Elektronika Telekomunikasi

MakalahPhase Locked Loop & Aplikasinya

Disusun oleh :

SULFIKAR (322 12 075)YASSER RAMADHAN (322 12 062)AYU WANDASARI (322 12 069)SAPRILA THANA (322 12 065)

PROGRAM STUDI TEKNIK TELEKOMUNIKASIJURUSAN TEKNIK ELEKTRO

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANGMAKASSAR

2013

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar belakang

Dunia Elektronika dan Telekomunikasi saat ini terus berkembang dari

waktu ke waktu. segi kreatif masing masing individu menghasilkan sebuah

Ide untuk memajukan Ilmu Pengetahuan contoh pada Bidang Elektronika

Telekomunikasi. Setiap individu biasanya menuangkan idenya dalam berupa

tulisan atau artikel ilmiah seperti ada Tulisan makalah ini yang membahas

mengenai Phase Locked Loop dan Aplikasinya dimana pada tulisan ini

membahas tentang teori Phase Locked Loop dan beberpa penerapan dalam

ilmu Elektronika Telekomunikasi. Phase Locked Loop merupakan sistem

kontrol loop tertutup yang memanfaatkan sesitifitas deteksi fasa antara dua

buah sinyal input (frekuensi), sistem PLL dapat di terapkan pada pembuatan

sebuah alat dan beberapa Aplikasi pada sistem elektronika.

1.2 Rumusan masalah

Apa itu Phase Lockep Loop ?

Aplikasi PLL yang diterapkan ?

1.3 Tujuan

Membantu dan mengetahui Phase Locked Loop dan beberapa Aplikasinya.

BAB 2

PEMBAHASAN

2.1 Phase Locked Loop (PLL)

PLL (Phase Locked Loop). Suatu sistem yang memungkinkan suatu

sinyal tertentu mengendalikan frekuensi sebuah osilator dalam sebuah

Lingkar yang terkunci. Frekuensi osilator dapat sama besar atau kelipatannya

dari frekuensi sinyal tersebut (selanjutnya disebut frekuensi-referensi). Kalau

frekuensi sinyal berasal dari sebuah osilator kristal maka frekuensi yang

lainnya dapat dijabarkan mempunyai stabilitas yang sama dengan frekuensi

kristal. Inilah yang dijadikan dasar dari pesintesis frekuensi atau Frequency

Synthesizer. Jika sinyal referensi mempunyai frekuensi yang berubah-ubah

(seperti dalam gelombang termodulasi-frekuensi); frekuensi oscilator loop

akan “mengikuti jejak” frrekuensi input tersebut; prinsip ini digunakan dalam

demodulator FM dan FSK, filter-filter “tracking”, dan instrumentasi RF.

Gambar 1 Cricuit Diagram PLL

Penerapan teknik “phase-locked” yang pertama kali adalah pada tahun

1932 untuk mendeteksi sinyal-sinyal radio secara sinkron, tetapi

pemakaiannya masih sedikit hingga akhir 1960. Di akhir tahun ini PLL atau

bagian-bagiannya telah tersedia dalam bentuk rangkaian terpadu (IC).

Rangkaian PLL yang paling sederhana yaitu terdiri dari sebuah VCO

(Voltage Control Oscillator), detektor fasa (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 fasa dari kedua sinyal sama, maka rangkaian ini disebut dengan Phase-

Locked Loop.

Gambar 2 Menunjukkan komponen-komponen dari suatu PLL.

Dengan anggapan bahwa loop tersebut dalam keadaan “terkunci”, frekuensi

dari sinyal input dan oscillator VCO adalah sama (fi = fc) dan perbedaan

phase relatifnya θi−θoDitentukan oleh karakteristik detector phase dan oleh

defiasi fi dari “frec tunning frekuency” fp VCO (ditetapkan dengan mengatur

Vd = 0). Jika sinyal input mempunyai frekuensi fi - ft maka tidak diperlukan

tegangan pengatur terhadap VCO, karenanya output detector phase yang

diperlukan adalah nol.

Phase VCO θomengatur dirinya sendiri untuk menghasilkan

perbedaan phase θd=θi−θoyang akan menghasilkan output nol dari detector

phase. Sudut θdmungkin π /2 atau π tergantung pada jenis rangkaian

detektor phasenya. Apabila frekuensi input berubah sehingga fi = ft, maka

perbedaan phase θdharus berubah cukup besar agar menghasilkan tegangan

pengatur Vd yang akan menggeser frekuensi VCO ke fo=ft. Suatu pembagi

frekuensi yang bisa dipilih menurut selera perancang, bisa disisipkan pada

loop tersebut di antara titik a dan b pada gambar 1. Apabila ratio pembagi

adalah n, frekuensi VCO adalah fo= nfi, tetapi tegangan yang diumpankan

kembali ke detector phase mempunyai frekuensi fi. Hal ini berarti VCO bisa

membangkitkan suatu kelipatan dari frekuensi input dengan phase yang tepat

sama di antara kedua tegangannya.

