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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.
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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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