Fig. 13.22; dan Fig. 13.23




1. Pendahuluan [Kembali]

Dalam sistem elektronika modern, sinyal frekuensi tinggi banyak digunakan dalam komunikasi, pengendalian, dan pemrosesan data. Salah satu komponen penting yang berperan dalam menghasilkan sinyal-sinyal ini adalah Voltage Controlled Oscillator (VCO). VCO merupakan rangkaian osilator yang frekuensi keluarannya tidak tetap, tetapi dikendalikan oleh tegangan input (kontrol). Semakin besar tegangan kontrol yang diberikan, maka semakin tinggi frekuensi sinyal yang dihasilkan.

Penggunaan VCO sangat luas, terutama dalam sistem seperti radio, televisi, sistem komunikasi nirkabel, dan synthesizer. Di dalam Phase Locked Loop (PLL) misalnya, VCO berperan sebagai penghasil frekuensi yang dapat disesuaikan secara otomatis untuk menjaga sinkronisasi dengan sinyal referensi. Dengan kemampuannya mengubah frekuensi secara dinamis berdasarkan input tegangan, VCO menjadi komponen vital dalam berbagai aplikasi yang membutuhkan fleksibilitas dan kestabilan frekuensi.

Dalam implementasinya, VCO dapat dirancang menggunakan berbagai jenis teknologi, mulai dari rangkaian analog sederhana berbasis transistor dan op-amp, hingga teknologi digital atau mikrokontroler untuk aplikasi yang lebih kompleks. Jenis-jenis VCO yang umum digunakan antara lain VCO linier dan VCO relaksasi. VCO linier memiliki hubungan yang cukup stabil antara tegangan kontrol dan frekuensi output, sehingga cocok digunakan dalam aplikasi komunikasi yang menuntut kestabilan tinggi. Sementara itu, VCO relaksasi lebih sederhana dan murah, namun rentan terhadap perubahan suhu dan kurang akurat dalam pengaturan frekuensi. Pemilihan jenis VCO biasanya disesuaikan dengan kebutuhan sistem, seperti rentang frekuensi kerja, linearitas, sensitivitas terhadap noise, dan efisiensi daya.

Selain digunakan dalam sistem komunikasi, VCO juga banyak diterapkan dalam instrumen musik elektronik seperti synthesizer. Di sini, VCO menghasilkan gelombang suara dasar (seperti sinus, segitiga, kotak) yang kemudian dimodifikasi lebih lanjut untuk membentuk berbagai jenis suara. Dengan mengatur tegangan input secara real time, musisi dapat mengubah frekuensi nada secara halus atau drastis sesuai kebutuhan ekspresi musikal. Dalam konteks ini, VCO tidak hanya berfungsi sebagai sumber frekuensi, tetapi juga sebagai alat ekspresi kreatif. Hal ini menunjukkan bahwa VCO bukan hanya penting dari sisi teknis, tetapi juga memiliki peran dalam bidang seni dan hiburan.

2. Tujuan [Kembali]

  1. Menjelaskan konsep dasar dan fungsi VCO dalam sistem elektronik.
  2. Menganalisis hubungan antara tegangan kontrol dengan perubahan frekuensi output.
  3. Mendesain dan mensimulasikan rangkaian VCO menggunakan komponen dasar.
  4. Mengidentifikasi aplikasi VCO dalam bidang komunikasi, kendali, dan pemrosesan sinyal.

3. Komponen [Kembali]

Alat/Instrumen

1. Power Supply

Power Supply berfungsi untuk memberikan tegangan DC ke rangkaian.


Power supply
Power supply pada proteus


2. Oscilloscope

Oscilloscope berfungsi untuk mengamati bentuk gelombang output secara visual.

Osiloskop
Osiloskop pada proteus


Komponen/Bahan

1. IC

IC adalah komponen utama VCO yang menghasilkan gelombang berdasarkan tegangan kontrol.

IC 566 VCO


2. Resistor

Resistor adalah komponen yang membatasi atau mengatur aliran arus listrik dalam rangkaian

Resistor

Resistor pada proteus

Nilai pada suatu resistor diwakilkan oleh kode angka atau gelang warna yang dapat dilihat pada  badan resistor, seperti di bawah ini:




3. Kapasitor

Kapasitor adalah komponen elektronika yang berfungsi menyimpan muatan listrik dalam jangka waktu tertentu. Satuan dari kapasitor adalah Farad.