Gamabar 2 Komponen Dasar Phase Locked Loop

2.2 Analisa Phase Locked Loop

Gambar 3 Blok Diagram Phase Locked Loop dalam menganalisa

Phase Locked Loop (PLL) ialah suatu sistem kendali umpan balik negatif,

PLL secara otomatis akan menyesuaikan fasa dari suatu sinyal yang

dibangkitkan di sisi keluaran dengan suatu sinyal dari luar di sisi masukannya

[1], dengan kata lain, PLL akan menghasilkan sinyal keluaran dengan

frekuensi yang sama dengan sinyal masukan [2]. Blok diagram dasar dari

suatu PLL ditunjukkan pada Gambar diatas.

Pada  prinsipnya  Phase  Lock Loop  adalah  suatu  feedback  control

System yang rangkaiannya terdiri atas bagianbagian pokok sebagai berikut :

Phase Detector, Loop Filter, Voltage Controlled Oscillator (VCO).

1. Phase Detector

Peran   utama   dalam   PLL   dipegang   oleh  phase   detector  yang

bertugas membandingkan phase input signal dari VCO dengan suatu signal re

fe-rence dan sebagai outputnya adalah beda phase. Adanya beda phase akan

memberikan perbedaan voltage yang selanjutnya perbedaan voltage tersebut

difilter oleh loop filter dan di terapkan ke VCO

Pada keadaan loop terkunci, output dari detector phase adalah suatu

tegangan dc yang merupakan fungsi dari perbedaan phase Vd = θi−θo. Jika

frekuensi input fi sama dengan frekuensi “free-running” VCO fi, maka

tegangan pengatur Vd ke VCO harus 0; karenanya Ve harus nol. Dalam

detector-detektor phase yang biasa digunakan, Ve adalah fungsi sinusoidal,

triangular (segitiga) atau sawtoothed (gigi gergaji) dari θd dengan Ve sama

dengan nol apabila θd sama dengan π /2 untuk jenis sinusoidal dan triangular

dan π untuk jenis sawtooth..

Gambar 4 Karakteristik Phase Detector

2. Loop Filter

Loop FIlter digunakan untuk menghilangkan komponen ac dari

detector phase yang mana mengandung komponen ac dan dc. Filter loop

adalah lowpass filter, biasanya orde pertama, tetapi orde yang lebih tinggi

digunakan jika diinginkan penekanan terhadap komponen-komponen ac

dari output detector phase. dari lowpass filter, berfungsi untuk meredam

sinyal frekuensi tinggi keluaran dari PD sehingga memberikan tegangan

control dc yang bagus ke bagian VCO. LF bias saja tidak dipakai dalam

suatu PLL, ini akan menghasilkan yang disebut PLL orde 1, namun secara

konsep LF biasanya LF akan dimasukkan karena PLL akan bekerja

dengan baik akibat adanya proses lowpass filter didalamnya. Pemilihan

LF akan mempengaruhi dinamika dari PLL.

3. Voltage-Controlled Oscilator (VCO)

Voltage Controlled Oscillator (VCO), merupakan unit non-linear

yang akan membangkitkan suatu sinyal dimana frekuensinya ditentukan

oleh besarnya tegangan control di masukan VCO.

Control voltage pada VCO mengubah frekuensi ke arah

memperkecil perbedaan antara signal reference dengan signal

feedback dari VCO. Bila loop menjadi locked, maka control

voltage berada pada posisi dimana frekuensi ratarata signal feedback tepat

sama dengan frekuensi reference. 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 fasa dari kedua sinyal sama, maka rangkaian ini disebut

dengan Phase-Locked Loop.

Ketika berdiri sendiri, frekuensi output VCO sangat tidak stabil. Hal ini

disebabkan karena kapasitansi varaktor dan kapasitansi intrinsik di dalam

transistor yang digunakan, sangat dipengaruhi oleh suhu lingkungan. Bila suhu

berubah maka frekuensi VCO akan berubah, sehingga dinyatakan bahwa

frekuensi VCO tidak stabil. Ketidak-stabilan frekuensi VCO ini kemudian

diatasi dengan sistem PLL.

Perubahan suhu lingkungan umumnya berlangsung sangat lambat.

Ordenya bisa detik, menit atau jam. Perubahan yang lambat ini cukup mudah

diikuti oleh Low Pass Filter (LPF) di dalam PLL. Sebab time response dari LPF

ini telah sengaja dibuat lambat. Nah ketika frekuensi VCO berubah sedemikian

cepat maka LPF tidak mampu lagi mengikuti.

