ELEKTRONIKA TELEKOMUNIKASI

LAPORAN PERCOBAAN MODUL KL-93005

FREQUENCY SYNTHESIZER

BANGKIT NUR ROHMAT

H1C009051

KEMENTRIAN PENDIDIKAN NASIONAL

UNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNIK

JURUSAN TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

PURBALINGGA

2012

1. DASAR TEORI

PLL kependekan dari Phase-Locked Loop pada dasarnya adalah sebuah sistem

kontrol frekuensi yang memanfaatkan sensitivitas deteksi fase antara sinyal input dan

output dari sebuah rangkaian osilasi yang terkontrol. Rangkaian PLL yang paling

sederhana yaitu terdiri dari sebuah VCO (Voltage Control Oscillator), detektor fase

(Phase detector), dan crystal oscillator. Sebuah frekuensi f1 yang dihasilkan oleh crystal

oscillator kemudian diumpankan ke rangkaian phase detector untuk dibandingkan

dengan frekuensi f2 dari VCO. Phase detector akan membandingkan frekuensi f1 dan f2,

pada kondisi awal f1 ≠ f2 karena frekuensi dari VCO = 0 Hz. Karena ada perbedaan

frekuensi antara f1 dan f2, maka rangkaian phase detector akan menghasilkan tegangan

Vdc yang mencatu VCO. Tegangan Vdc ini menyebabkan rangkaian VCO berosilasi dan

menghasilkan sebuah frekuensi f2. Rangkaian VCO akan terus berosilasi menghasilkan

frekuensi f2 sampai f2 = f1. Ketika f2 = f1, maka tegangan Vdc keluaran rangkaian phase

detector = 0 dan ini menyebabkan rangkaian VCO berhenti berosilasi (locked). Karena

rangkaian loop ini akan mengunci (locked) saat frekuensi dan fase dari kedua sinyal

sama, maka rangkaian ini disebut dengan Phase-Locked Loop.

Salah satu rangkaian PLL yang dikemas menjadi IC adalah IC CD4046B. IC ini

tersusun atas linear voltage controlled oscillator dan dua buah komparator beda fasa. IC

ini mebutuhkan sumber yang cukup kexil serta memberikan tegangan zener 5,2 volt

untuk regulasi power supply apabila diperlukan.

IC PLL CD4046B

Blok diagram IC 4046B

IC yang tersusun dalam kemasan DIL (Dual In Line) package ini memiliki

beberapa karakteristik, antara lain:

1. Konsumsi daya yang rendah, yaitu 70uW saat VCO fo=10KHz dan VDD=5V

2. Cakupan frekuensi kerja hingga 1,4MHz saat VDD=10V dan RL=5kΩ

3. Simpangan frekuensi yang rendah, yaitu 0,04%/o saat VDD=10V

4. Linearitas VCO yang tinggi, yaitu <1% saat VDD=10V

5. VCO inhibit control untuk modulasi OOK (On-Off Keying) dan konsumsi daya

standby yang sangat kecil

6. Dioda zener untuk memberikan regulasi power supply

7. Memiliki karakteristik output yang simetris

8. 100% teruji untuk arus diam saat 20V

9. Memiliki parameter nilai 5V, 10V dan 15V

Berikut ini disajikan tabel karakteristik dari IC CD4046B

IC PLL CD4046B dapat digunakan untuk beberapa keperluan aplikasi yang

berhubungan dengan hal telekomunikasi, antara lain FM modulator dan demodulator,

Frekuensi sintesis dan multiplikasi, frekuensi diskriminator, data sinkronisasi, konverter

tegangan ke frekuensi, tone decoding, FSK-modems dan signal conditioning.

