KONSEP AKUISISI DATA

Rudi Susanto

DASAR-DASAR AKUISISI DATAElemen-elemen dasar dari sistem akuisisi data berbasis komputer (PC),

terdiri dari : Sebuah komputer PC; => data Acquition Hardware; Transduser; => Analysis Hardware=> signal conditioning); => Software.

1. Komputer Personal (PC)

• Komputer yang digunakan dapat mempengaruhikecepatan akuisisi data Dan mempengaruhi unjuk-kerja dari sistem akuisisi data secara keseluruhan.

• Faktor yang mempengaruhi jumlah data yang dapatdisimpan dan kecepatan penyimpanan adalahkapasitas dan waktu akses hard disk.

• Aplikasi-aplikasi akuisisi data secara real-time (waktu-nyata) membutuhkan prosesor yang cepat sehinggaperlu prosesor khusus untuk pemrosesan sinyal digital (DSP –Digital Signal Processor).

2. Transduser

• Transduser mendeteksi fenomena fisik (suhu, tekanan, cahaya, dan lain-lain) kemudianmengubahnya menjadi sinyal-sinyal listrik. Misalnya termokopel, RTD (Resistive Temperature Detectors), termistor, flow-meter dan lain-lain.

• Pada masing-masing kasus, sinyal listrik yang dihasilkan sebanding dengan parameter fisikyang diamati.

3. Pengkondisi Sinyal• Sinyal-sinyal listrik yang dihasilkan oleh transduser

harus dikonversi ke dalam bentuk yang dikenalioleh papan akuisisi data yang dipakai.

• Tugas pengkondisi sinyal : penguatan(amplification). Misalnya sinyal-sinyal lemah yang berasal daritermokopel, sebaiknya dikuatkan untukmeningkatkan resolusi pengukuran. Denganmenempatkan penguat cukup dekat dengantransduser, maka interferensi atau gangguan yang timbul pada kabel penghubung antara transduserdengan komputer dapat diminimalkan.

• Tugas lain dari pengkondisi sinyal adalah melakukanlinearisasi.

Beberapa alat pengkondisi sinyal dapat melakukan penguatansekaligus linearisasi untuk berbagai macam tipe transduser . linearisasinya menggunakan perangkat lunak (program).

• Aplikasi umum dari pengkondisi sinyal lainnya adalahmelakukan isolasi sinyal dari transduser terhadap komputeruntuk keamanan.

Sistem yang diamati bisa mengandung perubahan-perubahantegangan-tinggi yang dapat merusak komputer atau bahkanmelukai operatornya.

• Selain itu pengkondisi sinyal bisa juga melakukan penapisansinyal (pemfilteran) : BPF , HPF, LPF

PERANGKAT KERAS AKUISISI DATA (DAQ)

1. Masukan Analog

Spesifikasi papan perangkat keras akuisisi data meliputi

• jumlah kanal,

• Laju pencuplikan,

• resolusi,

• jangkauan,

• ketepatan (akurasi),

• derau dan ketidak-linearan,

Yang semuanya berpengaruh pada kualitas sinyalyang terdigitisasi (terakuisisi secara digital).

Jumlah kanal masukan analog menentukan berapa tranduser yang dapat ditangani.

Laju pencuplikan (dalam Hz) menentukan seberapabanyak nilai cuplikan yang diperoleh.

Laju pencuplikan yang tinggi akan menghasilkan data yang lebih banyak dan akan menghasilkan penyajian-ulang sinyalasli yang lebih baik.

»Teorema Nyquist

• Pemultipleksan merupakan cara yang seringdigunakan untuk menambah jumlah kanalmasukan ke ADC (papan akuisisi data).

• ADC yang bersangkutan mencuplik sebuah kanal, kemudian berganti ke kanal berikutnya, kemudianmencuplik kanal tersebut, berganti lagi ke kanalberikutnya dan seterusnya.

• Karena menggunakan sebuah ADC untuk mencuplik beberapa kanal, maka laju efektif pencuplikan pada masing-masing kanalberbanding terbalik dengan jumlah kanal yang dicuplik.

• Misalnya sebuah papan akuisisi data mampumencuplik dengan laju 100Kcuplik/detik pada 10 kanal, maka masing-masing kanal secara efektifmemiliki laju pencuplikan :

• Dengan kata lain laju pencuplikan menurunseiring dengan bertambahnya kanal yang dimultipleks.

• Resolusi (dalam satuan bit) adalah istilahuntuk jumlah atau lebar bit yang digunakanoleh ADC dalam penyajian-ulang sinyal analog.

Semakin besar resolusinya, semakin besarpembagi jangkauan tegangan masukansehingga semakin kecil perubahan teganganyang bisa dideteksi.

