REALISASI RANCANGAN PENGUBAH RASIO-DIGITAL (ROC)

Arief Rivai

Pusat Standardisasi dan Penelitian Keselamatan Radiasi

ABSTRAK

Rancangan ROC telah direalisasikan pembuatanya. ROCyang tel-diri dari jenis ayunan linier (linear sweep) rang­kaian pembagi analog, pengubah waktu-digital CTOC) dan antarmuka Cinterface) ke komputermikro PC9S00 menghasilkan rasiolinggi pulsa dari duo. sinyal masukan analog Csinyal-sinyalnumeratar dan.denominator) dalam bentuk digital. Sistem inidapat juga digunakan sebagai suatu sistem pengubah analog­digital (ADC) komersi!. Kelelitian hasil bagi lebih baikdari 0,1 Yo skala penuh Cfull scale) dan ketidaklinearitasan­nya lebih kecil dari 0,05 % untuk rentang dinamik 1:10.

ABSTRACT

The design of the R~2 has been realized. The R~2 whichincludes a linear sweep type analog division circuit, a timeto digit.al converter (TOC) and an interf'ace to microcomputergives a ratio of pulse heigth of two analog input signals(numerat.or and denominator signals) in digital f'orm. Thesystem can be used also as a cammersial .6.0<: system. Theaccuracy in the quotient is better than 0.1 % f'or the f'ullscal e. A non 1inear ity 1ess than 0.05 ?.o;; over a dynami crange of 1:10 is obtained.

I. PENDAHIJLUAN

Pengindera-posisi pembagian muatan (charge division

position sensing) sering diterapkan dalam beberapa instru-

menlasi nuklir, khususnya dalam det.ektor sensitif'-posisi di

mana bacaan infor masi posi sinya di tentuk an 01eh metoda pem-

b . (.1,2>ag~an-muatan. Suatu sislem pembagi analog atau digi-tal dibut.uhkan'untuk mendapatkan hasil bagi yang sebanding

dengan posisi di mana proses 10nisas1 terjadi. Pembagi 10-

garitmik mempunya1 keter batasan stabi 1it.as yang disebabk an

sensit1f'itas temperatur komponen-komponen logaritmiknya,

walaupun penampilan rentang dina.miknya agak lebih baik. (3)

417

418

Disampi ng i tu penul i s mengembangkan pencacah p,-oporsi 0­nal sensitif-posisi CPSPC) unluk radiografi sina,-beta yangmembut uhk an al at bant u penguk ur an ber upa r angk ai an pembagi

analog atau pengubah rasio-digi tal (RDC), yang mampu mem­

berikan ketepatan informasi pada posisi pembuangan-muatan didal am PSPC dengan melode pemba.gian-mualan. Rangk ai an pem-

bagi analog jenis fungsi pembuangan-mualan-linear hasil

rancangan Westphal\4~ mampu memberikan kelelitian lebih baikdari 0,1 Y, dan ketidaklinieritasan kurang dari 0,1 X skala

,~,penuh, sedangkan RD'''::hasil rancangan Matoba" yang berda-sar kan konsep-konsep Westphal mengkombi nasi kan suatu peng­

ubah waklu-digi tal CTC."::)dan sistem pemrosesan data untukmendapatkan hasil bagi dalam bentuk digital. Juga dengan

semaki n mel uasnya penggr.lnaan si stern komputer dengan hargayang relatif murah memungkinkan operasi pembagian dapatdibentuk unluk data terdigitalisasi dengan memakai dua buahADC. Sebaliknya tel ah membuktikan bah vva operasi

pembagian dengan menggunakan dua 'buah AOC sangat mempe-

ngar uhi kel uar an hasi 1 bagi nya kar ena ti mbul nya kesal ahan­kesalahan yang disebabkan proses pengubahan analog-digi tal

jika diperlukan rentang dinamik yang lebih lebar untuk pulsamasukan.

