pengkondisi sinyal digital

34
PENGKONDISIAN SINYAL DIGITAL 3.1. PENDAHULUAN Suatu pertanyaan yang timbul mengapa kita tertarik dalam mengembangkan pengkondisian sinyal digital. Survei menyeluruh terhadap aplikasi elektronik dalam industri memperlihatlan bahwa teknik konversi ke dalam digital mengalami pengingkatan. Ada banyak alasan untuk konversi ini, namun ada dua hal yang penting. Pertama adalah reduksi terhadap ketidakpasian (uncertainty) ketika melakukan pengkodean informasi secara digital terhadap informasi analog. Jika suatu sistem menyediakan informasi analog, perhatian yang besar harus dilakukan untuk memperhitungkan pengaruh derau listrik, pergeseran (drift) bati suatu penguat, pengaruh pembebanan (loading effects), dan sejumlah permasalahan lain yang dekat dengan elektronika analog. Di dalam sinyal yang dikodekan secara digital, suatu kabel dapat memuat level tinggi atau rendah yang tidak benar- benar rentan terhadap permasalahan di atas berkaitan dengan pemrosesan analog. Akurasi sinyal digital ini dalam merepresentasikan informasi merupakan permasalahan tersendiri. Alasan kedua untuk konversi ke dalam elektronika digital adalah keinginan perkembangan untuk mempergunakan komputer digital dalam proses industri. Secara normal, komputer memerlukan informasi yang dikodekan dalam bentuk digital sebelum dapat dipergunakan. Pertanyaan mengenai

Upload: junaidi

Post on 27-Oct-2015

94 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

PENGKONDISIAN SINYAL DIGITAL

3.1. PENDAHULUAN

Suatu pertanyaan yang timbul mengapa kita tertarik dalam mengembangkan

pengkondisian sinyal digital. Survei menyeluruh terhadap aplikasi elektronik dalam

industri memperlihatlan bahwa teknik konversi ke dalam digital mengalami

pengingkatan. Ada banyak alasan untuk konversi ini, namun ada dua hal yang penting.

Pertama adalah reduksi terhadap ketidakpasian (uncertainty) ketika melakukan

pengkodean informasi secara digital terhadap informasi analog. Jika suatu sistem

menyediakan informasi analog, perhatian yang besar harus dilakukan untuk

memperhitungkan pengaruh derau listrik, pergeseran (drift) bati suatu penguat,

pengaruh pembebanan (loading effects), dan sejumlah permasalahan lain yang dekat

dengan elektronika analog. Di dalam sinyal yang dikodekan secara digital, suatu kabel

dapat memuat level tinggi atau rendah yang tidak benar-benar rentan terhadap

permasalahan di atas berkaitan dengan pemrosesan analog. Akurasi sinyal digital ini

dalam merepresentasikan informasi merupakan permasalahan tersendiri.

Alasan kedua untuk konversi ke dalam elektronika digital adalah keinginan

perkembangan untuk mempergunakan komputer digital dalam proses industri. Secara

normal, komputer memerlukan informasi yang dikodekan dalam bentuk digital sebelum

dapat dipergunakan. Pertanyaan mengenai kebutuhan untuk pengkondisian sinyal digital

menjadi sebuah pertanyaan mengapa komputer sangat banyak digunakan di dalam

industri. Hal ini benar-benar hal kompleks dan banyaknya dapat ditulis berulang-ulang.

Dengan menyebutkan beberapa alasan yang akan dinyatakan, seperti yang akan

didiskusikan lebih lanjut yaitu. (1) kemudahan dengan menggunakan untuk

mengendalikan suatu sistem kontrol proses multivariabel, (2) melalui pemrograman

komputer, nonlinieritas di dalam output transduser dapat dilinierkan, (3) persamaan

kontrol yang rumit dapat diselesaikan untuk menentukan fungsi kontrol yang

diperlukan, dan (4) kemampuan untuk mengubah rangkaian pemroses digital yang

kompleks dalam bentuk mikro seperti integrated circuits (IC). Sungguh, dengan

pengembangan chip mikroporsesor, seluruh komputer dapat diimplementasikan pada

satu papan rangkaian tercetak (PCB). Teknologi ini tidak hanya mengurangi ukuran

fisik, namun juga dapat mengurangi konsumsi daya serta rata-rata kegagalan.

Dengan perkembangan penggunaan komputer dalam teknologi kontrol proses,

sangatlah jelas bahwa ada individu dilatih untuk bekerja dalam bidang ini juga harus

benar-benar tahu dalam teknologi elektronika digital. Pertanyaan mendasar adalah

seberapa jauh persiapan yang diambil dapat mencakup studi mengenai hal kompleks

yang terkait. Jawbannya adalah seorang ahli teknologi harus memahami elemen-elemen

dan karakteristik dari loop kontrol proses. Dalam konteks ini, elektronika digital

dipergunakan sebagai alat untuk mengimplementasikan fitur penting dari kontrol proses

dan juga harus dipahami bagaimana piranti tersebut mempengaruhi karakteristik loop.

Anggap bahwa seseorang tidak perlu mengetahui secara mendetail bentuk fisik dari

kabel yang dibentangkan untuk memahami aplikasi dari strain gages dalam rangka

menggunakan piranti ini dengan baik pada proses kontrol. Hal yang sama pula,

seseorang tidak perlu mengetahui desain internal dari gerbang-gerbang logika dan

mikrokomputer untuk menggunakan piranti ini dalam kontrol proses. Dalam hal ini,

sudut pandang dari bab ini sengaja dipilih untuk membantu pembaca yang memiliki

latar belakang dalam teknologi digital untuk memahami aplikasinya dalam kontrol

proses.