2. DATA PENGAMATAN

A. VCO input voltage vs output frequency characteristic

C4

VR1VR1, VR2

V (volt)Frekuensi

(KHz) V (volt)Frekuensi

(KHz)0 ? 0 1,4

0,5 ? 0,5 1,51 0,48 1 1,8

1,5 5 1,5 5,92 9,6 2 10,3

2,5 13,1 2,5 13,73 17,5 3 18,3

3,5 21,1 3,5 21,84 25,6 4 26,1

4,5 28,9 4,5 29,55 32,5 5 33

5,5 36 5,5 36,56 39,3 6 40

6,5 42,3 6,5 42,97 45,6 7 46

7,5 48,5 7,5 498 51,8 8 52,3

8,5 54,9 8,5 55,29 58,4 9 58,8

9,5 60,2 9,5 60,610 63,6 10 64,5

10,5 65,3 10,5 65,711 65,3 11 66,2

11,5 65,8 11,5 66,712 65,8 12 66,7

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 250

10

20

30

40

50

60

70

0 0 0.485

9.613.1

17.521.1

25.628.9

32.536

39.342.3

45.648.5

51.854.9

58.460.263.665.365.365.865.8

0 0.51 1.52 2.53 3.54 4.55 5.56 6.57 7.58 8.59 9.51010.51111.512

Kurva C4-VR1

FrekuensiTegangan

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 250

10

20

30

40

50

60

70

80

1.41.51.85.9

10.313.7

18.321.8

26.129.5

3336.5

4042.94649

52.355.258.860.6

64.565.766.266.766.7

0 0.51 1.52 2.53 3.54 4.55 5.56 6.57 7.58 8.59 9.51010.51111.512

Kurva C4-VR1, VR2

FrekuensiTegangan

C5

VR1VR1, VR2

V (volt)Frekuensi

(KHz) V (volt)Frekuensi

(KHz)0 ? 0 17,77

0,5 ? 0,5 17,791 53 1 23,19

1,5 54,4 1,5 64,572 100,2 2 109,1

2,5 168,7 2,5 176,13 199,8 3 206,7

3,5 244,2 3,5 250,44 280,8 4 287

4,5 322,4 4,5 327,75 351,6 5 356,6

5,5 387,5 5,5 392,5

6 418,4 6 423,46,5 448,4 6,5 452,87 487,3 7 490,7

7,5 509,6 7,5 513,28 539,5 8 541,9

8,5 562 8,5 565,89 585 9 589,2

9,5 613,5 9,5 61710 635,8 10 637,8

10,5 653 10,5 655,111 654,6 11 657,7

11,5 655,8 11,5 65812 656 12 658,5

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 250

100

200

300

400

500

600

700

0 05354.4

100.2168.7199.8244.2280.8322.4351.6387.5418.4448.4487.3509.6

539.5562585613.5635.8653654.6655.8656

0 0.51 1.52 2.53 3.54 4.55 5.56 6.57 7.58 8.59 9.51010.51111.512

Kurva C5-VR1

FrekuensiTegangan

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 250

100

200

300

400

500

600

700

17.7717.7923.1964.57109.1176.1206.7250.4287327.7356.6392.5423.4452.8490.7513.2541.9565.8589.2617637.8

655.1657.7658658.5

0 0.51 1.52 2.53 3.54 4.55 5.56 6.57 7.58 8.59 9.51010.51111.512

Kurva C5-VR1, VR2

FrekuensiTegangan

C6

VR1VR1, VR2

V (volt)Frekuensi

(MHz) V (volt)Frekuensi

(MHz)0 ? 0 0,1582

0,5 ? 0,5 0,15791 ? 1 0,1938

1,5 0,4762 1,5 0,56822 1,016 2 1,084

2,5 1,304 2,5 1,3653 1,715 3 1,767

3,5 2,017 3,5 2,0624 2,332 4 2,372

4,5 2,612 4,5 2,6565 2,804 5 2,841

5,5 3,046 5,5 3,0766 3,307 6 3,328

6,5 3,448 6,5 3,4777 3,606 7 3,634

7,5 3,815 7,5 3,8368 3,958 8 3,976

8,5 4,012 8,5 4,1199 4,224 9 4,241

9,5 4,363 9,5 4,37110 4,451 10 4,46

10,5 4,512 10,5 4,52911 4,525 11 4,533

11,5 4,524 11,5 4,53512 4,529 12 4,541

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 250

2

4

6

8

10

12

14

0 0 0 0.47621.0161.3041.7152.0172.3322.6122.8043.0463.3073.4483.6063.8153.9584.0124.2244.362999999999

