PHASE-LOCKED LOOP FIG 13.27 DAN 13.28

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Problem

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

1. Pendahuluan (kembali)

Dalam dunia teknik elektro, khususnya dalam bidang elektronika dan telekomunikasi, kestabilan frekuensi dan sinkronisasi sinyal sangat penting untuk menjamin kinerja sistem yang andal. Salah satu rangkaian penting yang mampu memenuhi kebutuhan ini adalah Phase Locked Loop (PLL).

Phase Locked Loop adalah sebuah sistem kontrol umpan balik yang bertujuan untuk menyamakan frekuensi dan fase antara sinyal keluaran dengan sinyal masukan. Rangkaian PLL banyak digunakan dalam perangkat elektronik modern seperti radio FM, sistem komunikasi digital, modem, frekuensi sintetis (frequency synthesizer), serta sinkronisasi jam (clock synchronization) dalam sistem mikroprosesor.

Secara umum, PLL terdiri dari tiga blok utama, yaitu phase detector, low pass filter, dan voltage controlled oscillator (VCO). Phase detector membandingkan fase sinyal input dengan sinyal dari VCO. Hasil perbandingan ini disaring oleh low pass filter menjadi sinyal DC, yang kemudian digunakan untuk mengatur frekuensi keluaran dari VCO. Proses ini berlangsung terus-menerus sehingga sistem "terkunci" pada frekuensi dan fase yang sesuai.Melalui percobaan dan simulasi PLL, mahasiswa diharapkan mampu memahami bagaimana sebuah sinyal dapat dikontrol dan distabilkan menggunakan prinsip kontrol umpan balik. Selain itu, pemahaman konsep PLL juga menjadi dasar penting dalam mengembangkan teknologi komunikasi dan sistem kendali modern yang presisi.

Phase Locked Loop (PLL) merupakan salah satu sistem umpan balik yang digunakan untuk menyinkronkan fase dan frekuensi antara dua sinyal. Dalam dunia teknik elektro, PLL banyak diaplikasikan pada sistem komunikasi, demodulator FM, pengendalian motor, dan penghasil frekuensi stabil. Rangkaian PLL terdiri dari komponen-komponen seperti Phase Detector, Low Pass Filter, dan Voltage Controlled Oscillator (VCO). Melalui percobaan ini, kita akan mempelajari prinsip kerja PLL dengan menggunakan IC NE565 yang disimulasikan pada software Proteus.

2. Tujuan (kembali)

1)  Mempelajari prinsip kerja dasar Phase Locked Loop (PLL).

2)  Memahami fungsi IC NE565 sebagai PLL.

3)  Melakukan simulasi dan analisis terhadap dua konfigurasi PLL yang berbeda di Proteus.

4)  Mengamati respon rangkaian terhadap perubahan masukan.

5)  Mensimulasikan rangkaian PLL menggunakan perangkat lunak Proteus.

3. Alat dan Bahan (kembali)

A) ALAT

1)  Multimeter

Alat ukur untuk mengukur besar Tegangan dalam satuan Volt

Alat ukur untuk mengukur besar Arus dalam satuan Ampere

2)  Sumber tegangan (DC atau sinyal dari function generator)

3)  Software

4)  osilloskop

B) BAHAN

1)  Amplfier

 

2)  IC 7490

 

3)  IC 565

4)  Resistor

5)  Kapasitor

4. Dasar Teori (kembali)

a.   Phase Locked Loop (PLL)

