93128962-modul-4-pll

44

Bila kegagalan itu bagai hujan dan keberhasilan itu matahari, maka butuh keduanya untuk melihat pelangi Laboratorium Elektronika Komunikasi 2011/2012

P H A S E L O C K L O O P

MODUL IV PRAKTIKUM ELKOM


A. Tujuan

1. Praktikan dapat melakukan pengukuran dan pengaturan free-running frequency pada PLL.

2. Praktikan dapat mengamati dan memahami lock-range pada PLL.

3. Praktikan dapat mengukur frekuensi capture maksimum dan minimum..

4. Praktikan dapat mengamati cara kerja PLL sebagai demodulator frekuensi.

5. Praktikan dapat mengamati cara kerja PLL sebagai pensintesis frekuensi.

B. Peralatan yang digunakan

1. Kit praktikum elektronika Komunikasi PLL.

2. Catu daya DC

3. Multimeter digital.

4. Osiloskop.

5. Kabel penghubung (jumper).

C. Dasar teori

Phase Lock Loop (PLL) merupakan sistem tertutup membentuk feedback negatif dengan sinyal

feedback digunakan untuk mengunci (lock) frekuensi dan phasa keluaran terhadap frekuensi

dan phasa sinyal input.

PLL digunakan untuk filtering, penggeser frekuensi (frequency sinthesis), kontrol kecepatan

motor, ferquency modulation, demodulation, signal detection, dan aplikasi lainnya.

PLL dapat berupa analog atau digital, tetapi banyak tersusun dari komponen analog dan digital.

Beberapa parameter dalam PLL antara lain :

1. Free-running frequecy. Adalah frekuensi keluaran VCO pada kondisi tidak ada

sinyal masukan. Biasanya nilainya pada frekuensi tengah.

2. Locked-range. Adalah kawasan atau daerah frekuensi dimana lingkar dapat

bertahan terkunci. Daerah ini dibatasi oleh frekuensi operasi minimum dan

maksimum. Frekuensi operasi maksimum adalah frekuensi tertinggi sinyal masukan

45



dimana lingkar(lup) masih dapat terkunci. Cara mencarinya dengan mengubah

frekuensi sinyal masukan dari kondisi PLL tidak terkunci (dari frekuensi tinggi

sehingga PLL tidak terkunci), perlahan-lahan frekuensi diturunkan sehingga pada

harga frekuensi tertentu PLL akan terkunci pada frekuensi tersebut. Frekuensi

operasi minimum adalah frekuensi terendah sinyal masukan dimana lingkar-lup

masih dapat menguncinya. Cara mencarinya yaitu dalam keadaan PLL tidak

terkunci sinyal masukan dinaikan dari frekuensi paling rendah (sehingga PLL tidak

terkunci) dinaikan perlahan-lahan sehingga PLL mulai terkunci. Pertengahannya

pada free-running frequency

3. Tracking range. Adalah simpangan maksimum yang diijinkan dari jaraknya ke free

running frequency, biasanya sejauh setengah lock-range.

4. Capture range. Simpangan frekuensi disekitar free-running frequency dimana

lingkaran masih mampu mengunci sejak memulai. Capture-range < Lock-range

5. Lock-up time. Adalah selang waktu transient dari PLL sampai mencapai kondisi

terkunci.

Untuk lebih jelasnya maka dapat digambarkan sebagai berikut :

46



Cara kerja PLL :

1. Detektor Fasa

Andaikan kita memiliki mixer dengan masukan yang frekuensinya sama (misal 50 KHz dan

50 KHz). Karena selisih frekuensinya nol, maka keluaran pencampur merupakan tegangan

dc, karena frekuensinya nol. Dengan kata lain, tegangan dc akan keluar dari pencampur

ketika frekuensi sinyal-sinyal masukannya sama.

Pada dasarnya sebuah detector fase adalah merupakan mixer yang dioptimasi untuk

digunakan pada frekuensi sinyal masukan yang sama. Itu dikenal sebagai phase detector atau

phase comparator, karena besarnya tegangan dc yang dihasilkan tergantung dari beda sudut

fase antara kedua sinyal masukan. Jadi jika sudut fasenya berubah maka tegangan dc-nya

juga berubah.

