UNIVERSITAS INDONESIA

LOCK-IN AMPLIFIER

TULISAN ILMIAH

BHAKTI PRIO SEJATI (1206239056)RANA BOUZIDA (1206242675)

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAMDEPARTEMEN FISIKADEPOK2015

KATA PENGANTAR

Puji syukur kami panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-Nya, kami dapat menyelesaikan tulisan ilmiah ini. Penulisan tulisan ilmiah ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah tugas mata kuliah Instrumentasi Fisika II. Kami menyadari bahwa, tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak sangatlah sulit bagi saya untuk menyelesaikan tulisan ilmiah ini. Oleh karena itu, kami mengucapkan terima kasih kepada: (1) Adhi Harmoko Saputro S.Si., M.Kom, Ph.D., selaku dosen mata kuliah Instrumentasi Fisika II;(2) penulis jurnal dari berbagai media yang menjadi referensi kami untuk menulis tulisan ilmiah ini; (3) orang tua dan keluarga kami yang telah memberikan bantuan dukungan material dan moral; dan (4) sahabat yang telah banyak membantu kami dalam menyelesaikan tulisan ilmiah ini.Akhir kata, saya berharap Tuhan Yang Maha Esa berkenan membalas segala kebaikan semua pihak yang telah membantu. Semoga tulisan ilmiah ini membawa manfaat bagi pengembangan ilmu.

Depok, 24 Februari 2015Penulis

ABSTRAK

Nama:Bhakti Prio Sejati (1206239056)Rana Bouzida (1206242675)Program Studi:FisikaJudul:Lock-in Amplifier

Tulisan ilmiah ini membahas tentang lock-in amplifier, alat yang dapat mengukur sinyal berskala nano dengan noise yang memiliki orde yang jauh lebih besar. Dalam tulisan ilmiah ini, kami akan membahas rancangan instrumentasi dari lock-in amplifier, metode, dan aplikasi serta keuntungan dan kerugian dari alat ini. Aplikasi yang kami bahas pada tulisan ini adalah penggunaan lock-in amplifier untuk karakterisasi komponen dengan laser lock-in thermography.

Kata kunci:Lock-in amplifier, sinyal sangat kecil, noise, laser lock-in thermography

DAFTAR ISI KATA PENGANTAR2ABSTRAK3DAFTAR ISI4BAB I PENDAHULUAN51.1.LATAR BELAKANG51.2.TUJUAN51.3.MANFAAT51.4.RUMUSAN MASALAH5BAB II PEMBAHASAN62.1.PRINSIP DASAR62.1.1.Filter62.1.2.Rancangan Instrumentasi92.1.3.Metode122.2.APLIKASI132.3.KELEBIHAN DAN KEKURANGAN142.3.1.Kelebihan142.3.2.Kekurangan15BAB III KESIMPULAN16DAFTAR PUSTAKA17

BAB I PENDAHULUAN

1.1. LATAR BELAKANGEksperimen fisika banyak yang membutuhkan pengukuran yang akurat, dalam hal ini tegaengan yang sangat kecil (Small Voltage) akan lebih banyak digunakan. Akan tetapi pengukuran yang dilakukan mengalami kendala karena tegangan kecil berada dalam noise yang lebih besar dibandingkan dengan tegangan kecil itu sendiri. Apabila dilakukan pengukuran secara biasa (multimeter atau osiloskop), yang didapatkan bukanlah sinyal aslinya, tetapi senyal noiseyang memiliki amplitodo lebih besar dibandingkan dengan sinyal itu sendiri. Sistem instrumentasi yang ada saat ini dapat mendukung dengan baik pengukuran tersebut seperti sistem pengukuran dengan menggunakan lock-in-amplifier.

1.2. TUJUAN1. Mengetahui prinsip dasar lock-in amplifier.2. Mengetahui aplikasi lock-in amplifier di dunia instrumentasi.3. Mengetahui kelebihan dan kekurangan dari lock-in amplifier.

1.3. MANFAAT1. Penulis dapat memahami prinsip dasar lock-in amplifier.2. Penulis dapat mengetahui aplikasi lock-in amplifier di dunia instrumentasi.3. Penulis dapat mengetahui kelebihan dan kekurangan dari lock-in amplifier.

1.4. RUMUSAN MASALAH1. Bagaimana prinsip dasar lock-in amplifier?2. Bagaimana aplikasi lock-in amplifier dalam dunia instrumentasi?3. Apa saja kelebihan dan kekurangan dari lock-in amplifier?