3.2. KONVERTER

Alat bantu digital yang paling penting untuk teknologi kontrol proses adalah

yang menerjemahkan informasi digital ke bentuk analog dan juga sebaliknya. Sebagian

besar pengukuran variabel-variabel dinamik dilakukan oleh piranti ini yang

menerjemahkan informasi mengenai vaiabel ke bentuk sinyal listrik analog. Untuk

menghubungkan sinyal ini dengan sebuahkomputer atau rangkaian logika digital, sangat

perlu untuk terlebih dahulu melakukan konversi analog ke digital (A/D). Hal-hal

mengenai konversi ini haris diketahui sehingga ada keunikan, hubungan khusus antara

sinyal analog dan digital. Seringkali, situasi yang sebaliknya terjadi dimana sinyal

digital diperlukan untuk menggerakkan sebuah piranti analog. Dalam hal ini, diperlukan

sebuah konverter digital ke analog (D/A).

3.3.1 Komparator

Bentuk komunikasi yang paling mendasar antara wujud digital dan analog

adalah piranti (biasanya berupa IC) disebut komparator. Piranti ini, yang diperlihatkan

secara skematik dalam Gambar 3.4, secara sederhana membandingkan dua tegangan

pada kedua terminal inputnya. Bergantung pada tegangan man yang lebih besar,

outputnya akan berupa sinyal digital 1 (high) atau 0 (low). Komparator ini digunakan

secara luas untuk sinyal alarm ke komputer atau sistem pemroses digital. Elemen ini

juga merupakan satu bagian dengan konverter analog ke digital dan digital ke analog

yang akan didiskusikan nanti.

+

-

a

b

1 Va > Vb

0 Va < Vb

Gambar 3.4 Sebuah komparator merubah keadaan logika output sesuai fungsi tegangan input analog

Sebuah komparator dapat tersusun dari sebuah opamp yang memberikan output

terpotong untuk menghasilkan level yang diinginkan untuk kondisi logika (+5 dan 0

untuk TTL 1 dan 0). Komparator komersil didesain untuk memiliki level logika yang

dperlukan pada bagian outputnya.

CONTOH 3.7

Sebuah sistem kontrol proses memiliki spesifikasi dimana temperatur tidak boleh melebihi

160C jika tekanan juga melebihi 10N/m2 (Pa). Deasin sebuah sistem utuk mendeteksi

kondisi ini, menggunakan transduser tekanan dan temperatur masing-masing dengan

fungsi alih 2.2 mV/C dan 0.2 V/N/m2.

SOLUSI

Kondisi alarm akan terjadi pada saat sinyal temperatur (2.2 mV/C)(160C) = 3.52 V bersamaan

dengan sinyal tekanan (0.2 V/N/m2)(10 N/m2) = 2 volt. Rangkaian dari Gambar 3.5

memperlihatkan bagaimana alarm ini dapat diimplementasikan dengan komparator dan

satu gerbang AND.

Temperatur

Tekanan

Komparator

Komparator

Alarm posisihigh3.52 V

2.0 V

Gambar 3.5 Diagram rangkaian untuk Dontoh 3.7.

3.3.2 Konverter Digital ke Analog (DAC)

Sebuah DAC menerima informasi digital dan mentransformasikannya ke dalam

bentuk suatu tegangan ananlog. Informasi digital adalah dalam bentuk angka biner

dengan jumlah digit yang pasti. Khususnya ketika dipergunakan sebagai penghubung

dengan sebuah komputer, angka biner ini disebut word biner atau word komputer.

Digit-digit tersebut disebut bit word. Sehingga, sebuah word 8 bit akan memberikan

sebuah angka biner yang memiliki delapan digit, seperti 101101102. Konverter D/A

mengonversi sebuah word digital ke dalam sebuah tegangan analog dengan

memberikan skala output analog berharga nol ketika semua bit adalah nol dan sejumlah

nilai maksmum ketika semua bit adalah satu. Hal ini dapat direpresentasikan secara

matematis dengan memperlakukan angka biner sebagai angka pecahan. Dalam konteks

ini, output dari konverter D/A dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan (3.1)

yang memberikan skala dari sejumlah tegangan referensi.

Vx = VR [b12–1 + b22– 2 + . . . + bn2 – n ] (3-3)

Dimana

Vx = output tegangan analogVR = tegangan referensi

b1 b2 . . . bn = word biner n-bit

Perlu diketahui bahwa minimum dari V x adalah nol, dan harga maksimum

ditentukan oleh ukuran dari word biner, karena dengan semua bit yang diset berharga

satu, ekivalen desimal mendekati harga VR sesuai dengan peningkatan jumah bit.

Sehingga sebuah word 4-bit memiliki harga maksimum

Vmax = VR [2–1 + 2– 2 + 2– 3 + 2 – 4 ] = 09375 VR

Sedangkan sebuah word 8-bit mamiliki harga maksimum

Vmax = VR [2–1 + 2– 2 + 2– 3 + 2 – 4 + 2–5 + 2– 6 + 2– 7 + 2 – 8 ] = 09961 VR

RESOLUSI KONVERSI

Resolusi konversi juga merupakan sebuah fungsi jumlah dari bit-bit yang ada

dalam word. Lebih banyak bit, lebih kecil perubahan di dalam output analog untuk

perubahan 1-bit di dalam word biner sehingga resolusi semakin besar. Perubahan

terkecil yang mungkin terjadi secara sederhana dinyatakan oleh

Vx = VR 2 – n (3-4)

Dimana

Vx = perubahan output terkecilVR = tegangan referensi

n = jumlah bit-bit di dalam word

sehingga, sebuah konverter D/A word 5-bit dengan tegangan revferensi 10 volt

akan menghasilkan perubahan sebesar Vx = (10) (2 – 5) = 0.3125 volt per volt.