Phase Locked Loop (PLL) adalah suatu sistem elektronik yang memiliki cara kerja sebagai control dengan model sekema feedback. Denagn menggunakan system tersebut maka secara otomatis fasa sinyal yang di bangkitkan pada output system menyesuaikan sinyal inputnya. PLL (Phase-Locked Loop) dimulai dengan frekuensi referensi kristal stabil (XTAL). Penghitung R membagi frekuensi ini ke frekuensi yang lebih rendah, yang disebut frekuensi pembanding (Fcomp). Hal ini merupakan salah satu input ke pendeteksi fase. Detektor fase pada frekuensi tertentu mengeluarkan arus yang memiliki nilai rata-rata yang sebanding dengan fasa yang tidak di harapkan antara frekuensi pembanding dan frekuensi output, setelah dibagi oleh pembagi N. Konstanta proporsionalitas disebut Kfi, Konstanta ini ternyata merupakan besaran arus yang dapat diisi atau suplay oleh pompa muatan. Meskipun secara teknis sesuai untuk membagi faktor ini dengan 2phi, namun itu tidak diperlukan karena dibatalkan oleh faktor2phi yang berasal dari gain VCO untuk semua persamaan. Jadi secara teknis, satuan Kfi dinyatakan dalam mA / (2phi radian).

Dasar Struktur PLL

Jika mengambil rata-rata nilai arus DC dari detektor fase dan mengalikannya dengan impedansi dari loop filter Z (s), maka tegangan input ke VCO (Voltage Controlled Oscillator) dapat ditemukan. VCO adalah konverter tegangan ke frekuensi dan memiliki konstanta proporsionalitas Kvco. Perhatikan bahwa filter loop adalah low pass filter, yang sering diimplementasikan dengan komponen diskrit. Tegangan tuning ini mengatur fasa keluaran VCO, sehingga fasanya ketika dibagi dengan N maka sama dengan fase frekuensi pembanding. Karena fase adalah integral frekuensi, ini berarti bahwa frekuensi juga akan dicocokkan, dan frekuensi output akan di rumuskan sebagai berikut :

Ini hanya berlaku ketika PLL dalam keadaan terkunci, ini tidak berlaku selama waktu ketika PLL memperoleh frekuensi baru. Untuk aplikasi yang diberikan, R biasanya tetap dan nilai N dapat diubah dengan mudah. Jika seseorang mengasumsikan bahwa N dan R harus berupa bilangan bulat, maka ini berarti PLL hanya dapat menghasilkan frekuensi yang merupakan kelipatan Fcomp. Untuk alasan ini, banyak orang berpikir bahwa Fcomp dan jarak saluran adalah sama. Meskipun ini sering terjadi, ini belum tentu benar. Untuk N PLL pecahan, N tidak terbatas pada bilangan bulat, dan oleh karena itu frekuensi pembanding dapat dipilih menjadi jauh lebih besar daripada jarak kanal. Ada juga kasus-kasus yang kurang umum di mana frekuensi perbandingan dipilih lebih kecil dari jarak saluran untuk mengatasi pembatasan pada nilai-nilai yang diijinkan dari N karena prescaler. Secara umum, lebih disukai untuk memiliki frekuensi pembandingan setinggi mungkin untuk kinerja optimal.

b.   Osiloskop 

adalah alat ukur elektronik yang berfungsi untuk memproyeksikan frekuensi dan sinyal listrik dalam bentuk grafik.

     1)       Tombol/Sakelar dan Indikator Osiloskop

2)       Tombol Power ON/OFF                
Tombol Power ON/OFF berfungsi untuk menghidupkan dan mematikan Osiloskop

3)       Lampu Indikator   
Lampu Indikator berfungsi sebagai Indikasi Osiloskop dalam keadaan ON (lampu Hidup) atau OFF (Lampu Mati)

4)       ROTATION
Rotation pada Osiloskop berfungsi untuk mengatur posisi tampilan garis pada layar agar tetap berada pada posisi horizontal. Untuk mengatur rotation ini, biasanya harus menggunakan obeng untuk memutarnya.

5)       INTENSITY
Intensity digunakan untuk mengatur kecerahan tampilan bentuk gelombang agar mudah dilihat.

6)       FOCUS
Focus digunakan untuk mengatur penampilan bentuk gelombang sehingga tidak kabur

7)       CAL 
CAL digunakan untuk Kalibrasi tegangan peak to peak (VP-P) atau Tegangan puncak ke puncak.

8)       POSITION
Posistion digunakan untuk mengatur posisi Vertikal (masing-masing Saluran/Channel memiliki pengatur POSITION).

9)       INV (INVERT)                 
Saat tombol INV ditekan, sinyal Input yang bersangkutan akan dibalikan.