Gambar 1.a mengilustrasikan beda sudut fase antara dua sinyal sinusoidal. Ketika sinyal –

sinyal ini memasuki detector fase pada gambar 1.b, maka akan dihasilkan tegangan dc. Salah

satu contoh tipe kurva karakteristik detector fase digambarkan pada gambar 1.c, dimana

ketika beda sudut fasenya nol, maka tegangan dc yang dihasilkan akan maksimum. Dan jika

sudut fase meningkat dari nol ke 180 maka tegangan dc akan menurun menuju harga

minimum. Ketika susut fase 90 derajat, keluaran tegangan dc adalah harga rata- rata dari

maksimum dan minimum.

Gambar 1.a

Sin ( t+ ) VDC

Sin ( t)

Gambar 1.b

PHASE

DETECTOR

47



Vdc

0 90 180 fase

Gambar 1.c

2. VCO [Voltage Controlled Oscillator]

Sesuatu yang penting diingat tetntang VCO adalah sebagai berikut :

Sebuah masukan tegangan dc akan mengendalikan frekuensi keluaran. Dalam percobaan ini,

kenaikan tegangan kendali dc akan menyebabakan penurunan frekuensi keluaran VCO.

fVCO

Vdc

Gambar 2

Ketika tegangan dc pada gambar 2 meningkat, maka frekuensi pada sinyal keluaran akan

meningkat. Dengan kata lain, tegangan dc akan mangendalikan frekuensi osilator. Secara

tipikal, penaikkan frekuensi akan berbanding lurus dengan kenaikan level tegangan dc

(gambar 2).

Vmin

Vmak

2

Vmak + Vmin

ff

48



3. PLL [Phase Locked Loop]

Gambar 3.a adakah merupakan blok diagram dari sebuah PLL. Sebuah sinyal masukan

dengan frekuensi fx adalah salah satu masukan ke detector fase. Masukan yang lain datang

dari keluaran VCO. Keluaran detector fase ditapis dengan LPF. Ini akan menghilangkan

frekuensi – frekuensi dasar dari masukan, frekuensi – frekuensi harmonik (kelipatan dari

frekuensi dasar), dan frekuensi jumlahnya. Hanya frekuensi selisih saja yang dilewatkan oleh

LPF Tegangan dc ini kemudian akan mengendalikan frekuensi keluaran dari VCO.

Sistem umpan balik akan mengunci frekuensi VCO pada frekuensi masukannya. Ketika

system bekerja secara benar, frekuensi keluaran VCO akan sama dengan fx, sama dengan

frekuensi masukan. Oleh karena detector fase memilki dua sinyal masukan dengan frekuensi

yang sama, maka sudut fase antara kedua sinyal masukan ini akan menentukan besarnya

tegangan keluaran dc.

(a)

INPUT INPUT INPUT

vco vco vco

(b) (c) (d)

Jika frekuensi masukan berubah, maka frekuensi keluaran VCO akan mengikutinya. Sebagai

contoh, jika frekuensi masukan fx meningkat sedikit, fasornya akan berputar cepat dan sudut

fase bertambah. Ini berarti tegangan dc keluar dari detector fase akan menurun. Tegangan dc

PHASE

DETECTOR

LOW PASS

FILTER VCO

Keluaran

Terkunci fx

Sinyal

Masukan fx

Keluaran dc

49



yang lebih rendah akan memaksa frekuensi keluaran VCO untuk meningkat sampai dengan

fx.

Di pihak lain, jika frekuensi masukan menurun, fasornya secara lambat akan menurun dan

sudut fasanya akan bertambah, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.d. Sekarang

tegangan dc yang keluar dari detektor fase akan bertambah, dan ini menyebabkan frekuensi

keluaran VCO akan menurun sampai sama dengan frekuensi masukannya. Dengan kata lain,

PLL secara otomatis mengoreksi/mengontrol frekuensi keluaran VCO dan sudut fasenya.

Lock range (daerah penguncian) BL adalah daerah frekuensi VCO yang dihasilkan, diberikan

dengan persamaan :

BL = fmax - fmin

Di mana fmax dan fmin adalah frekuensi keluaran VCO maksimum dan minimum. Sebagai

contoh, jika frekuensi VCO dapat membawa dari 40 KHz sampai 60 KHz, maka daerah

pengunciannya (lock-range) adalah sama dengan :

KHzKHzKHzBL 204060

Sekali PLL terkunci, maka frekuensi masukan fx dapat membawa frekuensi dari 40 KHz

sampai 60 KHz; VCO akan mengikuti frekuensi masukan ini dan keluaran akan terkunci

akan sama dengan fx.

a. Mode Free Running

Jika masukan detector fase tidak ada, maka PLL akan bekerja dalam mode free running.

