BAB VIII SIGNAL CONDITIONING

PENGKONDISIAN SINYAL

Sinyal output dari sensor pada sistem pengukuran harus diproses dengan beberapa cara agar cocok dengan tahap operasi berikutnya. Sinyal output barangkali sangat kecil sehingga harus dikuatkan, tidak linier sehingga perlu dilinierkan, berbentuk analog sehingga harus diubah menjadi digital, berupa perubahan tahanan sehingga dibuat menjadi perubahan arus, mengandung noise sehingga perlu difilter dan lain-lain. Semua perubahan ini disebut pengkondisian sinyal (signal conditioning). Sebagai contoh, output dari thermokopel adalah tegangan yang sangat kecil, sehingga pengkondisian sinyal perlu dilakukan seperti penguatan, penghilangan noise, linierisasi dan lain-lain.

InterfacingPeralatan input dan output dihubungkan dengan sistem mikroprosesor melalui port.

Penyambungan antara peralatan dengan port disebut interface. Sehingga ada inputan dari sensor, switch dan keyboard dan output berupa display dan actuator.

Proses pengkondisian sinyal1. Proteksi.

Proteksi bertujuan untuk mencegah kerusakan pada elemen berikutnya, seperti mikroprosesor, sebagai akibat dari arus atau tegangan yang tinggi. Proteksi bisa berupa resistor pembatan arus, isolasi, sekering (fuse) untuk memutus arus jika terlalu tinggi, polarity protection dan rangkaian pembatas tegangan.

2. Mendapatkan tipe sinyal yang betul. Ini dapat berarti membuat sinyal menjadi tegangan atau arus dc. Sebagai contoh perubahan tahanan dari strain gauge harus diubah menjadi perubahan tegangan. Ini dapat dikerjakan dengan menggunakan jembatan wheatstone.

3. Mendapatkan level sinyal yang betul. Sinyal dari thermokopel sangat kecil berada pada skala milivolt. Jika sinyal ini dimasukkan dalam analog-to-digital converter (ADC) sebagai input dari mikroprosesor maka sinyal ini harus dibesarkan dulu menjadi skala volt bukan milivolt. Untuk menguatkan sinyal menggunakan operasional amplifier.

4. Mengeliminasi dan mereduksi noise. Sebagai contoh menggunakan filter untuk mengeliminasi noise dari sinyal.

5. Manipulasi sinyal. Sebagai contoh membuat sinyal menjadi fungsi linier.

OPERATIONAL AMPLIFIEROperational amplifier merupakan dasar dari beberapa modul pengkondisian sinyal.

Operational amplifier merupakan penguatan tegangan DC dengan penguatan yang tinggi, penguatan ini bisa sebesar 100 000 atau lebih.

Inverting amplifierGambar 8.1 memperlihatkan rangkaian amplifier ketika digunakan sebagai

inverting amplifier. Input diambil dari input inverting melalui resistor R1 dengan non-

56

inverting dihubungkan ke ground. Jalur feedback menghubungkan output melalui R2

dengan inverting input. Operational amplifier ini mempunyai penguatan 100 000 dan perubahan tegangan output dibatasi ±10 V. Tegangan input harus berada diantara +0,0001 V dan -0,0001 V.

Vin = I1R1

Operational amplifier mempunyai impedan yang sangat tinggi pada terminal input sehingga tidak ada arus yang mengalir melalui X. Maka arus I1 melalui R1 sama dengan arus melalui R2. Beda potensial pada R2 adalah (Vx-Vout). Karena Vx adalah nol maka beda potensial pada R2 adalah -Vout.

- Vout = I1R1

dengan membagi persamaan ini dengan -Vin maka:

Penguatan tegangan =

Gambar 8.1 Inverting amplifier.

Non inverting amplifiar.Gambar 8.2 memperlihatkan rangkaian non inverted amplifier. Tegangan Vx

adalah pembagian R1/(R1+R2) dari tegangan output.

Karena tidak ada arus yang mengalir pada kedua input dari amplifier maka tidak ada beda potensial pada keduanya, sehingga Vx=Vin. Maka:

Penguatan tegangan=

Gambar 8.2 Non inverting amplifier.Summing amplifier

Gambar 8.3 memperlihatkan rangkaian summing amplifier. Jumlah arus yang masuk ke X adalah sama dengan yang meninggalkan X sehingga:

57

I = IA + IB + IC

Arus yang melewati resistor feedback juga sama dengan I. Beda potensial pada R2 adalah (Vx-Vout), karena Vx adalah nol maka sama dengan -Vout dan juga I = -Vout/R2.

Gambar 8.3 Summing inverting amplifier.

PROTECTIONAda beberapa situasi dimana hubungan antara sensor dengan unit berikutnya seperti

mikroprosesor dapat memungkinkan adanya kerusakan sebagai akibat dari arus atau tegangan yang tinggi. Arus yang tinggi dapat dilindungi dengan memasang resistor secara seri untuk membatasi arus dan sekering untuk memutus arus jika arus berada pada pada level yang tidak aman. Tegangan yang tinggi dan polaritas yang salah dapat dilindungi dengan menggunakan diode zener. Diode zener seperti diode biasa dengan tegangan breakdown tertentu. Untuk memungkinkan tegangan maksimum 5 volt tetapi memberhentikan tegangan diatas 5,1 volt, maka dipilih diode zener dengan range tegangan 5,1 volt.