Berdasarkan pertimbangan dan tujuan di alas, penulis

membuat ROC yang mengubah secara langsung rasio pulsa-pulsamasukan Cpulsa-pulsa n'..Imerator dan denominat-or) kebent-uk­

bent-uk digit-al, yang t-erdiri dari suat-u rangkaian pembagi

analog, pengubah wakt-u-digit-al CTOC) dan antar muka Cint-er­face) unt-uk pemrosesan data dar i dan ke komputermi kro PC9800. RD'''::ini dapat juga berfungsi sebagai suatu ADC12-bit

jenis Wilkinsong (linear S'l'leep) bila pulsa numerat-or

di umpankan ke masukan ADC dan pul sa denorni nat-or di umpankan

ke pembangkit arus konslan dari rangkaian pembuangan-muatan-1i ni er . Diperoleh hasil ketelitian yang lebih baik dari0,1 X skala penuh, dan ket.idaklinieritasannya kurang dari0,1 ~-'o untuk rentang dinamik 1:10.

419

I I, TEOR1

Sist_em ROC terdahulu terdiri dari suatu rangkaian pem­

bagi analog TDC. suatu antar muka ke komputer dan sist.em

komputermikro 8-bit.. Gambar 1 menunjukkan diagram rangkaian

ROC yang dimodifikasi. Bagian rangkaian pembaginya serupa

dengan rancangan Westphal, di rnana prinsip operasi pem-

bagiannya ditunjukkan dalam gambar 2. Sepert.i terlihat. pada

gambar 2, pulsa-pu1sa nomerat.ol-dan denominat.or CV dan V )N DdiintegrasikaD dengan kenst.anta waktu C.R CC = C = C).

o N D

Unt.uk mempert.ahankan amplitude-amplitudo puneak pulsa-pulsa

masukan pada suatu pewaktuan (timing) yang sesuai dengan

konst.ant.awaklu inlegrator, sinyal gerbang yang dilimbulkan

oleh rangkaian diskriminasi dan deteksi puneak (peak detee-

tor and discriminater) membuka saklar-saklar analog, Selama

selang waktu penahanan (holding t.ime), muatan yang sarna

dengan C .V dan C .V ditahan dalam kondensator-kondensatorN N D D

memori. Disebabkan masukan-masukan ked'.!aOPAMP pada hake-

katnya terhubung singkat maka muatan CN, VN yang lertahandalam kendensator numeralor membuang muatannya berupa arus

yang dilenlukan oleh resistor pembuangan muatan R dan te-

Waktu pada saat pembuangan berakhir di-gangan penahan V .Ddeteksi oleh sualu "zero-cross comparater", Lamanya waklu

pembuangan C=T) dalam kondensalor memori numerator dapat di­

tuliskan sebagai berikut

T =C VN N-1-

C CV - cV )N N DV /R

DR CN (~: - c)

(1)

di mana c =R

o~ adalah konslanla yang berhubungan dengan arus

stasioner dan tidak tergantung dari amplitude

p'...!lsamasukan,

Jika ni1ai V dijaga kenslan, 1amanya waklu pembuangan TD ,adalah sebanding dengan V dan sistem in! menjadi ekivalenNdengan ADC seperl! disebulkan di atas.

420

.uo0::

!

Cro~ro

.:.Lt:I1C"'L.

eroL.t:I1ro

,.•...

L.ro.cEro

C)

[::::~·_- __ ·_·-·_~-_·-_-_·_·~:;;-~ •• -.H_-_31~S~A~S_•__C_;~~~J:~~;~~~~::]

'CAc D(I(ClO,I OIIOI"I •• ro.

OP

421

COMP

12 BITSDATA

Gambar 2. Prinsip operasi pembagian da1am ROC

Unt uk kebut- uhan r angk ai an TOC'::di pi 1i h f r ek uens i k10k dan

kanal (channel) sk a1 a penuh masi ng-masi ng sebesar 100 MHzdan 409B kana1, dengan waktu pengubahan maksimum (conversion

time) 32 J..ls unt.uk rasio 1:1, yang dit.entukan oleh kapasit-askondensator memori dan resistansi resislor pembuangan.