Frekuensi keluaran VCO hanya akan ditentukan oleh komponen penyusun osilatornya

saja yaitu R1 dan C1, jadi tidak dipengaruhi oleh tegangan pengendali dc. Dalam bentuk

ini maka keluaran dari VCO disebut free-running frequency.

b. Capture dan Lock Range

Asumsikan PLL bekerja dalam mode free-running atau tidak terkunci. PLL akan terkunci

pada frekuesni masukannya jika frekuensi masukannya itu berada pada daerah capture-

50



range, yaitu band frekuensi yang berpusat pada free-running frequency. Rumus untuk

capture range adalah :

12 ffBC

dimana 12f dan 1f adalah frekuensi tertinggi dan terendah agar PLL dapat mengunci

sinyal masukan.

Capture-range adalah selalu lebih sempit dibanding lock-range dan ini berhubungan

dengan frekuensi cutt-off dari LPF. Frekuensi cut-off yang lebih rendah akan

mengakibatkan capture-range yang lebih sempit. Hal ini dapat diketahui dari

karakteristik VCO, dimana jika tegangan masukan dc-nya semakin besar, maka frekuensi

keluaran VCO akan menurun, dan jika tegangan dc masukannya diperkecil, maka

frekuensi keluaran VCO akan semakin meningkat. Di lain pihak, sinyal masukan dc VCO

berasal dari keluaaran detector fasa. Detektor fasa sifatnya seperti mixer, di mana

keluaran detector fasa ini terdiri dari komponen- komponen frekuensi asli, jumlah dan

selisih dari sinyal-sinyal masukannya.

Keluaran detector fasa ini kemudian dilewatkan filter. Sehinggga kalau frekuensi cut-off

filter semakin tinggi maka tegangan keluaran dc filter akan semakin rendah, dan kalau

frekuensi cut-off semakin rendah maka teganagn dc keluaran akan semakin tinggi. Dan

hasil pemfilteran ini diumpankan ke VCO sebagai masukan. Jadi secara tidak langsung

frekuensi cut-off filter akan mempengaruhi capture-range.

c. IC PLL MC 4046

IC PLL MC 74HC4046A dari Motorola adalah sebuah IC dengan 16 pin yang dapat

dihubungkan dengan komponen ekstrenal untuk membentuk PLL.

51



Gambar 4 memperlihatkan diagram blok sederhana.

Resistor pewaktu eksternal R1,2 dihubungkan dengan pin 11 dan 12 terhadap ground, dan

kapasitor pewaktu eksternal C1A dan C1B dihubungkan dengan pin 6 dan 7. Ini adalah dua

komponen yang menentukan free-running frequency dari VCO dan range frekuensi VCO

dan diberikan dengan persamaan sebagai berikut (diambil dari data library PLL

MC74HC4046A) :

d. PLL Sebagai Modulator FM dan AFC [Automatic Frequency Control]

PHASE

DETECTOR

LOW PASS

FILTER VCO

Sfm(t)

fv

Sinyal

Masukan fx

S(t)

info

S

)*3(2

232

2

1

1

undershootVddC

IR

VddI

R

VCO

fEXT

RCONSTRCONSTIN

o

52



Jika Switch S-OFF. Sinyal FM, sfm(t), dengan frekuensi fv yang hanya dipengaruhi oleh

sinyal informasi s(t) saja, dengan menganggap komponen VCO stabil tidak dipengaruhi

oleh lingkungan. Tapi jika tak stabil, berarti fv dipengaruhi s(t) dan lingkungannya.

Jika Switch S – ON. Keluaran LPF akan memuat sinyal perubahan fv oleh lingkungan

sebagai sinyal koreksi, sebagai masukan VCO yang berupa sinyal informasi s(t) ditambah

sinyal koreksi dari keluaran LPF yang menyebabkan seolah-olah harga fv dipengaruhi

oleh s(t) saja.

e. PLL Sebagai Demodulator FM / Diskriminator

Gambar di bawah ini memperlihatkan sebuah osilator LC dengan sebuah kapasitor

variable sebagai penala. Jika kapasitansi berubah, maka frekuensi osilasi akan berubah.

Jika kapasitansi berubah secara sinusoidal pada frekuensi 1 KHz, maka frekuensi

pemodulasinya adalah 1 KHz.

