PRAKTIKUM FISIKA LANJUT BIDANG INSTRUMENTASI DAN ELEKTRONIKA Jurusan FISIKA Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Jurusan Fisika

Analisis Penggunaan Alat Ukur Oscilloscope, Lock-In Amplifier, dan Spectrum AnalyzerAkbar Sujiwa 1109 100 034 Jurusan Fisika FMIPA, ITS Informasi Jurnal Pembuatan Jurnal: Surabaya, 19 Oktober 2011 Kata Kunci: AC Lock-In Amplifier Oscilloscope RLC Spectrum Analyzer Abstrak Pada praktikum Laboratorium Instrumentasi dan Elektronika, diperkenalkan alat ukur Oscilloscope, Lock-In Amplifier dan Spectrum Analyzer untuk analisis penggunaan alat pada suatu rangkaian RLC (resistor, induktor, dan kapasitor) terhadap arus AC (bolak-balik) dalam gelombang kotak. Berdasarkan hasil analisis didapat, setiap alat ukur memiliki kelebihan tersendiri dalam menunjukkan hasil output rangkaian RLC. Pada Oscilloscope mampu menampilkan grafik perbandingan waktu (sumbu x) dengan tegangan/volt (sumbu y) dalam orde second (detik) sampai millisecond (milidetik). Untuk Lock-In Amplifier mampu mendeteksi kedua besaran hingga orde nano sehingga mampu menganalisa sinyal-sinyal lemah yang tak mampu di analisa dengan baik oleh Oscilloscope. Sedangkan pada Spectrum Analyzer mampu menentukan frekuensi sebenarnya dari sinyal input-an yang memiliki noise (gangguan) yang dapat dianalisa dari nilai tertinggi frekuensi/puncak yang terbaca pada layar Display.

1. Pendahuluan Pengamatan karakter sinyal listrik dalam pengukuran sangatlah penting. Sebab sinyal listrik tidak hanya bisa dilihat melalui alat ukur, karakter sinyal listrik dapat diketahui dengan cara mengamati secara terus menerus dan kemudian di analisis. Beberapa alat ukur dapat digunakan untuk mengamati sinyal tersebut misalnya, Avometer, osiloskop, lock in amplifier, spektrometer dll. Beberapa analisis yang sering dilakukan adalah

mengamati tegangan AC dan DC, amplitudo frekuensi, fasa dan berbagai bentuk gelombang, serta fase yang terjadi diantara dua sinyal, cacat yang terjadi pada sinyal. bentuk dan karakteristik signal listrik dapat diperoleh dari rsepon berbagai rangkaian elektronik yang dibentuk oleh konfigurasi rangkaian maupun nilai komponennya. Rangkaian elektronik adalah suatu kumpulan komponen yang dihubungkan untuk menampilkan suatu fungsi elektronik tertentu. Masing-masing komponen

memegang peranan dalam operasi rangkaian. Akan menghasilkan sinyal keluaran yang berbeda apabila sinyal masukan dikenakan pada rangkaian juga berbeda. misalnya komponen R, L, dan C. Berbagai gejala yang terjadi pada rangkaian elektronika sederhana pada tiga komponen tersebut apabila dikenakan sinyal masukan yang sesaat dan secara terus menerus akan menghasilkan sinyal yang berbeda. Untuk mengamati gejala ilmiah yang terjadi pada rangkaian elektonika dengan komponen R, L, dan C, maka pada praktikum ini dapat digunakan berbagai alat ukur signal yaitu Avo, Osiloskop, Lock in, Spectro untuk menganalisa beberapa rangkaian elektronika sederhana dengan komponen resistor(R), induktor (L), dan kapasitor (C).() 2. Alat Ukur Elektronika 2.1 Oscilloscope Oscilloscope/osiloskop merupakan osilograf yang mencatat gelombang listrik secara visual pada layar. Osiloskop ada dua macam, yakni osiloskop tipe analog (ARTanalog real time oscilloscope) dan osiloskop tipe digital (DSO-digital storage oscilloscope). Dalam praktikum ini menggunakan sebuah osiloskop digital DL 1520 buatan Yokogawa. Osiloskop digital DL 1520 disamping menampilkan bentuk sinyal juga numerik parameter-parameter yang ingin diukur. Besaran yang diukur dapat diatur melalui menu di atas layar osiloskop secara analog. Untuk memperoleh pengaturan yang halus digunakan tombol putar (rotary knob).[1] 2.2 Lock-In Amplifier Lock-In amplifier adalah alat ukur yang dapat mengukur besaran-besaran Fisika pada kondisi sinyal-sinyal kecil. Lebih dari itu Lock-in Amplifier mampu mengeliminasi noise berdasarkan fase dan juga dibantu oleh tapis. Penerapan Lock-in Amplifier antara lain untuk mengukur resistivitas bumi, menentukan cepat rambat bunyi di udara, dan lain-lain. Dalam pengukuran dengan menggunakan sinyal-sinyal listrik biasanya disertai dengan noise atau gangguan. Dengan menggunakan Lock-in Amlifier gangguan

