bab01-sistem akuisisi data

8/9/2019 BAB01-Sistem Akuisisi Data

1/19

Teknik Akuisisi Data 1

1. Sistem Akuisisi Data

SebuahData-Acquisition System (DAS), secara aktual berupa interface

antara lingkungan analog dengan lingkungan digital. Lingkungan analog

meliputi transduser dan signal conditioner dengan segala kelengkapannya,

sedangkan lingkungan digital meliputiAnalog to Digital Converter (ADC)dan

selanjutnya digital processing atau command unit yang dilakukan oleh

mikroprosesor atau sistem berbasis mikroprosesor.

Tujuan bab ini adalah mempelajari macam DAS, dengan titik berat

pada sistem dan elemen penyusun dari DASyang berbasis mikroprosesor.

1.1. Struktur DAS

Struktur Data Acquisition System meliputi jumlah besaran fisik yang

akan diambil, variasi kecepatan perubahan , serta tujuan atau fungsi dari

sistem.

Berdasarkan strukturnya ada beberapa macam :

1.1.1. One Way DAS

Sistem dengan one-way mempunyai struktur yang sederhana. Sistem

dengan struktur one-way ini dapat berupa open-loop , dimana kegunaan atau

fungsi dari sistem ini terbatas hanya untuk pembacaan besaran fisik yang diukur

secara digital untuk selanjutnya ditampilkan pada display (LCD, CRT dan

sebagainya) dan merekamnya sebagai off-line processing(berupa file pada disk

) atau mencetaknya pada printer.

Jika sistem ini berupa closed loop, hasil pembacaan digunakan untuk

pengontrolan suatu besaran tertentu, untuk melakukan setting suatu


2/19


besaran pada level yang ditentukan atau secara sederhana dapat dikatakan

untuk meregulasi suatu besaran tertentu .

heating

programuP

heating

control

ADC

.n

oven temperature

A

instrumentation

amplifier

termocople

error

gambar 1.1 Closed-loop one-way DAS

Gambar 1.1 menunjukkan diagram blok sistem closed-loop dengan

struktur one-way DAS.

1.1.2. Multikanal DAS

Jika sejumlah besaran harus dibaca secara simultan maka time divison

multiplexing digunakan untuk mengontrol pembacaan input.Multiplekser

adalah komponen yang tersusun dari sejumlah saklar analog yang mempunyai

output terhubung secara bersama membentuk output tunggal dan inputnya

menentukan jumlah input komponen tersebut.

Membuka atau menutupnya saklar dikontrol dengan address channel

input, dimana logika input dikodekan dengan sejumlah bit. Satu bit address


3/19


channel dapat mengontrol 2 kanal, dan n bit dapat mengontrol sejumlah 2n

kanal.

signalconditioner

signalconditioner

channel 0

channel n

anaolque multiplexer

S/H

ADC

S/H

control EOC

START

microprocessorsystem

n bit data

channel

addressing

Gambar 1.2 Multichannel DAS

Multiplekser yang umum mempunyai 4, 8 atau 16 kanal. Sebuah

multiplekser 16 kanal mempunyai 16 kanal yang disimbulkan dengan kanal 0

sampai dengan kanal 15. Pada gambar 1.2 ditunjukkan diagram blok multi

kanal DAS. Dalam konfigurasi seperti dalam gambar tersebut mikroprosesor

menghasilkan :

sinyal kontrol untuk rangkaiansample-hold

sinyal start untuk start konversi ADC, akhir konversi ADC ditandai

dengan keluarnya sinyal EOC, sinyal EOC ini sebagai indikasi data

valid.

sinyal address channeluntuk pengontrolan input multiplekser.


4/19


Dengan mensuplai sinyal-sinyal tersebut mikroprosesor

mengorganisasi dan mengontrol operasi dari komponen-komponen sistem.

Jika kita perhatikan diagram blok gambar 1.2, operasi sample-hold

dilakukan oleh sebuah rangkaian sample-hold setelah multiplekser analog.

Dengan konfigurasi seperti ini terdapat kelemahan pada sistem dengan struktur

ini, yakni tidak dapat melakukan pembacaan data lebih dari satu kanal dalam

waktu yang bersamaan, maksudnya dalam sekali operasi sample-hold

melakukan operasi pembacaan secara bergantian.

