BAB II LANDASAN TEORI

BAB II LANDASAN TEORI

Pada bab ini akan dibahas dasar teori yang berhubungan dengan perancangan skripsi antara lain fungsi dari function generator, osilator, MAX038, rangkaian operasional amplifier, Mikrokontroler Arduino Uno. 2.1. Tinjauan Pustaka Dalam tinjauan pustaka ini membahas spesifikasi dari function generator yang telah ada pada laboratorium. Function generator yang digunakan adalah seri GFG-813. Pada function generator ini terdapat tiga pilihan gelombang berupa sinus, segitiga dan kotak. Terdapat tiga step pengaturan atenuasi (-20dB, -40dB dan -60dB). Selain itu terdapat pengaturan tegangan DC offset sebesar -10V sampai dengan 10V.

Terdapat pula

pengaturan amplitudo sampai dengan 20Vpp dengan jangkauan frekuensi 0,1Hz sampai dengan 13MHz[2]. GFG-813 yang dimiliki Lab Elektronika Dasar seharga Rp. 2.500.000,00. Maka atas dasar pertimbangan segi ekonomi dibuatlah sebuah function generator dengan spesifikasi yang mendekati GFG-813 dengan harga yang relatif lebih murah. Pada skripsi ini penulis lebih menekankan pada kegunaan alat sebagai penunjang praktikum elektronika pada Laboratorium Elektronika FTEK-UKSW sedangkan GFG-813 dirancang dengan tujuan menguji banyak macam rangkaian untuk praktikum sampai dengan industri. 2.2. Function Generator Function generator merupakan salah satu alat uji coba yang digunakan untuk menghasilkan gelombang tegangan listrik dengan frekuensi tertentu. Tujuan utama function generator adalah sebagai masukan pada sebuah rangkaian untuk tujuan pengujian. Pengguna akan mengamati sinyal dengan berbagai aspek pada rangkaian dengan menggunakan osiloskop, spectrum analyzer, atau alat uji lainnya. Function generator

4

umumnya menghasilkan gelombang segitiga sebagai dasar dari semua output-nya. Gelombang segitiga ini dihasilkan oleh proses pengisian dan pengosongan kapasitor secara berulang-ulang dari sumber arus konstan. Hal ini menyebabkan tegangan menanjak dan menurun secara linier. Ketika tegangan output mencapai batas atas dan batas bawah, proses pengisian dan pengosongan dibalik mengunakan komparator dan menghasilkan gelombang segitiga linier. Dengan arus dan nilai kapasitor yang bervariasi maka frekuensi yang berbeda dapat dihasilkan[3]. Function generator terdiri atas sebuah pengatur atenuasi, pengatur amplitudo, pengatur duty cycle, dan pengatur tegangan DC offset. 2.3. Osilator Osilator adalah suatu rangkaian yang menghasilkan keluaran yang amplitudonya berubah-ubah secara periodik dengan waktu. Keluaran dari osilator dapat berupa gelombang sinus, gelombang persegi, gelombang pulsa, gelombang segitiga atau gelombang gigi gergaji[4]. Frekuensi kerja atau frekuensi osilasi rangkaian osilator gelombang segitiga ditentukan oleh waktu proses pengisian dan pengosongan kapasitor.

Gambar 2.1. Rangkaian dan Bentuk Gelombang Output Rangkaian Osilator Gelombang Segitiga[4]. Pada saat tegangan sumber pertama kali diberikan pada rangkaian osilator gelombang segitiga di atas, output rangkaian Schmitt trigger akan berada pada kondisi