BAB II PEMBAHASAN

2.1. PRINSIP DASAR2.1.1. FilterFilter adalah suatu rangkaian yang berfungsi untuk melewatkan sinyal-sinyal yang diperlukan dan menahan sinyal-sinyal yang tidak dikehendaki serta untuk memperkecil pengaruh noise dan interferensi pada sinyal yang dikehendaki. Rangkaian filter dapat bersifat pasif maupun aktif menggunakan operasional amplifier (op amp) dengan komponen resistor dan kapasitor. Sedangkan filter pasif yaitu filter yang hanya tersusun dari resistor dan kapasitor, atau resistor dan induktor maupun kombinasi ketiga komponen tersebut.Filter aktif mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan filter pasif seperti ukurannya yang lebih kecil, ringan dan murah serta memberikan banyak keleluasaan dalam hal perancangannya. Adapun kekurangan filter aktif ini adalah adanya kebutuhan akan catu daya dan kepekaan terhadap perubahan keadaan sekitarnya seperti perubahan suhu.2.1.1.1. Low Pass FilterLow Pass Filter adalah filter yang akan meloloskan frekuensi yang berada dibawah frekuensi cut off (fc) dan meredam frekuensi diatas fc. Frekuensi cut off dari low pass filter RC dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :

(2.1)

Rangkaian low pass filter RC dan karakteristiknya dapat dilihat pada gambar 2.1.berikut ini :

Vo V1C

Gambar 2.1. Rangkaian dan karakteristik frekuensi dari LPFRangkaian low pass filter RC memiliki penguatan yang konstan hingga pada frekuensi pole tertentu. Penguatan mulai menurun seiring dengan naiknya frekuensi.Pada saat penguatan menurun, rangkaian ini memiliki karakteristik sebagai integrator. Pada gambar berikut ini memperlihatkan frekuensi responnya dan kurva fasa naik.Persamaan fungsi transfer untuk respon frekuensi low pass filter adalah :

(2.2)

Fungsi transfer ini terbagi atas tiga bagian:1. Bila , Vo/Vi = 1 atau 0 dB dan sudut phasa 0o2. Bila , Vo/Vi = 0,707 -450 atau -3 dB3.

Bila , Vo/Vi = () (1/1) -900, dimana penguatan menurun bersamaan dengan kenaikan frekuensi, pada bagian ini low pass filter ini berindak sebagai integrator.2.1.1.2. Operasional Amplifier (Op-Amp)Penguat operasional atau op-amp adalah suatu rangkaian yang menerima sebuah isyarat dan mengeluarkan sebentuk isyarat tak berubah yang lebih besar dikeluarkannya. Terdapat dua jenis penguat operasional yaitu penguat tak membalik (non inverting) dan penguat membalik (inverting).

+ V out TAK MEMBALIK V 1V2 MEMBALIKA Gambar 2.2. Lambang operasional amplifierGambar 2.2. adalah simbol dari penguat operasional, A adalah penguat tegangan (volt gain), Vi merupakan masukan tak membalik dan fasa tegangan masukan sama dengan fasa tegangan keluaran, sedangkan V2 merupakan masukan membalik dan fasa tegangan masukan berbeda 1800 dengan tegangan keluaran.Tegangan masukan differensial-nya adalah:Vin = V1 V

(2.3)Tegangan masukan diffrensial ada karena perbedaan tegangan antara masukan tak membalik dengan masukan membalik. Selama penguat operasional bekerja pada daerah pada daerah linier maka tegangan output dinyatakan dalam persamaan:Vout = A Vin (2.4)Cara termudah untuk menggunakan suatu penguat operasional adalah loop terbuka (tidak ada resistor umpan balik), seperti ditunjukkan dalam gambar 2.3. Karena penguatan yang tinggi dari penguat operasional tegangan kesalahan yang sedikit (secara tipikal dalam mikrovolt) menimbulkan ayunan (swing) output maksimum. Misalnya, jika V1 lebih besar dari pada V2 maka tegangan kesalahan adalah positif dan tegangan output menuju ke harga positif maksimumnya secara tipikal 1 sampai 2V kurang dari tegangan catu. Dipihak lain jika V1 kurang dari V2 maka tegangan output berayun keharga negatif maksimum. (Robert G., Operational Amplifier, 1994).+VCCVout

