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Esquema
teórico
El PLL está formado por el TSA5511 rodeado de unos pocos componentes. El circuito es básicamente el que figura en la documentación de Philips, pero yo uso un Cristal de Referencia de 6,4 Mhz (cristal estándar) para que la resolución de frecuencia (pasos del PLL o espaciado entre canales) sea de 100 Khz en lugar de los 62,5 Khz que resultan cuando se usa un cristal de 4 Mhz. La resolución (Step) de 100 Khz es adecuada para ATV y también para otros usos, por ejemplo FM de Banda Ancha (Radiodifusión , 88 a 108 Mhz). Son posibles otras resoluciones (Step), por ejemplo: 50 Khz usando un cristal de 3,2 Mhz ; 25 Khz usando un cristal de 1,6 Mhz. |
| El circuito se alimenta a 5 V , aunque hay una alimentación
separada ( +V. Varicap ) en la que podemos aplicar desde 5V. hasta 30V.
según el rango de voltajes que requieran los varicap del VCO usado. El TSA5511 se programa mediante el Bus I2C. Esta es la función del MicroControlador PIC. Mi diseño original usaba el PIC 16F84 , como otros diseños de la época. Posteriormente comencé a usar el PIC 16F628, que tiene 2K de memoria y por tanto admite programas algo más complejos. Ambos son compatibles a nivel de pines. El esquema y la plaquita de circuito impreso tienen conexiones (islas) disponibles para conectar el PIC con varios pulsadores o interruptores y también un Display LCD alfanumérico estándar. Su funcionamiento depende del programa que grabemos en el PIC. En las aplicaciones más sencillas, en las que sólo necesitamos que el PLL genere una o dos frecuencias, no usamos display y sólo necesitamos un interruptor para seleccionar una u otra frecuencia. En aplicaciones más complejas, se pueden usan varios pulsadores y un display. El PIC no necesita cristal, sino que usa su "Oscilador RC" que consigue una frecuencia de reloj de aproximadamente 4 Mhz mediantte R6 (5K6) y C9 (22pF). El tipo de oscilador se selecciona en el Programador el PIC. El circuito especial de Reset usado aquí está formado por Q2, DZ1, R12, R13, R14. Es un sencillo circuito Watchdog que asegura que el PIC reinicie y por tanto reprograme al TSA5511 siempre que el voltaje de alimentación descienda por debajo de unos 4 V. (y vuelva a subir a 5 V.) Aqui tienes la Hoja
de Características del TSA5511 (archivo PDF) |
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Componentes críticos del PLL
Los componentes C1 , R3 y C2 son los que determinan el comportamiento del PLL en cuanto a rapidez de enganche en fase y estabilidad. También influyen en menor grado los componentes R5 y C3 , que forman un filtro pasabajos adicional y que en determinadas ocasiones no se utilizan. Algunas veces, el valor de R4 se podrá optimizar.
Los valores del esquema son orientativos para frecuencias del VCO en
UHF y SHF, pero pueden variar ampliamente según frecuencia, step y modulación. La siguiente tabla
muestra valores que me han dado buen resultado en estas aplicaciones típicas:
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| Frecuencias | Step | Modulación | +V.varicap | C1 | R3 | C2 | R5 | C3 | R4 |
| 1240 - 1300 Mhz | 100 Khz | FM Televisión (ATV) | 12 V. | 220 nF | 27 K | 33 nF | No | No | 10 K |
| 430 - 440 Mhz | 25 Khz | FM Voz (Fonía) | 8 V. | 2 uF | 22 K | 100 nF | 10 K | 68 nF | 3K3 |
| 144 - 146 Mhz | 25 Khz | FM Voz (Fonía) | 8 V. | en pruebas | en pruebas | en pruebas | ? | ? | ? |
| 88 - 108 Mhz | 100 Khz | FM Radiodifusión | 9 V. | 47 uF | 3K3 | 33 nF | 10K | 100 nF | 8K2 |
NOTA: En el caso de 88 a 108 Mhz (FM Radiodifusión), C1 es del tipo electrolitico. Su polo negativo (-) va al Pin 1 del TSA5511.