5

jenuh positif atau negatif. Apabila diasumsikan kondisi output pada output Schmitt trigger adalah jenuh positif maka arus listrik mengalir melalui kapasitor C melalui resistor R1 pada titik A kondisi jenuh positif tersebut. Ketika muatan listrik mulai tersimpan di kapasitor, tegangan dari kedua sisi dan kapasitor mulai naik. Karena jalur input inverting dari IC2 adalah sekitar 0V, maka tegangan output (titik B) dari rangkaian integrator turun secara bertahap. Tegangan pada titik C juga turun ketika tegangan dari titik B mulai turun. Persentase penurunan tergantung pada rasio resistor R2 dan R3. Ketika tegangan titik C turun di bawah 0V, maka tegangan output pada titik A Schmitt trigger berubah ke minus dengan cepat. Agar tegangan dari titik C turun dibawah 0V maka dibutuhkan nilai R2 lebih besar dari R3. Kemudian aliran arus reverse dari kapasitor ke titik A melalui R1. Dengan kondisi ini, tegangan pada titik B naik secara bertahap. Ketika tegangan dari titik C melebihi 0V maka output titik A Schmitt berubah menjadi positif dengan cepat sehingga membuat perubahan pada titik B ke arah negatif[4]. Proses tersebut berulang terus menerus hingga terbentuk sinyal output gelombang segitiga pada titik B (output 1) dan gelombang kotak pada titik A (output 2) pada rangkaian osilator gelombang segitiga di atas. Sedangkan untuk mengubah gelombang tegangan segitiga menjadi tegangan sinus maka diperlukan sine shapper. Proses sine shaping ini dapat menggunakan diode wave shaping. Gelombang segitiga diasumsikan memiliki amplitudo relatif sebesar 1,5. Untuk 0º sampai dengan 30º gelombang sinus akan mengikuti ramp pada gelombang segitiga. Sedangkan untuk 30º sampai dengan 60º kemiringan gelombang akan menurun sehingga gelombang sinus menaik hanya 0,866[5].

6

Gambar 2.2. PWL Transfer Function[5]. Rangkaian dioda pada Gambar 2.3 menggambarkan bagaimana gelombang yang diinginkan dibentuk. Tegangan input merupakan gelombang tegangan segitiga. Untuk mempermudah maka penurunan tegangan pada dioda diabaikan. Ketika dioda dalam kondisi reverse bias dan VO sama dengan V, maka tegangan keluaran akan mengikuti ramp. Misalkan V1 lebih kecil dari V2 adalah 0,5V. Kemudian ketika tegangan input mencapai 0,5V, D1 mulai menghantarkan[5].

Gambar 2.3. Rangkaian Positive Half-Cycle[5]. Tegangan keluaran dinyatakan dengan: 𝑉𝑜 𝑝𝑎𝑑𝑎

𝐷1

= 0,5 + 𝑉 − 0,5

7

𝑅1 1+𝑅1

(2.1)

Gambar 2.4. Rangkaian Diode Wave Shaping[5]. Sepasang dioda pertama pada bagian sebelah kiri dari Gambar 2.4 menghasilkan bentuk gelombang sinus bagian positif sedangkan untuk bagian sebelah kanan menghasilkan bentuk gelombang sinus bagian negatif seperti Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Transformasi Gelombang Segitiga ke Gelombang Sinus[5]. Untuk mengubah gelombang tegangan segitiga menjadi gelombang tegangan kotak maka digunakanlah rangkaian komparator. Sebuah komparator akan membandingkan dua tegangan atau arus. Komparator memiliki dua masukan analog V+ atau VIN dan V- atau sebagai VREF dan keluaran berupa Vo. Idealnya keluaran komparator adalah: 𝑉𝑜 =

+𝑉𝑐𝑐 , 𝑗𝑖𝑘𝑎 𝑉𝐼𝑁 > 𝑉𝑅𝐸𝐹 −𝑉𝑐𝑐 , 𝑗𝑖𝑘𝑎 𝑉𝐼𝑁 < 𝑉𝑅𝐸𝐹

(2.2)

Rangkaian dasar komparator op-amp dapat digunakan untuk mendeteksi baik positif dan negatif tegangan masukan tergantung masukan dari amplifier yang dikoneksikan pada tegangan referensi. Sebagai contoh seperti rangkaian pada Gambar 2.6 dimana terdapat rangkaian komparator non-inverting yang mendeteksi ketika masukan sinyal, VIN diatas atau bernilai lebih positif dari pada VREF sehingga menghasilkan keluaran seperti pada Gambar 2.7[6].

8

Gambar 2.6. Rangkaian Komparator Non-Inverting[6].

Gambar 2.7. Masukan dan Keluaran dari Rangkaian Komparator Non-Inverting[6]. Pada rangkaian komparator non-inverting, tegangan referensi dihubungkan pada input inverting dari op-amp dengan sinyal masukan terhubung pada bagian masukan noninverting. Ketika VIN lebih besar nilainya dari VREF, maka keluaran dari komparator op-amp akan bernilai VCC. Sedangkan apabila VIN bernilai lebih kecil dari VREF maka keluaran komparator op-amp akan mengubah kondisi dan bersaturasi pada sumber tegangan negatif atau pada rangkaian Gambar 2.6 bernilai 0V [6].

