40-80M PLL

40-80M PLL

[Warning: Bacaan panjang! siapkan diri anda dengan camilan dan minuman yang cukup]

Yaesu FT-180A merupakan sebuah perangkat transceiver yang didesain untuk keperluan komersial, bukan untuk amatir, sehingga memiliki band operasi yang agak nyleneh yaitu 1.6-18MHz bukannya 0.3-30MHz seperti pada umumnya.

Secara default dijual dengan hanya dilengkapi dengan filter USB dan AM, dan hanya dilengkapi dengan beberapa x’tal pada frekuensi yang biasanya bekerja bukan pada band amatir.

Untuk memodifikasi pesawat ini untuk keperluan amatir, maka beberapa hal berikut perlu anda pastikan ada/dilakukan:

Ugly Construction

Ugly Construction

1. Setting BPF (front end antenna) dan LPF (pasca RF amplifier) aktif semua untuk mode half-duplex. HAl ini dapat dilakukan dengan melakukan jumpering pada beberapa titik tertentu. Lebih jelasnya, silakan melihat manual FT-180A anda, saya tidak akan menjelaskannya disini. Bila jumpering ini benar, maka 6 saklar band akan  memiliki range frekuensi kerja sebagai berikut:

  • Channel 1 : 1.60 – 2.60 MHz
  • Channel 2 : 2.60 – 4.20 MHz
  • Channel 3 : 4.20 – 6.80 MHz
  • Channel 4 : 6.80 – 11.1 MHz
  • Channel 5 : 11.1 – 18.0 MHz
  • Channel 6 : 11.1 – 18.0 MHz (CMIIW)

Jadi untuk band 40M maka saklar pada posisi 4, dan untuk 80M pada posisi 2. Pastikan posisi saklar anda dan antenna anda sesuai dengan frekuensi kerjanya, sebab bila tidak maka pesawat anda dapat mengalami kerusakan !

During Tested

During Tested

2. Trafo BPF (front end antenna) telah terpasang untuk semua channel. Secara default semua channel tidak terpasang, karena pasangan trafo untuk masing-masing channel dijual secara terpisah sebagai option. Karena pasangan trafo ini sangat sulit dicari dan kalaulah ada harganya tidak sepadan dengan harga FT-180A, maka kita dapat menggunakan trafo IF yang ada dipasaran (misal: IF radio FM 10.7MHz – ferit biru) untuk keperluan ini. Tentunya dengan menyesuaikan dengan band kerja pada masing-masing channel. Hal ini dapat dilakukan dengan mengurangi jumlah lilitan, atau menambah
kurang besar kapasitansi paralel pad trafo IF tersebut. Disini tidak akan saya jelaskan lebih detail, nanti kalau ada waktu mungkin akan saya tulis terpisah.

3. Secara default, LPF (low pass filter) pasca RF Amplifier telah terinstal penuh untuk semua channel, jadi tidak perlu ada modifikasi pada bagian ini.

4. Mengganti Local Oscillator (LO) yang sebelumnya chanelized, dengan VCO (Variable Controlled Oscillator), PLL (Phase Locked Loop), AFC (Automatic Frequency Controller), atau jenis oscillator lainnya. Untuk keperluan ini, saya memilih PLL yang dipekerjakan pada band 40 dan 80 Meter, karena saya memiliki IC untuk membuat rangkaiannya.

Selanjutnya tulisan ini akan mengupas design dan pembuatan PLL. Supaya tidak terlalu panjang disetiap pembahasan, maka tulisan ini akan dipecah menjadi beberapa bagian utama, yaitu:

  • Rangkaian Utama PLL
  • Rangkaian Logik Controller
  • Display Frekuensi
  • Titik Injeksi PLL pada FT-180A

Rangkaian Utama PLL

Pada pembuatan PLL ini saya mengadopsi rangkaian yang saya peroleh dari:

Rangkaian PLL
http://yb1zdx.arc.itb.ac.id/data/orari-diklat/homebrew/pll/PLL-frekuensi-synthesiser.pdf
http://nic.unud.ac.id/~wiharta/elkom/materi/Phase Locked Loop.pdf
http://yb1zdx.arc.itb.ac.id/data/orari-diklat/homebrew/pll/pll-dari-yc0lzh.jpg

Rangkaian Digital Controller
http://www.elecfree.com/electronic/simple-digital-counter-by-4026/

Rangkaian Frekuensi Meter
http://homepage.eircom.net/%7Eei9gq/stab.html
http://ironbark.bendigo.latrobe.edu.au/~rice/

Dengan beberapa modifikasi, diantarannya adalah:

  • Rangkaian VCO dibuat untuk bekerja pada band 40M dan 80M, yaitu dengan mengganti nilai L dan C pada tank circuit VCO. Jenis komponen tidak terikat harus sama dengan rangkaian, yang penting cukup stabil dan mampu berosilasi pada frekuensi yang diinginkan.
  • Menambahkan LED indikator “LOCKED” atau “UNLOCKED” untuk memudahkan dalam tunning dan alignment PLL.
  • Modifikasi adjuster frekuensi pada Xtal Referensi dengan menggunakan trimpot capacitor, karena lebih murah.
  • PLL didesain bekerja untuk 2 Band, 40 dan 80M, yang dioperasikan dengan menggunakan saklar pada L tank circuit VCO.
  • Rangkaian digital controller, sehingga kita dapat UP/DOWN searching baik manual maupun semi otomatis.
  • Display frekuensi meter yang dibuat offset pada 10.7MHz. Artinya walaupun VCO berosilasi pada 3.6MHz, maka tampilan display akan menunjukkan angka 10.7 – 3.6MHz = 7.1 MHz (Band 40M), demikian juga untuk band 80M. Menggunakan microcontroller dan tampilan LCD untuk menambah estetika dari rangkaian PLL.

Menentukan Frekuensi Kerja PLL

PLL Schematic

PLL Schematic

Langkah pertama yaitu kita harus menentukan pada frekuensi berapa PLL harus beresonansi untuk bekerja di kedua band tersebut. Sesuai dengan manual book FT-180A, diketahui bahwa pesawat ini menggunakan metode single convertion superheterodyne, dengan IF Frekuensi 10.7MHz. Dengan menggunakan sedikit ilmu dari sistim transmisi radio, yaitu dengan menganalisa bentuk dan posisi spektrum pada domain frekuensi, yang bila saya jelaskan semuanya disini akan terlalu rumit, maka dengan tanpa modifikasi apapun pada Beat Frequency Oscillator (BFO) dan SSB Filter, pesawat ini dapat dipekerjakan pada band dan mode sebagai berikut:

  • Frekuensi kerja dibawah 10.7MHz dengan mode LSB (Lower Side Band), PLL bekerja di bawah 10.7MHz
  • Frekuensi kerja diatas 10.7MHz dengan mode USB (Upper Side Band), PLL bekerja di atas 10.7MHz
Locked Indicator

Locked Indicator

Dengan demikian, pesawat ini cocok digunakan untuk band amatir di Indonesia yaitu 40M & 80M mode LSB, serta band RAPI 11MHz mode USB … sebuah kebetulan yang menguntungkan kita. Hehehe …

Well, untuk band 40M (LSB) atau frekuensi 7.0 – 7.1MHz (LSB), maka PLL harus bekerja pada frekuensi:
f1 = 10.7 – 7.0 = 3.7MHz
f2 = 10.7 – 7.1 = 3.6MHz
PLL bekerja pada 3.6 – 3.7MHz

Untuk band 80M (LSB) atau frekuensi 3.5 – 3.9MHz (LSB), maka PLL harus bekerja pada frekuensi:
f1 = 10.7 – 3.5 = 7.2MHz
f2 = 10.7 – 3.9 = 6.8Mhz
PLL bekerja pada 6.8 – 7.2MHz