10)   Sakelar VOLT/DIV                       
Sakelar yang digunakan untuk memilih besarnya tegangan per sentimeter (Volt/Div) pada layar Osiloskop. Umumnya, Osiloskop memiliki dua saluran (dual channel) dengan dua Sakelar VOLT/DIV. Biasanya tersedia pilihan 0,01V/Div hingga 20V/Div.

11)   VARIABLE
Fungsi Variable pada Osiloskop adalah untuk mengatur kepekaan (sensitivitas) arah vertikal pada saluran atau Channel yang bersangkutan. Putaran Maksimum Variable adalah CAL yang berfungsi untuk melakukan kalibrasi Tegangan 1 Volt tepat pada 1cm di Layar Osiloskop.

12)   AC – DC   
Pilihan AC digunakan untuk mengukur sinyal AC, sinyal input yang mengandung DC akan ditahan/diblokir oleh sebuah Kapasitor. Sedangkan pada pilihan posisi DC maka Input Terminal akan terhubung langsung dengan Penguat yang ada di dalam Osiloskop dan seluruh sinyal input akan ditampilkan pada layar Osiloskop.

13)   GND
Jika tombol GND diaktifkan, maka Terminal INPUT akan terbuka, Input yang bersumber dari penguatan Internal Osiloskop akan ditanahkan (Grounded).

14)   VERTICAL INPUT CH-1 
Sebagai VERTICAL INPUT untuk Saluran 1 (Channel 1)

15)   VERTICAL INPUT CH-2             
Sebagai VERTICAL INPUT untuk Saluran 2 (Channel 2)

16)   Sakelar MODE      
Sakelar MODE pada umumnya terdiri dari 4 pilihan yaitu CH1, CH2, DUAL dan ADD.
CH1=Untuk tampilan bentuk gelombang Saluran 1 (Channel 1).
CH2=Untuk tampilan bentuk gelombang Saluran 2 (Channel 2).
DUAL = Untuk menampilkan bentuk gelombang Saluran 1 (CH1) dan Saluran 2 (CH2) secara bersamaan.          
ADD = Untuk menjumlahkan kedua masukan saluran/saluran secara aljabar. Hasil penjumlahannya akan menjadi satu gambar bentuk gelombang pada layar.

17)   x10 MAG  
Untuk pembesaran (Magnification) frekuensi hingga 10 kali lipat.

18)   POSITION
Untuk penyetelan tampilan kiri-kanan pada layar.

19)   XY
Pada fungsi XY ini digunakan, Input Saluran 1 akan menjadi Axis X dan Input Saluran 2 akan menjadi Axis Y.

20)   Sakelar TIME/DIV
Sakelar TIME/DIV digunakan untuk memilih skala besaran waktu dari suatu periode atau per satu kotak cm pada layar Osiloskop.

21)   Tombol CAL (TIME/DIV)
ini berfungsi untuk kalibrasi TIME/DIV

22)   VARIABLE
Fungsi Variable pada bagian Horizontal adalah untuk mengatur kepekaan (sensitivitas) TIME/DIV.

23)   GND
GND merupakan Konektor yang dihubungkan ke Ground (Tanah).

24)   Tombol CHOP dan ALT    
CHOP adalah menggunakan potongan dari saluran 1 dan saluran 2.
ALT atau Alternate adalah menggunakan saluran 1 dan saluran 2 secara bergantian.

25)   HOLD OFF
HOLD OFF untuk mendiamkan gambar pada layar osiloskop.

26)   LEVEL
LEVEL atau TRIGGER LEVEL digunakan untuk mengatur gambar yang diperoleh menjadi diam atau tidak bergerak.

27)   Tombol NORM dan AUTO

28)   Tombol LOCK

29)   Sakelar COUPLING          
Menunjukan hubungan dengan sinyal searah (DC) atau bolak balik (AC).

30)   Sakelar SOURCE  
Penyesuai pemilihan sinyal.