CONTOH 3.8

Tentukan berapa banyak bit yang harus dimiliki sebuah konverter D/A untuk memberikan

peningkatan output sebesar kurang dari 0.04 volt. Tegangan referensi adalah 10 volt.

SOLUSI

Salah satu cara untuk mendapatkan solusi ini adalah dengan secara kontinyu mencoba ukuran

word hingga diperoleh resolusi yang jatuh kurang dari 0.04 volt per bit. Sebuah prosedur yang

lebih analitik adalah membentuk persamaan

V = 0.04 = (10) (2 – y)

sembarang n yang lebih besar dari bagian integer dari eksponen 2 dalam persamaan ini

akan memenuhi keperluan. Dengan mengambil logaritma

log (0.04) = log (10) (2 – y )

log (0.04) = log (10) – y log 2

y =

y = 7.966

sehingga, sebuah n = 8 akan memenuhi kriteria yang diinginkan. Hal ini dapat

dibuktikan dengan Persamaan (3-4).

Vx = (10) (2 – 8)

Vx = 0.0390625 volt

KonverterDigital keAnalog

a0a1a2a3a4

an-1an

Tegangan outputanalog

Vx

Logika untukmemulai konversi

+V -VGND

VR

Gambar 3.6 Diagram yang memperlihatkan input dan output dari konverter digital ke analog (DAC) n-bit.

KARAKTERISTIK DAC

Untuk aplikasi modern hampir semua DAC berupa rangkaian terintegrasi (IC), yang

diperlihatkan sebagai kotak hitam memiliki karakteristik input dan output tertentu.

Dalam Gambar 3.6, kita lihat elemen penting dari DAC dengan input dan output yang

diinginkan. Karakteristik yang berkaitan dapat diringkas oleh referensi dari gambar ini.

1. Input Digital. Secara khusus, jumlah bit dalam sebuah word biner paralel

disebutkan di dalam lembar spesifikasi. Biasanya, level logika TTL

dipergunakan kecuali dikatakan lain.

2. Catu Daya. Merupakan bipolar pada level ± 12 V hingga ± 18 V seperti yang

dibutuhkan oleh amplifier internal.

3. Suplai Referensi. Diperlukan untuk menentukan jangkauan tegangan output dan

resolusi dari konverter. Suplai ini harus stabil, memiliki riple yang kecl. Dalam

beberapa unit, diberikan referensi internal.

4. Output. Sebuah tegangan yang merepresentasikan input digital. Tegangan ini

berubah dengan step sama dengan perubahan bit input digital dengan step yang

ditentukan oleh Persamaan (3-4). Output aktual dapat berupa bpolar jika

konverter didesain untuk menginterpretasikan input digital negatif.

5. Offset. Karena DAC biasanya diimplementasikan dengan op-amp, maka

mungkin adanya tegangan output offset dengan sebuah input nol. Secara khusus,

koneksi akan diberikan untuk mendukung pengesetan ke harga nol dari output

DAC dengan input word nol.

6. Mulai konversi. Sejunlah rangkaian DAC memberikan sebuah logika input yang

mempertahankan konversi dari saat terjadinya hingga diterimanya sebuah

perintah logika tertentu (1 atau 0). Dalam ini, word input digital diabaikan

hingga diterimanya input logka tertentu.

Dalam sejumlah hal, sebuah buffer input diberikan untuk memegang (hold)

word digital selama dilakukannya konversi hingga selesai, bahkan word ini sendiri

dapat muncuk pada jalur input hanya dalam waktu singkat. Buffer-buffer ini biasanya

berupa flip-flop (FF) yang yang dimasukkan di antara terminal-terminal input dari

konverter dan jalur digital.

STRUKTUR DAC

Jelasnya, sebuah DAC dipergunakan sebagai kotak hitam (black box), dan tidak ada

pengetahuan mengenai cara kerja internal diperlukan. Ada beberapa hal penting ntuk

menunjukkan bagaimana konversi dapat diimplementasikan. Konversi yang paling

sederhana mempergunakan sebuah suatu deretan op-amp ntuk input dengan tujuan

dipilih penguatan yang memberikan suatu output sesuai dengan Persamaan (3-3).

Macam yang paling umum adalah mempergunakan sebuah jaringan ladder resistif untuk

menghasilkan fungsi transfer. Jaringan ini diperlihatkan dalam Gambar 3.7 dalam hal

konverter 4-bit. Dengan pilihan resistor R-2R, dapat diperlihatkan malaui analisis

jaringan dimana teganganoutput diberikan oleh Persamaan (3-4). Saklar merupakan

saklar analog elektronik.

b4

-

+2R

2R

2R

2R

2R

R R R

R

b3

b2

b1

Op Amp

TeganganOutputAnalog

Gambar 3.7 Jaringan ladder merupakan suatu contoh untuk sebuah rangkaian umum untuk konverter D/A.

CONTOH 3.9

Sebuah katup kontrol memiliki variasi linier untuk bukaan sesuai dengan variasi tegangan input

dari 0 – 10 volt. Sebuah mikrokomputer menghasilkan output 8-bit untuk mengendalikan

pembukaan katup kontrol dengan mempergunakan sebuah DAC 8-bit ntuk menghasilkan

tegangan katup. (a) Cari tegangan referensi yang diperlukan untuk mendapatkan suatu

pembukaan katup penuh (10 volt); (b) Cari persentase pembukaan katup untuk perubahan 1-bit

dalam word input.