2.3 Aplikasi Phase Locked Loop (PLL)

Beberapa contoh Aplikasi pada Phase Locked Loop :

1. Aplikasi PLL TC9122 3.5MHZ

Gambar 5 Skema PLL TC9122 3MHZ-4MHZ

Cara Kerja Rangkaian Utama PLL Lihat rangkaian utama PLL disamping,

secara umum terdiri dari 4 buah blok unit utama, yaitu:1. VCO (Variable

Controlled Oscillator)2. Programabled Divider (TC9122)3. Clock

Reference Divider (TC5082)4. Phase Comparator (TC5081) Secara

umum cara kerja PLL adalah sebagai berikut:

Kita akan memulai siklus dari VCO. Misal VCO diharapkan beresonansi

pada frekuensi 10MHz, maka keluaran VCO ini yang berada pada kisaran

10MHz akan dibagi dengan Programabled Divider TC9122 (misal dengan

step 10KHz) sebesar 1000 (cara perhitungan 10MHz : 10KHz =

10.000.000), maka akan diperoleh keluaran berupa sinyal dengan

frekuensi sebesar 10KHz.

Clock Reference Divider TC5082 berfungsi untuk membagi clock

referensi dari frekuensi sebesar 10.240MHz menjadi 3 macam keluaran,

yaitu 2.5KHz, 5KHz dan 10KHz. Keluaran ini identik dengan step

up/down dari PLL kita.

Selanjutnya, sinyal keluaran dari TC9122 diatas sebesar

dibandingkan dengan sinyal keluaran dari TC5082 yang stepnya harus

matched dengan hasil pembagian diatas, yaitu step 10KHz. Kedua sinyal

ini selanjutnya phasenya dibandingkan oleh sebuah Phase Detector

TC5081. Bila kedua sinyal memiliki frekuensi yang sama persis, berarti

mereka tidak memiliki perbedaan phase atau disebut dengan kondisi

locked, maka TC5081 akan memberikan output berupa tegangan DC

sebesar 0 volt. Sebaliknya, bila kedua sinyal memiliki frekuensi yang

berbeda, maka mereka otomatis memiliki perbedaan phase, sehingga

TC5081 akan memberikan output tegangan DC lebih besar dari 0 volt

(maksimum 5 volt).

Tegangan DC ini kemudian diumpankan pada VCO melalui sebuah

diode varactor, yaitu diode yang memiliki kapasitansi dalam berubah-

ubah sesuai dengan besarnya tegangan mundur yang diumpankan dari

TC5081 tersebut, yaitu memiliki range antara 0-5 volt DC. Dengan

demikian, kita harus membuat VCO mampu bekerja pada band yang kita

inginkan dengan masukan tegangan pada varactor antara 0-5 volt.

Demikian seterusnya, siklus ini berjalan secara berkesinambungan,

sehingga frekuensi sinyal keluaran PLL terus dikoreksi oleh phase

detector, sehingga akan diperoleh kestabilan. Ini yang kita inginkan …

Menentukan Up/Down Step PLL dan Programabled Divider

Karena kenaikan (up) dan penurunan (down) dari PLL adalah diskrit,

maka kita perlu menentukan langkah/step up/down dari PLL yang akan

kita buat. ,

Penentuan step ini sangat bergantung kepada beberapa batasan

berikut: Pembagi Maksimum TC9122, yaitu pembagi antara 1-3999

Frekuensi Kerja VCO, diusahakan tidak lebih dari 14MHz, namun saya

coba sampai hampir 30MHz masih OK, Pemilihan Pin Step pada TC5082,

Step 2.5KHz pin 4, step 5KHz pin 6 dan step 10KHz pin 7, terhubung ke

pin 8 dari TC5081TC5082 Pin 4 <–> TC5081 Pin 8, maka Step 2.5

KHzTC5082 Pin 6 <–> TC5081 Pin 8, maka Step 5.0 KHzTC5082 Pin 7

<–> TC5081 Pin 8, maka Step 10 KHZ Untuk memperkecil step, misal

1KHz dapat anda tambahkan divider 10 kali, sehingga output clock

referensi adalah 1 KHz dengan menggunakan IC, misal TC4017. Namun,

hal ini tidak kita bahas disini. Membuat VCO . Catatan, tiap jenis diode

varactor memiliki defleksi capacitancy yang berbeda-beda, untuk itu

penggantian tipe varactor akan memberikan range kerja VCO yang

berbeda. Anda dapat bereksperimen dengan memparalel 2 atau lebih

diode varactor, paralel dan serial beberapa diode varactor untuk

mendapatkan range frekuensi yang dikehendaki.Beberapa hal yang sangat

perlu diperhatikan untuk memperoleh VCO yang cukup stabil, yaitu

mengusahakan pemilihan jenis capacitor pada tank circuit dengan

menggunakan capacitor kertas (biasanya disebut feeder) atau jenis NPO,

yaitu capacitor yang nilai kapasitansinya tidak drifted terhadap perubahan

suhu disekitarnya. Selain itu, penggunaan FET (Field Effect Transistor)