1.1.3. Synchronous DAS

Seperti disebutkan di atas tentang keterbatasan pada struktur sistem

sebelumnya (multichannel DAS), adalah mungkin untuk memindahkan

rangkaian sample-hold ke depan multiplekser analog pada masing-masing

input, sehingga dibutuhkan rangkaian sample-hold sebanyak n buah sesuai

dengan jumlah input yang ada.

Diagram blok sistem dengan struktur ini ditunjukkan pada gambar 1.3

di bawah ini. Pada sistem seperti ini pengaturan input lebih baik karena dapat

melakukan pembacaan dua input atau lebih selama rangkaian sample-hold

dalam mode hold . Hal ini dapat dirasakan secara praktis dalam sinkronisasi

antara kontrol S/H dan start konversi ADC.


5/19


signal

conditioner

signal

conditioner

channel 0

channel 3

anaolq ue multiplexer

ADC

S/H

control

microprocessor

system

n bit data

channel

addressing

signal

conitioner

signal

conditioner

channel 1

channel 2

S/H

S/H

S/H

S/H

EOC

START

Gambar 1.3. Synchronous DAS

1.1.4. Fast DAS

Seringkali kita menghadapi sejumlah sinyal dengan fluktuasi yang

sangat cepat. Dalam menghadapi sinyal seperti ini, tidak hanya cukup

menggunakan multi channelDAS dengan menggunakan ADC yang serupa

dengan sistem sebelumnya, sejumlah FLASH ADC dengan rangkaian sample-

holdpada tiap-tiap ADC seperti pada gambar 1.4.


6/19


S/H

channel 0

Digital Mux

microprocessor

system

n bit data

channel addressing

(2 bit)

S/H

S/H

channel 1

channel 2

FAST

ADC

FAST

ADC

FAST

ADC

n bit data

n bit data

n bit data

EOC START

S/H CONTROL

START

EOC

Gambar 1.4 Fast DAS

Output digital flash ADC di-multiplek dengan sebuah digital

multiplekser, dalam gambar 1.4 ditunjukkan tiga sinyal dengan fluktuasi yang

sangat cepat diinputkan pada FLASH ADC melalui rangkaiansample-hold, ke-

12 bit data dari tiap-tiap FLASH ADC diinputkan pada multiplekser digital.

Karena ADC yang diguanakan jenis FLASH ADC, dimana kelebihandari jenis ini adalah waktu konversi yang sangat cepat, ditambah lagi dengan

konfigurasi struktur synchronous secara fisik dan pengontrolannya, maka

sistem ini dapat melakukan akuisisi data dengan lebih baik terhadap sinyal-

sinyal dengan fluktuasi yang sangat cepat sekali.

1.2. Elemen-elemen Penunjang DAS


7/19


Sistem terdiri dari sejumlah elemen atau komponen yang saling

berhubungan satu dengan yang lain melakukan suatu kerja sehingga tujuan atau

fungsi sistem tercapai. Elemen-elemen Data Acquisition System , yang saling

berhubungan satu dengan yang lain adalah sebagai berikut :

Transduser

Transduser adalah elemen yang berfungsi untuk merubah suatu besaran

fisik menjadi besaran listrik. Tranduser mengubah besaran mekanik menjadi

besaran listrik yang dapat berupa tegangan atau arus, tranduser suhu mengubah

besaran temperatur (derajat panas) menjadi besaran listrik berupa tegangan

atau arus. Dalam praktik banyak sekali contoh-contoh tranduser yang dipakai

dalam DAS, misalnya Physically Displacement Transduser, Humidity

Transduser, Thermocouple, Accelerometer, Tachometer, Strain Gauge

Transduser dan sebagainya. Spesifikasi penting dari transduser adalah

kecepatan, ketelitian dan keandalan.

Operasional Amplifier

Tegangan atau arus yang dihasilkan oleh transduser biasanya kecil.

Sedangkan komponen ADC yang digunakan dalam praktik bekerja pada skala

penuh 0 s/d 5 volt, -5 s/d +5 volt, 0 s/d 10 volt dan sebagainya tergantung

mode input dan spesifikasi komponen yang dipakai. Oleh karena itu diperlukan

signal conditioner, yang memperlakukan sinyal keluaran dari transduser

cukup besar untuk diinputkan pada ADC. Rangkaian-rangkaian dengan

menggunakan operasional amplifier merupakan bagian utama dari signal

conditioner.

Instrumentasi Amplifier


8/19


Instrumentasi amplifier diperlukan bila data analog harus ditransmisikan

melalui jarak yang cukup jauh dan juga untuk meredam interferensi.