SOLUSI

(a) Kondisi bukaan katup penuh terjadi dengan inpt tegangan 10 volt. Jika sebuah referensi

10 volt dipergunakan, sebuah word digital penuh 11111111 tidak akan memberikan

tepat 10 volt, sehingga kita akan mempergunakan sebuah referensi tegangan yang lebih

besar. Sehingga kita dapatkan

Vx = VR [b12–1 + b22– 2 + . . . + b82 – 8 ]

10 = VR (3-3)

VR = = 10.0039

(b) Persentase perubahan katup tiap step ditentukan pertama kali dari

Vx = VR 2 – 8

Vx = (10.0039)

Vx = 0.0392 V

sehingga,

% = = 0.392 %

DAC SERIAL

Dalam sejumlah kasus, word digital merupakan tipe serial pada jalur input selain bit

paralel. Dalam hal ini, diperlukan baik konverter serial maupun konverter serial ke

paralel, dengan output bufer.

3.3.3 Konverter Analog ke Digital (ADC)

Meskipun ada beberapa transduser yang memberikan output sinyal digital secara

langsung dan sdang dikembangkan, sebagian besar transduser tetap hanya

mengkonversi variabel dinamik ke dalamsebuah sinyal lsitrik analog. Dengan

peningkatan penggunaan logika digital dan komputer di dalam kontrol proses, sangat

[erlu untuk mempergunakan sebuah DAC untukmenhasilkan sebuah output yang

dikodekan secara digital. Fungsi transfer dari ADC dapat diekspresikan dengan cara

yang sama denga Persamaan (3-3) dalam sejumlah tegangan analog yang diberikan

sebagai nput, dan konverter mendapatkan sebuah bilangan biner yang jika

disubstitusikan ke dalam Persamaan (3-3) memberikan input analog. Sehingga

Vx = VR [b12–1 + b22– 2 + . . . + bn2 – n ] (3-5)

Dimana

Vx = input tegangan analogVR = tegangan referensi

b1 b2 . . . bn = output digital n-bit

Kita mempergunakan kesamaan pendekatan dalam ersamaan ini karena tegangan di

sebelah kanan dapat berubah oleh ukuran step yang terbatas oleh Persamaan (3-4),

V = VR 2 – n (3-4)

Hal ini berarti bahwa ada ketidakpastian dari V di dalam melakukan konversi dari

tegangan analog ke snyal digital. Ketidakpastian ini harus diambil ke dalam

perhitungan di dalam aplikasi desain. Jika permasalahan sesuai dengan pertimbangan

menentukan suatu resolusi tertentu terhadap tegangan analog, maka ukuran word dan

referensi harus dipilih ntuk mendapatkan resolusi ini dalam bilangan yang

dikonversikan ke bilangan digital.

CONTOH 3.10

Temperatur akan diukur oleh sebuah transduser dengan output 0.02 volt/C. Tentukan referensi

ADC yang diperlukan dan ukuran waord untuk mengukur 0 – 100C dengan resolusi 0.1C.

SOLUSI

Pada temperatur maksimum 100C, tegangan output adalah.

(0.02 V/C) (100C) = 4 V

sehingga dipergunakan referensi 2 V.

Sebuah perubahan 0.1C menghasilkan suatu perubahan tegangan

(0.1C) (0.02 V/C)= 2 mV

sehingga kita memerlukan ukuran word

0.002 V = (2) (2 – y )

Memilih sebuah ukuran n dengan satu bagian integer dari y. Sehingga,

menyelesaikannya dengan logaritma kita dapatkan

y =

y = 9.996 10

sehingga, sebuah word 10 bit diperlukan untuk resolusi ini. Sebuah word 10-bit

memiliki resolusi

V = (2) (2 – 10)

Vx = 0.00195 volt

yang lebih kecil dari resolusi minimum yang diperlukan yaitu 2 mV.

CONTOH 3.11

Cari word digital yang diperoleh dari input 3.217 volt untuk sebuah ADC 5-bit dengan referensi

5 volt.

SOLUSI

Hubungan antara input dan output adalah

Vx = VR [a12–1 + a22– 2 + a32– 3 + a42– 4 + a52 – 5 ] (3-5)

Sehingga, kita akan mengkodekan sebuah bilangan pedahan yaitu Vx/VR atau

a12–1 + a22– 2 + . . . + a52 – 5 = = 0.6254

Menggunakan metoda perkalian succesive yang dinyatakan dalam SubBab 3.2.2, kita

peroleh

0.6254 (2) = 1.2508 a1 = 10.2508 (2) = 0.5016 a2 = 00.5016 (2) = 1.0032 a3 = 10.0032 (2) = 0.0064 a4 = 00.0064 (2) = 0.0128 a5 = 0

Sehingga outputnya adalah 101002.

STRUKTUR A/D

Hampir semua ADC yang tersedia dalam bentuk rakitan rangkaian terintegrasi

(IC) yang dapat dianggap sebagai kotak hitam (black box). Untuk dapat benar-benar

mengenal karakteristik dari piranti ii, sangatlah penting untuk memeriksa teknik standar

yang dipergunakan untuk melakukan konversi. Ada dua metoda yang dipergunakan

untuk melakukan konversi yang merepresentasikan pendekatan yang sangat berbeda

untuk permasalahan konversi.

ADC PARALEL – FEEDBACK

Konverter A/D paralel-feedback menerapkan sistem umpan balik (feedback)

untuk melakukan konversi seperti diperlihatkan pada Gambar 3.8. Pada dasarnya,

sebuah komparator dipergunakan untuk membandingkan tegangan input Vx terhadap

sebuah tegangan umpan balik VP yang berasal dari sebuah DAC seperti tampak dalam

gambar. Komparator menghasilkan sinyal yang menggerakkan sebuah jaringan logika

yang menaikkan output digital (dan juga input DAC) hingga komparator

mengindikasikan dua sinyal adalah sama sesuai resolusi dari konverter. Konverter

paralel-feedback yang paling populer adalah pendekatan successive. Pada piranti ini,

susunan rangkaian logika dibuat secara successive dan menguji setiap bit, dimulai

dengan bit paling penting (MSB) dari word. Kita memulainya dengan semua bit nol.