Kapasitor

Kapasitor pada Proteus

Kapasitor atau kondensator ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867) pada hakikatnya adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi/muatan listrik di dalam medan listrik. Kemudian Michael Faraday membuat postulat bahwa sebuah kapasitor akan memiliki kapasitansi sebesar 1 farad jika dengan tegangan 1 volt dapat memuat muatan elektron sebanyak 1 coulombs.

Dengan rumus dapat ditulis:

Q=CV
Dengan asumsi: 
    Q = muatan elektron dalam C (Coulomb)
    C = nilai kapasitansi dalam F (Farad)
    V = tinggi tegangan dalam V (volt)


4. Ground

Ground adalah titik referensi nol volt dalam rangkaian, tempat arus kembali. 

Ground pada proteus

5. Potensiometer

Potensiometer berfungsi untuk mengatur tegangan kontrol yang menentukan tinggi rendahnya frekuensi output dari VCO.


Potensiometer

Potensiometer pada proteus

4. Dasar Teori [Kembali]

VCO merupakan komponen penting dalam dunia elektronika yang berfungsi menghasilkan sinyal dengan frekuensi dapat diatur melalui tegangan input. Prinsip kerjanya didasarkan pada hubungan linier antara tegangan kontrol yang diberikan dengan frekuensi output yang dihasilkan. Komponen ini biasanya menggunakan varaktor dioda sebagai elemen pengatur frekuensi, dimana kapasitansi dioda akan berubah sesuai tegangan yang diberikan, sehingga mempengaruhi frekuensi resonansi rangkaian osilator. Dalam praktiknya, terdapat beberapa jenis VCO seperti tipe LC yang menggunakan rangkaian resonansi induktor-kapasitor, tipe RC yang lebih sederhana, serta ring oscillator untuk aplikasi digital.

Karakteristik utama VCO meliputi tuning range yang menentukan rentang frekuensi kerja, tuning sensitivity (Kvco) yang menunjukkan besarnya perubahan frekuensi per satuan tegangan, serta phase noise yang mempengaruhi kemurnian sinyal output. VCO memegang peranan krusial dalam berbagai sistem elektronik seperti PLL (Phase Locked Loop) untuk stabilisasi frekuensi, synthesizer frekuensi, modulasi FM, hingga sistem komunikasi nirkabel. Perkembangan teknologi IC modern memungkinkan implementasi VCO dengan performa tinggi dalam bentuk chip terintegrasi, meskipun tantangan dalam menjaga linearitas, stabilitas frekuensi, dan minimisasi noise tetap menjadi fokus dalam desain VCO terkini.

Salah satu implementasi dari VCO ditunjukkan melalui rangkaian yang menggunakan IC LM566. IC ini mampu menghasilkan dua jenis sinyal secara bersamaan, yaitu gelombang kotak dan gelombang segitiga.


Pada rangkaian 13.22, VCO dirancang menggunakan konfigurasi sederhana dengan resistor R1 dan kapasitor C1 sebagai penentu dasar frekuensi. Tegangan kontrol berasal dari pembagi tegangan menggunakan R2 dan potensiometer R3, dengan rumus:

Dengan memutar potensiometer, besar kecilnya tegangan kontrol dapat diubah, dan perubahan ini akan mempengaruhi output frekuensi sesuai rumus:

Rangkaian 13.23 di bawah merupakan pengembangan dari rangkaian pertama, di mana pembagi tegangan terdiri dari tiga resistor, yaitu R2, R3, dan R4.

Potensiometer R3 memungkinkan pengguna memilih antara dua nilai Vc yang ekstrem, tergantung posisi wiper. Jika wiper berada di bagian atas, Vc hampir mendekati V+, yang menyebabkan frekuensi output menjadi rendah. Sebaliknya, jika wiper berada di bawah, Vc menjadi lebih kecil, dan frekuensi output menjadi lebih tinggi. Melalui kombinasi ini, pengguna dapat mengatur frekuensi output dengan presisi, tanpa mengubah nilai R1 dan C1. 

