciones, como veremos en esta prctica.

1. Extraccin de la portadora de una seal AM. Puesto que la salida del VCO

es una seal de frecuencia igual a la de entrada, puede usarse para extraer la

portadora de una seal AM introducida por la entrada. Esta portadora puede

posteriormente usarse para demodular la seal de AM multiplicando ambas

seales.

2. Demodulacin de seales FM. La tensin que controla la frecuencia de oscilacin

del VCO (V

d

) es tanto mayor cuanto mayor sea la frecuencia de la seal de

entrada (para obligar al VCO a aumentar su frecuencia de oscilacin). Por tanto,

si en la entrada introducimos una seal FM, la tensin V

d

estar determinada

por su frecuencia instantnea y por tanto la tensin V

d

ser proporcional a la

seal modulante de la entrada. De esta forma, a la salida del comparador de

fase tenemos la seal FM demodulada.

3. Modulacin FM. Si no cerramos el bucle, podemos usar el VCO para modular

seales en FM, puesto que la frecuencia de oscilacin del VCO es proporcional

a la tensin V

d

. Por tanto, basta que V

d

se haga igual (o proporcional) a la seal

que se pretende modular y a la salida la tendremos modulada en FM.

3. Descripcin del integrado NE564

El circuito integrado NE564 contiene todos los bloques necesarios para formar una

red PLL (comparador de fases, VCO y ltro paso baja). El hecho de que estos subcir-

cuitos no estn conectados internamente permite un amplio rango de conguraciones

y aplicaciones, como veremos en el siguiente apartado.

En la gura 2 se muestra el diagrama de bloques de este circuito y la funcin

de cada patilla. El circuito se alimenta a travs de las patillas 1, 8 y 10, mientras

que las patillas 6 y 7 se emplean para introducir la seal de entrada, que ataca al

comparador de fases. La otra entrada del comparador se introduce a travs de la

patilla 3, que normalmente se conecta externamente a la salida del VCO (patilla 9),

para cerrar de esta forma el bucle que constituye la red PLL. A travs de las patillas

4 y 5 se congura externamente el ltro paso baja que est incluido en el bloque del

comparador de fases. La salida del comparador de fases est conectada a la entrada del

VCO, modicndose de esta forma la frecuencia de oscilacin de ste. La frecuencia

de oscilacin libre (a la cual oscila el VCO en ausencia de seal de entrada) se ja a

travs de una capacidad situada entre las patillas 12 y 13. La salida del VCO (a travs

de la patilla 9) es un colector abierto, por lo que habr que emplear una resistencia y

una fuente de tensin externa para congurar adecuadamente los niveles de tensin

de la seal cuadrada que se obtiene en esta salida.

Finalmente, en la patilla 14 tenemos accesible la salida del comparador de fases.

Si cerramos el bucle de realimentacin (unimos la salida del VCO en la patilla 9

con la entrada del comparador de fases), se obtiene una red PLL que puede usarse

para:

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Figura 2: Diagrama de bloques y patillaje del integrado NE564.

Extraer la portadora de una seal AM (introducida por la patilla 6), ya que la

salida del VCO (patilla 9) es una seal cuadrada de frecuencia igual a la de la

seal de entrada.

Demodular una seal de FM (introducida por la patilla 6), puesto que la salida

del comparador de fases (patilla 14) es proporcional a la frecuencia de la seal

de entrada.

Si el bucle se deja abierto, podemos usar el VCO para generar una seal de FM

puesto que la frecuencia de la seal generada por ste (patilla 9) depende de la

amplitud de la seal de entrada (patilla 6).

4. Laboratorio

En esta prctica emplearemos el integrado NE564 para realizar diversas funciones.

En primer lugar, comprobaremos el funcionamiento del VCO y seguidamente aadi-

remos los elementos necesarios para congurar la red PLL. Con sta haremos las

siguientes tareas:

Determinar los rangos de captura y bloqueo.

Demodular una seal FM.

Extraer la portadora de una seal AM.

Por ltimo, se congurar el circuito para funcionar como un modulador de FM.

4.1. Oscilador

En primer lugar, se congura el circuito como oscilador. Para ello se deja el lazo

de realimentacin del PLL abierto y se obtiene la salida directamente del VCO. Como

se indica en la gura 3, los nicos elementos externos que se requieren son, adems

de la alimentacin a travs de las patillas 1, 8 y 10, el condensador C

f

que determina

la frecuencia de oscilacin libre y la resistencia R

c

para unir el colector abierto del

transistor de salida con la alimentacin.

Elegir el valor de C

f

de forma que la seal de salida (patilla 9) tenga una frecuencia

igual a 200 KHz (ver gura 3b o expresin (2) de las hojas caractersticas).

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Figura 3: El integrado NE564 congurado como oscilador.

4.2. Conguracin y caracterizacin del PLL

Determinada la frecuencia libre de oscilacin del VCO en el apartado anterior, a

continuacin congurar el circuito como una red PLL (ver gura 4). Para ello deben

aadirse las conexiones y los componentes externos necesarios para cerrar el bucle (se

unen las patillas 3 y 9), congurar el ltro paso baja del PLL (condensadores C

1

y

C

2

conectados a las patillas 4 y 5) e introducir la seal de entrada (condensador de

desacoplo C

d

y el ltro de polarizacin formado por C

3

y R).

Los siguientes valores de los componentes resultan adecuados (son slo orienta-

tivos):

C

1

= C

2

= C

3

= 22 nF.

R = 1 K.

Determinar los rangos de captura y de bloqueo del PLL. Para ello, introducir una

seal senoidal por la entrada y visualizarla simultneamente en el osciloscopio junto

con la seal de salida. Variar la amplitud de la seal de entrada y repetir las medidas.

4.3. Demodulador de FM

Emplear el circuito anterior (gura 4) para demodular una seal de FM con por-

tadora dentro del rango de captura y modulante senoidal de baja frecuencia. La seal

demodulada se obtiene en la patilla 14. Observar el comportamiento obtenido al variar

la amplitud y la frecuencia de la seal modulante.

Se aconseja usar como disparo del osciloscopio la seal de sincronizacin del ge-

nerador de seales.

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Figura 4: Conguracin del integrado NE564 como PLL.

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Figura 5: NE564 congurado para modular seales en FM.

4.4. Deteccin de portadora de seales AM

Usar el mismo circuito que en los dos apartados anteriores, pero introducir una

seal AM con portadora de frecuencia dentro del rango de captura. En la salida de

la patilla 9 debe obtenerse una seal de frecuencia igual a la de la portadora.

Se aconseja accionar el trigger del osciloscopio mediante la seal de salida o a

travs de la salida de sincronizacin del generador.

La portadora extrada podra emplearse para demodular la propia entrada de

AM multiplicando ambas seales. Qu ventajas tiene este mtodo respecto del que

multiplica la seal de AM con la procedente de un oscilador local, como se hizo en la

prctica 3?

4.5. Modulacin FM

Finalmente, emplearemos el circuito integrado para modular una seal de entrada

en FM. Para ello, se hace uso del VCO, por lo que se debe eliminar la realimentacin

y las capacidades del ltro paso baja (ver gura 5). Los siguientes valores resultan

adecuados para el correcto funcionamiento del circuito: R

1

= R

2

= 10 K. Puede

resultar conveniente usar un divisor de tensin para atenuar la seal de entrada, que

debe ser una senoidal de frecuencia baja (pocos Hz) o de varios KHz para una buena

visualizacin de la seal obtenida en la salida del VCO (patilla 9).

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