diharapkanlebih stabil dibandingkan dengan menggunakan BJT (Bipolar

Junction Transistor).Lain waktu akan saya ulas mengenai trik dalam

pembuatan VCO yang stabil, namun bila anda tidak sabar untuk

mengetahuinya, silakan untuk mencari melalui om google dengan

beberapa kombinasi keyword sbb (Istilah VCO adalah identik dengan

VFO, Variable Frequency Oscillator) Membuat Programabled Divider

(TC9122) Angka pembagi pada IC TC9122 ini adalah dikodekan dengan

BCD (Binary Coded Desimal), atau artinya bilangan desimal yang

dikodekan menjadi 4 digit bilangan binary, Angka Satuan diwakili oleh

pin 3 s/d 6, Angka Puluhan diwakili oleh pin 7 s/d 10, Angka Ratusan

diwakili oleh pin 11 s/d 14, Angka Ribuan diwakili oleh pin 15 s/d 16,

Contoh, untuk mendapatkan angka pembagi 1250, maka setting yang

dilakukan adalah:Ribuan = 1 [Pin16=0, Pin15=1]Ratusan = 2 [Pin14=0,

Pin13=0, Pin12=1, Pin11=0]Puluhan = 5 [Pin10=0, Pin9=1, Pin8=0,

Pin7=1]Satuan = 8 [Pin6=1, Pin5=0, Pin4=0, Pin3=0]

Susun rangkaian yang komponen utamanya adalah IC TC9122 ini, untuk

sementara sambungkan pin 3 s/d pin 16 dengan DIP Switch, dimana

nantinya DIP Switch ini akan digantikan dengan rangkaian logik

controller (akan dijelaskan pada bahasan lain). Jangan lupa catuan

maksimum untuk rangkaian PLL ini adalah 5 volt.

Pengetesan rangkaian dilakukan dengan hubungkan pin 2 TC9122

via coupling capacitor ke output VCO, ambil contoh output VCO adalah

sebesar 10MHz, kemudian pencacah/divider kita set 1000, dengan

frekuensi counter pada pin 17 harus mendapatkan pembacaan sebesar

10MHz : 1000 = 10KHz. Lakukan percobaan untuk nilai pembagi yang

lain. Namun ingat, karena PLL belum terintegrasi semuannya, maka

pembacaan ini kemungkinan belum stabil. Membuat Clock Reference

Divider (TC5082) Fungsi TC5082 disini yaitu untuk mencacah/membagi

clock referensi yang dibangkitkan oleh kristal 10.240MHz menjadi

2.5KHz (pin 4), 5KHz (pin 6) atau 10KHz (pin 7). Anda bisa melakukan

adjustment terhadap clock referensi ini dengan memutar trimpot capacitor

di kaki kristal, atau ada juga yang menggunakan diode varactor untuk

keperluan ini, silakan menyesuaikan sesuai kondisinya.

Dengan semua komponen terpasang, lakukan pengukuran

frekuensi pada beberapa pin berikut:- Pin 4 = 2.5KHz- Pin 6 = 5 KHz- Pin

7 = 10 KHz.

Tips :

1. Usahakan membuat VCO sestabil mungkin melalui pemilihan bahan

kapasitor dan transistor, merangkainya dengan hubungan sependek

mungkin, membungkus VCO dalam box metal tertutup untuk

menghindari interferensi serta perubahan suhu yang ekstrim dari luar,

tegangan DC stabil/regulated, Bila kondisi ini tercapai, maka keluaran

PLL kita akan memiliki noise yang cukup kecil, efeknya bisa anda

rasakan langsung pada saat receive maupun transmit, sinyal anda akan

linear dan bersih.

2. Perlu anda ketahui, proses pada seluruh bagian PLL akan memberikan

kontribusi noise terhadap keluaran PLL. Jadi bila dibandingkan dengan

keluaran VCO tanpa PLL, maka VCO memiliki keluaran yang lebih

“bebas noise”, efeknya bila digunakan pada RX atau TX akan memiliki

kualitas suara yang lebih bulat dan jernih. Sayang saya tidak memiliki

spectrum analyzer, sehingga tidak dapat menampilkan untuk anda.

Namun, tujuan kita disini adalah, sinyal dengan kestabilan frekuensi, nah

kalau masalah ini PLL lebih baik dibanding VCO biasa.

2. Aplikatif sebuah PLL Klasik yang bekerja pada FM-II 100-MHz

Gambar 6 Blok Diagram PLL klasik bekerja pada FM-II 100MHz

Bila dilihat dari fungsi masing-masing bagian diatas dapat

digambarkan bahwa frekuensi yang berada dalam “lingkar” tersebut

sangatlah stabil menyamai kestabilan frekuensi referensi dari osilator

kristal. Yang paling menentukan dari kualitas sebuah PLL adalah Respone

Time dari LPF dan Devider dan lebar bidang kerja dari VCO pada taraf

tegangan yang mengendalikannya.

Perancangan dari nilai komponen pembangun LPF sangat

menentukan terhadap keluaran PLL (VCO) secara langsung. Ketidak

tepatan akan menyebabkan Locking Time berlangsung cukup lama dan ini

merupakan indikasi unjuk kerja PLL yang kurang baik. Disamping juga

bisa menyebabkan terjadinya side-tone yang cukup mengganggu karena

akan ikut terbawa bersama gelombang pemodulasi pada Penerapan FM.