994.4514.5124.524999999999994.5244.529

0 0.511.52

2.533.54

4.555.56

6.577.58

8.599.510

10.51111.512

Kurva C6-VR1

FrekuensiTegangan

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 250

2

4

6

8

10

12

14

0.15820.1579000000000010.19380.56821.0841.3651.7672.0622.3722.6562.8413.0763.3283.4773.6343.8363.976

4.11899999999999

4.2414.3714.464.5294.5334.5354.541

0 0.511.52

2.533.54

4.555.56

6.577.58

8.599.510

10.51111.512

Kurva C6-VR1, VR2

FrekuensiTegangan

Tabel 15-4 Phase comparator frequencies

jumper set value TP4 frequency TP5 frequency OUT frequency

3

001 500 541 1,08

005 500 500 5

015 500 500 15

025 500 500 25

035 500 500 35

045 500 500 45

055 500 500 55

065 500 500 65

4

075 500 500 75

085 500 500 85

095 500 500 95

100 500 500 100

5

200 500 500 200

300 500 500 300

400 500 500 400

500 500 500 500

600 500 500 600

700 500 500 700

800 500 500 800

900 500 500 900

999 500 500 999

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 210

200

400

600

800

1000

1200

set valueTP4 frequencyTP5 frequencyOUT frequency

Data ke-

Nila

i

3. PEMBAHASAN

Dalam bahasan ini ialah percobaan menggunakan modul KL-93005 yaitu membahas

mengenai frequency synthesizer. Frequency synthesizer sendiri merupakan suatu sumber

frekuensi (frequency source) yang frekuensi outputnya sama dengan frekuensi input dikalikan

suatu bilangan integer tertentu. Di dalam frequency synthesizer ini, tersusun beberapa blok

rangkaian, antara lain PLL (phase locked loop), VCO (voltage controlled oscillator), phase

detector dan divide-N counter (rangkaian counter pembagi N).

Gambar dari rangkaian modul KL 93005 frequency synthesizer adalah seperti berikut

Figure 15-13 KL-93005 module

Figure 15-2 Block diagram of typical frequency synthesizer

Typical Frekuensi Synthesizer Gambar 15-2 menunjukkan diagram blok dari

synthesizer frekuensi langsung. Frekuensi referensi fr ke input referensi dari rangkaian PLL

adalah osilator kristal frekuensi fx dibagi oleh M. Seperti disebutkan sebelumnya, frekuensi

output dari synthesizer frekuensi dihitung dengan persamaan fo = N.fr.

Kelemahan utama dari synthesizer frekuensi khas adalah keterbatasan frekuensi pembagi

diprogram. Frekuensi operasi maksimum pembagi diprogram tersedia di pasar hanya beberapa

puluh MHz. Hal ini membatasi frekuensi output maksimum frekuensi synthesizer. Untuk

mengatasi kerugian ini jenis berikut synthesizer frekuensi dapat dipilih.

a. Percobaan pertama

Percobaan yang pertama dilakukan adalah mengukur nilai frekuensi dan

perbandingannya dengan tegangan input VCO (VCO input voltage vs output frequency

characteristic). Percobaan ini terbagi menjadi 3, dengan menggunakan 3 buah kapasitor yang

berbeda nilainya, yaitu C4 (2700 pF), C5 (180 pF) dan C6 (3 pF). Dan tiap-tiap percobaan

terbagi lagi menjadi 2, yaitu ketika dihubungkan dengan VR1 saja serta ketika VR1 dan VR2

dihubungkan. Nilai VR1 yang digunakan adalah 10KΩ dan VR2 sebesar 1,4MΩ. Berikut

ditunjukkan bagian-bagian yang digunakan dalam percobaan ini.