Tiempo de enganche en fase del PLL El tiempo de enganche al cambiar de frecuencia depende básicamente del Step elegido y de los componentes críticos del PLL ( C1, R3, C2, R5, C3, R4 ). Un Step mayor (100 Khz) normalmente implica mayor rapidez de enganche en fase. Un Step inferior (25 Khz) normalmente implica un tiempo mayor de enganche en fase. Pero otros factores también afectan: - Para Fonía en la Banda UHF de 430 a 440 Mhz, usando un Step de 25 Khz, para un cambio de frecuencia bastante grande (7,6 Mhz) , he medido un tiempo de unos 250 milisegundos. Esto se consigue con un VCO que utiliza dos varicaps en oposición para sintonía y un varicap separado (débilmente acoplado al circuito tanque) para modulación de audio. Este es un tiempo totalmente aceptable para un transceptor de Fonía. No obstante, otros PLL que incorporan Prescaler de Doble Módulo son mucho más rápidos. - Para Radiodifusión en la Banda de 88 a 108 Mhz , usando un Step de 100 Khz, para un cambio de frecuencia de varios Mhz, el tiempo llega a ser del orden de 1 segundo. Esto es debido al elevado valor de C1 (47uF) , que vuelve más lento al PLL. En esta aplicación el PLL debe ser así de lento para que permita que el VCO sea modulado en frecuencia por señales de audio tan bajas como 20 Hz, pues la respuesta de audio debería ser entre 20 Hz y 10 Khz, al menos. - Un caso especial es FM Televisión (ATV). Aquí, el PLL en sí mismo es más rápido que en el caso de Fonía en UHF, pero en la práctica la mayoría de los Transmisores ATV utilizan el mismo varicap para el voltaje de sintonía y para inyectar la modulación (con frecuencias de 50 Hz a 6,5 Mhz) , por lo que acoplan ambas señales mediante una Red R-C adecuada. Esta Red R-C suele incluir un condensador electrolítico (3,3 uF a 10 uF , según diseños) , que respecto al PLL aparece situado prácticamente entre el voltaje de sintonía y masa. Esto hace que la respuesta sea extremadamente lenta, siendo normales tiempos del orden de 3 segundos para cambiar de una frecuencia a otra (por ejempo, de 1252 Mhz a 1282 Mhz). |
M o n t a j e
Aqui
tienes el diseño de la placa de circuito impreso a
escala 1:1 (archivo PDF)
La fabricación
de la placa está descrita en este
artículo.
La placa de circuito impreso mide 35 x 80 mm. Es de doble cara: una cara lleva las pistas y la otra cara es totalmente de cobre porque es el plano de masa. Pero los componentes (convencionales, ninguno SMD) se montan por el lado de masa. Puede parecer extraño montar los componentes por el lado de masa, pero esto se hace para dar más estabilidad a los circuitos de RF. Para que los pines de los componentes no toquen la masa, es necesario avellanar los agujeros. Para ello, desde el lado de las pistas se taladran los agujeros de las islas que NO van a Masa. Entonces, desde el lado de Masa se avellanan los agujeros. Luego, al montar los componentes, los pines que van a Masa no atraviesan la placa, sino que se doblan horizontalmente y se sueldan a la cara de Masa. |
| Aqui están marcadas
en rojo las islas que NO hay que
taladrar: |
Esta es la disposición de
componentes:
Hay que asegurarse que ningún pin que no vaya a masa, la toque accidentalmente. El cristal hay que separarlo de masa uno o dos milímetros. En la cara de masa y componentes, hay dos puentes hechos de hilo aislado con plástico que están dibujados con trazo grueso: uno horizontal situado entre R12 y R11 y otro, también horizontal, situado bajo R11. Se pueden ver en la foto, abajo a la derecha: son de color blanco. Caso de no usar Display, no se monta RV1. Foto del primer circuito montado
en el 2004 en un transmisor ATV :
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| En el montaje de la foto, la alimentación +V.Varicap
son 12V a través de una resistencia de 220 ohm. Vemos también
un 78L05 que estabiliza los +5V. Caso de
usar LCD, es mejor cambiar el 78L05 por un 7805 , debido al consumo