Devider biasanya diawali dengan sebuah pre-scaller karena 

kebanyakan n-devider tidak mampu bekerja pada pita FM-II. Dengan

demikian akan ada beberapa tahap devider sebelum sampai pada Phase

Detector dan ini dapat diatasi dengan pemakaian IC TTL karena kecepatan

kerjanya tidak diragukan lagi. Pada jenis PLL tertentu penentuan frekuensi

keluaran yang dikehendaki digunakan dua cara yaitu melalui n-devider

dan perubahan pada frekuensi referensi. Perubahan pada frekuensi

referensi tidak bisa sebebas n-devider mengingat  Q-factory yang sangat

tinggi dari kristal kuarsa yang hanya memungkinkan pergeseran selebar

2% dari frekuensi fundamental-nya. Cara ini biasa dan umum diterapkan

pada AM-SSB Transceiver dengan memasang Variable Capasitor secara

serial dengan kristal untuk melakukan Fine-Tuning.

Pemakaian kristal kuarsa sebagai osilator sudah sejak lama dipakai

mengingat Q-factory yang mencapai lebih dari 3000 dan kestabilannya

yang mengagumkan. Sebagai gambaran apabila digunakan jam/arloji yang

sumber detaknya terbuat dari kristal kuarsa maka untuk terlambat atau

lebih cepat 1 detik dibutuhkan waktu 300 tahun.

3. Aplikasi PLL dengan IC MC145151

Dalam IC ini sudah built-in Phase Detector, Oscillator Reference,

dan N Programmable Divider, sehingga dengan menambahkan sebuah

kristal, lowpass filter, dan VCO maka kita sudah dapat membangun

frequency synthesizer dengan PLL.

Gambar 7 Skematik IC MC145151

Kelebihan IC ini adalah kita dapat mengeset bilangan pembagi

untuk frekuensi kristal pada Oscillator Reference, dengan kemungkinan 8

angka pembagian. Mari kita lihat susunan pin IC ini: Fin : Frekuensi Input

( Pin 1 ). Frekuensi Output dari VCO diumpankan ke pin No. 1 ini. RA0 –

RA2 ( pin 5, 6, 7 ). Dari tiga pin ini kita bisa mengeset berapa nilai

pembagi ( 8 pilihan ) yang membagi frekuensi kristal Osilator referensi.

Gambar 8 Frekuensi Kristal Osilator Referensi

N0 – N11 ( pin 11 – 20 dan pin 22 – 25 )

N Programmable Divider, dari ini kita mengeset berapa nilai N. Perlu

dipasang resistor pull-up agar tercapai kondisi yang pasti pada logika 1.

OSCin – OSCout (pin 27 dan 26 ). Pada pin ini kita pasang kristal yang

akan menetukan berapa besar frekuensi Osilator Referensi setelah dibagi

oleh kombinasi tegangan pada RA0 – RA2.

PDout ( pin 4 )

Phase Detector out, dari pin ini keluar tegangan error yang

digunakan mengontrol frekuensi VCO setelah melalui Low Pass Filter. LD

( pin 28 )

Lock detector, akan bernilai High jika terjadi ”Lock ” dan Low jika

PLL tidak terkunci. VDD ( pin 3 ). Tegangan Positip power supply 3 – 9

Volt. VSS ( pin 2 )Dihubungkan dengan Ground.

Gambar 8 Typical Apllications

Cara kerjanya sebagai berikut: Frekuensi Kristal 2,048 MHz dibagi

bilangan 2048 ( lihat setting tegangan RA0 –RA2 ), menghasilkan

frekuensi referensi 1 KHz. C trimmer pada kristal untuk memastikan

frekuensi osilator referensi tepat I KHz. Sirkuit R dan C pada keluaran

PDout adalah merupakan Low Pass Filter. Untuk mendapatkan frekuensi

output VCO lock pada frekuensi 5 MHz ( 5000 KHz ), kita harus mengeset

kombinasi saklar N Programmable Divider pada bilangan 5000. Angka N

= 5000 ini didapat dari 5000KHz dibagi 1KHz.

Kesimpulannya:

Frekuensi Output VCO = Frekuensi Osilator referensi dikalai

dengan N. Pada contoh gambar untuk mendapatkan frekuensi out sebesar 5

MHz kita harus mengeset saklar programmable divider dengan posisi:

01110001000, darimana mendapatkan ? . posisi saklar pada gambar di atas

( perhatikan betul-betul gambar... ) adalah merupakan representasi

bilangan Biner dari bilangan desimal 5000 ( nilai N ). Untuk mengubah

frekuensi out VCO kita tinggal mengubah besarnya nilai N pada

Programmable divider.

