BAB IV PENGUJIAN ALAT DAN ANALISIS DATA
4.1.
Kalibrasi Sistem CV Meter Kalibrasi yang dilakukan meliputi kalibrasi IDAC0, IDAC1, Vstep dan
ADC. IDAC yang digunakan mempunyai resolusi 8 bit dengan arus skala penuh 0,25 A. Untuk mengukur tegangan digunakan multimeter digital model 45 dari Fluke. Multimeter ini pada pengukuran tegangan DC memiliki resolusi sampai dengan 1 μV
17)
. Untuk kalibrasi ADC digunakan kalibrator seri 5100B dari
Fluke. Kalibrator ini dapat mengeluarkan tegangan pada range 1 μV sampai dengan range 200 V. 18).
4.1.1. Kalibrasi IDAC sebagai pembangkit tegangan bias
Gambar 4.1
Diagram blok proses kalibrasi IDAC
Gambar 4.1 adalah diagram blok proses kalibrasi IDAC. Komputer dihubungkan ke SoC C8051F350 melalui antarmuka RS-232. SoC mengatur kerja IDAC0 dan mengeluarkan data digital sesuai dengan data yang diberikan oleh
44
komputer. Data digital tersebut diubah menjadi arus oleh IDAC dan dengan rangkaian op-amp diubah menjadi tegangan analog yang selanjutnya dihubungkan ke bagian keluaran dan dibaca oleh multimeter digital Fluke 45. Data digital yang dikirimkan komputer dan data tegangan yang dibaca multimeter dicatat pada komputer. Proses kalibrasi dilakukan secara otomatis karena multimeter digital Fluke 45 dapat dihubungkan ke komputer melalui port serial. Gambar 4.2 menunjukkan grafik hubungan antara data digital yang diberikan ke IDAC (dalam LSB) dengan data hasil konversi untuk penghasil tegangan negatif dan untuk penghasil tegangan positif ditunjukkan oleh gambar 4.3. Data hasil pengukuran dan data berdasarkan perhitungan teori dibuat grafik fungsi transfer dan dibandingkan hasilnya. Kalibrasi DAC0 -50
0
50
100
150
200
250
300
Tegangan Keluaran (Volt)
-50
-100 Terukur Ideal
-150
-200
-250
-300 Data Digital (LSB)
Gambar 4.2
Grafik fungsi transfer konversi digital ke analog pada kalibrasi IDAC-
45
Kurva Kalibrasi DAC+
Tegangan Keluaran (Volt)
3 2.5
Terukur Ideal
2 1.5 1 0.5 0 0
50
100
150
200
250
300
Data Digital
Grafik fungsi transfer konversi digital ke analog pada kalibrasi IDAC+
Gambar 4.3
Grafik selisih antara fungsi transfer ideal dengan fungsi transfer data pengukuran (dalam LSB) ditunjukkan oleh gambar 4.4 dan 4.5. Dari definisi zero scale error dan full scale error 10) nilai error untuk hasil kalibrasi DAC masingmasing sebesar 6 LSB dan 4 LSB untuk penghasil tegangan negatif sedangkan untuk penghasil tegangan positif 0 LSB dan 10 LSB. Kurva Kesalahan DAC7
5 4 3 Selisih fungsi terukur terhadap fungsi transfer ideal
2 1
0 24
0 22
0 20
0 18
0 16
0 14
0 12
0 10
80
60
40
20
0 0
Kesalahan (LSB)
6
Data (LSB)
Gambar 4.4
Grafik selisih antara fungsi transfer ideal dengan fungsi transfer terukur pada kalibrasi DAC-
46
Kurva Kesalahan DAC+ 12
Kesalahan (LSB)
10 8 6 Selisih fungsi teruku rterhadap fungsi transfer ideal
4 2
24 0
22 0
20 0
18 0
16 0
14 0
12 0
10 0
80
60
40
20
0
0
Data Digital
Gambar 4.5
Grafik selisih antara fungsi transfer ideal dengan fungsi transfer terukur pada kalibrasi DAC+
Karena grafik selisih antara fungsi transfer ideal dengan fungsi transfer hasil pengukuran memiliki pola, maka untuk mengurangi besar error keluaran DAC dilakukan koreksi dengan linierisasi menggunakan perangkat lunak. Grafik pada Gambar 4.6 menunjukkan grafik hubungan antara data keluaran hasil pengukuran (dalam LSB) dengan data keluaran transfer ideal (dalam LSB) untuk penghasil tegangan negatif dan gambar 4.7 untuk penghasil tegangan positif. Faktor koreksi fungsi transfer DAC untuk penghasil tegangan positif, pola kesalahan menunjukkan adanya kesalahan penguatan (gain error) dan linierisasi dibagi menjadi dua daerah, yaitu daerah pertama 0-175 dan daerah kedua 176255. Karena kesalahan untuk penghasil tegangan negatif sudah cukup baik, yaitu ±1 di sekitar 5 LSB, maka faktor koreksinya hanya dilakukan dengan menambahkan 5 LSB pada setiap keluaran DAC- ideal.
