El bucle de enganche de fase, PLL Tutorial / Cartilla incluye:
Bucle de enganche de fase, fundamentos del PLL Detector de fase Oscilador controlado por tensión PLL, filtro de bucle VCO PLL
El bucle de enganche de fase o PLL es un bloque de circuito particularmente útil que se utiliza ampliamente en aplicaciones de radiofrecuencia o inalámbricas.
En vista de su utilidad, el bucle de bloqueo de fase o PLL se encuentra en muchos artículos inalámbricos, de radio y electrónicos en general, desde teléfonos móviles a radios de difusión, televisores a routers Wi-Fi, radios walkie talkie a sistemas de comunicaciones profesionales y mucho más.
Aplicaciones del bucle de enganche de fase, PLL
El bucle de enganche de fase toma una señal a la que se engancha y luego puede emitir esta señal desde su propio VCO interno. A primera vista esto puede no parecer particularmente útil, pero con un poco de ingenio, es posible desarrollar un gran número de aplicaciones de bucle de bloqueo de fase.
Algunas aplicaciones de bucle de bloqueo de fase incluyen:
- Demodulación de FM: Una de las principales aplicaciones del bucle de bloqueo de fase es la de un demodulador de FM. Con los chips PLL ahora relativamente baratos, estas aplicaciones PLL permiten demodular audio de alta calidad a partir de una señal FM.
- Demodulación de AM: Los bucles de bloqueo de fase pueden utilizarse en la demodulación sincrónica de señales moduladas en amplitud. Con este enfoque, el PLL se bloquea en la portadora para poder generar una referencia dentro del receptor. Como ésta corresponde exactamente a la frecuencia de la portadora, puede mezclarse con la señal entrante para demodular sincrónicamente la AM.
- Sintetizadores de frecuencia indirectos: El uso dentro de un sintetizador de frecuencia es una de las aplicaciones más importantes del bucle de bloqueo de fase. Aunque también se utiliza la síntesis digital directa, la síntesis de frecuencia indirecta constituye una de las principales aplicaciones del bucle de bloqueo de fase.
- Recuperación de la señal: El hecho de que el bucle de bloqueo de fase sea capaz de bloquear una señal le permite proporcionar una señal limpia, y recordar la frecuencia de la señal si se produce una breve interrupción. Esta aplicación del bucle de bloqueo de fase se utiliza en una serie de áreas en las que las señales pueden interrumpirse durante breves períodos de tiempo, por ejemplo, cuando se utilizan transmisiones pulsadas.
- Distribución de tiempos: Otra aplicación del bucle bloqueado de fase es en la distribución de pulsos de reloj cronometrados con precisión en circuitos y sistemas lógicos digitales, por ejemplo dentro de un sistema de microprocesador.
Conceptos básicos del bucle de bloqueo de fase – fase
La clave del funcionamiento de un bucle de bloqueo de fase, PLL, es la diferencia de fase entre dos señales, y la capacidad de detectarla. La información sobre el error de fase o la diferencia de fase entre las dos señales se utiliza entonces para controlar la frecuencia del bucle.
Para entender mejor el concepto de fase y diferencia de fase, es posible visualizar dos formas de onda, normalmente vistas como ondas sinusoidales, tal y como podrían aparecer en un osciloscopio. Si el disparo se realiza al mismo tiempo para ambas señales, éstas aparecerán en puntos diferentes de la pantalla.
El trazado lineal también puede representarse en forma de círculo. El comienzo del ciclo puede representarse como un punto concreto del círculo y, a medida que avanza el tiempo, el punto de la forma de onda se mueve alrededor del círculo. Así, un ciclo completo equivale a 360° o 2π radianes. La posición instantánea en el círculo representa la fase en ese momento dado en relación con el inicio del ciclo.
El concepto de desfase lleva este concepto un poco más allá. Aunque las dos señales que hemos visto antes tienen la misma frecuencia, los picos y los valles no se producen en el mismo lugar.
Se dice que hay una diferencia de fase entre las dos señales. Esta diferencia de fase se mide como el ángulo entre ellas. Se puede ver que es el ángulo entre el mismo punto de las dos formas de onda. En este caso se ha tomado un punto de cruce de cero, pero cualquier punto será suficiente siempre que sea el mismo en ambas.
Esta diferencia de fase también se puede representar en un círculo porque las dos formas de onda estarán en diferentes puntos del ciclo como resultado de su diferencia de fase. La diferencia de fase medida como un ángulo: es el ángulo entre las dos líneas desde el centro del círculo hasta el punto donde se representa la forma de onda.
Cuando hay dos señales que tienen frecuencias diferentes se encuentra que la diferencia de fase entre las dos señales es siempre variable. La razón de esto es que el tiempo de cada ciclo es diferente y en consecuencia se están moviendo alrededor del círculo a diferentes velocidades.
