Makalah PLL-Sulfikar Yasser Ira Wanda

Elektronika Telekomunikasi

Makalah Phase Locked Loop & Aplikasinya

Disusun oleh : SULFIKAR YASSER RAMADHAN AYU WANDASARI SAPRILA THANA

(322 12 075) (322 12 062) (322 12 069) (322 12 065)

PROGRAM STUDI TEKNIK TELEKOMUNIKASI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG MAKASSAR 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 PhaseLocked 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

Ditentukan 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 perbedaan phase detector

phase. Sudut

mengatur dirinya sendiri untuk menghasilkan yang akan menghasilkan output nol dari mungkin

atau

tergantung pada jenis

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

harus 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 bagian-bagian 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 =

. 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 dengan nol apabila dan

sama dengan

dengan Ve sama

untuk jenis sinusoidal dan triangular

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 memperkecil feedback

perbedaan

pada

VCO mengubah frekuensi

antara signal

dari VCO. Bila

reference

loop menjadi

dengan

locked,

ke arah signal

maka control

voltage berada pada posisi dimana frekuensi rata-rata 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 berubahubah 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)