Contoh ilustrasi:Konverter mempunyai resolusi 3 bit sehinggapembagian jangkauan sinyal analog menjadi 23

atau 8 bagian. Masing-masing bagian disajikandalam kode-kode biner antara 000 hingga 111.

Dengan meningkatkan resolusi hinggga 16 bit, misalnya, maka jumlah kode-kode bilangan ADC meningkat dari 8 menjadi 65.536. Dengandemikian, penyajian-ulang digitalnya lebihakurat dibanding 3-bit.

• Jangkauan berkaitan dengan tegangan minimum dan maksimum yang bisa ditangani oleh ADC yang bersangkutan.

• Papan akuisisi data yang baik memiliki jangkauan yang bisa dipilih sedemikian rupa hingga mampu dikonfigurasi untuk menangani berbagai macam jangkauan tegangan yang berbeda-beda.

• Spesifikasi jangkauan, resolusi dan penguatan (gain) pada papan akuisisi data menentukan seberapa kecilperubahan tegangan yang mampu dideteksi.

• Perubahan tegangan ini menyatakan 1 LSB (Least Signifincant Bit ) pada nilai digital dan seringdinamakan sebagai Lebar Kode (code width).

• Lebar kode yang ideal ditentukan menggunakanpersamaan berikut :

• Jika diketahui jangkauan tegangannya antara 0 sampai dengan 5 V dan penguatan 500 dan resolusi 16 bit, maka diperoleh :

Lebar_kode_ideal = 5 / (500 x 2 16) = 153 nanovolt

• Pada gambar 5.2 ditunjukkan sebuah grafik gelombang sinus serta grafik digital yang diperoleh menggunakan ADC 3-bit.

2. Keluaran Analog• Rangkaian keluaran analog dibutuhkan untuk menstimulus suatu

proses atau unit yang diuji pada sistem akuisisi data. • Beberapa spesifikasi DAC yang menentukan kualitas sinyal keluaran

yang dihasilkan adalah– settling time, – slew rate dan– resolusi.

• Settling time dan slew rate bersama-sama menentukan seberapacepat DAC dapat mengubah aras sinyal keluaran.

• Settling time adalah waktu yang dibutuhkan oleh keluaran agar stabil dalam durasi tertentu.

• Slew rate adalah laju perubahan maksimum agar DAC bisamenghasilkan keluaran.

• Dengan demikian, settling time yang kecil dan slew rate yang besardapat menghasilkan sinyal-sinyal dengan frekuensi tinggi karenahanya dibutuhkan waktu sebentar untuk mengubah keluaran kearas tegangan baru secara akurat.

• Resolusi keluaran mirip dengan resolusimasukan.

– Yaitu jumlah bit kode digital yang (nantinya) akanmenghasilkan keluaran analog.

– Semakin banyak jumlah bit resolusinya semakin besar kenaikan tegangan nya (semakin kecil perubahan tegangan yang mampu dideteksi), sehingga dimungkinkan untuk menghasilkanperubahan sinyal yang halus.

DAC (DIGITAL TO ANALOG CONVERTER)

• Rangkaian pada gambar 5.5, diambil dari data sheet DAC 0832 yang merupakan suatu pendekatan dengan melakukan konversi dari data-data digital menjadi analog (tegangan) menggunakan rangkaian tangga R 2R (R 2R ladder).

• Nilai dari R dan Rfb sekitar 15 K ohm sehingga 2R-nya sekitar 30 Kohm.

• Logika "1" dan "0" mengindikasikan posisi-posisi saklarMOSFET yang ada dalam konverter.

• Saklar-saklar tersebut akan terhubung pada "1" jika bit yang terkait dalam kondisi ON dan akan terhubung "0" jikaOFF.

• Suatu saklar yang terhubung ke posisi "1“ akan meneruskanarus dari Vref ke loutl, sedangkan saklar yang terhubung keposisi "0“ akan meneruskan arus dari Vref ke Iout2, masing-masing melalui resistor-resistor yang terkait.

INGAT materi

Inverting OP-AMP

• Contoh aplikasi DAC :– Jika digunakan tegangan referensi -5 volt,

– jika hanya bit MSB saja yang ON atau data digital 10000000 (gambar

5.5),

– maka satu-satunya resistor yang terhubungkan pada loutl adalah 2R yang ada di paling kiri.

– maka (2R = 30KB dan Rfb = 15K serta Vref = -5V) diperoleh rangkaian gambar 5.8.