adicional del LCD. En esta aplicación no se ha usado LCD (no está montada RV1) y la selección de frecuencias se ha limitado a un interruptor que tira a masa R10 o bien la deja "al aire". De esta forma seleccionamos una u otra de las 2 frecuencias programadas en el PIC. De forma similar, mediante 2 interruptores se podrían seleccionar 4 frecuencias programadas en el PIC. Para más frecuencias, el programa del PIC debería gestionar pulsadores para Subir/Bajar y un LCD para ver en que fecuencia estamos. Programa de ejemplo: Transmisor FM 88 - 108 Mhz Aquí tienes el código fuente en lenguaje PicBasic de la última versión de mi programa para el control del TSA5511 en un transmisor de 88 a 108 Mhz : TxFM2005.pbp Está escrito para el compilador PicBasic Pro versión 2.45 Esta versión controla un LCD de 2x16. También detecta el "Lock" del PLL (segmento de código experimental). El archivo fuente TxFM2005.pbp se puede leer con cualquier Editor de Texto, por ejemplo el "Bloc de Notas" del Windows. El código está muy comentado, esta versión en idioma Inglés, a fin de facilitar su comprensión a los lectores que no conocen el idioma Español. Este es el código compilado, listo para programar un PIC 16F628A : TxFM2005.hex Funcionamiento del programa El programa arranca en una frecuencia prefijada (101,2 Mhz ) que luego podemos modificar mediante los botones "Subir" y "Bajar". El Display LCD muestra la frecuencia actual. El tercer botón es "Mem". Al pulsarlo, graba la frecuencia actual en la EEPROM del PIC. Así, al encender de nuevo arrancará en la nueva frecuencia. Detalles del programa: Las instrucciones DATA cerca del principio del programa hacen que en la fase de programación del PIC se grabe en su EEPROM interna la frecuencia prefijada. Los datos grabados son: - Seis bytes que presentarán la frecuencia en el LCD: 1 , 0 , 1 , 2 , 0 , 0. - Dos bytes "Nmsb" y "Nlsb" que se enviarán al TSA5511 y que allí agrupados constituyen N, que es el factor de división del Divisor Programable. N es de 15 bits en el TSA5511, pero el programa trabaja con un N de 16 bits porque enviamos el N en dos Bytes: Nmsb y Nlsb. Entonces, el bit de mayor "peso" de Nmsb se envía siempre a cero. El TSA5511 está diseñado para recibir los datos de esa forma. (Ver Hoja de Características del TSA5511 , archivo PDF) Cálculo de N : Cuando usamos un cristal de 6,4 Mhz con el TSA5511, los pasos de frecuencia (Step) del VCO serán de 100 Khz. Entonces, el N a enviar al TSA5511 para la frecuencia inicial de 101200 Khz se calcula así: 101200 Khz N = ---------------- = 1012 En Hexadecimal es $03F4. Por tanto: Nmsb = $03 , Nlsb = $F4. 100 Khz Al encender por primera vez, estamos en 101,200 Mhz. Si pulsamos el botón "Subir" se efectúan estas operaciones: 1 - Se incrementa en un paso la frecuencia a mostrar en el LCD (pasaría a ser 101,300) 2 - Se incrementa N en una unidad ( Nlsb y cuando rebose, Nmsb) 3 - Se envían Nmsb y Nlsb al TSA5511 4 - Se envía la nueva frecuencia al LCD Similar funcionamiento se produce al pulsar el botón "Bajar", salvo que aquí se decrementan los correspondientes números. Las operaciones básicas señaladas se efectúan mediante Subrutinas específicas. La Subrutina de envío del N mediante el Bus I2C es muy sencilla, limitándose a una línea mediante la instrucción i2cwrite : '----------------------- enviaPLL: ' sda es PortB.0 , pin 6 ' scl es PortB.1 , pin 7 ' Write1 = %11000010 (dirección I2C de escritura en TSA5511 siempre válida, P3 da igual). i2cwrite sda,scl,Write1,[Nmsb,Nlsb,Byte3,Byte4] return '----------------------- Nota: Vemos que el N se envía en dos bytes: "Nmsb" y "Nlsb". Los otros dos bytes "Byte3" y "Byte4" son de configuración del TSA5511 y nunca cambian en este programa. Ventajas de este circuito
1- El TSA5511 es un PLL en un sólo chip, con muy amplia cobertura de frecuencias (desde 80 Mhz hasta 1300 Mhz) y buena sensibilidad. Además, su encapsulado es convencional, no SMD, por tanto de fácil montaje para aficionados. 2- Este circuito puede funcionar con cualquier programa de los que hay en Internet, comprobando antes que se adaptan al programa usado los siguientes aspectos del circuito: La frecuencia del Cristal de Referencia del TSA5511, El tipo de Oscilador del PIC, Las conexiones de los pines 4,5 y 6 del Display en caso de usarlo. Con algún programa, podría ser necesario añadir una resistencia de 3K3 desde la línea SCL (pin 7 del PIC) a +5V., tal como está la resistencia R11 en la línea SDA (pin 6 del PIC). Inconvenientes
del TSA5511