47
Data Keluaran Ideal (LSB)
300 250
DAC2 = 0.9723x - 3.1572 200 150
DAC1 = 0.9542x + 0.0245 100 50 0 0
50
100
150
200
250
300
Data keluaran terukur (LSB)
Gambar 4.6
Grafik koreksi fungsi transfer DAC+
4.1.2. Kalibrasi ADC (analog to digital converter) Proses kalibrasi ADC dilakukan seperti ditunjukkan Gambar 4.7. Kalibrator seri 5100B dihubungkan ke pengkondisi sinyal dan dibaca oleh ADC pada SoC C8051F350. SoC mengatur kerja ADC dan mengubah tegangan yang diberikan kalibrator menjadi data digital. Resolusi ADC yang digunakan pada sistem C-V Meter ini adalah 14 bit sehingga nilai digital maksimumnya adalah 16383 (214-1). Data hasil pengukuran ini selanjutnya dikirimkan ke komputer melalui antarmuka serial RS232. Data pengukuran selanjutnya diolah dan disimpan oleh komputer.
48
Diagram blok proses kalibrasi ADC
Gambar 4.7
Gambar 4.8 menunjukkan grafik hubungan antara tegangan masukan dengan hasil konversi untuk data hasil pengukuran dan data fungsi transfer ideal. Selisih kedua fungsi transfer tersebut lebih jelasnya ditunjukkan oleh gambar 4.9. Dari grafik tersebut diperoleh zerro scale error sebesar 5 LSB, full scale error sebesar 278 LSB dan grafiknya memiliki pola.
18000
14000 12000
Terukur
10000
Ideal
8000 6000 4000 2000
3. 2
3. 0
2. 8
2. 6
2. 4
2. 2
2. 0
1. 8
1. 6
1. 4
1. 2
1. 0
0. 8
0. 6
0. 4
0. 2
0 0. 0
Data Hasil Konversi
16000
Tegangan Masukan (Volt)
Gambar 4.8
Grafik fungsi transfer konversi analog ke digital pada kalibrasi ADC
49
Gambar 4.9
Grafik selisih antara fungsi transfer ideal dengan fungsi transfer terukur pada kalibrasi ADC
Untuk mengurangi besar error data yang terukur oleh ADC maka dilakukan koreksi dengan perangkat lunak. Grafik hubungan antara data masukan hasil pengukuran (dalam LSB) dengan data masukan transfer ideal (dalam LSB) ditunjukkan oleh Gambar 4.10. Faktor koreksi fungsi transfer ADC diperoleh dengan melakukan linierisasi pada grafik tersebut yang dibagi dalam dua daerah. Daerah pertama untuk data 0 – 10100 LSB dan daerah kedua 10101 – 16383 LSB.
50
Kurva Kalibrasi ADC
Data Masukan Ideal (LSB)
18000 y2 = 1.0003x - 216.38
16000 14000 12000 10000
y1 = 0.9862x + 1.1973
8000 6000 4000 2000 0 0
5000
10000
15000
20000
Data Masukan Terukur (LSB)
Gambar 4.10 Grafik koreksi fungsi transfer ADC
4.2.
Pengujian Sistem C-V Meter Setelah dikalibrasi dan faktor koreksi hasil kalibrasi digunakan, sistem
C-V Meter diuji. Pengujian dilakukan untuk mendapatkan nilai kesalahan pada setiap bagian dari sistem C-V Meter dan sistem C-V Meter secara keseluruhan. Pengujian yang dilakukan meliputi pengujian DAC, pengujian ADC, dan pengujian pengukuran kapasitansi dengan sistem C-V Meter.
