SISTEM INSTRUMENTASI

SISTEM INSTRUMENTASI

Disusun oleh : Dr. Drs. Jaja Kustija, M.Sc.

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA 2014

DAFTAR ISI

Halaman DAFTAR ISI ........................................................................................................... i Modul I SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA ..................................1 Modul

II

&

III

SISTEM

INSTRUMENTASI

ELEKTRONIKA

KARAKTERISTIK STATIS & DINAMIS .........................................................5 Modul IV SISTEM INSTRUMENTASI ORDE 2 ............................................12 Modul V SISTTEM INSTRUMENTASI TRANDUCER ................................18 Modul VI INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA OP-AMP ............................24 Modul VII INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA SIFAT DAN BESARAN OP-AMP ................................................................................................................32 Modul VII & IX INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA PENGGUNAAN OPAMP UNTUK PENGUAT INSTRUMENTASI DAN PENGUAT LOG DAN ANTILOG .............................................................................................................27 Modul

X

&

XI

SISTEM

INSTRUMENTASI

ELEKTRONIKA

PENGOLAHAN DIGITAL TO ANALOG CONVERTER .............................52 Modul

XII

&

XIII

SISTEM

INSTRUMENTASI

ELEKTRONIKA

PENGOLAH ISYARAT (SINYAL) ...................................................................63 Modul XIV SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA JENIS-JENIS PENGUBAH ISYARAT ANALOG KE DIGITAL ..........................................75

i

MODUL I SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA

Tujuan

: Menjelaskan bagian-bagian dari Sistem Instrumentasi Elektronika

Pokok-pokok Bahasan 1. Definisi Sistem Instrumentasi Elektronika 2. Bagian dari Sistem Instrumentasi Elektronika 3. Contoh Sistem Instrumentasi Elektronika 4. Definisi-definisi dalam Sistem Instrumentasi Elektronika Daftar Pustaka 1. Rangan Sarma

: Instrumentasi Devices And Sistem

2. W. Bolton

: Mechatronic

3. William D.Cooper

: Electronic Instrumentasi And Measurement Technique

I. Bagian – bagian Sistem Instrumentasi Elektronika dan beberapa definisi dalam instrumentasi Mempelajari pengukuran besaran-besaran fisis dengan bantuan peralatan elektronik. Secara umum Sistem Instrumentasi Elektronik terdiri dari tiga bagian seperti terlihat pada gambar 1.1

Quantity Being Measured

Sensor

Signal Conditioner

D i s p l a y

Value Of The Quantity

Gambar 1.1 Sistem Instrumentasi

1. Sensor which respond to the quantity being measured by giving as its output a signal which is related to the quantity Definisi lain :

1

Sensor / Tranduser adalah suatu alat yang dapat mengubah suatu besaran fisis menjadi besaran fisis yang lain. Untuk keperluan Sistem Instrumentasi Elektronik, tranduser yang digunakan yang mempunyai output besaran listrik. Contoh : Kuantitas yang ingin kita ukur adalah temperatur, supaya temperatur dapat dibaca secara elektronik maka digunakan sensor termo kopel (Thermocouple).

Temperatur

Thermo Couple

EMF (Beda Potensial Listrik)

Gambar 1.2 Beda potensial listrik yang dihasilkan sebanding dengan tinggi rendahnya temperature. 2. A Signal Conditioner Which takes the signal from sensor and convert it into a condition which is suitable for either display. Ex : Keluaran dari sensor termokopel adalah tegangan yang masih lemah, maka pada “ signal Conditioner ” (pengkondisian) sinyal ini diperkuat dalam hal ini alat pengkondisian sinyal adalah Penguat Instrumentasi (Ampli), lebih lengkap lagi sinyal yang telah diperkuat tadi tumbuh menjadi data digital (ADC) kemudian dicacah secara digital untuk selanjutnya masuk ke bagian display. 3. A Display Sistem A Display system where the output from signal conditioner is displayed. Contoh-contoh display 1. Printer 2. Layar Monitor 3. Jarum 4. Seven Segment 5. LCD Contoh : Sistem Instrumentasi Elektronik

2

Pemancar Ultra Sonic

C Display

AT 89C51

Penerima Ultra Sonic

Pemeroses

Object

Gambar 1.3 Pengukuran jarak dengan media ultra sonic dan pengolah signal mikro kontroler “ Konfigurasi Sistem Pengukuran “ Dapat dijelaskan seperti pada gambar dibawah ini : Digital Printer

Input Measurend

Signal Conditioner

Tranduser

Digital Display Analog Panel Meter

Power Supply

To Control System Grafic Recorder Osiloscope Magnetic Tape Recorder

Gambar 1.4 Konfigurasi Sistem Pengukuran

a. The Tranduser Which Convert the measured into a useable electrical output. b. The Signal Conditioner

3

Which Convert the tranduser output into an electrical quantity suitable

for

control recording and display. c. The Display or red out devices which display the required information about the measurend, generally in engineering units. Beberapa definisi dalam Pengukuran Instrument