Karakteristik penting dari instrumentasi amplifier adalah CMMR (common

mode rejection ratio)yang tinggi, impedansi input yang tinggi, dan gain yang

dapat diprogram.

Isolator

Isolation transformer, optical isolation, transformer coupled

diperlukan sebagai pemisah antara sumber sinyal dengan sistem data, untuk

isolasi dalam sistem digital digunakan solid state opto-coupler atau fiber

optic.

Rangkaian fungsi analog

Untuk fungsi-fungsi yang tetap , rangkaian analog lebih sederhana dan

lebih real time, dibandingkan pemroses digital. Fungsi-fungsi yang bisa

diwujudkan dengan rangkaian analog antara lain multiplier, divider, adder,

subtractor dan fungsi-fungsi non linier yang lainnya.

Multiplekser analog

Jika sinyal analog yang harus diproses berasal dari banyak sumber atau

dari kanal komunikasi yang sama, melewati single converter , sebuah

multiplekser analog diperlukan untuk meng-kopel dan mengatur sinyal

tersebut.

Rangkaian sample/hold


9/19


Rangkaian sample/hold diperlukan karena dalam banyak hal sinyal

analog bervariasi cukup cepat, sementara konversi sinyal dari analog ke

digital mengambil selang waktu yang tertentu dan ADC tidak dapat men-

digital-kan input analog dengan sangat segera, sehingga perubahan yang cukup

besar pada sinyal input selama proses konversi dapat mengakibatkan kesalahan

yang cukup besar.

Analog to Digital Converter (ADC)

ADC melakukan konversi data analog menjadi data digital yang

bersesuaian. Spesifikasi utama ADC adalah ketelitian absolut dan relatif,

linearitas, resolusi, kecepatan konversi, stabilitas, no-missing codedan harga

komponen. Hal lain yang berhubungan ialah batas tegangan input, output kode

digital, teknik interfacing, multiplekser internal, pengkondisi sinyal dan

memori.

Digital to Analog Converter (DAC)

Data yang telah diolah mengalami pemrosesan, penyimpanan dan bahkan

transmisi secara digital. Mengkonversikan kembali dari bentuk digital menjadi

analog dilakukan oleh DAC.

Prosesor data digital

Prosesor ini mengolah secara digital data hasil konversi ADC.

Filter


10/19


Untuk menghilangkan noise yang ada, digunakan filter untuk

melewatkan sinyal dengan frekuensi yang diinginkan dan menolak komponen

frekuensi yang lain. Filter dapat diwujudkan secara hardware maupun

software.

1.3. Operasi sample and hold

Penguat sample-hold mempunyai 4 komponen utama, yaitu input

buffer amplifier, komponen penyimpan energi berupa hold capacitor, output

buffer amplifier dan rangkaianswitchingseperti pada gambar 1.5 di bawah ini.

Input Buffer amplifier mempunyai impedansi yang tinggi dan menghasilkan

penguatan arus untuk mengisi hold capacitor . Dalam mode track, hold

capacitor menentukan respon frekuensi dari penguat ini. Dalam mode hold ,

holdcapacitormenahan tegangan sebelum hubungan ke input buffer amplifier

dilepaskan. Output buffer amplifier memberikan impedansi yang tinggi pada

holdcapacitor untuk menghindari tegangan yang ada discharge sebelum

waktunya.

switch

iinput

bufferamp

output

bufferamp

switching

circuit

analog input

control

holdcapacitor

analog output

Gambar 1.5 Penguat sampel/hold


11/19


1.3.1 Spesifikasi Penguat Sample-Hold

Terdapat 4 spesifikasi yang menggambarkan karakteristik penguat sample-

hold, yakni :

Mode Track

Dalam mode operasi track atau sample, penguat sample-hold adalah

sebuah penguat dengan bandwidthyang terbatas. Spesifikasi utama pada

mode operasi trackadalah :

offset : menyatakan deviasi keluaran terhadap nol.

non-linearitas: menyatakan deviasi dari plot sinyal input-output

terhadap garis lurus yang seharusnya. Ini biasanya dinyatakan

dalam prosentasefull-scale.

gain: faktor pengali yang melambangkan transfer function input

- output

settling time : waktu yang diperlukan oleh output untuk

mencapai nilai akhirnya dalam daerah pecahan dari full-scale

yang tertentu bila dimasukkan inputstep analog full-scale.

Bandwidth : menggambarkan respon frekuensi dalam

hubungannya dengan peredaman output pada frekuensi tinggi,

biasanya dikarakteristikkan pada -3 dB.