Gambar 8.4 Rangkaian proteksi diode zener.

58

Ada situasi dimana diinginkan isolasi yang lengkap dan menghilangkan hubungan elektrik antara bagian satu dengan bagian yang lain. Tujuan ini dapat dikerjakan dengan menggunakan opto isolator. Alat ini mengubah sinyal elektrik menjadi sinyal optic, kemudian diubah kembali menjadi sinyal elektrik. Sinyal input berupa sinar inframerah dari light emitting diode (LED). Sinyal inframerah kemudian dideteksi oleh phototransistor.

Gambar 8.5 Optoisolator.

FILTERINGFiltering adalah proses menghilangkan band frekwensi tertentu dari sinyal dan

mengijinkan yang lain untuk ditransmisikan. Istilah pasif digunakan untuk filter yang hanya menggunakan resistor, capasitor dan induktor. Istilah aktif digunakan ketika filter juga menggunakan operasional amplifier. Low-pass filter sangat umum digunakan pada bagian pengkondisian sinyal.

Gambar 8.6 Lowpass filter, a. pasif b. aktif.

Jembatan WheatstoneJembatan wheatstone dapat digunakan untuk mengubah perubahan resistance

menjadi perubahan tegangan. Ketika tegangan output Vo adalah nol, maka tegangan pada B harus sama dengan teganagan pada D. Beda teganagn pada R1 misalnya VAB, maka harus sama dengan teganagn R3, misalnya VAD. Sehingga:

I1R1 = I2R2

Gambar 8.7 Jembatan Wheatstone.

59

Ini berarti juga teganagn R2, misal VBC harus sama dengan teganagn R4, VDC. Karena tidak ada arus mengalir melewati BD maka arus yang melewati R2 sama dengan arus yang melewati R1 dan arus R4 sama dengan R3. Maka:

I1R2 = I2R4

Jika kedua persamaan dibagi maka:

dikatakan jembatan berada pada kesetimbangan.Tegangan suplay Vs dihubungkan ke titik A dan C. Jika salah satu tahana R berubah maka, penurunan tegangan pada R1 adalah sebesar R1 / (R1+R2).

Teganagn pada R3:

Sehingga beda potensial antara B dan D adalah:

Misal R1 berupa sensor yang mempunyai perubahan resistance. Perubahan resistance dari R1 menjadi R1 + R1 memberkan perubahan output dari Vo menjadi Vo + Vo dimana:

Jika R1 jauh lebih kecil dari R1 maka persamaan diatas menjadi:

Dengan pendekatan ini, perubahan pada tegangan output selanjutnya proporsional (sebanding) dengan perubahan resistance dari sensor.

Sebagai contoh: sensor temperatur mempunyai tahanan 100 pada 0oC dan digunakan sebagai salah satu lengan pada jembatan wheatstone. Jembatan ini setimbang pada temperatur dimana lengan yang lain juga 100 . Jika koefisien temperatur dari sensor tersebut 0,0039 / oK, maka berapa tegangan output dari jembatan per derajat perubahan temperatur.Misal tegangan suplay 6 volt. Variasi tahanan pada platina terhadap temperatur adalah :

Rt=Ro(1+αt)

Dimana Rt adalah tahanan pada toC, Ro tahanan pada 0oC dan α dalah koefisien temperatur, maka:perubahan tahanan = Rt - Ro

= Ro α t = 100 . 0,0039 . 1 = 0,39 / oK.

Karena perubahan ini kecil jika dibandingkan dengan 100, maka pendekatan persamaan dapat digunakan.SINYAL DIGITAL

Output dari sebagian besar sensor cenderung berbentuk analog. Namun mikroprosesor merupakan peralatan digital. Sehingga output analog dari sensor harus diubah menjadi digital sebelum digunakan sebagai input dari mikroprosesor. Sebaliknya sebagian besar aktuator beroperasi dengan tegangan input analog sehingga output digital

60

dari mikroprosesor harus diubah menjadi bentuk analog sebelum digunakan sebagai input dari aktuator.

Transformasi sinyal dari bentuk digital kedalam bentuk analog dilakukan oleh suatu rangkaian yang dikenal dengan DAC (Digital to Analog Converter). Sedangkan transformasi sinyal dari bentuk analog kedalam bentuk bentuk digital dilakukan oleh suatu rangkaian yang disebut dengan ADC (Analog to Digital Converter).

Digital to Analog Converter (DAC).DAC merupakan rangkaian yang menghasilkan output berupa tegangan atau arus

yang kontinyu yang proporsional dengan :

* suatu tegangan / arus listrik referensi yang kontinyu* suatu kata biner N bit yang merupakan input dari DAC.

Pada dasarnya ada dua macam rangkaian DAC yang menggunakan prinsip arus listrik yang dihasilkan oleh suatu susunan / tangga hambatan yaitu:

* Binary weigted DAC* R - 2R DAC.