Kedua rangkaian ini menunjukkan bagaimana prinsip dasar VCO diterapkan dalam praktik, dan bagaimana tegangan kontrol dapat diatur secara manual melalui pembagi tegangan untuk menghasilkan variasi frekuensi sesuai kebutuhan.


5. Example [Kembali]

1. Tentukan Vc dan fo dari rangkaian VCO di bawah ini
Jawaban: 



2. Tentukan Vc dan fo dari rangkaian VCO di bawah ini
Jawaban:


3. Tentukan Vc dan fo dari rangkaian VCO di bawah ini
Jawaban:



6. Problem [Kembali]

1. Seorang teknisi ingin membuat generator frekuensi menggunakan IC LM566 dengan konfigurasi VCO. Ia menggunakan R1 sebesar 10 kΩ dan C1 sebesar 220 pF. Tegangan suplai yang digunakan adalah 12 volt. Jika tegangan kontrol yang diberikan ke IC sebesar 11 volt, hitung berapa besar frekuensi output yang dihasilkan oleh rangkaian tersebut.

Jawaban:
fo = 2 / (R1 × C1) × (V+ − Vc) / V+
fo = 2 / (10.000 × 220 × 10⁻¹²) × (12 − 11) / 12
fo = 2 / (2,2 × 10⁻⁶) × 1 / 12
fo ≈ 909090,9 × 0,0833
fo ≈ 37.9 kHz


2. Sebuah rangkaian VCO menggunakan pembagi tegangan dari tiga resistor, yaitu R2 = 510 Ω, R3 = 5 kΩ (potensiometer), dan R4 = 18 kΩ. Tegangan suplai adalah 12 volt. Jika wiper potensiometer berada di posisi atas (sehingga Vc berasal dari R3 dan R4), tentukan berapa besar tegangan kontrol Vc.

Jawaban:
Vc = (R3 + R4) / (R2 + R3 + R4) × V+
Vc = (5000 + 18000) / (510 + 5000 + 18000) × 12
Vc = 23000 / 23510 × 12
Vc ≈ 0,9783 × 12
Vc ≈ 11,74 volt


3. Dalam rangkaian yang sama, jika wiper potensiometer berada di bagian bawah sehingga hanya R4 yang memengaruhi tegangan kontrol, berapakah frekuensi output yang dihasilkan jika R1 dan C1 tetap, dan tegangan suplai tetap 12 volt

Jawaban:
Hitung dulu tegangan kontrol Vc:
Vc = R4 / (R2 + R3 + R4) × V+
Vc = 18000 / 23510 × 12
Vc ≈ 0,7655 × 12
Vc ≈ 9,19 volt

Sekarang hitung frekuensi:
fo = 2 / (R1 × C1) × (V+ − Vc) / V+
fo = 2 / (10.000 × 220 × 10⁻¹²) × (12 − 9,19) / 12
fo = 2 / (2,2 × 10⁻⁶) × 2,81 / 12
fo ≈ 909090,9 × 0,234
fo ≈ 212,9 kHz


7. Soal Pilihan Ganda [Kembali]

1. Pada rangkaian VCO dengan IC LM566, frekuensi output dihitung menggunakan rumus
fo = 2 / (R1 × C1) × (V+ − Vc) / V+
Jika R1 = 10 kΩ, C1 = 220 pF, V+ = 12 V, dan Vc = 11 V, maka berapa frekuensi output yang dihasilkan
a. 45,5 kHz
b. 41,7 kHz
c. 37,9 kHz
d. 37,1 kHz
e. 19,7 kHz

Jawaban: c. 37,9 kHz
Pembahasan:
fo = 2 / (10 × 10³ × 220 × 10⁻¹²) × (12 − 11) / 12
fo = 2 / (2,2 × 10⁻⁶) × (1 / 12)
fo ≈ 909090,9 × 0,0833
fo ≈ 37.9 kHz


2. Dalam rangkaian kontrol tegangan VCO, tegangan kontrol Vc dapat dihitung dengan rumus
Vc = (R3 + R4) / (R2 + R3 + R4) × V+
Jika R2 = 510 Ω, R3 = 5 kΩ, R4 = 18 kΩ, dan V+ = 12 V, maka nilai Vc adalah
a. 10,6 V
b. 11,2 V
c. 11,74 V
d. 12,0 V
e. 9,19 V