Sua t.u si nyal ger bang (si nyal ST.6.RT) yang di t-i mbul kanoleh rangkaian diskriminasi dan deleksi puncak mula-mula

mengalur saklar-saklar analog dari rangkaian penahan puncakCpeak -hol di ng) secara t-ersinkronisasi dengan pulsa-pulsaklok rangkaian Toe'::. Dengan waktu yang t-ersinkronisasi ini>penurunan 1i ni er i t.as di ferensi 0.1 yang disebabkan kesa1ahan

dal am di gi t-a1i sasi dapat di kurangi. Regi st-er mulai meng-

hi tung pu1sa-pLtl so. klok dengan si nyal START dan mengakhi r i-nya dengan sinya1 STOP.

sinyal LAM CInt-erruplSi nya1 STOP i ni juga menghasi 1kanLook At Me), yang di umpankan ke

komput-er unluk mengawali operasi pemindahan dat-a. Silo.

pemindahan data selesai maka sinyal TOK (Transfer OK) akan

422

dikirimkan oleh komputer untuk mereset register, sehingga

kondisi TDC BUSY dilepaskan dan sistem siap untuk pengubahan

ber ikutnya. Diagram waktu dari operasi pembagian ditunjuk-

kan dalam gambar 3.

VN(ADC) or

VO(ROC) ---

OISCRI.OUT I IPEAK STREACH.

OUT

ISTART flIOIV.BUSY J lTOC BUSY I i L. I II .V S!.H OUT V,i ~

N ~N_L_ ..• I,....- .. I

VOS&H OUT VO..l._._. ~ I iCOMP.OUT ~ i~ i ;----JSTOP ; ru

I iTRANSFER OK : L-JL

i I

Gambar 3. Diagram waktu operasi pembagian dalam ROC

Rangkaian antar muka yang dibuat tergantung pada kom-

puter yang digunakan unt~uk analisa data. Dalam hal ini,

suatu antar muka bus QJB yang dimodifikasi dari bus standar

CCP CCrate Control Port) dibuat untuk mengantarmukakan

antara pengubah (converter) dan komputermikro. Antarmuka

komputermikro i6-bit ini memindahkan data i2-bit dalam satu

kali bacaan.

Sistem pemrosesan data beker ja dengan dua cara, yai tu

cara penerimaan interupsi Cinterrupt acquisition) da.n cara

peragaan waktu-nyata Creal-time display). Oalam cara pene-

rimaan interupsi, penerimaan data merupakan prioritas utama.

423

Sinya1 LAM yang disebut sebagai sinyal-sinyal DEMANDO-2

dalam QIB Cdapat diseleksi oleh saklar-pendam 2) meng­

interupsikan CPU komputermikro meialui salah sat.u port.-portINTO-2. Sinyal-sinyal INT yang berbeda dapat digunakan

untuk mengindent.ifikasikan ROC bi1a beberapa ROC dihubungkan

ke komputer. Dalam kondisi interupsi ini, CPU mengirimkan

sinyal kont.rol bit CA,..? dan sinyal-sinyal "crate-number"cc , C ,o J.

Si nyalC) yang di tentukan 01eh sakIar-pendam 1 dalam QIB.2

A mengendal i kan multi pIexer LS157 untuk komputer­omi kro 8-bi t. 8ila ingin menerapkan jenis data 16-bit,

sinyal A harus dipertahankan pada tingkat 1:.inggi Chigholevel) . Sesudah sinyal "crate-number" ditentukan dan sinyal

READ dibangkitkan, penggerak jalur Cline driver LS240) ber­

ubah dari keadaan terbuka (open) ke keadaan siap (ready)

sehingg.a antarmuka TOC mampu memindahkan data ke QIB, dan

CPU membaca do.to. dar i QIB Cbus CCP). Sesudah penerimaan

data selesai, CPU mengirim sinyal WRITE yang disebut sinyal

TOI< d.3.1am RD:, kemudi an sinyal ini mereset. pengubah. Dalam

cara peragaan waktu-nyata, sinyal LAM dalam bus data CD )1!:>

digunakan untuk memperagakan spektrum tanpa memperdulikan

interupsi komput.ermikro. Sesudah menyelesaikan penerimaan

data Cdalam bahasa mesin) dan memperagakan spektrum Cdalam

bahasa BASI C), komputer mi kr0 melanjutkan membaca D (da1amJ.:5

bahasa mesi n) .

data mulai beroperasi

bus data DJ.:5

Cstart) 1agi.