De esto se puede deducir que la definición de dos señales que tienen exactamente la misma frecuencia es que la diferencia de fase entre ellas es constante. Puede haber una diferencia de fase entre las dos señales. Esto sólo significa que no alcanzan el mismo punto de la forma de onda al mismo tiempo. Si la diferencia de fase es fija, significa que una de las señales va por detrás o por delante de la otra en la misma medida, es decir, que se encuentran en la misma frecuencia.
Bases del bucle de bloqueo de fase
Un bucle de bloqueo de fase, PLL, es básicamente una forma de servobucle. Aunque un PLL realiza sus acciones sobre una señal de radiofrecuencia, todos los criterios básicos de estabilidad del bucle y otros parámetros son los mismos. De este modo, se puede aplicar a un bucle de bloqueo de fase la misma teoría que se aplica a los servobucles.
Un bucle de enganche de fase básico, PLL, consta de tres elementos básicos:
- Comparador / detector de fase: Como su nombre indica, este bloque de circuitos dentro del PLL compara la fase de dos señales y genera una tensión de acuerdo con la diferencia de fase entre las dos señales. Este circuito puede tomar una variedad de formas. . . . . Lea más sobre el detector de fase .
- Oscilador controlado por tensión, VCO: el oscilador controlado por tensión es el bloque de circuitos que genera la señal de radiofrecuencia que normalmente se considera la salida del bucle. Su frecuencia puede ser controlada sobre la banda de frecuencia operativa requerida para el bucle. . . . . Lea más sobre el oscilador controlado por tensión, VCO.
- Filtro de bucle: Este filtro se utiliza para filtrar la salida del comparador de fase en el bucle de bloqueo de fase, PLL. Se utiliza para eliminar cualquier componente de las señales cuya fase se está comparando de la línea del VCO, es decir, la referencia y la entrada del VCO. También gobierna muchas de las características del bucle, incluyendo la estabilidad del bucle, la velocidad de bloqueo, etc. . Lea más sobre el filtro de bucle PLL.
Funcionamiento del bucle de enganche de fase
El concepto básico del funcionamiento del PLL es relativamente sencillo, aunque el análisis matemático y muchos elementos de su funcionamiento son bastante complicados
El diagrama de un bucle de enganche de fase básico muestra los tres elementos principales del PLL: detector de fase, oscilador controlado por tensión y el filtro de bucle.
En el PLL básico, la señal de referencia y la señal del oscilador controlado por tensión se conectan a los dos puertos de entrada del detector de fase. La salida del detector de fase se pasa al filtro de bucle y luego la señal filtrada se aplica al oscilador controlado por tensión.
El oscilador controlado por voltaje, VCO, dentro del PLL produce una señal que entra en el detector de fase. Aquí la fase de las señales del VCO y la señal de referencia entrante se comparan y se produce una diferencia resultante o tensión de error. Esto corresponde a la diferencia de fase entre las dos señales.
La señal de error del detector de fase pasa por un filtro de paso bajo que gobierna muchas de las propiedades del bucle y elimina cualquier elemento de alta frecuencia en la señal. Una vez que pasa por el filtro, la señal de error se aplica al terminal de control del VCO como su tensión de sintonía. El sentido de cualquier cambio en esta tensión es tal que intenta reducir la diferencia de fase y, por tanto, la frecuencia entre las dos señales. Inicialmente el bucle estará fuera de bloqueo, y la tensión de error tirará de la frecuencia del VCO hacia la de la referencia, hasta que no pueda reducir más el error y el bucle se bloquee.
Cuando el PLL, bucle de bloqueo de fase, está bloqueado se produce una tensión de error de estado estacionario. Utilizando un amplificador entre el detector de fase y el VCO, el error real entre las señales puede reducirse a niveles muy pequeños. Sin embargo, siempre debe haber algo de tensión en el terminal de control del VCO, ya que esto es lo que pone en la frecuencia correcta.
El hecho de que haya una tensión de error constante significa que la diferencia de fase entre la señal de referencia y el VCO no está cambiando. El hecho de que la fase entre estas dos señales no cambie significa que las dos señales están exactamente en la misma frecuencia.
El bucle de bloqueo de fase, PLL, es un bloque de construcción muy útil, especialmente para aplicaciones de radiofrecuencia. El PLL es la base de varios sistemas de RF, como el sintetizador de frecuencia indirecto, una forma de demodulador de FM y permite la recuperación de una portadora continua estable a partir de una forma de onda de pulso. De este modo, el bucle de bloqueo de fase, PLL, es una herramienta de construcción de RF esencial.
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