Dari sini, operasi pertama adalah dengan mengeset b1 = 1 dan menguji VF = VR 2 – 1

terhadap Vx melalui komparator.

Jaringan pencacahlogika

KonverterD/A

-

+

Komparator

Vx

VF

VR

Supply

b1

b2

bn

OutputDigital

Konversiselesai

Konversimulai

Gambar 3.8 Konverter A/D tipe pendekatan successive sangat umum digunakan dan melibatkan penggunaan konverter D/A.

Jika Vx lebih besar, maka b1 adalah satu; b2 diset ke 1 dan dilakukan test bagi Vx

terhadap VV = VR(2 – 1 + 2 – 2 ), dan seterusnya.

Jika Vx lebih kecil dari VR2–1, maka b1 direset ke nol; b2 diset ke 1 dan dilakukan

test bagi Vx terhadap VR 2 – 2. Proses ini diulang hingga bit terendah (least significant

bit) dari word. Operasi yang terjadi paling baik diilustrasikan melalui contoh.

CONTOH 3.12

Cari pendekatan successive output ADC untuk konverter 4-bit terhadap input 3.217 volt

jika referensi adalah 5 volt.

SOLUSI

Mengikuti prosedur secara garis besar, kita mendapatkan operasi berikut. Dengan Vx = 3.217.

(1) Mengeset b1 = 1 VF = 5(2 – 1) = 2.5 volt

Vx > 2.5 biarkan b1 = 1

(2) Mengeset b2 = 1 VF = 2.5 + 5(2 – 2) = 3.75 volt

Vx < 3.75 reset b2 = 0

(3) Mengeset b3 = 1 VF = 5(2 – 3) = 3.125 volt

Vx > 3.125 biarkan b1 = 1

(4) Mengeset b4 = 1 VF = 3.125 + 5(2 – 4) = 3.4375 volt

Vx < 3.4375 mereset b1 = 0

Melalui prosedur ini, kita dapatkan output merupakan sebuah word biner 10102.

Selain input analog, output digital, catu daya, dan referensi input, sebagian besar

konverter A/D memiliki sebuah input logika untuk memulai konversi (start

conversion) dan sebuah output logika konversi selesai (finished conversion) seperti

diperlihatkan pada Gambar 3.8.

A/D RAMP

Konverter A/D tipe ramp pada intinya membandingkan tegangan input

terhadap tegangan ramp yang naik secara linier. Sebuah pencacah (counter) biner

diaktifkan untuk mencacah step ramp sampai tegangan ramp sama dengan input. Ramp

ini sendiri dihasilkan oleh sebuah rangkaian integrator op-amp, yang didiskusikan

dalam SubBab 2.5.6.

PencacahDigital

Jaringan logika

-

+

- Vx

+ VR

Komparator

Op amp

Mulai konversi

Konversi selesai

b1b2

bn

C

R

Gambar 3.9 Konverter A/D slope ganda mempergunakan integrator op-amp, komparator, dan rangkaian digital yang berkaitan.

A/D RAMP SLOPE GANDA

ADC ini merupakan tipe yang paling umum dari konverter ramp. Diagram yang

disederhanakan dari piranti ini diperlihatkan pada Gambar 3.9. Prinsip kerjanya

berdasar pada kemampuan sinyal input untuk menggerakkan integrator untuk waktu

tetap T1, sehingga menghasilkan sebuah output

(3-6)

atau karena Vx adalah konstan,

(3-7)

Setelah waktu T1, input integrator secara elektronis tersaklar pada suplai referensi yang

bernilai negatif. Kemudian komparator melihat sebuah tegangan input yang berkurang

dari V1 sebagai

(3-8)

atau , karena VR adalah konstan dan V1 diperoleh dari Persamaan (3-7),

(3-9)

sebuah pencacah diaktifkan pada waktu T1 dan mencacah hingga komparator

mengindikasikan V2 = 0 pada waktu tx, Persamaan (3-9) mengindikasikan bahwa Vx

sebesar

(3-10)

Sehingga, waktu pencacah tx adalah linier terhadap Vx dan juga tidak bergantung pada

karakteristik integrator, yaitu R dan C. Prosedur ini diperlihatkan dalam diagram waktu

pada Gambar 3.10 konversi dimulai sinyal digital konversi mulai (start) dan selesai

(complete) jugadipergunakan dalam piranti ini, dan (dalam beberapa kasus) referensi

internal atau eksternal dapat dipergunakan.

V

Out

put i

nteg

rato

r

Waktu

Mulai mencacah

Berhenti mencacah

txT1

Gambar 3.10 Konverter A/D slope ganda mencacah waktu yang diperlukan untuk zero crossing output integrator dari sebuah input yang diketahui.

CONTOH 3.13

Sebuah ADC slope ganda seperti diperlihatkan dalam Gambar 3.9 memiliki R = 1 k dan C =

0.01 F. referensi adalah 10 volt, dan waktu integrasi adalah 10 s. Cari waktu konversi

untuk input 6.8 volt.

SOLUSI

Kita cari tegangan setelah waktu integrasi 10 s sebagai

(3-7)

V1 = 6.8 volt

Kemudian kita dapatkan waktu yang diperlukan untuk mengintegrasikan ke harga nol

V2 = 0 dalam

(3-9)

sehingga,

tx = 6.8 s

kemudian waktu konversi total adalah 10 s + 6.8 s = 16.8 s.