menjadi nol, penerimaan

CPU tidak membangkitkan

sinyal TOI< sebelum menyelesaikan peragaan spektrum. Dalam

penerimaan data kejadian-ganda (multi-event data acqui­

sition) suatu sinyal yang ado. da1am bus data CDJ.4)digunakanunt.uk memisahkan data. Rangkaian antarmuka PC9801E mem­

punyai sak1ar SW5 unt.uk memilih apakah penerimaan data

termasuk biasa at au kejadian-ganda. Dengan menggunakan

sinyal COMMON kita dapat meningkatkan sistem ROC ini menjadi

sistem komputermikro ganda

paralel.

unt.uk penerimaan data yang

424

III. TATA KERJA

Hampir semua komponen yang di gunak an da1 am pembua tan

sist.em ROC ini pada umumnya dapat ditemukan dipasaran bebas,

kecua1i penguat operasiona1 FET hibrida yang terdiri dariJ177, LH0032 dan LH0002. Untuk menghindarkan induksi sinya1­sinya1 gangguan akibat persilangan kabel-kabel analog dandigital, seita akibat posisi pembumian (grounding) analog

dan di gi tal yang ber si 1ang.an maka bagi an -bagi an analog dan

digitalnya dipisabkan dalam setiap PCB dan dilempatkan da1amsebuah wadah yang dirancang unluk dapat dipasang pada sistemmodul CI'llM).

5i stem RD'': yang di bua l dapa l juga di gun.akan sebagai

sistem AOC, jadi uji pengukurannya dilakukan untuk keduacara operasi AOC dan RCC. Gambar 4a menunjukkan skema dia-

gram pengujian fluktuasi hasi'l bagi alat ROC yang dibuat,

di mana fluktuasinya dapat diuji dengan menggunakan pelem3.hdesibel CdB attenuator) yang mengubah-ubah rasio amplit.udokedua pulsa masukan enumerator dan denominator).

VHA TT EN UA TO~

PC9301

YM. RDC

GanIDar 4a. Skema diagram pengujian fluktuasi hasil bagi a1alP.DF

Gambar 4b menunjukkan skema diagram aplikasi ROC dalam uji

penelitian. Detektor yang digunakan adalah PSPC kawat-gandadengan panjang efektif 400 mm. Muat.an-muat.an dar i kedua

ujung kawat. anoda Cjenis carbon coated quartz fiber

diameter 25 ~m, hambatan jenis 8 KO/mm) diterima olehpenguat awal sensitif-muat.an derau rendah.

425

PS PC 2

PSPC1

SOURCE

N oGATE

KYU-I 8

MICRO COMPUTER

NEC PC 9801 VM

N ,0

Gambar 4b. Skema diagram aplikasi ROC dalam uji penelitaian

Ses udah melalui pengua t penj uml ahan (summi ng amp) dan pe­

ngual pembentukan spektroskopi (shaping spectroscopy amp),

sinyal-sinyal yang sudah terproses ini dibagi oleh sistem

R[)C. Detektor diisi dengan campuran gas argon (80) + methan

(20) pada tekanan 1 atmosfer. Sumber radiasi yang digunakan

dalam uji penelitian ini adalah sumber terkolimasi (diameter

sekitar 0,35 mm) sinar-X~~ Fe.

426

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil

pengujianflukt.uasihasilbagiROCdit.unjukkan

dalam

gambar5.Di vi asim.aksimumsekit.ar4kanal(0,1%)unt.uk

kanalskalapenuh,denganrent.angamplit.udopulsa

nominator

1-10V.Devi asiiniberkurangdrast.isdengan

bertambahnya

amplitudopulsadenominat.or,seki t.arkurang

dari

2 kanaluntuk rent.ang pulsa masukan2-10V.

RATIO3271.. •

~ a dB ( 1.a )••••••• •

mI·

••••• •

-11 dB (0,891 )• ••

~ 2571

•••••••••-i 2 dB (0794)~ . wzz

~221·

•••••• ••-i 3 dB (0.700)• •

~ IS9S}

••••••• •-i 6 dB (0.5:)1 )

••

o 125S1

••• ~ 8 dB (0.398)• ••••••

991

•• • •-i 10 dB(0316)• •••• •

611

••••

-i 14 dB (0.200 )• •••••

29~

••••••• -120 dB ( 0.100)• • •

170F

•••••• ~ 24dB (0 (63)

•• •

I

IIIIIIIII5 DENJMINATOR (V)

Gambar

5.Fl ukt.uasihasilbagiROC sebagaifungsidarirasio

amplit.udo dan amplit.udo denominat.or

427

Renlang pulsa-pulsa masukan masih bisa diperlebar lagi jika

sislem pengalur OPAMP LH0032 unluk pulsa-pulsa masukan

numerator dan denominalor dapal mengkompensasi derau analog.

dan harus dilelakkan terpisah sejauh mungkin.