atau noise tersebut dapat diminimalkan atau dikurangi.[2] 2.3 Spectrum Analyzer Spektrum Analyzer adalah alat yang mengukur suatu frekuensi spektrum dari suatu sinyal dalam variasi waktu. Seperti yang terjadi pada osiloskop, spektyrum analyzer menunjukan bentuk gelombang sinyal dan spectrum frekuensi. Teori dasar forier menunjukan bahwa berbagai bentuk gelombang dalam domain waktu dapat direpresentasikan oleh jumlah dari gelombang gelombang sinus murni dengan berbagai frekuensi. Jika sinyal tersebut dalam domain waktu (seperti yang terjadi pada osiloskop) adalah periodik maka spektrunya kemungkinan di dominasi oleh komponen frekuensi tunggal. Display spectrum analyzer menunjukan sinyal dalam domain waktu dengan komponen frekuensinya. Sebuah spectrum analyzer FFT bekerja dengan cara yang berbeda. Sinyal input nya didigitalisasikan pada laju sampling yang tinggi, mirip denga osiloskop digital. Teori Nyquists mengatakan bahwa sepanjang laju samplingnya lebih besar dari frekuensi tertinggi komponen sinyalnya maka data yang tersampling akan secara akurat menunjukan sinyal input.[1] 3. Prosedur Kerja Sebagai bahan analisa dalam praktikum, digunakan tiga jenis komponen elektronika yaitu dua buah resistor (R1=R2=100), sebuah induktor 2,5 mH, dan kapasitor elco 33 F. Ketiganya kemudian dirangkai pada project board seperti gambar 1 dan diberi sinyal input (Vi) gelombang kotak dari generator function sebesar 500 Hz dengan amplitudo 5 V. Sedangkan sinyal output (Vo) dihubungkan pada input Oscilloscope.R1 Vi C R2 L Vo

Gambar 1. Rangkaian RLC

Untuk percobaan selanjutnya digunakan rangkaian yang sama namun alat ukur yang digunakan diganti dengan Lock-in Amplifier dan Spectrum Analizer dan dianalisis hasil pengukurannya. 4. Hasil Percobaan dan Pembahasan Dari hasil percobaan didapat beberapa gambar

Gambar 5. Fungction generator 2

Berikut gambar hasil pembacaan Oscilloscope pada rangkaian pertama hingga rangkaian ketiga :

Gambar 2. Rangkaian RLC dalam percobaan

Gambar 6. Data oscilloscope 1

Gambar 3. Oscilloscope digital DL1520

Gambar 7. Data oscilloscope 2

Gambar 4. Function Generator 1

Gambar 8. Data Lock-in Amplifier 1

Gambar 9. Data Spectrum Analizer

Gambar di atas memberikan informasi, dimana semula gelombang kotak yang memiliki puncak simetris (gambar 6) setelah dihubungkan ke rangkaian RLC puncaknya mengalami kecacatan (gambar 7), cacat disini diakibatkan terjadinya peristiwa pengisian dan pengosongan oleh kapasitor dalam kurun waktu yang relatif singkat. Lebih lanjut, pada display Oscilloscope terdapat beberapa informasi yang tertera, selain gambar grafik tentunya, yaitu yang berada di sudut-sudut layar. Sebagai contoh (gambar 6) dari sudut atas kiri layar tertera CH1=50V ; DC 10:1 ini berarti input Oscilloscope mengambil channel ke-1 dan nilai yang sebenarnya adalah sepuluh kali nilai yang terbaca di layar. Pada sudut kanan atas tertera 500s/div menunjukkan untuk tiap div atau kotak yang menuju arah sumbu x telah di atur mampu menampilkan gelombang dalam selang waktu 500s. Untuk informasi pada sudut kanan bawah tertera V/DIV; 50V berarti tiap div pada sumbu y mampu