Jawaban: c. 11,74 V
Pembahasan:
Vc = (5000 + 18000) / (510 + 5000 + 18000) × 12
Vc = 23000 / 23510 × 12
Vc ≈ 0,9783 × 12
Vc ≈ 11,74 V


3. Jika pada suatu rangkaian VCO nilai R1 dan C1 tetap, maka apa yang terjadi pada frekuensi output jika tegangan kontrol Vc diturunkan
a. Frekuensi output menjadi nol
b. Frekuensi output tetap
c. Frekuensi output meningkat
d. Frekuensi output menurun
e. Tegangan output naik

Jawaban: c. Frekuensi output meningkat
Pembahasan:
Dari rumus fo = 2 / (R1 × C1) × (V+ − Vc) / V+, jika Vc diturunkan maka nilai (V+ − Vc) membesar, sehingga hasil akhir meningkat. Artinya, frekuensi output akan bertambah.


8. Rangkaian Proteus [Kembali]

Fig 13.22 :  Connection of a 566 VCO unit.
Prosedur:

1. Siapkan komponen seperti IC LM566 resistor R1 dan R2 potensiometer R3 kapasitor C1 dan catu daya DC
2. Pasang IC LM566 pada breadboard dengan posisi pin yang sesuai datasheet
3., Hubungkan resistor R1 dan kapasitor C1 ke pin-pin pengatur frekuensi sesuai rangkaian
4. Pasang resistor R2 dan potensiometer R3 sebagai pembagi tegangan untuk mengatur tegangan kontrol ke pin kontrol IC
5. Sambungkan catu daya DC ke pin suplai IC misalnya 12 volt dan ground
6. Atur potensiometer untuk mengubah tegangan kontrol lalu amati perubahan frekuensi pada output menggunakan osiloskop atau alat ukur lainnya
7. Jika frekuensi berubah sesuai pengaturan maka rangkaian bekerja dengan baik jika tidak periksa kembali koneksi dan nilai komponen

Prinsip kerja:


Rangkaian pada gambar merupakan penerapan IC LM566 sebagai Voltage Controlled Oscillator (VCO), yaitu rangkaian pembangkit gelombang yang frekuensinya ditentukan oleh tegangan kontrol. IC ini menghasilkan dua jenis gelombang secara bersamaan, yaitu gelombang kotak (square) dan gelombang segitiga (triangle), yang keduanya bisa digunakan sesuai kebutuhan aplikasi.

Tegangan kontrol diberikan ke pin 5 melalui pembagi tegangan dari R2 dan R3, dan akan memengaruhi waktu pengisian dan pengosongan kapasitor C1. Proses pengisian dan pengosongan inilah yang menghasilkan gelombang osilasi. Besarnya frekuensi keluaran dihitung dengan rumus yang melibatkan tegangan kontrol, resistansi R1, dan kapasitansi C1.

Semakin besar tegangan kontrol yang diberikan ke pin CTRL, maka semakin tinggi frekuensi osilasi yang dihasilkan. Rangkaian ini umum digunakan dalam sistem komunikasi, modulasi frekuensi, dan generator sinyal yang dapat disesuaikan.
    
Pada rangkaian VCO dengan IC LM566 seperti pada gambar, frekuensi output ditentukan oleh tegangan kontrol (Vc), resistor R1, dan kapasitor C1. Tegangan kontrol (Vc) berasal dari pembagi tegangan antara resistor R2 dan R3, dan dapat diatur menggunakan potensiometer R3. Nilai Vc dihitung dengan rumus pembagi tegangan:

di mana V⁺ adalah tegangan suplai (+12 V). Tegangan Vc ini diberikan ke pin kontrol IC, yang akan memengaruhi seberapa cepat kapasitor C1 mengisi dan membuang muatannya.

Frekuensi osilasi output dirumuskan sebagai:

Dari sini bisa disimpulkan bahwa jika tegangan kontrol Vc dinaikkan, maka selisih antara tegangan suplai dan Vc akan makin kecil, sehingga frekuensi output akan menurun. Sebaliknya, jika Vc diturunkan, maka frekuensi akan naik. Peran resistor R1 dan kapasitor C1 di sini adalah menentukan dasar atau rentang frekuensi maksimum dan minimum yang bisa dihasilkan. Jadi, perubahan tegangan kontrol secara langsung mempengaruhi frekuensi osilasi yang keluar dari IC, sedangkan R1 dan C1 menentukan kepekaan dan skala kerjanya.