KARAKTERISTIK UMUM

Sejumlah besar fitur umum yang mungkin dimiliki oleh konverter A/D, yang penting

dalam aplikasi:

1. Input. Biasanya berupa level tegangan analog. Level yang paling umum adalah

0 – 10 volt atau –10 hingga +10 jika dimungkinkan konversi bipolar. Dalam

beberapa kasus, level ditentukan oleh sebuah referensi suplai eksternal.

2. Output. Sebuah word biner paralel atau serial yang merupakan hasil pengkodean

input analog.

3. Referensi. Stabil, sumber dengan ripple kecil terhadap konversi.

4. Suplai Daya. Biasanya, sebuah suplai bipolar ±12 hingga ±18 V diperlukan

untuk amplifier analog dan komparator dan sebuah suplai +5 V untuk rangkaian

digital.

5. Input Sample and Hold. Error timbul jika tegangan inputberubah selama proses

konversi. Untuk alasan ini, sebuah amplifier sample and hold selalu

dipergunakan pada input untuk memberikan sebuah tegangan input tetap ntuk

proses konversi.

6. Sinyal digital. Sebagian besar ADC memerlukan sebuah logika input tinggi

pada jalur yang diberikan untukmenginisialisasi proses konversi. Ketika

konversi selesai, ADC biasanya memberikan sebuah level tegangan tinggi pada

jalur lainnya sebagai indikator untuk mengikuti perlengkapan status.

7. Waktu konversi. ADC harus berurutan melalui sebuah set operasi sebelum dapat

menemukan output digital yang diinginkan. Untuk alasan ini, sebuah bagian

penting dari spesifikasi adalah waktu yang diperlukan untuk konversi. Waktu

adalah 10 – 100 s bergantung pada jumlah bit dan desain dari konverter.

CONTOH 3.14

Suatu pengukuran temperatur mempergunakan sebuah transduser dengan output 6.5 mV/C

digunakan untuk mengukur 100C. Digunakan sebuah ADC 6-bit dengan referensi 10 volt. (a)

buat sebuah rangkaian untuk menghubungkan transduser dan ADC; (b) Cari resolusi

temperatur.

SOLUSI

Untuk mengukur 100C ini berarti output transduser pada 100C adalah

(6.5 mV/C)(100C) = 0.65 volt

(a) Rangkaian interface harus memberikan sebuah penguatan (gain) sehingga pada

100C output ADC adalah 111111. Tegangan input yang akan menghasilkan output ini

diperoleh dari

Vx = VR [a12–1 + a22– 2 + … + a62 – 6 ]

Vx = 10 (3-5)

Vx = 9.84375 V

Sehingga, penguatan yang dibutuhkan harus memenuhi tegangan ini ketika temperatur

100C.

Penguatan =

= 15.14

Rangkaian op-amp dari Gambar 3.11 eken memberikan penguatan sebesar ini.

(b) Resolusi temperatur dapat dicari melaui arah mundur dari perubahan tegangan

LSB dari ADC.

V = VR 2 – n

V = (10) (2 – 6) = 0.16525 V (3-4)

dengan arah mundur melalui penguatan ini berkaitan dengan perubahan transduser

VT = = 0.01032 V

atau pada temperatur

T = = 1.59 C

-

+

14.14 k

1 k

ADC

8 VReferensi

Output6 bit

6 mV/oC

Gambar 3.11 Gambar untuk contoh 3.14

.

3.3. SISTEM OUTPUT DAN AKUISISI DATA

Sebuah komputer digital dapat melakukan sejumlah besar perhitungan dalam

hitungan detik, karena waktu tipikal yang diperlukan untuk mengeksekusi satu instruksi

dapat hanya beberapa mikrodetik. Sebagai contoh, sebuah mikroprosesor dapat

menjumlakan dua bilangan biner 8-bit dalam waktu 2 s. sebaliknya, sebagian besar

instalasi kontrol proses melibatkan variasi variabel proses dengan skala waktu hitungan

menit. Untuk alasan ini dan alasan lainnya yang dibicarakan dalam Bab 10, penggunaan

efisien dari komputer dalam kontrol proses dimaksudkan agar sebuah komputer tunggal

dapat mengendalikan sejumlah variabel. Untuk melakukan hal ini, secara periodik

komputer akan mengambil sampel harga dari masing-masing variabel, mengevaluasi

harga tersebut sesuai denganoperasi kontrol terprogram, dan mengeluarkan output

sebuah sinyal pengontrol yang sesuai untuk elemen kontrol final. Di bawah kontrol

program, komputer memilih variabel terkontrol lainnya, mengambil sampel,

mengevaluasi, dan menghasilkan output, dan begitu seterusnya untuk sema loop di

bawah kontrol tersebut. Mengambil sebuah sampel angka dari dnia nyata ke dalam

komputer tidaklah mudah. Hal ini membutuhkan sebuah kombinasi hardware dan

software (program) untuk memungkinkan bagi komputer membaca bilangan yang

merepresentasikan sejumlah variabel proses, seperti temperatur, tekanan, dan lain-lain.

Keseluruhan proses melakukan hal ini, dan mengembalikannya sebagai output,

semuanya ini disebut interface. Sekarang, seseorang daat mengambil sebuah ADC dan

beberapa amplifier yang perlu dan menulis sebuah program yang diperlukan untuk

bekerja bersama-sama dengan sebuah interface untuk sejumlah komuter untuk sebuah

aplikasi proses. jika komputer dipergunakan untukmengendalikan beberapa loop, kita

akan memerlukan sistem tersebut untuk masing-masing variabel sebagai input. Selain

itu, untuk mengambil input kita dapat mempergunakan sebauh sistem akuisisi data

(Data Acquisition System – DAS) yang memungkinkan lebih dari satu variabel untuk

diambil sampelnya dari beberapa sumber untuk dimasukkan ke dalam komputer dengan

pemrograman yang sesuai. Begitu juga, sebuah modul output data (Data Output

Module – DOM) memungkinkan komputer untuk mengeluarkan sinyal output untuk

lebih dari satu sumber di bawah kontrol program.