4.2.1. Pengujian DAC (digital to analog converter) Konfigurasi pengujian DAC sama dengan konfigurasi pada kalibrasi DAC. Hasil pengujian ditunjukkan dalam bentuk grafik oleh gambar 4.11. dan 4.12. Dari grafik tersebut ditunjukkan bahwa kesalahan konversi maksimum sebesar ±1 LSB. Nilai ini cukup baik dan sesuai dengan spesifikasi ADC yang digunakan dengan kesalahan INL (integral non linearity) maksimum sebesar ±1 LSB. Khusus untuk penghasil tegangan negatif kesalahan terletak dalam rentang 5±1 LSB karena adanya zero offset error. Hal ini telah dapat ditanggulangi dengan cara memberikan nilai tegangan keluaran sama dengan keluaran ideal ditambah 5 LSB. Pada akhirnya kesalahan akan tetap ±1 LSB seperti yang diharapkan.
51
Gambar 4.11
Grafik kesalahan pengukuran DAC-
1.5
0.5
-0.5
24 0
22 0
20 0
18 0
16 0
14 0
12 0
10 0
80
60
40
20
0 0
Kesalahan (LSB)
1
Selisih fungsi terukur terhadap fungsi transfer ideal
-1
-1.5
Data Digital (LSB)
Gambar 4.12
Grafik kesalahan pengukuran DAC+
52
4.2.2. Pengujian sistem pengukuran kapasitansi dengan sistem C-V Meter
Gambar 4.13
Diagram blok proses pengujian sistem pengukuran kapasitor dengan C-V Meter
Konfigurasi pengujian sistem pengukuran kapasitor dengan sistem C-V Meter ditunjukkan oleh gambar 4.13. Kapasitansi diukur menggunakan pengukur kapasitansi, sinyal yang diperoleh disesuaikan oleh pengkondisi sinyal dan diberikan ke ADC. ADC membaca nilai tegangan dan SoC mengatur pewaktuan dan menyimpan data pengukuran untuk kemudian dikirimkan ke komputer melalui RS-232 untuk diolah menjadi nilai kapasitansi. Hasil pengukuran kapasitor 1000 pF ditunjukkan oleh gambar 4.14.
53
Kapasitansi (pF)
C = 1000 pF 1100 1080 1060 1040 1020 1000 980 960 940 920 900 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Tegangan (Volt)
Gambar 4.14
4.3.
Kapasitor Pengukuran menggunakan C-V Meter
1000pF
Hasil Pengukuran Karakteristik Kapasitansi-Tegangan Pada Dioda Tahap akhir dari penelitian ini adalah penggunaan sistem C-V Meter untuk
karakterisasi kapasitansi dioda sebagai fungsi dari tegangan. Konfigurasi pengukuran kapasitansidioda ditunjukkan oleh gambar 4.15. Karakterisasi kapasitansi pada dioda ini dilakukan pada dua jenis dioda, yaitu menggunakan dioda Zener 5,1V/2W tipe 1N4733A dan dioda zener 2.4V. Hasil karakterisasi kapasitansi pada dioda untuk masing-masing tipe dibandingkan hasilnya dengan karakteristik umum dari datasheet dioda yang digunakan seperti telah dibahas di bagian akhir bab 2.
54
Computer
RS232
DAC
SoC C8051F350
ADC
Bagian Keluaran
Signal Conditioner
N
Capacitance Meter
P
DIODA
Gambar 4.15
Konfigurasi pengukuran karakteristik kapasitansi-tegangan pada dioda pn panjar mundur
400 350 Kapasitansi (pF)
300 250 200 150 3
100
2
y = -24.837x + 195.36x - 478.28x + 370.11 2 R = 0.951
50 0 -50 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Tegangan (Volt)
Gambar 4.16
Kurva karakteristik C-V pada dioda zener 5,1V/2W panjar mundur tipe 1N4733A
55
4500 4000
Kapasitansi (pF)
3500 3000 2500 2000 1500 3
2
y = -205223x + 183027x - 49994x + 4165.2 2 R = 0.9369
1000 500 0 -500
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
V (Volt)
Gambar 4.17
Kurva karakteristik C-V pada dioda zener 2.4V/0,5W panjar mundur
Dari kurva C-V yang diperoleh pada gambar 4.16 dan 4.17 dapat terlihat bahwa kapasitansi dioda bergantung pada tegangan bias yang diberikan. Nilai kapasitansi pada dioda zener yang dipanjar mundur menurun ketika tegangan biasnya dinaikkan. Dari hasil pengukuran diperoleh bahwa nilai kapasitansi pada dioda yang panjar maju adalah berkurang ketika tengangan panjar ditambah.
56