Jika anda ingin bekerja pada frekuensi RAPI 11.4 – 11.5MHz (USB), maka PLL harus bekerja pada frekuensi:
f1 = 10.7 + 11.4 = 22.1MHz
f2 = 10.7 + 11.5 = 22.2Mhz
PLL bekerja pada 22.1 – 22.2MHz (kita tidak akan bahas pembuatan PLL untuk frekuensi ini, namun prinsipnya sama)

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. Step minimum yang diperlukan supaya dapat mengcover seluruh band amatir pada mode SSB yaitu 2.5KHz, sebab bandwidth dari satu channel sinyal SSB adalah 2.5KHz. Step lebih besar yaitu 5KHz atau 10KHz diperlukan, bila kita akan melakukan searching pada band frekuensi secara kasar atau cepat.

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, show easy Man …
  • Pemilihan Pin Step pada TC5082, Step 2.5KHz pin 4, step 5KHz pin 6 dan step 10KHz pin 7, terhubung ke pin 8 dari TC5081
    TC5082 Pin 4 <–> TC5081 Pin 8, maka Step 2.5 KHz
    TC5082 Pin 6 <–> TC5081 Pin 8, maka Step 5.0 KHz
    TC5082 Pin 7 <–> TC5081 Pin 8, maka Step 10  KHz

Besarnya programable divider TC9122 untuk band di atas untuk beberapa step adalah sebagai berikut:

Rumus Programeabled Divider = Frekuensi VCO (Khz) / Step (Khz)

Kita akan mendapatkan hasil sebagai berikut (lihat frekuensi osilasi PLL untuk 40 & 80M di atas)

Divider Setting

Divider Setting

Dari tabel diatas terlihat pembagi tidak ada yang lebih besar dari 3999 atau batas kemampuan TC9122, jadi kita dapat menggunakan tiga jenis step untuk PLL ini.

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 / VFO

VCO Freq

VCO Freq

Tabel berikut adalah frekuensi VCO untuk bekerja pada band 40M dan 80M (cara perhitungan di atas). Penentu frekuensi osilasi pada rangkaian VCO adalah pada lilitan dan kapasitor pada tank circuit. Dalam kasus ini, saya membuat dua buah lilitan dengan induktansi berbeda.

Rangkaian ini menggunakan 1 VCO saja dengan saklar pada lilitan tank circuit, untuk meminimisasi jumlah komponen dan harga pembuatan. Ukuran L untuk masing-masing band diperlihatkan pada gambar.Dengan memasukkan tegangan DC pada range 0-5 Volt pada diode varactor, pastikan bahwa VCO mampu mencover seluruh band. Caranya, untuk tegangan 0 volt (ground) ukur dengan frekuensi counter, maka harus didapat frekuensi kurang atau sama dengan 3.6MHz untuk 40M dan 6.8MHz untuk 80M. Sementara, untuk tegangan DC sebesar 5 volt, maka harus didapat frekuensi lebih besar atau sama dengan 3.7MHz untuk 40M dan 7.2MHz untuk 80M.

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) :

  • a stable VCO
  • stable VFO
  • very stable VCO
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, dengan tabel konfersi sebagai berikut:
BCD Table

BCD Table

Jadi pada TC9122:
Angka Satuan diwakili oleh pin 3 s/d 6, pin 3 adalah LSB
Angka Puluhan diwakili oleh pin 7 s/d 10, pin 7 adalah LSB
Angka Ratusan diwakili oleh pin 11 s/d 14, pin 11 adalah LSB
Angka Ribuan diwakili oleh pin 15 s/d 16, pin 15 adalah LSB

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]
Atau ditulis mulai dari pin 16 (MSB) ke pin 3 (LSB) adalah:
1258 = 01 0010 0101 1000

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, easy Man … no problem.

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

Bila ternyata masih belum keluar sinyalnya, cek power line dan koneksi kristalnya.