31)   TRIGGER ALT

32)   SLOPE

33)   EXT
Trigger yang dikendalikan dari rangkaian di luar Osiloskop.

c.        Resistor

Resistor merupakan komponen penting dan sering dijumpai dalam sirkuit Elektronik. Boleh dikatakan hampir setiap sirkuit Elektronik pasti ada Resistor. Tetapi banyak diantara kita yang bekerja di perusahaan perakitan Elektronik maupun yang menggunakan peralatan Elektronik tersebut tidak mengetahui cara membaca kode warna ataupun kode angka yang ada ditubuh Resistor itu sendiri.

Seperti yang dikatakan sebelumnya, nilai Resistor yang berbentuk Axial adalah diwakili oleh Warna-warna yang terdapat di tubuh (body) Resistor itu sendiri dalam bentuk Gelang. Umumnya terdapat 4 Gelang di tubuh Resistor, tetapi ada juga yang 5 Gelang.

Gelang warna Emas dan Perak biasanya terletak agak jauh dari gelang warna lainnya sebagai tanda gelang terakhir. Gelang Terakhirnya ini juga merupakan nilai toleransi pada nilai Resistor yang bersangkutan.

Tabel dibawah ini adalah warna-warna yang terdapat di Tubuh Resistor :

TABEL WARNA RESISTOR

Perhitungan untuk Resistor dengan 4 Gelang warna : 

Cara menghitung nilai resistor 4 gelang:

1)       Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-1 (pertama)

2)       Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-2

3)       Masukkan Jumlah nol dari kode warna Gelang ke-3 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10 (10n)

4)       Merupakan Toleransi dari nilai Resistor tersebut

Contoh pembacaan 4 gelang warna:

 

Gelang ke 1 : Coklat = 1

Gelang ke 2 : Hitam = 0

Gelang ke 3 : Merah = 2 nol dibelakang angka gelang ke-2; atau kalikan 100

Gelang ke 4 : Perak = Toleransi 5%

Maka nilai Resistor tersebut adalah 10 * 100 = 1.000 Ohm atau 1Kohm dengan toleransi 5%.

Perhitungan untuk Resistor dengan 5 Gelang warna :

 

Cara Menghitung Nilai Resistor 5 Gelang Warna:

1)   Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-1 (pertama)

2)   Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-2

3)   Masukkan angka langsung dari kode warna Gelang ke-3

4)   Masukkan Jumlah nol dari kode warna Gelang ke-4 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10 (10n)

5)   Merupakan Toleransi dari nilai Resistor tersebut

Contoh pembacaan 5 gelang warna:

Gelang ke 1 : Merah = 2

Gelang ke 2 : Merah = 2

Gelang ke 3 : Hitam = 0

Gelang ke 4 : Hitam = 0 nol dibelakang angka gelang ke-3; atau kalikan  0

Gelang ke 5 : Emas = Toleransi 5%

Maka nilai Resistor tersebut adalah 220 * 1 = 220 Ohm dengan toleransi 5%.

Contoh-contoh perhitungan lainnya :
Merah, Merah, Merah, Emas → 22 * 10² = 2.200 Ohm atau 2,2 Kilo Ohm dengan 5% toleransi
Kuning, Ungu, Orange, Perak → 47 * 10³ = 47.000 Ohm atau 47 Kilo Ohm dengan 10% toleransi

Cara menghitung Toleransi :

2.200 Ohm dengan Toleransi 5% =

2200 – 5% = 2.090

2200 + 5% = 2.310

ini artinya nilai Resistor tersebut akan berkisar antara 2.090 Ohm ~ 2.310 Ohm

 

d.   IC LM565

IC LM565 adalah rangkaian terpadu (IC) yang berfungsi sebagai Phase Locked Loop (PLL), terdiri dari tiga blok utama: Phase Detector (PD), Low Pass Filter (LPF), dan Voltage Controlled Oscillator (VCO).

Fungsi utama PLL adalah menyinkronkan frekuensi dan fase sinyal keluaran VCO dengansinyal input referensi, sehingga dapat digunakan untuk deteksi fasa, penguncian frekuensi, atau demodulasi.