Fig 13.23 :  Connection of a 566 as a VCO unit.
Prosedur:

1. Siapkan komponen seperti IC LM566CN, resistor R1, R2, R4, potensiometer R3, kapasitor C1, dan catu daya DC 12 volt
2. Pasang IC LM566CN pada breadboard dengan posisi pin yang sesuai datasheet
3. Hubungkan resistor R1 dan kapasitor C1 ke pin 6 dan pin 7 IC untuk menentukan dasar frekuensi osilasi
4. Rangkai pembagi tegangan dengan menyusun R2, R3, dan R4 secara seri, lalu ambil output kontrol dari wiper potensiometer R3
5. Sambungkan tegangan kontrol ke pin 5 IC LM566 melalui output wiper potensiometer
6. Hubungkan suplai +12 volt ke pin 8 dan ground ke pin 4 IC
7. Pasang osiloskop pada output pin 3 atau pin 4 untuk mengamati gelombang segitiga dan kotak
8. Atur posisi potensiometer R3 untuk melihat pengaruh perubahan tegangan kontrol terhadap frekuensi output
9. Catat perubahan frekuensi saat tegangan kontrol berubah untuk melihat karakteristik kerja rangkaian VCO tersebut

Prinsip kerja:

Rangkaian VCO ini menggunakan IC LM566CN untuk menghasilkan gelombang persegi dan segitiga dengan frekuensi yang bergantung pada tegangan kontrol. Tegangan kontrol diperoleh dari pembagi tegangan yang dibentuk oleh R2, R3, dan R4. Potensiometer R3 berfungsi sebagai pengatur posisi wiper yang menentukan besar kecilnya tegangan kontrol yang diberikan ke pin 5 IC. Frekuensi output kemudian dihitung berdasarkan rumus yang melibatkan R1, C1, tegangan suplai, dan tegangan kontrol. Kapasitor C1 menentukan seberapa cepat proses pengisian dan pengosongan, sementara resistor R1 memengaruhi waktu delay dari siklus osilasi.

Dalam kasus saat wiper potensiometer R3 berada di bagian atas, maka tegangan kontrol Vc dapat dihitung dengan menggunakan rumus pembagi tegangan. Vc sama dengan jumlah R3 dan R4 dibagi total R2 ditambah R3 dan R4, kemudian dikalikan dengan tegangan suplai yaitu 12 V. Hasilnya adalah 11,74 V. Frekuensi output dihitung dengan rumus dua dibagi hasil kali R1 dan C1, dikalikan dengan selisih antara tegangan suplai dan Vc, lalu dibagi tegangan suplai. Maka frekuensi outputnya adalah sekitar 19,7 kHz.

Ketika wiper potensiometer berada di bagian bawah, maka tegangan kontrol hanya berasal dari R4. Maka Vc dihitung dengan rumus R4 dibagi total R2 ditambah R3 dan R4, dikalikan 12 V. Hasilnya 9,19V. Dengan menggunakan rumus yang sama untuk menghitung frekuensi output, didapatkan hasil frekuensi sekitar 212,9 kHz. Dari perhitungan ini dapat dilihat bahwa semakin kecil tegangan kontrol yang masuk ke IC, maka semakin tinggi frekuensi osilasi yang dihasilkan. Sebaliknya, jika tegangan kontrol mendekati tegangan suplai, maka frekuensinya akan turun secara signifikan. Prinsip ini dimanfaatkan dalam berbagai aplikasi yang memerlukan pengaturan frekuensi secara dinamis menggunakan tegangan.

9. Video [Kembali]


10. Download File [Kembali]

Download Fig 13.22 [Klik Disini]

Download Fig 13.23 [Klik Disini]

Download Video Simulasi 13.22 [Klik Disini]

Download Video Simulasi 13.23 [Klik Disini]

Datasheet Power Supply [Klik Disini]

Datasheet Oscilloscope [Klik Disini]

Datasheet IC [Klik Disini]

Datasheet Resistor [Klik Disini]

Datasheet Kapasitor [Klik Disini]

Datasheet Ground [Klik Disini]

Datasheet Potensiometer [Klik Disini]

Komentar

Posting Komentar