Transisi Track ke Hold

waktu aperture : menyatakan waktu yang diperlukan untuk

melepaskan hubungan hold capacitor dari input buffer

amplifier.


12/19


+ FS

- FS

ANALOG INPUT

EFFECTIVE APERTURE DELAY TIME

APERTURE ERROR

JITTER

HOLD COMMAND

TRACKHOLD

TRACK

SWITCH DELAY TIME

TRANSIENT SETTLING

TIME

FEEDTHROUGHVpt P-P

+ FS

- FS

ANALOGOUTPUT

SLEW RATE

TRANSIENT AMPLITUDE

DROP RATE

ACQUISITION TIMETO SPECIFIEDACCURACY

Gambar 1.6 Kesalahan pada penguat sample/hold

te

ta

V HELD

ENCODE

(CONTROL)

SWITCH tde

ANALOG IN

VOLTAGE

ON HOLD

CAPACITOR

t

tda = ANALOG DELAY TIME

tde = CONTROL DELAY

ta = APERTURE TIME

te = EFFECTIVE APERTURE

DELAY TIME

t = tde + ta/2 - tda

tda

Gambar 1.7 Pewaktuan internal penguat sample/hold


13/19


offset sample ke hold : terjadi kesalahan step , karena nilai

tegangan pada saat holdberbeda dengan nilai terakhir pada waktu

sample.

Mode Hold

Selama mode hold terdapat kesalahan akibat ketidaksempurnaan saklar,

output buffer amplifier dan hold capacitor.

droop : konstanta hanyutan dari tegangan output karena

kebocoran muatan dari hold capacitor.

feedthrough: bagian dari sinyal input yang tampak pada output

saat hold, terutama disebabkan oleh kapasitansi pada saklar.

Transisi dari Hold ke Sample

acquisition time : lama penguat sample-holdharus tetap pada mode

sampleagar hold capacitormendapatkan inputstep full-scale.

1.4. Konversi Analog ke Digital

Proses konversi data analog menjadi data digital merupakan proses

penting dalam sistem akuisisi data. Proses konversi ini dilakukan oleh sebuah

komponen yang dinamakan Analog to Digital Converter, selanjutnya dalam

buku ini disingkat ADC. Pemilihan komponen sesuai dengan kebutuhan

sangatlah penting dalam konversi analog ke digital.

1.4.1. Jenis-jenis ADC

Terdapat beberapa jenis ADC yang dapat dibagi menjadi empat kelompok,


14/19


dimana pemilihan ADC disesuaikan dengan penggunaan, yang di dalamnya

diperhitungkan resolusi, waktu konversi dan ketelitian.

Successive Approximation

Konverter analog ke digital jenis successive approximation atau pendekatan

berturut-turut banyak digunakan khususnya untuk interfacing dengan

komputer.

Integrasi

Pada ADC jenis ini terdapat konversi yang tidak langsung, pertama konversi

sebagai fungsi waktu, kemudian dari fungsi waktu ke digital dengan

menggunakan sebuah pencacah. Jenis ini seperti dual-ramp dan quad slope,

sesuai untuk penggunaan yang memungkinkan konversi cukup lama. Jenis yang

lain adalah single ramp dan konversi tegangan ke frekuensi.

Pencacah dan Servo

Pada konverter jenis ini waktu konversinya tergantung dari perubahan

tegangan input. Input analog dibandingkan dengan output DAC dengan input

digital yang berasal dari pencacah. Variasi dari konverter ini adalah jenis servo

yang menggunakan pencacah naik turun.

Paralel

Konverter paralel atau flash menggunakan 2n

- 1 komparator. Penggunaan

konversi paralel memungkinkan kecepatan hanya dibatasi oleh waktu switching

dari komparator dan gate. Bila input berubah, kode output berubah segera

sehingga konverter jenis ini merupakan yang tercepat. Namun jumlah elemen


15/19


internal bertambah secara geometris dengan resolusi.