4. Aplikasi Pengendali Kecepatan Putaran Motor Dc Berbasis Phase Locked

Loop

Pembuatan alat ini bertujuan untuk mengendalikan kecepatan putaran

motor DC Dengan memanfaatkan sistem kendali phase locked loop. Alat

ini terdiri dari 5 empat blok rangkaian yaitu: Blok pengatur frekuensi

referensi menggunakan IC 4060, Blok pengendali PPL menggunakan IC

4046, Blok multivibrator monostabil menggunakan IC 4538, ekuivalen

VCO dan Blok pembagi terprogram menggunakan IC TC9122P. Blok

kendali PLL terdiri dari detektor fasa, low pass filter, dan VOC.

a. sistem lingkar fasa terkunci (phase locked loop)

Sistem lingkar fasa terkunci (phase locked loop) adalah suatu

rangkaian yang memberikan kemukinan sinyal acuan (referensi) luar

mengendalikan frekuensi dan fasa suatu osilator dalam dalam suatu

lingkar. Konsep dari sebuah phase locked loop adalah sebuah loop

feedback yang VCO secara otomatis tersinkronisasi (terkunci) ke periodic

input sinyal. Pengucian dari sistem PLL telah dipakai dalam aplikasi

sistem telekomunikasi (seperti frekuensi, amplitude, analog atau digital),

clock, dan pengontrol kecepatan motor. Konsep dari PLL itu sendiri

mempunyai 3 komponon yang terkait dalam feedback-loop, seperti gambar

diagram dibawah ini.

VOC adalah sebuah osilator, yang mempunyai frekuensi (Fosc),

output VOC (Vosc), dan sebuah signal masukan (Vi) adalah masukan fasa

detektor. Saat loop terkunci disignal masukan (Vi), frekuensi (Fosc) dari

keluaran VOC adalah tepet ke frekuansi (Fi) dari signal periodic,

Fosc=Fi

Hal tersebut dapat disebut denagan keadaan terkunci, di dalam fasa

detektor dapat dibandingkan beda fasa antara kedua input signal. Keluaran

dari fasa detektor terdapat sebuah filter pelewat bawah. Loop tersebut

ditutup dengan menghubungkan keluaran filter pelewat bawah ke masukan

VOC, yang berarti tegangan keluaran dari filter yang menggerakan VOC.

Hal yang paling mendasar dalam system PPL ini adalah system ini

tetap mempertahankan frekuensi yang telah terkunci (Fosc=Fi) antara

Vosc dan Vi walaupun frekuensi Fi masukan signal dipengaruhi oleh

waktu.

b. Motor DC

Motor DC merupakan mesin listrik arus searah yang merubah

energi listrik menjadi energi mekanik. Prinsip kerjanya didasarkan pada

hukum Lorentz, yang berbunyi: ’jika sepotong kawat berarus berada

didalam medan magnet homogen, maka kawat tersebut akan mengelami

gaya tolak yang arahnya ditentukan dengan aturan tangan kiri’

Aturan tangan kiri yang dimadsukan berbunyi: jika tangan kiri kita

terbuka dengan ibu jari tegak lurus dengan jari-jari yang lain ditempatkan

didilam medan magnet sedemikian rupa sehingga ggm (gaya gerak

magnet) menembus telapak tangan, ibu jari merupakan arah gaya

sedangkan jari-jari yang lain menunjukan arah arus listrik dalam kawat.

Prinsip kerja dari motor membutuhkan adanya garis-garis gaya

medan magnet (fluks), antara kutub yang berada di stator; penghantar yang

dialiri arus ditempatkan pada jangkar yang berada dalam medan magnet

tadi; lalu pada penghantar timbul gaya yang menghasilkan torsi. Gaya

yang dihasilkan oleh arus pada penghantar yang ditempatkan dalam suatu

medan magnet tergantung dari hal-hal berikut: kekuatan dari medan

magnet, harga dari arus melalui penghantar, dan panjang kawat yang

membawa arus.

Didalam motor DC terdapat dua kumparan. Satu kelompok

terdapat diarmatur, bagian mesin listrik yang berputar. Koneksi listrik

dihubungkan ke armatur dengan konduktor lunak disebut sikat-sikat

(brushes) yang kontak dengan konduktor tembaga axial pada batangan

armatur disebut komutator. Bagian kelompok lain disebut kumparan

medan yang tetap dan menghasilkan medan magnet yang berinteraksi

dengan magnet yang dihasilkan oleh kumparan armatur.

Jenis motorDC ini da yang berpenguatan sendiri ini pun

bermacam-macam, yaitu: shunt, seri, dan kompon (panjang atau pendek).

Torsi yang dibangkitkan oleh motor DC yang memutar jangkarnya

tergantung pada fluks yang dihasilkan oleh kutub utama, dan arus yang

mengalir pada belitan jangkar (Ia). Kecepatan pada motor DC dapat

dikendalikan dengan:

1. penggendalian resistansi medan, yang akan merubah besar arus ke

kumparan kutubnya sehingga gluks yang dihasilkan bervarisi,

2. pengendalian resistansi jangkar, yaitu menyisipkan rheostat pada untai

jangkar,

3. pengendali tegangan masuk jangkar.