Binary Weigted DACTerdiri atas sederetan hambatan yang masing-masing dihubungkan ke tegangan

referensi (Vref) bila digit inputnya 1 atau ke ground bila digit inputnya 0.

Gambar 8.8 Rangkaian DAC binary weighted resistor.

Arus listrik yang mengalir melalui masing-masing hambatan tersebut adalah I1,I2, I3, ...In. Yang selanjutnya dijumlahkan pada suatu titik penjumlahan (summing junction) sehingga menghasilkan arus listrik total pada titik tersebut.Penjumlahan arus itu dapat dinyatakan:dimana:Io = output arus listrikai = harga input (untuk digit tertentu dari input yang dinyatakan dalam kata biner)R = harga hambatan pertama yang kecil.

61

Rangkaian DAC R - 2R.

Gambar 8.9 Rangkaian DAC R - 2R.

Gambar diatas menunjukkan suatu rangkaian dari hambatan-hambatan yang hanya memiliki dua macam harga R1 yaitu sebesar R ohm dan 2 R ohm. Secara umum tegangan listrik yang dihasilkan oleh rangkaian seperti yang ditunjukkan dalam gambar diatas adalah sama dengan:dimana:

Vref = tegangan referensi ai = harga dari suatu bit pada input ( 0 atau 1 )n = jumlah bit dari input.

Analog to Digital Converter (ADC)ADC merupakan suatu rangkaian atau alat yang dapat mengukur suatu sinyal input

berbentuk analog, misalnya tegangan atau arus listrik kemudian mengubahnya menjadi suatu kata biner (binary word) yang ekuivalen dengan sinyal yang diukur tersebut. Pada dasarnya terdapat beberapa pendekatan untuk mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital yaitu:

* cara integrasi* cara servo (binary ramp)* successive approximation* parallel* voltage to frekwensi convertion.

Cara successive aproximation barangkali yang paling umum dipakai.

62

Gambar 8.10 Blok diagram ADC successive aproximation.

Gambar diatas menunjukkan blok diagram dari sistem rangkaian ADC successive aproximation, dimana input tegangan yang akan dikonversikan menjadi digital dibandingkan dengan suatu output dari DAC. Cara kerja dari DAC ini bisa diterangkan dengan diagram alir dibawah ini.

Setelah ada perintah untuk memulai konversi, maka logika pengontrol (control logic) akan mereset register sehingga berada pada keadaan nol. Setelah itu bit MSB diset menjadi 1. Data dalam register dengan MSB yang telah diubah menjadi 1 tersebut selanjutnya diubah menjadi sinyal analog oleh DAC yang ada. Bila output DAC ternyata masih lebih kecil dari level teganagn input yang akan dikonversikan, maka harga 1 dalam MSB register terus dipertahankan. Sebaliknya bila output DAC ternyata lebih besar dari level tegangan input yang dikonversikan, maka harga 1 pada bit MSB dari register dikembalikan ke level 0.

Selanjutnya akan diperiksa apakah semua bit telah dievaluasi. Bila semua bit telah dievaluasi, maka rangkaian DAC successive aproximation ini akan menyatakan bahwa proses konversi telah selesai dilakukan. Bila belum maka logika pengontrol dari rangkaian DAC ini akan mengeset bit disebelah kanan MSB menjadi 1 dan proses seperti ini akan berulang.

Gambar 8.11 Diagram alir ADC successive aproximation.

63

DISPLAYData yang diolah oleh prosesor dan tersimpan didalam memori belum bisa dibaca

oleh manusia, sehingga agar data hasil olahan mikroprosesor dapat dibaca oleh manusia maka data tersebut harus ditampilkan dalam bahasa manusia melaui display. Ada beberapa macam display antara lain: led, seven segment, dot matrik, LCD dan monitor.

Jenis lampu indikator yang sering digunakan untuk menyatakan angka desimal adalah seven segment indikator, seperti diperlihatkan pada gambar 8.12. Bila menggunakan lampu indikator jenis ini maka diperlukan suatu jenis decoder khusus yang mampu menterjemahkan BCD (binary coded decimal) ke angka desimal. Decoder ini prinsipnya mengubah 4 digit bilangan biner menjadi 1 digit bilangan desimal. Rangkaian dasar dari seven segment decoder dapat dilihat pada gambar 8.12, sedangkan tabel kebenarannya diperlihat pada tabel 8.1. Blanking input yang dapat dilihat sebagai salah satu input dari decoder ini, hal ini memungkinkan membuat semua output menjadi = 0.

Satu hal yang menarik dari rangkaian ini adalah digunakannya inverted-input-AND gate sebagai bagian outputnya. Simbul dari logic gate inverted-input-AND beserta tabel kebenarannya diperlihatkan pada gambar 8.13.

Gambar 8.12 Seven-segment indikator.

Gambar 8.13 Rangkaian seven segmen decoder

64

Gambar 8.14 Simbul dan tabel kebenaran inverted AND gate.

Tabel 8.1 Tabel kebenaran seven-segment-decoder.

65