Sistem Akuisisi Data (DAS)

Ada banyak tipe yang berbeda dari sistem akuisisi data, namun sangatlah

mungkin untuk generalisasi elemen paling pentingnya seperti diperlihaktan pada

Gambar 3.12. Paragraf di bawah menyajikan deskripsi umum dari masing-masing blok

dari DAS. Perlu diketahui bahwa hampir semua sistem akuisisi data tersedia dalam

bentuk modul kecil yang berisi rangkaian-rangkaian yang diperlihatkan dalam Gambar

3.12. Pada umumnya, modul menerima sejumlah input analog, yang disebut kanal

(channel), baik sebagai sinyal tegangan differensial (dua kawat – two wire) maupun

sinyal tegangan tunggal (terhadap ground). Secara khusus, sebuah sistem dapat

memiliki delapan kanal input differensial atau enam belas kanal input tunggal.

Kemudian komputer dapat memilih salah satu dari kanal-kanal tersebut dibawah

kontrol program untuk input data di dalam kanal.

DekoderAlamat

Penguncioutput

ADC

Multiplekser Analog

Vref

AmplifierJalurkontrol

Jalurdatakomputer

Jalurdatakomputer

Kanal input analog

Gambar 3.12 Sistem akuisisi data

DEKODER ALAMAT

Bagian dari DAS ini menerima sebuah input dari komputer melalui jalur alamat

(16 bit untuk mikroprosesor 8-bit) yang berfungsi memilih sebuah kanal analog tertentu

yang akan diambil sampelnya. Modul iniseringkali didesain sedemikian rupa sehingga

gabungan dari kanal tertentu dan sebuah word alamat komputer dapat dipilih oleh

pemakai (user). Dalam beberapa hal, hal ini dilakukan dengan membuat alamat kanal

modul muncul pada komputer sesuai dengan alamat lokasi memori, hal ini terkadang

dipilih sejmlah kanal input analog. Dengan kata lain, pemilihan kanal input adalah

ekivalen dengan pembacaan isi dari sebuah lokasi memori. Dalam sistem yang lain,

sebuah kode biner dikirim dari komputer melalui piranti khusus input/ output untuk

memilih sebuah kanal analog dan memasukkan data melalui kanal tersebut. Dalam hal

ini, pemilihan kanal dilakukan oleh sesuatu yang disebut piranti pemilih kode (device

select code).

MULTIPLEKSER ANALOG

Elemen DAS ini pada dasarnya sebuah saklar yang mengambil sinyal alamat yang

dikodekan dan memilih data pada kanal yang terpilih dengan penutupan sebuah saklar

yang terhubung pada jalur input analog.

Seperti diperlihatkan pada Gambar 3.13 untuk sebuah sistem akhiran tunggal,

multiplekser menerima sebuah input dari dekoder alamat dan mempergunakannya

untuk menutup saklar yang sesuai memasukkan sinyal kanal yang akan dilewatkan pada

tahap berikutnya dari DAS. Gambar 3.13 memperlihatkan kanal 2 yang telah dipilih,

yang mungkin telah dipilih oleh sebuah 10 pada jalur input. Dengan cara yang sama, 00

akan memilih kanal 0, 01 kanal 1, 10 kanal 2, dan 11 kanal 3. sehingga, dekoder alamat

harus mengkonversi jalur alamat komputer pada salah satu dari empat kemungkinan

tersebut ketika DAS telah dialamatkan oleh komputer. Elemen saklar aktual biasanya

berupa Transisto Efek Medan (FETs) yang berada pada posisi resistansi “on”beberapa

ratus ohm dan sebuah resistansi “off” ratusan hingga ribuan megaohm.

Pemilihsaklar

Daridekoderalamat

Output analog

Kanal analog

0 1 2 3

Gambar 3.13 Multiplekser analog empat kanal

AMPLIFIER

Hampir semua sistem akuisisi data meliputi sebuah bati penguatan yang

memungkinkan pengguna (uaser) untuk mengkompensasi level sinyal input. Gabungan

ADC umumnya didesain untuk beroperasi dari sebuah jangkauan input unipolar definit

atau bipolar sehinggalevel input harus disetel pada daerah ini. Sehingga jika input

sinyal ADC harus berada pada jangkauan 0 hingga 5 volt, penguatan dengan suatu bati

menjamin bahwa input berada dalam daerah ini. Jika ada perbedaan besar antara

bermacam level sinyal input, sejumlah pengkondisian snyal mungkin diperlukan sinyal

diberikan pada DAS.

ADC

Tentu saja, sebuah bagian penting dari DAS adalah konverter analog ke dgital.

Konverter ini akan menerima tegangan dengan rentang jangkauan tertenu seperti yang

diberikan oleh pengkondisian sinyal yang mendahuluinya. Konverter biasanya dapat

dikonfigurasi untuk menerima input unipolar atau bipolar. Hal-hal seperti penyetelan

offset dan penyetelan skala penuh harus dilakukan.

Modul Output Data (DOM)

Paragraf sebelumnya mendeskripsikan sistem yang

dipergunakanuntikmemasukkan data ke komputer. Umumnya, hal ini adalah sebuah

variabel kontrol proses yang terkontrol. Baik dalam kontrol pengawasan (supervisory

control) atau kontrol digital langsung (direct digital control), juga diperlukan untuk

memberikan sebuah mekanisme dimana komputer dapat menghasilkan output sebuah

sinyal baik sebagai penyetelan setpoint atau kepada elemen kontrol akhir. Antarmuka

(interface) jenis ini dibuat untuk sistem beberapa kanal oleh Modul Output Data (Data

Output Module – DOM). Blok umum dari piranti ini diberikan dalam Gambar 3.14.