Lingkaran merah A menunjukkan bagian dari rangkaian untuk merubah nilai

kapasitor yang akan dipakai (C4, C5, C6), lingkaran B merupakan bagian dari rangkaian

untuk menghubungkan VR1 dan VR2, lingkaran C sebagai soket masukan VCO input untuk

memberikan nilai tegangan 0-12 Vdc dan lingkaran D sebagai output dari VCO yang akan

diukur nilai frekuensinya.

Berdasarkan data pengamatan yang diperoleh, dapat disimpulkan bahwa nilai

frekuensi keluaran VCO berbanding lurus dengan nilai tegangan input VCO. Namun

perbedaan terlihat jelas pada nilai frekuensi keluaran saat nilai kapasitor diganti, sehingga

dapat ditarik suatu kesimpulan bahwa semakin kecil nilai kapasitor yang dipakai pada VCO,

maka nilai frekuensi keluaran yang dihasilkan akan semakin besar.

Sementara nilai frekuensi dari ketiga percobaan yang dilakukan berbeda ketika

dipasang VR1 dan ketika dipasang VR1-VR2, perbedaannya yang jelas terlihat pada rentang

0-1 Vdc, nilai pada kondisi ini memiliki perbedaan yang cukup tinggi dibandingkan dari

rentang lainnya. Hal ini mungkin terjadi karena saat hanya diberikan VR1 dan inputan VCO

saja belum mampu membangkitkan frekuensi keluaran, walaupun ada nilainya terlalu kecil.

Berbeda dengan saat diberi tambahan VR2, karena ada tambahan tegangan dari pin 12 maka

VCO mampu membangkitkan frekuensi keluaran.

b. Percobaan kedua

Percobaan kedua adalah mengenai pengukuran signal frequencies of phase

comparator. Dengan rangkaian yang digunakan adalah sebagai berikut:

Lingkaran A-B-C-D merupakan posisi jumper yang harus dihubungkan dan khusus

untuk bagian B, merupakan jumper yang diganti-ganti sesuai dengan set value yang ada di

tabel pengamatan. Lingkaran E-F-G merupakan titik pengukuran, dengan E adalah TP4, F

adalah TP8 dan G adalah output dari VCO.

TP4 dan TP8 merupakan keluaran dari sumber frekuensi referensi yang akan menjadi

inputan phase comparator PLL dan keluaran dari phase comparator inilah yang akan menjadi

inputan bagi VCO. Karena TP4 dan TP8 adalah keluaran dari rangkaian pembagi frekuensi,

maka seharusnya nilai keduanya adalah sama dan apabila berbeda, tingkat perbedaannya

haruslah kecil. Seperti yang terlihat pada data pengamatan, walau terdapat perbedaan antara

nilai TP4 dan TP8, perbedaannya tidak terlalu besar. Berdasarkan data pengamatan yang

diperoleh, nilai frekuensi output akan semakin besar seiring dinaikannya nilai set value dan

perbandingan nilai input phase comparator adalah sama atau mendekati sama.

Secara umum, prinsip kerja dari phase locked loop adalah dua buah sinyal dikatakan

memiliki frekuensi yang sama bila beda fasa antara keduanya selalu tetap. Bila misalnya

frekuensi VCO berubah maka beda fasa antara osilator kristal dan VCO akan berubah.

Perubahan beda fasa ini kemudian oleh detektor fasa dikonversi menjadi perubahan tegangan

error. Tegangan error berupa deretan pulsa-pulsa ini kemudian dilewatkan ke rangkaian low

pass filter sehingga menjadi tegangan DC yang benar-benar rata. Selanjutnya perubahan

tegangan DC yang sudah rata ini diberikan pada varaktor sehingga frekuensi VCO kembali

seperti semula. Dengan cara ini maka frekuensi VCO akan “terkunci” (locked) dan selalu

sama dengan frekuensi osilator kristal. Berhubung osilator kristal sangat stabil maka frekuensi

VCO dengan sendirinya akan ikut stabil. Inilah prinsip kerja PLL (gambar c).