Motor DC yang digunakan pada pembuatan alat ini mempunyai spesifikasi

sebagai berikut :

1. jenis motor DC yang digunakan adalah jenis motor DC minertia.

2. rentang kecepatan motor DC ini 3000 rpm.

3. tegangan masukan motor DC ini berkisar pada angka 14.8 V.

4. daya masukan motor DC 25.9 W.

Motor DC ini memiliki Rotary Encoder didalamnya, Rotary Encoder

berfungsi sebagai pengubah putaran menjadi sebuah putaran pulsa yang

dapat diolah, pulsa yang keluar dari Rotary Encoder adalah pulsa digital

yang cukup stabil.

c. Kerangka Berpikir

Pengendali kecepatan motor DC Berbasis phase locked loop, ini terdiri

dari perancangan rangkaian frekuensi referensi menggunakan IC 4060,

rangkain fasa detektor,low pass filter, dan VOC yang termuat dalam

sebuah chip IC 4046, multivibrator monostabil menggunakan IC 4538, dan

rangkaian pembagi terprogram menggunakan IC TC9122P, tampilan

lengkap dari rancangan ini dapat dilihat pada lampiran 1.

Detektor Fasa

Detektor fasa terdapat pada IC 4046 tersusun dari 2 buah fasa

komparator, VOC, pengikut sumber, dan sebuah dioda zener. Komparator

tersebut memiliki dua buah sinyal input Pca dan PCb input Pca dapat

langsung digunakan dengan cara, dikopel ke sinyal tegangan besar atau

secara tidak langsung dikopel dengan rangkaian kapasitor untuk sinyal

tegangan kecil. Fasa komperator 1 (gerbang EXOR) menghasikan sinyal

error digital PC 1out, dan mempertahankan fasa 90 bergantian diantara

frekuensi antara Pca dan PCb (disaat duty cycle 50%) fasa komparator 2

menghasilkan sinyal digital error, PC2out dan LD ( load data), dan

mempertahankan fasa 0 pergantian diantara Pca dan PCb. Linier VOC

menghasilkan sinyal keluaran (VOCout) yang frekuensinya ditentukan

oleh tegangan dari masukan VOCin, kapasitor dan resistor dihubungkan ke

pin CIa,Cib,R1 dan R2.

Keluaran pengikut sember (SFout) dengan tambahan resistor

digunakan pada saat dihubungkan sinyal VOCin tetapi tidak berpengaruh

pada prose lainnya. Masukan INHIBIT (INH) saat bernilai 1, VOC tidak

berfungsi dan pengikut sumber pengecil konsumsi daya yang dipakai.

Dioda zener dapat digunakan untuk menstabilkan tegangan sumber.

Pada keluara komparator fasa 1, jarak dari frekuensi yang PLL tangkap

tergantung dari jangkaun low pass filter dan jangkauan dapat dibuat

sebesar jarak tangkapanya.

Pembanding fasa 2 adalah sebuah pengontrol-tepian digital memory.

Berisi 4 buah flip-flop, pengontrol gerbang dan sebuah 3 state outputnya

yang berisikan tipe n dan p. Saat tipe n atau tipe p on maka ia akan pull up

ke VDD atau VSS dengan sendirinya.

Jika sinyal masukan frekuensi lebih besar dari komparator sinyal

masukan, maka keluaran tipe p akan on setiap waktu, kedua driver tipe p

dan n (3 state) off sesuai dengan waktu yang telah diatur jaka sinyal

masukan referensi lebih rendah maka, keluaran tipe n akan on, kedua

driver tipe p dan n off(3 state) off sesuai dengan waktu yang telah diatur.

Jika sinyal masukan frekuansi sama dengan komparator sinyal masukan,

tetapi posisi sinyal masukan lebih dahulu dari pada masukan sinyal

komparator dalam satu fasa. Jika bentuk siyal masukan komparator lebih

dhulu dari pada masukan pada satu fasa, maka keluaran tipe p on untuk

sesuai dengan beda fasa.

Detektor fasa adalah sebuah alat yang membandingkan dua buah

frekuensi input, menghasilkan keluarn yang dapat mengukur beda fasa.

Jika Fin tidk sama dengan Fvoc sinyal fasa error, setelah disaring dan

dikuatkan, menyebabkaan frekuensi VOC menyimpang dari Fin jika

kondisi sesuai, maka VOC akan cepat tersinkronisasi (lock) menuju Fin

dan tetap dengan sinyal input.

Pada keluaran (setelah disaring) detektor fasa berupa sinyal DC dan

kontrol masukan VOC adalah ukuran dari frekuensi masukan, dapat

diaplikasikan dalam pembuatan dekode sinyal dan deteksi FM keluaran

VOC biasanya memiliki nilai yang sama dengan Fin, yang menghasilkan

tiruan yang bersih dari Fin, namun tiruanya itu dapat menghasilkan noise.

Detektor fasa memiliki penguatan (Kp) sebesar 0,293 V/rad.