OSILATOR LC

Ketika sinyal FM dimasukkan sebagai masukan pada PLL, VCO akan mengikuti

perubahan frekuensi masukannya. Sebagai hasilnya, tegangan yang berfluktuasi atau

berubah-ubah akan keluar melalui LPF. Tegangan ini memilki frekuensi yang sama

dengan frekuensi sinyal pemodulasi. Dengan kata lain, keluaran DC sekarang

menyatakan keluaran demodulasi FM. Ini banyak digunakan dalam penerima FM. Jika

sinyal pemodulasi adalah musik, maka sinyal keluaran dari keluaran FM adalah akan

sama dengan musik juga.

Demodulasi atau deteksi FM dapat diperoleh secara langsung dengan menggunakan

rangkaian PLL. Jika frekuensi tengah PLL dirancang pada frekuensi sinyal FM, maka hasil

penyaringan atau tegangan keluaran LPF-nya adalah tegangan keluaran demodulasi yang

diinginkan. Perubahan nilainya sebanding dengan perubahan frekuensi sinyal

masukannya. Rangkaian PLL kemudian dioperasikan sebagai strip IF lengkap, pembatas,

dan demodulator sebagaimana dipakai dalam penerima FM.

53



f. PLL Sebagai Pensintesis Frekuensi

Pensintesis frekuensi dapat dibangun dengan menggunakan PLL seperti pada gambar

berikut ini :

Sebuah pembagi frekuensi disisipkan antara keluaran VCO dengan masukan detector

fasa sehingga sinyal lingkar menuju detector fasa pada frekuensi fo ketika output VCO

adalah Nfo. Keluaran ini adalah kelipatan dari frekuensi sinyal masukan(referensi)

selama lingkar dalam keadaan terkunci.

Sinyal masukan dapat berupa kristal terbilan pada frekuensi f1 dengan menghasilkan

keluaran VCO pada Nf1 jika lingkar dalam mkondisi mulai terkuknci pada frekuensi dasar

(ketika fo = f1). Karena VCO hanya bisa berubah –ubah pada daerah yang terbatas dari

frekuensi tengahnya, maka diperlukan untuk mengubah frekuensi VCO ketika harga

pembagi diubah. Selama rangkaian PLL pada kondisi terkunci, frekuensi keluaran VCO

akan secara pasti N kali frekusnsi masukannya. Ini hanya diperlukan untuk mengatur

kembali fo menuju daerah capture-range dan lock-range, lingkar tertutup kemudian

menghasikan sinyal Nf1 pada keluaran VCO pada keadaan terkunci.

PHASE

DETECTOR

LOW PASS

FILTER

VCO

Vo(t) Sinyal FM

Sfm(t), fv

fi

54



55



P R O S E D U R P R A K T I K U M P H A S E L O C K L O O P

1. VCO

Pengukuran kestabilan VCO dilakukan untuk menentukan daerah tegangan kontrol untuk

menentukan frekuensi yang diinginkan dan menentukan besarnya faktor penguatan VCO

atau sensitifitas modulasi. Pengukuran ini dilakukan dengan cara memberikan tegangan

masukan VCO dengan jarak 0,1 Volt dan mencatat frekuensi keluaran VCO. Diagran blok

pengukuran seperti pada gambar dibawah ini :

Data Pengukuran VCO

(pin a dan pin b di hubung singkat)

No. Tegangan Input (V) Frekuensi (KHz)

1. 1,2

2. 1,4

3. 1,6

4. 1,8

5. 2,0

6. 2,2

7. 2,4

8. 2,6

9. 2,8

10. 3,0

11. 3,2

Tegangan

Searah VCO Osiloskop

Frequency

Counter Voltmeter

Diagram Blok Pengukuran VCO

56



12. 3,4

13. 3,6

14. 3,8

15. 4,0

Tabel 1. Kelinieran VCO

a. Gambarkan kurva kelinieran VCO

b. Hitung faktor penguatan VCO

2. Keluaran Filter LPF

a. Ukurlah tegangan DC (dengan voltmeter digital) pada keluaran Filter LPF (pin 3)

untuk frekuensi referensi (osilator lokal) masukan 400 Hz. Catat tegangan dc pada

table 3.

b. Ulangi langkah a untuk frekuensi yang lain pada table 4

Frekuensi (Hz) Vdc

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Tabel 2. Keluaran Filter LPF