Dalam gambar (d) frekuensi referensi (fr) berasal dari osilator kristal yang telah

dibagi (oleh rangkaian pembagi frekuensi) dengan bilangan pembagi = R. Sementara itu,

sebelum dibandingkan dengan frekuensi referensi (fr), frekuensi output VCO (fo) juga dibagi

dengan bilangan pembagi = N. Pada saat sistem PLL ini dalam keadaan terkunci (locked)

maka fr = fo / N atau dengan kata lain :

fo = N . fr.

Berdasarkan persamaan ini maka fo akan mudah dibuat variabel dengan mengubah

besarnya bilangan N, dimana N adalah bilangan bulat dan fr adalah satuan terkecil dari

perubahan fo. Satuan terkecil ini sering disebut step. Dengan demikian mudah di dihitung :

Bila fr = 100 kHz maka fo = N. 100 kHz.

Bila fr = 10 kHz maka fo = N . 10 kHz

Bila fr = 1 kHz maka fo = N . 1 kHz, dst.

N adalah bilangan bulat, bukan pecahan, dan N bisa bernilai 1 hingga tak berhingga.

Dalam praktek umumnya N ditentukan oleh lebar frekuensi kerja VCO, karena tidak ada

VCO yang mampu bekerja pada frekuensi nol hingga tak berhingga.

Lebar frekuensi VCO ditentukan oleh karakteristik varaktor yang digunakan. Nilai

kapasitansi varaktor dalam PLL ditentukan oleh tegangan error yang dihasilkan detektor fasa

yang besarnya berkisar antara 0 – 5 volt, mengingat detektor fasa umumnya dibangun dari

TTL (Transistor Transistor Logic) yang beroperasi pada tegangan 5 volt. Variasi tegangan

error ini akan menentukan lebar frekuensi kerja VCO. Terkadang variasi tegangan 0 - 5 volt

sering dirasa kurang. Untuk mendapatkan variasi tegangan yang lebih lebar (misalnya 0 - 15

volt) dibutuhkan sebuah DC Amplifier sehingga akan diperoleh frekuensi kerja VCO yang

lebih lebar.

Kesimpulan penting yang bisa diambil dari sini adalah bahwa frekuensi output PLL

sangat stabil (se-stabil frekuensi kristal) tapi sekaligus dapat diubah-ubah dengan amat

mudah, cukup dengan mengubah besarnya bilangan pembagi (N).

4. Kesimpulan

Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, dapat ditarik kesimpulan sebagai

berikut:

1. Rangkaian frequency synthesizer ini, tersusun beberapa blok rangkaian, antara lain

PLL (phase locked loop), VCO (voltage controlled oscillator), phase detector dan

divide-N counter (rangkaian counter pembagi N).

2. Semakin kecil nilai kapasitor yang dipakai pada VCO (pin 6-7) , maka nilai frekuensi

keluaran yang dihasilkan akan semakin besar.

3. Pada percobaan signal frequencies of phase comparator, nilai frekuensi output akan

semakin besar seiring dinaikannya nilai set value dan perbandingan nilai input phase

comparator adalah sama atau mendekati sama.

4. Frekuensi output PLL sangat stabil (se-stabil frekuensi kristal) tapi sekaligus dapat

diubah-ubah dengan amat mudah, cukup dengan mengubah besarnya bilangan

pembagi (N).

Referensi :

http://id.wikipedia.org/wiki/PLL diakses tanggal 9 November 2012 pukul 19.00 WIB

http://sekawan-servis-electronic.blogspot.com/2010/11/pll-phase-locket-loops.html diakses

tanggal 9 November 2012 pukul 22.00 WIB

http://konversi.wordpress.com/2009/08/17/phase-locked-loop/ diakses tanggal 9 November

2012 pukul 18.50 WIB

http://www.datasheetarchive.com/CD4046BE-datasheet.html diakses tanggal 9 November

2012 pukul 19.00 WIB

http://www.2wijaya.com/phaselockloop.htm diakses terakhir tanggal 10 Desember 2012

pukul 16.00 WIB