Membuat Phase Comparator (TC5081)

Rangkai phase comparator ini sesuai dengan diagram, lalu masukkan clock referensi pada pin 8 TC5081, lakukan grounding pada pin 7, test tegangan DC pada pin 3, anda seharusnya mendapatkan defleksi maksimum yaitu mendekati 5 volt, atau indikator LED menyala terang.

Kemudian, lepas ground pada pin 7, hubungkan pin 7 dengan pin 8, ukur tegangan DC pada pin 3, anda seharusnya mendapatkan defleksi minimum yaitu mendekati 0 volt, atau indikator LED akan padam (berkedip-kedip hampir padam). Kondisi ini disebut “Locked”.

Testing Seluruh Rangkaian PLL

Hubungkan semua blok PLL di atas sesuai dengan tempatnya masing-masing, lakukan langkah-langkah berikut:
1. Set rangkaian untuk step sebesar 2.5KHz, yaitu dengan menghubungkan pin 4 (TC5082) ke pin 8 (TC5081)
2. Set DIP Switch, misal VCO bekerja untuk band 40M yaitu 3.6MHz, maka divider kita coba set ke 1440. Harapan kita dengan nilai setting ini, maka output Pin 17 (TC9122) pada posisi locked adalah 2.5 KHz (persis dengan frekuensi referensi dengan step 2.5KHz).
3. Nyalakan power
4. Amati kondisi LED, bila masih menyala terang berarti berada pada posisi “UNLOCKED”
5. Adjust frekuensi VCO dengan memutar ferit pada lilitan tank coil sampai LED padam, kondisi ini disebut “LOCKED”
6. Ukur frekuensi pada keluaran VCO, anda akan melihat bahwa keluaran akan menjadi stabil.

Trouble Shooting

1. Bila LED tidak mau padam, namun hanya berkedip-kedip kecil, berarti VCO anda (tanpa PLL) memiliki kestabilan yang sangat buruk, dimana memiliki fluktuasi frekuensi yang besar dan cepat berubah. Lakukan perbaikan kestabilan VCO dengan melakukan pemilihan bahan yang lebih baik (lihat trik diatas).

2. Bila LED tidak mau padam sama sekali, artinya VCO anda berosilasi terlalu jauh dari referensi clock. Pastikan DIP switch diset dengan benar. Kalkulasi lagi besarnya VCO, step dan programabled divider. Atau, cek apakah step yang anda pilih telah sesuai dengan pembagi pada programabled divider.

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 yang
stabil/regulated, dll., maka membuat PLL lebih mudah dalam membawanya pada kondisi “LOCKED”, secara kasat mata kondisi ini dapat dilihat pada padamnya LED secara sempurna. 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.

Okay, setelah membaca cerpen diatas serta mencobanya langsung, anda berarti telah berhasil membangun PLL untuk band 40 & 80M untuk FT-180A. Ada beberapa blok bagian lagi yang sifatnya optional untuk anda tambahkan, yaitu logik controller untuk menggantikan posisi DIP switch, sehingga anda cukup pijit-pijit tombol saja atau melakukan searching, kedua adalah display frekuensi counter untuk memperindah dan memudahkan anda untuk melakukan pemilihan frekuensi kerja.

Oh ya, saya juga belum mejelaskan kemana keluaran PLL ini harus dihubungkan pada pesawat FT-180A. Tunggu, akan saya upload pada kesempatan berikutnya.

Info tambahan, berikut beberapa harga komponen utama pada PLL ini di Jaya Plaza Bandung bulan Juli 2008:
1. TC9122 = Rp. 25.000,-
2. TC5081 = Rp. 20.000,-
3. TC5082 = Rp. 15.000,-
4. DIP Switch 4 pin = Rp. 2.500,-
5. Kristal 10.240MHz = Rp. 2.500,-

Tentu harga tidak akan selalu sama persis, mungkin saya mendapatkan harga terlalu mahal atau murah … I don’t care … hehehe

Have a nice experiment.

About these ads