Filter Pelewat Bawah (Low Pass Filter)

Rangkaian Low Pass Filter digunakan untuk menapis osilasi yang

terjadi saat mengalami over shoot dan over down, selain itu berfungsi

untuk meratakan kebisingan keluaran dari rangkain detektor atau

komparator fasa jenis IC CMOS 4046 adalah suatu sinyal DC yang

besarnya sebanding dengan selisih fasa antara sinyal referensi Fr dan

keluaran pembagi terprogram Fo/N. Rangkaian Low Pass Filter.

Osilator Terkemudi Tegangan (Voltage Control Oscillator)

VOC membutuhkan sebuah kapasitor tambahan (CI) dan satu atau dua

buah resistor tambahan (R1 dan R2) resistor R1 dan kapasitor C1

menunjukan rentang frekuensi dan VOC mendapatkan frekuensi off set

jika dibutuhkan.

Jika terdapat input hi-z pada input berasal dari low pass filter pada pin

10 tersedia pengikut sumber jika digunakan maka diberikan resistor

menujukan VSS, jika tidak tersedia / digunakan maka diambang. Output

VOC (pin 4) , dapat langsung dihubungkan kekomparator input (pin 3)

atau kepembagi frekuensi. Logika low (0) pada inhibit (pin 5) mengatifkan

VOC dan pengikut sumber , sementara logika high (1) mengnonaktifkan

keduanya.

Rangkaian osilator terkemudian tegangan (VOC) IC PLL CMOS 4046.

frekuensi masukan pada low pass filter akan diloloskan hanya yang

mempunyai impendasi rendah , dilanjutkan ke VOCin yang akan melewati

proses osilasi pulsa sehingga keluaran dipin 4 diatur agar sama dengan

frekuensi referensi.

Keluaran pada low pass filter akan menggerakan VOC rentang

frekuensi pada keluaran VOC tergantung pada tegangan low pass filter.

Source Follower

Source follower (pengikut sumber) digunakan sebagai masukan untuk

VOC jika tidak adanya input lain dari low pass filter.

 

d. Blok rangkaian frekuesi referensi

Blok rangkaian pada alat penegendali motor DC berbasis digital, akan

menghasilkan frekuensi referinsi sebesar 200Hz. Frekuensi ini dihasilkan

dari pembagian nilai kristal yang digunakan yaitu sebesar 3,2768 MHz

dengan nilai bagi 2n pada IC 4060 dengan satuan Hz.

 

e. Blok multivibrator monostabil

Multivibrator monostabil digunakan untuk mendapatkan sebuah

keluaran dengan nilai duty cycle yang berbeda, namun frekuensi yang

sama. Keluaran frekuaensi yang diinginkan harus tetap tetapi Ton hingga

mendekati logika high.input dari multivibrator monostabil dihubungkan

langsung dengan output VCO.

SIMPULAN

Dari pembahasan di atas dapat di simpulkan :

Sistem Phase Locked Loop, kontrol loop tertutup yang memanfaatkan

sesitifitas deteksi fasa antara dua buah sinyal input (frekuensi),

Jika sinyal referensi mempunyai frekuensi yang berubah-ubah (seperti

dalam gelombang termodulasi-frekuensi); frekuensi oscilator loop akan

“mengikuti jejak” frrekuensi input tersebut; prinsip ini digunakan dalam

demodulator FM dan FSK, filter-filter “tracking”, dan instrumentasi RF.

Sistem Phase locked Loop dapat di terapakan berbagai aplikasi rangkaian

Elektronika

PPL terdiri dari Phase Detektor, Loop Filter, Voltage Controlled Osilator

Loop Filter (LF), umumnya adalah lowpass filter, berfungsi untuk

meredam sinyal frekuensi tinggi keluaran dari PD sehingga memberikan

tegangan control dc yang bagus ke bagian VCO.

DAFTAR REFERENSI

Kelompok 2. 2010. pengendali kecepatan putaran motor dc berbasis phase locked loop, (http://elreg-02.blogspot.com/2009/10/pertama_05.html, diakses 2 Desember 2013).

Bambang Sutaman. 2009. PLL TC9122 3.5MHZ , (http://sutaman.blogspot.com/2009/07/pll-tc9122-35mhz.html, diakses 2 Desember 2013).

Purwanto. 2009. Cara kerja PLL , (http://elektronika.web.id/elkav2/index.php?topic=936.0, diakses 2 Desember 2013).

Arwindra Rizqiawan. 2009. Phase-Locked loop, (http://konversi.wordpress.com/2009/08/17/phase-locked-loop/, diakses 2 Desember 2013)

Oprek Zone. 2010. PLL – Phase Locked Loop, Teori dan Aplikasi, (http://oprekzone.com/pll-phase-locked-loop-teori-dan-aplikasi/, diakses 2 Desember 2013)

Telkom Poltek Malang. 2010. PLL – APLIKASI PLL dengan IC MC145151, (http://elkakom.blogspot.com/2010/07/aplikasi-pll-dengan-ic-mc145151.html, diakses 2 Desember 2013)