Tabel 1 memperlihatkan data hasil pengujian sistem ROC

yang dibuat. termasuk data hasil untuk fungsi AOC. Ketidak­

stabilan sistem ini fungsi ROC adalah lebih kecil dari 1

kanal selama 3 jam. Penyebab kelidakstabilan ini sulit di­

klasifikasikan dalam tahap pengujian. Stabilitas frekuensi

klok sudah diteliti dan tidak memberikan efek yang berarti

pada sistem ini . Untuk operasi fungsi ADC. umumnya sesuai

dengan ADC komersil. Dalam sistem ini fungsi-fungsi ROC dan

ADC mudah dipertukarkan dengan memakai saklar.

Tabel 1. Penampilan data hasil pengujian pembuatan ROC CADC)

ParameterRCO::AOC

Resolusi

I~ 4 chCVD=1-10V)!~ 1ch CO,025 %)I~ 2 ch eVD=2-9V)IInlegral

nonlinearity± 2 ch CO,05 ~D±0.5 chCO,0125%)Maximum i'luctuation

S 4 ch CO.l:Y.,)-Dynamic

range 1:10 CVD=1-1 OV)-Input pulse height

VD = 1-10 VC10 V )

Gambar 6 menunjukkan ini'ormasi posisi spektrum yang

dihasilkan oleh PSPC kawat-ganda dengan panjang ei'ektii'

400 rom dari sumber terkolimasi sinar-X~~ Fe. Dengan pengu­

atan pengubahan Cconversion gain) ROC 2408 kanal. posisi

resolusi total yang dihasilkan masing-masing adalah 0,66 mm

FWHM CO.17%) untuk kawat anoda 1, dan 0,84 rom FWHM CO.21%)

untuk" kawat anoda 2 PSPC. Disebabkan hasil perhi tungan

penyebaran geometrik sinar-X dari geometri kisi sebesar 0.6

mm untuk det.ektor 1 Cdepan) dan 0.8 mm unt.uk det.ektor 2

Cbelakang) maka penyebaran geometrik sinar-X yang t.eramati

dapal dipastikan hanya karena pengaruh i'aktor geometri

detektor saja.

40

No.1 counter

428

55Fe X-ray

conv.gain 2048c

fwhm 0.66 mmQJ

CC0.£u 0--

\J')

C 40:J0U ..... - ....._._~.~.!.._:.!. . ._ ;.-.. :;el! ••

No.2 counter

0.84 mm

o860 880 900

channel920

Gambar 6. Resolusi posisi sinar-X ~~ Fe terkolimasi. Garieterputus-putus menunjukkan tingkat latarbelakangpencacah.

Penampilan rangkaian pembagi yang dibutuhkan untuk de-

tektor sensitif posisi adalah rentang dinamiknya lebar.

ketelitian yang lebih tinggi pada operasi pembagian. linier­

itas yang lebih baik dan stabilitas yang lebih tinggi.

Untuk tujuan tersebut metoda pembagian digital dengan 2 buah

ADC ser i ng di gunak an dal am penel i tian. tetapi metode ini

kurang baik karena timbulnya kesalahan dalam digitalisasi

dan sangat mempengaruhi hasil pembagian jika diinginkan

hasil-hasil yang mempunyai resol usi tinggi dan rentang

dinamik yang lebar.

429

V. KESIMPULAN

Sislem pembagian-muatan dengan menggunakan ROC memiliki

rentang dinamik lebih lebar dibandingkan dengan menggunakan

2 buah ADC. seperti disebutkan dalam pendahuluan di atas.

Hal ini merupakan suatu keuntungan '..lntukpengindra-posisi

dengan sinyal-sinyal yang memiliki spektrum kontinyu.