+

DA CONVERTER

-

ANALOG

INPUT SIGNAL

SHIFT REGISTER,

CONTROL LOGIC,AND

OUTPUT REGISTER

ANALOG REFERENCE

CLOCK

SERIAL OUTPUT

CLOCK OUTPUT

STATUS (BUSY)

START

CONVERSION

COMPARATOR

Gambar 1.8 Diagram blok A/D successive approximation

1.4.2. ADC Successive Approximation

ADC Successive Approximation mempunyai kelebihan-kelebihan antara lain

mudah untuk interfacing dengan komputer, waktu konversi tetap, kecepatan

konversi yang cukup tinggi dan memungkinkan untuk resolusi tinggi. Cara

kerja ADC jenis ini adalah sebagai berikut:

Konversi dilakukan dengan cara membandingkan input yang tidak diketahui

dengan sebuah tegangan atau arus presisi yang dibangkitkan oleh sebuah

DAC, seperti terlihat pada gambar 1.8. Input dari DAC berasal dari output

digital ADC. Pembandingan dilakukan bit demi bit mulai dari MSB.

Sesudah perintah konversi diberikan dan konverter telah direset, output


16/19


DAC dibandingkan dengan sinyal input. Bilamana input lebih besar dari

MSB tersebut, bit ini akan bernilai '1' dan bit berikutnya diuji. Bila input

kurang dari MSB, bit tersebut akan bernilai '0', Bila bit kedua tidak dapat

membuat output DAC lebih besar dari input analog bit ini akan diset '1', bit

ketiga dites. Bila pemberian '1' pada bit kedua membuat output DAC kali

ini lebih besar dari input analog maka bit ini bernilai '0'. Proses ini

berlangsung secara terus-menerus sampai LSB.

0 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4

IDEAL TRANSFER FUNCTION

000

001

010

011

100

101

110

111

FS

0

1/8

1/4

3/8

1/2

5/8

3/4

7/8

1

D

I

G

I

T

A

L

O

U

T

P

U

T

7/8

GAIN

ERROR

ACTUAL

TRANSFER

FUNCTION

Gambar 1.9 Fungsi transfer ADC 3 bit ideal


17/19


0 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4

IDEAL TRANSFER FUNCTION

000

001

010

011

100

101

110

111

FS

0

1/8

1/4

3/8

1/2

5/8

3/4

7/8

1

ANALOG INPUT

D

I

G

I

T

A

L

O

UT

P

U

T

7/8

GAIN

ERROR

ACTUAL

TRANSFER

FUNCTION

gambar 1.10 Kesalahan penguatan ADC 3 bit


18/19


0 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4

IDEAL TRANSFER

FUNCTION

000

001

010

011

100

101

110

111

FS

0

1/8

1/4

3/8

1/2

5/8

3/4

7/8

1

ANALOG INPUT

D

I

G

I

T

A

L

O

U

TP

U

T

7/8

ACTUAL

TRANSFER

FUNCTION

Gambar 1.11 Kesalahan offset ADC 3 bit

Hal utama yang perlu diperhatikan pada ADC jenis ini adalah input

analog tidak boleh berubah lebih dari 1 LSB selama konversi. Untuk mengatasi

hal ini pada sinyal input yang berubah dengan cepat digunakan penguat

sample-hold. Penguat ini dapat ditiadakan untuk sinyal-sinyal yang sangat

lambat atau sinyal DC.

Ketelitian, linearitas, dan kecepatan ADC successive approximation

terutama disebabkan oleh sifat DAC dan komparator internal.

I.4.3 Spesifikasi ADC

Fungsi transfer untuk ADC 3 bit ideal diperlihatkan pada gambar 1.9.

Pada fungsi ini sinyal input analog pada sumbu horisontal dan output digital

pada sumbu vertikal. Hal-hal yang berhubungan dengan spesifikasi ADC adalah


19/19


sebagai berikut :

Resolusi

Menyatakan tegangan input yang dibutuhkan untuk menaikkan output

ADC antara suatu kode dengan kode berikutnya. Sebuah ADC dengan 12 bit

mempunyai resolusi 1/4096full scale.

Ketelitian

Menyatakan perbedaan antara input yang sebenarnya dengan output

kode binerfull scale.

Kesalahan penguatan

Menyatakan perbedaan kemiringan fungsi transfer ADC terhadap fungsi

transfer ADC ideal.

Kesalahan offset

Setara dengan nilai tegangan input ADC untuk membuat nol kode

output.

Non-linearitas differensial (DNL)

Didefinisikan sebagai deviasi dalam lebar kode dari nilai 1 LSB.

Non-linearitas integral (INL)

Adalah deviasi fungsi transfer dari garis lurus ideal.

Monotonitas

Menyatakan ada atau tidaknya tanda (sign) kemiringan pada fungsi

transfer ADC.

Waktu konversi

Waktu yang diperlukan oleh ADC untuk membuat satu konversi.

bab01-sistem akuisisi data

Documents