9

2.5. MAX038 MAX038 merupakan sebuah komponen yang menghasilkan frekuensi dari 0,1Hz ~ 2MHz yang presisi dengan varian gelombang tegangan sinus, segitiga, dan kotak. Amplitudo yang dihasilkan oleh MAX038 adalah konstan 2Vpp untuk semua gelombang tegangan. Oleh karena itu, MAX038 dianggap sangat cocok untuk membuat sebuah function generator. MAX038 memiliki keunggulan karena memiliki fasilitas pengaturan duty cycle dari 15% sampai dengan 85% dan memiliki impedansi keluaran sebesar 50Ω[7]. Untuk memilih jenis gelombang yang digunakan dapat menggunakan logika CMOS pada pin A0 dan pin A1 pada MAX038. Tabel 2.1. Logika CMOS Pemilihan Gelombang. A0

A1

Gelombang

X

1

Sinus

0

0

Kotak

1

0

Segitiga

Gambar 2.8 High Frequency Wave Generator Max038 [7]. Jangkauan frekuensi dapat diatur dengan memasang kapasitor (Cf) di antara pin COSC dan pin GND. Osilasi pada kaki-kaki tersebut dipicu oleh pengisian dan pengosongan dari Cf, sedangkan pengisian dan pengosongan pada Cf dikontrol oleh arus

10

yang melewati pin IN dan dimodulasikan oleh tegangan pada pin FADJ dan DADJ. Arus pada IIN dapat bervariasi antara 2µA sampai dengan 750µA. ketika VFADJ bernilai 0V, maka frekuensi output (fo) dapat ditentukan dengan Persamaan 2.3[7]. 𝑓𝑜 =

𝐼𝐼𝑁 𝐶𝑓

(2.3)

dengan: IIN

= arus yang melewati IIN (antara 2µA sampai dengan 750µA)

Cf

= kapasitor yang terhubung pin CSOC dan GND (F)

fo

= frekuensi output (Hz)

Sedangkan pada kondisi loop tertutup, amplifier dengan masukan tegangan offset kurang dari ±2mV. IIN dapat dialirkan oleh sumber arus IIN ataupun oleh tegangan IN (VIN) yang diseri dengan sebuah resistor (RIN), resistor antara REF dan IIN akan menghasilkan Persamaan 2.4. 𝐼𝐼𝑁 =

𝑉𝑅𝐸𝐹 𝑅𝐼𝑁

(2.4)

Dengan menggunakan sumber tegangan yang diseri dengan sebuah resistor maka persamaan untuk frekuensi osilator menjadi: 𝑓𝑜 = 𝑅

𝑉𝐼𝑁

𝐼𝑁 ×𝐶𝑓

(2.5)

dengan: fo

= frekuensi output (Hz)

VIN

= tegangan pada pin IN (V)

RIN

= resistor pada pin IN (Ω).

Cf

= kapasitor yang terhubung pada pin COSC dan pin GND (F)

Pengaturan duty cycle dapat dilakukan dengan mengatur tegangan pada pin DADJ. Pada kondisi normal VDADJ bernilai 0V, oleh karena itu duty cycle bernilai 50%. Namun dengan bervariasinya tegangan pada VDADJ ± 2,3V maka menyebabkan duty cycle bervariasi antara 15% sampai dengan 85%[7].

11

Gambar 2.9. Rangkaian Pengatur Duty Cycle[7]. Pada Gambar 2.9 dapat dilihat bahwa untuk mengatur duty cycle maka VDADJ diberi tegangan bervariasi dengan menggunakan sebuah rangkaian penguat inverting dan buffer[7]. Tegangan pada DADJ yang dibutuhkan untuk mengatur duty cycle dirumuskan dalam persamaan: 𝑉𝐷𝐴𝐷𝐽 = (50% − 𝑑𝑐) × 0,057

(2.6)

𝑑𝑐 = 50% − (𝑉𝐷𝐴𝐷𝐽 × 17,4)

(2.7)

maka:

dimana: VDADJ

= tegangan pada pin DADJ (V)

dc

= duty cycle (%)

2.5. Rangkaian Operasional Amplifier Rangkaian operasional amplifier yang banyak digunakan pada tugas akhir ini adalah rangkaian penguat inverting, penguat non inverting dan buffer. Rangkaian penguat inverting pada Gambar 2.10 memiliki banyak variasi kegunaan. Pada umumnya rangkaian ini digunakan sebagai penguat operasional. Rangkaian single ended input and output merupakan rangkaian pertama yang digunakan dan menjadi basis pada perhitungan analog[8].