menampilkan amplitudo sinyal input sebesar 50V dan pada layar sebelah kiri bawah menunjukkan besar frekuensi. Sehingga dari informasi yang diperoleh disimpulkan function generator sebagai sumber sinyal menghasilkan amplitudo atau tengangan sebesar 3,5 x 10 = 35V dengan frekuensi 2,5 kHz. Detail-detail seperti ini-lah yang menjadi keunggulan Oscilloscope digital dibanding Oscilloscope analog. Pengukuran menggunakan Lock-in Amplifier ditunjukkan oleh gambar 8, pada gambar terlihat bentuk gelombang yang tidak beraturan serta terdapat sela atau regangan jika dibandingkan dengan gambar 1. Pada gambar 1 jika dilihat puncak gelombangnya sangat rapat sehingga terkesan seperti garis tebal padahal itu disebabkan oleh sumbu x Oscilloscope yang hanya mampu menampilkan selang waktu dalam milisekon akibatnya regangan gelombang yang terbaca saling berhimpit. Dari hal tersebut dapat dikatakan bahwa Lock-in Amplifier memiliki kemampuan dalam menaikkan orde waktu dibawah milisekon atau sampai orde nanosekon. Ada beberapa faktor yang menyebabkan ketidak akuratan pengukuran dari alat ini, diantaranya dikarenakan kabel input tidak menggunakan kabel standart untuk Lock-in Amplifier dan yang kedua dikarenakan terdapat noise yang mengganggu pembacaan, sehingga noise tersebut terbaca oleh alat ukur dan tercampur dengan sinyal asli. Untuk faktor kedua sesuai dengan fungsi Lock-in Amplifier itu sendiri yakni sinyalsinyal lemah termasuk sinyal noise dikuatkan sehingga terbaca oleh alat ukur. Spectrum Analizer yang digunakan pada percobaan alat ketiga menghasilkan data pada gambar 9, gambar ini menampilkan bentuk sinyal yang sangat rapat dengan puncak atau amplitudo yang berubah-ubah, sinyal yang rapat dari pembacaan dapat dikatakan sebagai noise yang tercampur dengan sinyal asli, sedangkan puncak tertinggi sinyal dapat diamati melalui dua garis putus-putus sebagai cursor pengukur puncak tertinggi sinyal yang dilewati dan hasilnya dapat dilihat pada nilai yang tertera di kiri atas layar. Jadi dalam pengukuran dapat disimpulkan memiliki puncak 43,95 dBV dengan frekuensi 32 kHz.

5. Kesimpulan Berdasarkan data-data hasil praktikum maka dapat disimpulkan bahwa ketiga alat memiliki fungsi dan kelebihan tersendiri pada pengukuran sinyal listrik. Untuk Oscilloscope mampu menampilkan bentuk sinyal dalam orde milisekon, Lock-in Amplifier mampu menampilkan dalam orde nanosekon serta menguatkan sinyal lemah yang masuk dan spektrum mampu mengeleminasi noise dalam sinyal serta menampilkan dan mengukur frekuensi sebenarnya yang terbaca berdasarkan puncak tertinggi di layar. 6. Daftar Pustaka [1] Laboratorium Instrumentasi dan Elektronika Jurusan Fisika, (2011), Modul praktikum Analisis Gejala Peralihan pada Rangkaian RLC, Fisika ITS. [2] http://library.um.ac.id/freecontents/index.php/pub/detail/penggunaa n-lock-in-amplifier-untuk-mengeliminirnoise-dalam-pengukuran-cepat-rambatbunyi-di-udara-oleh-sugeng-setyopurwono-32425.html (diakses pada tanggal 18 september)