Untuk pulsa ~~sukan denominator bervariasi 1-10 V.fluktuasi maksimum hasil bagi sistem ROC lebih keeil dari

0,1 X pada ren~ang dinamik 1:10, ketidakstabilan pada peng­

operasian fungsi ROC paling tinggi mencapai 1 kanal setiap 3

jam. Hasil pengujian menunjukkan bahwa penampilan alat ini

tidak berbeda jauh dengan alat rancangan Matoba sebelumnya.

Sis t. em RDC ini dapa l di real isasi kan dan dioper asikan

dengan mudah. di mana operasi nya sama seper ti oper asi peng­

gunaan MeA. dan menampilkan hasil yang baik sewaktu diguna­

kan dalam penel i tian radi ografi si nar -beta. (7~ 8iaya pem­

buatan sislem R~~ ini tidak terlalu ~~hal.

5ist.em RDC ini dapat dihubungkan dengan komputermikro

data 8-bit maupun

kan Crendah atau

16-bi t.tinggi) •

tergantung sinyal

sistem ini dapat

A yang diguna­cjuga digunak an

sebagai ADC data 12-bit jenis Wilkinson. di mana penentuan

sistemnya dapat dipilih dari saklar SW1.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada

Dr. Y. Matsumoto dan Dr. A. ~)gaki tenaga ahli pada labora­

torium Konversi Energi Universitas Kyushu. dan kepada Dr. N.

Koori asist.en Prof. pada laboratorium Aplikasi Teknik Nuklir

Universit.as Kyushu atas dukungan dan diskusi yang berharga

selama penelitian.

430

ACUAN

1. LAUTERJVNG K. H.• el al.• Nucl. Inslr. and Math. 22(1963)117

2. KUHLMAN W.R .• el al.• Nucl. Instr. and Math. 43 (1966)118

3. STRAUSS M.G .• el al .• Rev. Sci. Instr. 36 (1965) 112

4. WESTPHAL G.P .• et al.• Nuci. Instr. and Math. 134 (1976)387

5. MATOBA M.• et al.• Nucl. Instr. and Math. 224 (1984) 173

6. ATAC M .• et al.• IEEE Trans. Nuci. SCT. NS-29 (1982) 396

7. A. RIVAY, Master Thesis. Kyushu Univ .• 1988

8. MATSHUMOTO Y., et al., Komunikasi Pribadi

TANYA JAWA8

f. J.Kamadi

puLsa masukan denominator 1-10 voLt.

fL~~tuasi tersebut terjadi ?

JAWABAN

Pada daerah manakah

Fluktuasi maksimum 0.1 % pada daerah teeanean denominator

1-10 voLt unt~~ rasio I (0 dB~ s/d 0.100 (cO dB~. Sedane­

kan untuk rasio 0.863 (c4 d8~ pada teeanean denominator 1

voLt tidak diperoLeh data karena fLuktuasi terlaLu besar

(t idak konsta~.

voLt fluktuasi maksimum 0,05 %.

c. Setyadi

a. Detektor jenis apa yane dipakai pada sistem ini?

b. Kalau RDC di8anti ADC, tipe apa dan Ronversi waktu be­

rapa detik yan8 diperoLeh?

431

JAWABAN

a. Detektor yan~ digunakan jenis pencacah proporsional.

sensitif posisi CPSPC~sb. ROC dan ADC bisa dipert1..l.karkan meLaLui sakLar di front

paneL. Tipe ADC adaLah Linier sweep CWiLkinson~ den~an

conversion time = 32 ~s. Te~an~an denominator otomatis

menjadi ~onstan CV = konsta~ biLa sa~Lar dit1..l.kar dariDROC ~e ADC.

3. Budiono

a.Apakah komponen ADC mudah didapatkan?

b. Apakah den~an ADC yan~ conversion timenya 32 ~s data­

data dapat dibaca semua (tersampLin~ semua~?

JAWABANa. Kecual. i input swi tchin~ FIT J177 dan LH0032 opamp.

b.

mun~kin komponen l.ainnya mudah didapatkan di pasaranbebas .

Untu~ peneLitian radio~raphy sinar beta den~an E~ ~ fHeV rn.a.ka conversion time 32 ~s ROC masih mampu membaca

semua data yan~ mas1..l.k.be~i tu ju~a den~an ADC wal.aupun

fun~si ADC daLam peneLitian ini Cradio~raphy sinar ~~

t i dak d i gunakan.