V in+VEEVout - V sat + V sat (a) (b)Gambar 2.3. (a) Op-amp sebagai komparator, (b) Karakteristik komparatorGambar 2.3. (b) memperlihatkan respon dari komparator. Tegangan kesalahan Positif mendorong output ke + Vsat. Harga positif maksimum dari tegangan output. Tegangan kesalahan negatif menimbulkan tegangan output Vsat. Jika sebuah penguat operasional digunakan seperti ini, maka disebut komparator karena semua yang dapat dilakukannya adalah membandingkan V1 dengan V2 yang menghasilkan output positif atau negatif jenuh tergantung pada V1 lebih besar atau lebih kecil dari pada V2. (Robert G, 1994, h:125)2.1.2. Rancangan InstrumentasiPada Lock-In Amplifier pada dasarnya menggunakan amplifier untuk membesarkan pembacaan dan terdapat komponen penting pada alat ini yaitu PSD dan akhirnya outputnya akan tampilkan pada display.

Gambar 2.4. Rancangan Instrumentasi dari Lock-In Amplifier2.1.2.1. AC AmplifierAC Amplifier merupakan sebuah tegangan ampifier simpel yang dikombinasikan dengan variabel filter. Pada beberapa Lock-In Amplifier ada yang dapat diubah ubah nilai filternya dan ada juga yang tidak dapat diubah nilai filternya. Dan pada beberapa alat ini ada yang menampilkan nilai output tegangan dari penguatan AC Amplifier.2.1.2.2. Voltage Control OscillatorVCO adalah osilator, namun pada komponen ini dapat menyinkronkan dengan sebuah sinyal referensi, termasuk frekuensi dan fase. Lock-in Amplifier memiliki metode yang berbeda beda pada VCO-nya, ada yang yang sudah lengkap dengan osilator dan tidak perlu menambahkan referensi eksternal. Pada kasus tersebut pengguna hanya tinggal mengatur frekuensi dan amplitudo, dan harus menggunakan output dari osilator pada percobaan untuk mengendalikan sinyal yang ingin diukur. Dan pada VCO juga terdapat pengubah fase, yang berguna untuk mengubah sinyal dari sudut 0-360 derajat dengan tergantung pada referensi.2.1.2.3. Phase Sensitive DetectorLock-in Amplifier membutuhkan sinuyal referensi, biasanya sewaktu percobaan terjadi pada frekuensi tertentu (dari osilator atau generator fungsi) dan Lock-in Amplifier mendeteksi respon dari percobaan pada frekuensi referensi. Pada diagram dibawah ini, sinyal referensi adalah sinyal kotak pada frekusi r. Jika sinyal output dari hasil percobaan adalah Vsig sin(rt +qsig) dimana Vsig adalah amplitudo sinyal, r frekuensi sinyal, dan qsig adalah fase sinyal.

Gambar 2.5. Perbandingan sinyal pada lock-in amplifier

Lock-in Amplifier menghasilkan sinyal referensi internal, sinyal tersebut dihasilkan oleh phase-looked-loop yang di kunci pada sinyal referensi. Pada diagram diatas tampak sinyal referensi eksternal, referensi Lock-in internal dan sinyal. Persamaan sinyal referensinya adalah VL sin(Lt+).SR850 menguatkan sinyal dan mengalikannya dengan Log-In Referensi menggunakan PSD atau multiplier. Output dari PSD ini membentuk 2 gelombang sinus.

Output PSD adalah 2 sinyal AC, yakni penjumlahan dan pengurangan frekuensi referesi dengan sinyal input. Jika output PSD melalui low pass filter maka sinyal AC akan terhapus karena yang dilewatkan hanyalah sinyal yang frekuensinya rendah sehingga komponen penjumlahannya menghilang. Namun bila r = L maka, beda frekuensi pada komponen tersebut akan menjadi sinyal DC. Pada kasus ini, output PSD yang terfilter akan menjadi :

Vpsd sebanding dengan VsigCos dimana = sig ref. Dengan mengatur ref maka kita dapat membuat = 0 sehingga kita dapat mengukur Vsig. Sebaliknya, jika = 90o maka tidak akan ada output. Sehingga diperlukan PSD kedua, jika PSD kedua mengalikan sinyal dengan osilator referensi yang memiliki beda fase 90o. Maka persamaannya VLSin(Lt+ref+90o), output Low Pass filter akan menjadi

Sekarang terdapat dua output yang sebanding dengan cos dan sin . Bila output perta X dan yang kedua adalah Y, maka didapat:

Dengan menghitung besar R dari sinyal vektor maka kebergantungan fase akan hilang.