 

Komponen utama IC LM565:

·  Phase Detector: Membandingkan fase antara sinyal masukan dengan sinyal dari VCO dan menghasilkan tegangan error.

·     Low Pass Filter (LPF): Menyaring tegangan error agar menjadi sinyal DC yang halus.

·  Voltage Controlled Oscillator (VCO): Menghasilkan sinyal frekuensi yang dikontrol oleh tegangan dari LPF.

 

 Frekuensi bebas VCO (tanpa sinyal input) ditentukan oleh resistor dan kapasitor eksternal yang dihubungkan ke pin 8 dan 9. Rumusnya:

Pin penting pada LM565:

·      Pin 1 dan 10: Tegangan suplai negatif dan positif.

·      Pin 2 & 3: Input ke phase detector.

·      Pin 4: Output dari VCO.

·      Pin 5 & 7: Input kontrol ke VCO (tegangan hasil deteksi fase).

·      Pin 6: Tegangan referensi internal.

·      Pin 8 & 9: Untuk resistor dan kapasitor timing pengatur frekuensi VCO.mRentang frekuensi kerja LM565 umumnya sampai 500 kHz tergantung nilai R dan C.

 

Aplikasi IC LM565:

·      Demodulasi FM dan FSK

·      Sinkronisasi sinyal digital

·      Pengontrol motor kecepatan tetap

·      Frekuensi sintetis (frequency synthesis)

·      Detektor fasa dalam sistem kontrol

e.   IC 7490 (Decade Counter / Mod-10 Counter)

IC 7490 adalah IC penghitung digital berbasis TTL (Transistor-Transistor Logic) yang bekerja sebagai modulo-10 (mod-10) counter atau decade counter. IC ini menghitung dalam sistem biner dari 0000 (0) hingga 1001 (9), lalu kembali ke 0000. Terdiri dari 4 flip-flop yang menghasilkan output digital pada pin Qa, Qb, Qc, dan Qd. Output yang dihasilkan berupa kode BCD (Binary Coded Decimal) yang merepresentasikan angka desimal 0 sampai 9 dalam bentuk biner 4-bit.

IC ini memiliki dua bagian penghitung, yaitu:

·     Pembagi 2 (flip-flop tunggal) – diaktifkan melalui pin CLKb (pin 1)

·     Pembagi 5 (flip-flop tiga) – diaktifkan melalui pin CLKa (pin 14)

 

Pin penting dan fungsinya:

·     Pin 14 (CLKa): Input clock untuk pembagi 5

·     Pin 1 (CLKb): Input clock untuk pembagi 2

·     Pin 2 & 3 (R1 & R2): Reset (aktif tinggi), menyetel output ke 0000

·     Pin 6 & 7 (S1 & S2): Set/preset (aktif tinggi), menyetel output ke 1001

·     Pin 5 (Vcc): Tegangan suplai (+5V)

·     Pin 8 (GND): Ground

·     Pin 12–9 (Qa–Qd): Output BCD

 

IC 7490 sering digunakan dalam rangkaian pembagi frekuensi, karena mampu mengubah n pulsa masukan menjadi 1 pulsa keluaran, dalam hal ini divided by 10. Aplikasi umum IC 7490:

·     Jam digital

·     Sistem penghitung detik dan menit

·     Display 7-segment

·     Pembagi frekuensi sinyal

Counter logika digital dalam mikrokontroler dan sistem digital

5. Prinsip Kerja [kembali]

Rangkaian yang digunakan merupakan implementasi dari sistem Phase Locked Loop (PLL) menggunakan IC NE565 yang diintegrasikan dengan IC penghitung (counter) 7490 dan rangkaian filter aktif berbasis op-amp NJU77000F.