1- El TSA5511 tiene un Bus I2C bidireccional, que permite leer el estado de enganche del PLL. Pero resulta que el TSA5511 padece "crosstalk" entre el bus I2C y la salida de voltaje de control a los varicap. Esto se traduce en que la portadora de nuestro VCO será ruidosa mientras el I2C esté transfiriendo datos. Esto no es un problema para el uso habitual en receptores, puesto que la transferencia de los bits de programación dura unos pocos milisegundos y luego el I2C queda en reposo. El problema aparece si usamos este PLL en un transmisor, porque deberíamos leer una y otra vez (continuamente) el estado del Bit Lock del TSA5511, para hacer que nuestro transmisor se apague automáticamente si por cualquier circunstancia el PLL se desengancha. Si lo hacemos así, al estar el Bus I2C trabajando continuamente, la portadora de nuestro VCO será modulada por ruido, haciendo inservible ese transmisor. La "solución" que he aplicado en un PLL experimental de UHF (430 a 440 Mhz) es leer continuamente el Status Byte del TSA5511 al pasar del estado de recepción al de transmisión (y viceversa) y en cuanto se detecta Lock OK se detiene la lectura, el Bus I2C queda en reposo y se encienden las etapas de potencia del transmisor. Pero esta "solución" conlleva el riesgo de que, si durante la transmisión el PLL se desengancha, no es posible detectarlo para apagar las etapas de potencia. La excepción a lo anterior es el caso "FM Radiodifusión 88 a 108 Mhz". Con los valores indicados en la tabla ( C1 = 47 uF , etc...) , he comprobado que es posible leer continuamente el Bit Lock del TSA5511 sin que se observe ruido en el audio transmitido. 2 - El TSA5511 tiene internamente un Prescaler de Módulo Fijo que divide entre 8 la señal del VCO. Una consecuencia de ello es que el Comparador de Fase trabaja a una frecuencia 8 veces menor que el Paso del PLL (Step). Por ejemplo, si usamos un cristal de 1,6 Mhz para conseguir un Step de 25 Khz, el Comparador de Fase trabajará a 3,125 Khz. Esto hace que el TSA5511 tenga una respuesta más lenta al cambiar de frecuencia que un PLL con Prescaler de Doble Módulo. Por ello, aunque el funcionamiento del TSA5511 es correcto, parece indicado más bien para aplicaciones en las que el Paso del PLL (Step) no sea demasiado pequeño. En la práctica, funciona bien con los Step de 100 Khz, 50 Khz y 25 Khz. Caso de necesitar un Step muy inferior a 25 Khz, deberíamos considerar elegir un PLL diferente que incorpore un Prescaler de Doble Módulo. Posible mejora Es posible conseguir que un Equipo (Receptor, Transmisor o Transceptor) tenga un Step de 12,5 Khz aunque el Step del PLL sea de 25 Khz. Esto se consigue desplazando ligeramente (mediante varicaps) el cristal de referencia de 1,6 Mhz a fin de incrementar en 12,5 Khz la frecuencia del VCO entre los pasos de 25 Khz del PLL. Por otro lado, caso de no poder conseguir el cristal de 1,6 Mhz necesario para el Step de 25 Khz, siempre podemos montar un Oscilador externo con un Cristal de 6,4 Mhz (frecuencia estándar) seguido de un divisor digital entre 4 que entregue al TSA5511 la referencia correcta de 1,6 Mhz. Conclusiones
El circuito presentado aquí ha sido muy útil en ATV y en otras aplicaciones, siendo utilizado por muchos radioaficionados durante muchos años. Pero los inconvenientes del TSA5511 nos impulsan a buscar un PLL mejor. Un chip que parece adecuado es el LMX1501A , con similar rango de frecuencias de trabajo y que es programable mediante el Bus de 3 Hilos. Su encapsulado, aunque SMD, es del tipo SOP16 (separación entre pines 1,27 mm) , por lo que es manejable con medios caseros siempre que trabajemos con cuidado. Actualmente estoy construyendo un sintetizador con el LMX1501A. Estas son las medidas en
milimetros del encapsulado SOP16
Otros chips PLL actuales, como el ADF4113 (y familia) y el LMX2315 (y familia), vienen en encapsulados SMD del tipo SSOP16 (separación entre pines 0,65 mm.) por lo que es más difícil fabricar el circuito impreso adecuado mediante métodos caseros. Esta foto
de dos adaptadores nos muestra la diferencia entre encapsulados
SOP16 y SSOP16
Si tienes cualquier duda, puedes escribirme: ea7glu arroba gmail punto com EA7GLU, Septiembre de 2019 Ultima actualización: Marzo de 2024 |