Secara teori (berdasar rumus datasheet)

Jika data digital 01000000 ke data Analog

• Jalur R4 diputus dari rangkaian dan disederhanakan menjadi gambar berikut :

• Maka Rpengganti = 30K

• Vi = ((30//30) /( 15+(30//30))) x -5 V = -2,5V

• Vo = -(Rf/ Ri) x Vi = 1,25 V

Aplikasi Rangkaian DAC0808

Rumus tegangan keluar (Vo)

ADC (ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER)

• yaitu suatu alat yang mampu untuk mengubah sinyal atau tegangananalog menjadi informasi digital yang nantinya akan diproses lebihlanjut dengan komputer.

• Perlu dicatat bahwa data-data digital yang dihasilkan ADC hanyalahmerupakan pendekatan proporsional terhadap masukan analog. Hal ini karena tidak mungkin melakukan konversi secara sempurnaberkaitan dengan kenyataan bahwa informasi digital ber-ubahdalam step-step, sedangkan analog berubahnya secara kontinyu.

• Misalnya ADC dengan resolusi 8 bit menghasilkan bilangan 0 sampaidengan 255 (256 bilangan dan 255 step), dengan demikian tidakmungkin menyajikan semua kemungkinan nilai-nilai analog.

• Jika sekarang resolusinya menjadi 20 bit maka akan terdapat1.048.575 step, semakin banyak kemungkinan nilai-nilai analog yang bisa disajikan. Penting untuk diingat, bagaimanapun juga pada sebuah step terdapat tak terhingga kemungkinan nilai-nilai analog untuk sembarang ADC yang dapat diperoleh di dunia ini.

• Sehingga apa yang dibuat manusia (Human-made) tidak akan pernah bisa menyamai kondisi dunia-nyata.

Skema rangkaian ADC

• Kerja komparator menerima masukan analog dan menghasilkan suatu keluaran digital. – Keluaran akan HIGH ("1") jika masukan analog

arus + lebih besar dari arus -,

– selain itu keluarannya akan selalu LOW ("0").

Proses konversi ADC menggunakan pendekatan beruntun atau succesive approximation

Sebagai contoh akan dilakukan konversitegangan 3,21 volt.

• Diasumsikan bahwa konverter analog kedigital menyediakan suatu tegangan dankomparator akan membandingkan tegangan.

• Konverter pendekatan beruntun yang sebenarnya menggunakan arus. Dari penjelasan tentang DAC diperoleh persamaan

• Akhirnya tiga bit dipertahankan, menghasilkan10100100 (=16410) untuk menyajikantegangan 3,21 volt.

Contoh: akuisisi data via jaringankomputer

Aplikasi

• Misalnya administrator JTE ingin mengetahuidaya listrik yang digunakan pada setiap lab dan ruang kelas

• Pengamatan dilakukan secara online administrator tinggal duduk di depan PC untukmengamati daya listrik setiap ruangan

implementasi

• Bagian sistem secara global:

– Sensor

– pengkondisi isyarat

– Slave komputer (pada tiap ruangan)

– Jaringan ethernet

– Host computer (pada admin)

sensor

• Sensor arus

• Sensor tegangan

• Biasanya keluarannya masih analog

Pengkondisi isyarat

• Pengondisi isyarat analog: penyesuaian sinyalanalog yang dibacamisal: dikuatkan, dilemahkan, atau disearahkan

• Pengondisi isyarat analog-digital: ADC

Gambaran sistem dengan PC

Switch

jaringan

Lab 1

lab2

lab3

administrator

Sensor

tegangan

Sensor arus

Signal

condADC

• Jika memakai PC sebagai host tiap ruang boros

• Tiap ruang harus punya PC khusus untuk monitoring

Alternatif: pakai mikro

• Kendala: mikro tidak punya interface LAN

• Penanganan: memakai modul ethernet

• Modul eternet menghubungkan sinyal dari mikro ke eternet

• Dari mikro, jalur UART/bus data dan alamat disambungkan ke modul

Contoh modul ethernet

• Seri: EG-SR-7150MJ

• Interface dengan host: serial (UART)

• Mode koneksi:bisa menjadi server,client, atuterkoneksi dengan protokol UDP

• Diperintah oleh host menggunakan command-command tertentu(lihat datasheet)

• Kecepatan UART s/d 230 Kbps

Diagram blok sistem dengan mikro

Switch

jaringan

Lab 1

lab2

lab3

administrator

Sensor

tegangan

Sensor arus

Signal

condADC mikro

Ethernet

modul

Sensor

tegangan

Sensor arus

Signal

condADC mikro

Ethernet

modul

Sensor

tegangan

Sensor arus

Signal

condADC mikro

Ethernet

modul

IP: 192.168.1.10

IP: 192.168.1.11

IP: 192.168.1.12

Terima kasih