Tujuan mum dari dekoder alamat adalah sama dengan DAS, yaitu memungkinkan

komputer untuk memilih sebuah kanal output tertentu. Dalam hal ini, komputer

“menuliskan” informasi ke dalam sebuah lokasi memori atau alamat output yang

dikonversikan ke sebuah tegangan analog oleh DAC. Kita mempergunakan sebuah

demultiplekser yang dapat mensaklar output dari DAC ke dalam salah satu dari word

data output yang berada dalam jalur data untuk beberapa mikrodetik. Pengunci (latch)

menahan (hold) data ini cukup lama untuk konversi dan aplikasi dalam loop kontrol

proses.

DekoderAlamat

Pengunciinput

DAC

Multiplekser Analog

Vref

Jalurkontrol

Jalurdatakomputer

Jalurdatakomputer

Kanal output analog

Gambar 3.14 Modul data output

Catatan Aplikasi

Ada banyak faktor yang harus dipertimbangkan ketika sebah DAS atau DOM

dipergunakan. Paragraf berikut mendiskusikan beberapa faktor ini.

SAMPLE AND HOLD

Ketika mempergunakan DAS, harus dilakukan perhitungan kaarena sebenarnya

sinyal pada kanal input dapat berubah-ubah dengan cepat. Jika perubahan cukup cepat

sehingga sinyal bervariasi selama waktu konversi, sebuah sample and hold arus

dipergunakan pada kanal tersebut untuk memegang (hold) nilai input selama konversi.

Hal ini menambah kompleksitas dari software karena harus dilakukan perhitungan

untuk perintah modul sample and hold.

KOMPATIBILITAS DENGAN KOMPUTER

Dalam beberapa hal, sebuah modul data didesain untuk bekerja hanya dengan

satu model atau tipe komputer. Hal ini terbukti ketika digunakannya komputer berbasis

mikroprosesor memiliki arsitektur yang benar-benar bervariasi antara rumpun (family).

Oleh karena itu perlu untuk memilih sebuah modul data (DAS atau DOM) yang

kompatibel dengan karakteristik input/output dari komputer.

PEMROGRAMAN HARDWARE

Sebagian besar kodul data menawarkan sejumlah pilihan untuk penggunaan

operasi input/output. Pilihan ini meliputi operasi unipolar/bipolar, pemilihan alamat,

bati penguatan, operasi differensial/akhiran tunggal, dan lain-lain. Secara khusus

pilihan-pilihan tersebut dipilih oleh penghubung (jumper) kabel antara kaki-kaki modul

atau dengan pemasangan resistor seperti yang dispesifikasikan dalam lembar spesifikasi

modul.

PEMROGRAMAN SOFTWARE

Aspek lainya yang penting dalam antarmuka input/output adalah rutin software

yang akan mempergunakan modul data.rutin-rutin tersebut harus kompatibel dengan

pemrograman hardware dan karakteristik lain dari modul. Sebagai contoh, program

mungkin melibatkan delay yang menunggu ADC menyelesaikan konversi. Aspek ini

didiskusikan lebih lanjut dalam Bab 10.

WAKTU RESPON KESELURUHAN

Sebuah sistem akuisisi data tidak melakukan konversi digital secara langsung

terhadap data yang muncul pada kanal yang terpilih ketika pemilihan terjadi. Namun,

ada delay ketika multiplekser mengakses kanal sistem, ketika amplifier mendapatkan

harga dri kanal, dan ketika ADC melakukan operasi konversi yang dijelaskan dalam

subbab mengenai operasi ADC. Waktu yang diperlukan dapat berjalan dari puluhan

mikrodetik hingga ratusan mikrodetik, tergantung pada jumlah bit yang dikonversi, bati

penguatan dan kecepatan pensaklaran sinyal.

RINGKASAN

Bab ini menjelaskan latar belakang elektronika digital untuk membuat pembaca

mempunyai pengetahuan terhadap elemen-elemen dari pemrosesan sinyal digital dan

dapat mempraktekkan analisis sederhana dan mendesain seperti halnya pada kontrol

proses.

1. penggunaan word digital memungkinkan pengkodean informasi analog ke

dalam sebuah format digital.

2. sangatlah mungkin untuk mengkodekan bilangan desimal pecahan ke dalam

bentuk biner dan begitu sebaliknya dengan mempergunakan

N10 = b1 2-1 + b2 2-2 + . . . + bm 2-m (3-1)

3. teknik aljabar Boolean dapat diaplikasikan pada pengembangan alarm proses

dan fungsi-fungsi kontrol dasar.

4. gerbang-gerbang elektronika digital dan komparator membantu

implementasi dari persamaan Boolean proses.

5. DAC dipergunakan untuk mengkonversi word digital ke dalam bilangan

analog dengan mempergunakan representasi bilangan pecahan. Dengan

resolusi

Vx = VR 2 – n (3-4)

6. sebuah ADC tipe pendekatan succesive menentukan word digital output

untuk sebuah tegangan input analog dalam sejumlah step, sama seperti bit-

bit dalam word.

7. ADC slope ganda mengkonversi informasi analog ke digital oleh sebuah

kombinasi perhitungan waktu dan integrasi.

8. Sistem Akuisisi Data (DAS) adalah sebuah piranti modular yang

menghubungkan sejumlah sinyal analog ke sebuah komputer. Pendekodean

alamat sinyal, pemultipleksan, dan operasi ADC terdapat di dalam piranti

ini.

9. Modul Data Output (DOM) menyediakan semua kebutuhan perangkat keras

bagi sebuah komputer untuk menghasilkan output sinyal analog, termasuk

pengalamatan konversi D/A dan pemultipleksan..