Pada rangkaian pertama, 

Sinyal masukan diberikan melalui transistor NPN (2N2222) yang berfungsi sebagai penguat dan buffer sebelum diteruskan ke input dari IC NE565. IC NE565 bekerja sebagai PLL yang terdiri dari phase detector, low-pass filter internal, dan Voltage Controlled Oscillator (VCO). Ketika sinyal input dan sinyal keluaran VCO memiliki perbedaan fase, maka phase detector akan menghasilkan sinyal error berupa tegangan DC. Tegangan ini akan mengontrol frekuensi kerja VCO agar menyesuaikan diri dengan sinyal input. Proses ini akan terus berlangsung hingga VCO terkunci (lock-in) terhadap frekuensi input, sehingga output VCO mengikuti perubahan frekuensi input.

Keluaran dari VCO kemudian diberikan ke IC 7490, yang merupakan IC counter dekade (modulo 10). IC ini menghitung setiap 10 pulsa dari VCO dan menghasilkan satu pulsa keluaran, sehingga dapat digunakan untuk membagi frekuensi atau sebagai dasar untuk sistem penghitungan digital. Output dari IC 7490 juga dihubungkan ke switch rotary (SW1), yang berfungsi sebagai pengatur atau pemilih keluaran.

Pada rangkaian kedua,

sinyal input yang telah difilter masuk ke IC NE565 melalui kapasitor kopling, yang kemudian diproses oleh phase comparator. Setelah terjadi proses penguncian frekuensi antara input dan VCO, sinyal keluaran dari VCO diarahkan ke rangkaian filter aktif yang tersusun dari op-amp NJU77000F serta komponen RC (resistor dan kapasitor). Filter aktif ini berfungsi untuk meredam noise frekuensi tinggi dan menyaring hanya frekuensi kerja utama yang diinginkan. Dengan adanya filter ini, sinyal output yang dihasilkan menjadi lebih bersih dan stabil secara digital.

Secara keseluruhan, kedua rangkaian ini menunjukkan prinsip kerja PLL dalam menyelaraskan frekuensi input dengan VCO, serta bagaimana sinyal tersebut diproses lebih lanjut baik melalui sistem penghitung digital (counter) maupun sistem penyaring sinyal (filter aktif). Rangkaian ini dapat diaplikasikan pada berbagai sistem komunikasi, pengendalian frekuensi, maupun konversi sinyal analog ke digital.

7. Soal Latihan [kembali]

Jika frekuensi input ke NE565 adalah 10 kHz, berapakah frekuensi output dari IC 7490? Jelaskan!

Pembahasan:
IC 7490 adalah counter dekade (mod-10), artinya setiap 10 pulsa input akan menghasilkan 1 pulsa output. Jika frekuensi input dari VCO (yang sudah dikunci oleh sinyal 10 kHz) masuk ke pin clock IC 7490, maka:

Jadi, frekuensi output dari IC 7490 adalah 1 kHz.

8. Percobaan [kembali]

Langkah-Langkah Simulasi di Proteus:

1)       Buka Proteus → Pilih New Project.

2)       Cari dan ambil komponen:

IC NE565, IC 7490, Transistor 2N2222, Op-Amp NJU77000F

Resistor, kapasitor, dan sumber tegangan DC.

3)       Bangun Rangkaian Sesuai Gambar:

Hubungkan pin sesuai datasheet IC NE565:

·     Pin 2 & 3 = Input Phase Comparator

·     Pin 4 = Output VCO

·     Pin 5 = Control Voltage

·     Pin 6 = Reference

·     Pin 7 = Demodulator Output

·     Pin 8 = Ground

·     Pin 9 = Capacitor to Ground

·     Pin 10 = Vcc

·     Sambungkan komponen sesuai dengan skema pada dua gambar.

4)       Atur nilai komponen sesuai tabel di atas.

5)       Jalankan simulasi dengan klik tombol "Play".

6)       Amati output dari VCO dan hasil digital setelah comparator.

7)     Ubah nilai resistansi atau masukan dan amati perubahan respons sistem.

Rangkaian 13.27

     Vidio pembahasan 13.27

Rangkaian 13.28

    Vidio pembahasan 13.28

9. Download File [kembali]

Rangkaian 13.27 (Disini)

Rangkaian 13.28 (Disini)

Download Datasheet

Voltmeter [download]

Amperemeter [download]

NE565 [download]

74LS90 [download]

2N2222 [download]

[menuju awal]