3. Free Running Frequency

a. Beri tegangan DC pada masukan VCO sebesar 3 volt, dengan cara :

Hubung singkat pin a dan pin b

Putar variable resistor dengan trimmer

Ukur keluaran Tegangan DC dengan multimeter (pin a)

57



b. Atur variable resistor pada pin 8 sehingga diperoleh free running frequency sebesar

250 KHz

4. Proses PLL

Prosedur :

a. Hubungkan pin b dan pin c, sehingga masukan DC pada VCO berasal dari keluaran

detector phasa.

b. Atur variable resistor pada pin 7 sehingga diperoleh frekuensi referensi sebesar 400 Hz.

(pin 1)

c. Hitung berapa pembagi yang diperlukan agar keluaran VCO 250 KHz dengan referensi

400 Hz

d. Buatlah programable divider sesuai dengan pembagi yang diinginkan

e. Amati keluaran VCO

Frekuensi : ......

Duty Cycle : ......

Gambar:

f. Amati keluaran Phase Detector

Gambar :

+V

-V

t

+V

-V

t

58



g. Amati keluaran Loop Filter

Gambar :

h. Amati keluaran Programable Divider

Frekuensi : .......

Duty Cycle : ........

Gambar :

i. Amati keluaran Pembagi 2

Frekuensi : .......

Duty Cycle : ........

Gambar :

j. Ulangi untuk nilai Frekuensi Referensi dan Free Running Frekuensi yang lain !

k. Analisa data yang diperoleh !

+V

-V

t

+V

-V

t

+V

-V

t

59



5. PLL Sebagai Modulator FM

a. Aturlah Keluaran VCO dengan frekuensi referensi 400 Hz sehingga keluarannya

mempunyai frekuensi 250 KHz KHz (sebagai frekuensi pembawa)

b. Hubungkan Generator Sinyal dengan sinyal ‘kotak’ (sebagai sinyal informasi) dengan

frekuensi 20 KHz dan amplitudo ……… pada masukan modulator FM (pada pin 3 VCO).

c. Amati sinyal keluaran modulator FM yang berupa gelombang FM pada pin 4 VCO,

bandingkan dengan sinyal masukan pemodulasinya.

d. Amati untuk nilai frekuensi informasi yang berbeda-beda :

No. Frekuensi Informasi (KHz) Gambar keluaran modulator FM

1. 20

2. 40

3. 60

4. 80

5. 100

6. 120

7. 140

60



8. 160

9. 180

10. 200

Tabel 3

6. PLL sebagai pensintesis frekuensi

a. Set Frekuensi referensi pada 400 Hz.

b. Ukurlah Frekuensi Output VCO pada posisi divider 00 0000 0000 0000

No PEMBAGI FREKUENSI (VCO)

1 10

2 100

3 200

4 300

5 400

6 500

7 600

8 700

9 800

10 900

11 1000

Tabel Pesintesa Frekuensi

61



A N A L I S A

1. Analisa kurva kelinieran VCO dan hitung faktor penguatan ?

2. Analisa hasil keluaran LPF untuk setiap perbedaan frekuensi !

3. Bandingkan antara free running frekuensi yang diperoleh dari hasil percobaan dengan

hasil perhitungan (gunakan rumus di modul praktikum !) !

4. Analisa setiap keluaran blok pada PLL dalam proses PLL ! Mengapa bisa terjadi demikian ?

Jelaskan!

5. Analisa PLL sebagai modulator FM untuk setiap frekuensi informasi yang berbeda !

Bagaimana caranya PLL yang merupakan sebuah osilator bisa menjadi modulator FM ?

Jelaskan jawaban anda !

6. Analisa PLL sebagai pesintesa frekuensi !

7. Rancanglah sebuah PLL sebagai pensintesa frekuensi beserta spesifikasinya untuk

membangkitkan sinyal sinus dengan frekuensi terendah 88 MHz dan frekuensi tertinggi

108 MHz (kenaikan frekuensi setiap 200 KHz / sweep generator). Jika osilator kristal yang

tersedia adalah osilator kristal 25 KHz. Jika perlu gunakan programmable counter sebagai

frequency divider.

8. Sebutkan komponen apa saja yang anda gunakan dalam setiap blok rancangan anda ?

Jelaskan mengapa anda menggunakan komponen tersebut!

93128962-modul-4-pll

Documents