R mengukur amplitudo sinyal dan tidak tergantung pada beda fase antara sinyal dan referensi Log-in.2.1.2.4. Low Pass FilterLow pass filter adalah RC filter yang memiliki time constant yang dapat dipilih. Pada penggunaannya kita dapat menggunakan satu RC filter (single pole filter) atau dua RC filter yang diseri (2-pole filter). Pada lock-in amplifier terbaru, yakni amplifier digital pengukurannya menggunakan attenuation dari banyak pole.2.1.2.5. DC AmplifierDC Amplifier merupakan low-frequency amplifier yang mirip dengan sebelumnya ditambah op-amp. Berbeda dengan AC amplifier, DC amplifier tidak dapat bekerja pada frekuensi tinggi, di bawah 10kHz.2.1.3.Metode2.1.3.1. Lock-in Amplifier Phase ShifterPada lock-in amplifier phase shifter, kita dapat mengubah-ubah fase dari sinyal referensi sesuai dengan sinyal aslinya. Pada lock-in amplifier yang lain, kita hanya dapat mengubah beda fase menjadi 0o atau 180o agar mendapatkan output yang maksimum.

Gambar 2.6. Lock-in amplifier with phase shifter

2.1.3.2. Lock-in Amplifier Double GeneratorPada lock-in amplifier double generator, terdapat generator eksternal yang menjadi external reference.

Gambar 2.7. Lock-in amplifier double generator2.1.3.3. Lock-in Amplifier 2fPada lock-in amplifier 2f, terdapat frequency doubler yang menggandakan output dari sine generator.

Gambar 2.8. Lock-in Amplifier 2f

2.2. APLIKASILock-in amplifier merupakan alat yang digunakan untuk mengukur sinyal yang noise-nya jauh lebih besar daripada sinyal aslinya. Salah satu contoh penggunaan lock-in amplifier adalah pada karakterisasi permukaan. Alat yang digunakan untuk proses karakterisasi permukaan salah satunya adalah laser lock-in thermography.Laser lock-in thermography digunakan untuk memodulasi laser pada karakterisasi permukaan tokamak Plasma Facing Components (PFC). Diagram kerja alat ini dapat dilihat dari gambar 2.9. di bawah ini.

Gambar 2.9. Skematik kerja laser lock-in thermographyPada gambar 2.9., signal generator men-drive sinyal untuk CW Ytterbium fiber laser, sehingga sinyal yang keluar dari output collimator adalah sinyal periodik dengan frekuensi 1Hz 10kHz. Sinar laser yang mengenai sampel yang dipanaskan ada yang diserap dan ada pula yang dipantulkan menuju ke sensor yang berupa photodiode dan IR detector. Kedua sensor tersebut kemudian meneruskan sinyal yang didapat ke lock-in amplifier untuk diolah. Pada kasus ini signal generator merupakan external refference untuk lock-in amplifier. Jadi, lock-in amplifier hanya akan mengukur sinyal yang frekuensinya sama dengan frekuensi signal generator.

2.3. KELEBIHAN DAN KEKURANGAN2.3.1. Kelebihan1. Dapat mengukur sinyal yang noise-nya lebih besar daripada sinyal aslinya.2. Hasil pengukuran lebih akurat, dapat mengukur hingga skala pico (10-12).

2.3.2. Kekurangan 1. Kecepatan terbatas, karena pada satu waktu kita hanya bisa mengukur pada satu range frekuensi tertentu, jadi alat ini tidak cocok untuk pengukuran yang measurand-nya memiliki frekuensi yang berubah-ubah dengan cepat.2. Limit frekuensi rendah hanya sampai 100 kHz.3. Harganya mahal, berkisar antara $ 40.000 sd $ 100.000.4. Slow respond time

BAB III KESIMPULAN

1. Lock-in amplifier hanya mengukur sinyal yang frekuensinya sama dengan sinyal referensi.2. Lock-in amplifier salah satunya digunakan untuk proses karakterisasi suatu permukaan dengan menggunakan laser lock-in thermography.3. Kelebihan lock-in amplifier diantaranya adalah: Dapat mengukur sinyal yang lebih kecil daripada noise-nya. Akurasi tinggiSedangkan kekurangannya diantaranya: Kecepatan terbatas Limit frekuensi rendah, maksimal 10 kHz Harganya mahal Slow respond time.

DAFTAR PUSTAKA

Lock - in Amplifier and Applications. Lehigh University, UK.

Application Note #3: About Lock-In Amplifiers. Bloomington: Indiana University.

Courtois, X, dkk. (2008). Development of Laser Lock-In Thermography for Plasma Facing Component Surface Characterisation. Abingdon: JET-EFDA, Culham Science Centre.

16