12

Gambar 2.10. Rangkaian Penguat Inverting[8].

𝑉𝑜 𝑉𝑖

𝑅

= − 𝑅𝑜 𝑖

(2.8)

Perbandingan nilai Ro dan Ri mengakibatkan pelemahan atau penguatan pada keluaran pada Gambar 2.10. Tanda negatif pada Persamaan 2.8 mengindikasikan adanya inversi pada keluaran sinyal[8]. Rangkaian buffer merupakan rangkaian yang menghasilkan tegangan output sama dengan tegangan masukannya. Fungsi dari rangkaian buffer pada peralatan elektronik adalah sebagai penyangga dimana prinsip dasarnya adalah penguatan arus tanpa terjadi penguatan tegangan. Rangkaian buffer dari op-amp sangat sederhana karena tidak memerlukan komponen tambahan pada konfigurasinya[8].

Gambar 2.11. Rangkaian Buffer[8]. Dengan metode hubung singkat antara jalur input inverting dan jalur output operasional amplifier maka diperoleh perhitungan matematis: 𝑉𝑜 ≈ 𝑉𝑖

13

(2.9)

Sehingga diperoleh nilai penguatan tegangan (Av): 𝑉

𝐴𝑣 = 𝑉𝑜 = 1 𝑖

(2.10)

dimana: Vo

= tegangan keluaran (V)

Vi

= tegangan masuk (V)

Ro

= resistor umpan balik (Ω)

R1

= resistor masukan (Ω)

Av

= bati penguatan

Dari persamaan di atas terlihat bahwa rangkaian buffer di atas tidak memiliki bati penguatan. Sehingga penguat operasional dengan konfigurasi seperti Gambar 2.11 berfungsi sebagai penyangga dengan penguatan 1[8]. 2.6. Arduino Uno Mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer fungsional dalam sebuah chip. Di dalamnya terkandung sebuah inti prosesor, memori, dan perlengkapan input-output. Salah satu mikrokontroler yang digunakan adalah Arduino. Arduino adalah perangkat elektronik open source yang di dalamnya terdapat komponen utama, yaitu sebuah chip mikrokontroler dengan jenis AVR dari perusahaan Atmel[9]. Arduino Uno merupakan mikrokontroler dengan basis ATMEGA328P yang memiliki 14 kaki digital input/output (dimana 6 kaki dapat digunakan sebagai keluaran PWM), 6 input analog, clock speed 16MHz, koneksi USB, header ICSP, dan tombol reset. Dari segi memori Arduino Uno memiliki flash memory untuk menyimpan kode sebesar 32kB, SRAM 2kB, dan EEPROM 1kB[9].

14

Gambar 2.12. Board Arduino Uno[9]. Pada Gambar 2.12 merupakan susunan konfigurasi pin pada mikrokontroler Arduino Uno, berikut adalah penjelasan fungsi masing – masing tersebut: 1. Voltage In adalah masukan digital voltage supply. 2. Ground Pins adalah pin ground. 3. Serial: 0 (RX) dan 1 (TX) digunakan untuk menerima (RX) dan mengirimkan (TX) data serial TTL. 4. Interupsi Eksternal: 2 dan 3. Pin ini di konfigurasikan untuk memicu interrupt pada nilai yang rendah. 5. PWM: 3,5,6,9,10, dan 11. Menyediakan 8-bit output PWM dengan fungsi analogWrite(). 6. SPI: 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK). Pin ini mendukung komunikasi SPI menggunakan library SPI. 7. LED: 13. Terdapat LED pin digital 13 pada board. Ketika pin bernilai tinggi (HIGH), LED menyala (ON), ketika pin bernilai rendah (LOW), LED akan mati (OFF). 8. Arduino Uno memiliki 6 input analog, berlabel A0 sampai A5 yang masingmasing menyediakan 10 bit resolusi (yaitu 1024 nilai yang berbeda).

15

9. RESET. Jalur LOW ini digunakan untuk me-reset (menghidupkan ulang) mikrokontroler. Jalur ini biasanya digunakan untuk menambahkan tombol reset pada shield yang menghalangi papan utama Arduino.

16