: Sebuah alat untuk menentukan nilai atau kebesaran

suatu

kuantitas atau variable

Ketelitian (Accuracy) Harga terdekat dengan mana suatu pembacaan instrument mendekati harga sebenarnya dari variable yang diukur. Ketepatan (Precision) Suatu pengukuran bagi

ukuran

kemampuan

untuk

mendapatkan

hasil

yang serupa dengan memberikan suatu harga tertentu sebuah variable

Ketepatan (presisi) merupakan suatu ukuran tingkatan yang menunjukan perbedaan hasil pengukuran pada pengukuran – pengukuran yang telah dilakukan secara berurutan Sensitivitas (sensitivity) Perbandingan antara sinyal keluaran atau respon instrument terhadap perubahan masukan atau variable yang diukur. Resolusi (Resolution) Perubahan

terkecil

masukan

yang

dapat direspon

oleh

instrument Kesalahan (Error) Penyimpangan Variable yang diukur dari nilai sebenarnya

4

SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA KARAKTERISTIK STATIS & DYNAMIS Tujuan

: Mempelajari karakteristik statis dan dynamis alat ukur

Pokok-pokok Bahasan 1. Karakteristik statis 2. Karakteristik Dynamis 3. Sistem Orde nol 4. Sistem Orde satu dengan masukkan step dan ramp Daftar Pustaka 1. Instrumentation Devices

: Rangan, SARMA, and System.

2. Electronic Instrumentation And measurement Tekhniques 3. Techniques of Instrumentation 4. Mechatronics

: William. D. Coopera : A. C. Srivastava

: w. Bolton

2.1. Pendahuluan Karakteristik kerja instrumentasi secara garis besarnya terbagi dalam dua kelompok besar adalah : Karakteristik Statis yang dipresentasikan oleh tingkat presisi dan akurasi. Sifat akurasi ditentukan oleh sensitivitas, range (jangkauan), non linieritas, hysteresis. Karakteristik dynamis : Karakteristik ini di definisikan oleh time constant, damping coefisien dan frekuensi natural. 2.2. Karakteristik Statis Karakteristik Statis adalah suatu alat ukur (instrumentasi) adalah karakteristik apabila alat ukur digunakan untuk mengukur suatu kondisi yang tidak berubah karena waktu atau hanya berubah secara lambat. 2.3. Karakteristik Dynamis Karakteristik Dynamis suatu alat ukur adalah fungsi waktu. Hubungan masukkan keluaran dinyatakan dalam bentuk persamaan diferensial karakteristik utama adalah kecepatan dalam tanggapan kecermatan kecepatan tanggapan (respon adalah

5

kecepatan alat ukur dalam memberi tanggapan terhadap perubahan kuantitas yang diukur). Kecermatan adalah tingkat yang memberi gambar apakah alat ukur tanpa kesalahan dinamis adalah perbedaan antara kuantitas nilai sebenarnya yang berubah menurut waktu terhadap nilai yang ditunjukkan alat ukur jika di asumsikan tidak ada kesalahan statis. Model matematis yang berkaitan dengan masukkan dan keluaran pada karakteristik dinamis adalah sebagai berikut.

an

de d n1eo d n eo a   ...a1 o  ao eo n 1 n n 1 dt dt dt

= bm

de dm d m 1  e b e  ...b1 i  bo ei m 1 m i m 1 i dt dt dt

Dimana eo = Keluaran ei = Masukkan a dan b adalah tetapan-tetapan yang berkaitan dengan kombinasi parameterparameter

fisik

system.

Persamaan

matematis

diatas

dapat

diselesaikan

menggunakan operator D atau transformasi Laplace. Marilah kita definisikan operator diferensial sebagai berikut.

D

d dt

Persamaan umum menjadi :

(an D n  a n1 D n1  ...a1 D  ao )eo = (bmD m  bm 1 D m 1  ...b1 D  bo )ei Dengan mengunakan metoda operator D penyelesaian eo secara lengkap diperoleh dua bagian.

e o  e OCF  e opi

eOCF  bagian penyelesaian fungsi pelengkap e opi  bagian penyelesaian integral tertentu Penyelesaian eOCF mempunyai n tetapan sembarang, e opi tidak memiliki tetapan, tetapan sembarang ini dapat dievaluasi secara numerik dengan menentukan kondisi awal pada persamaan umum. Penyelesaian eOEF diperoleh dengan menghitung n akar persamaan al-jabar karakteristik.

6

a o Dn n  a n 1 D n 1  ...a1 D  a o  0 Bila akar r1,r2,r3….Rn telah diperoleh maka penyelesaian pelengkap dapat ditulis sesuai aturan jawaban persamaan diferensial . Bagian penyelesaian integral tertentu dapat dikerjakan menggunakan metoda kooefisien tak ditetapkan sehingga diperoleh penyelesaiannya.

eopi  Af (t )  Bf ' (t )  Cf " (t )  ......

eo

ei

K

Gambar 2.1 Hubungan Input-Output

eo bmD m  bm1 D m 1  ...b1 D  bo K ( D)  ei a n D n  an1 D n1  ...a1 D  ao Pernyataan diatas menunjukkan perbandingan keluaran dan masukkan dinyatakan dengan fungsi transfer. Fungsi transfer sangat berguna dalam menggambarkan karakteristik dinamis sistem dengan symbol yaitu menggunakan diagram blok misalkan suatu system terdiri dari 4 subsatuan yang mempunyai transfer K1,K2,K3, dan K4. seluruh fungsi transfer dari sistem adalah :

eo  K1  K 2  K 3  K 4  K 5 ei ei K1

K2

K3

K4 eo

eo  K 5 ei Gambar 2.2 Fungsi Transfer Keseluruhan

7

eo  ei  K 5 Fungsi transfer menggunakan transformasi laplace.

eo b S m  bm1 S m 1  ...b1S  bo (s)  m n ei a n S  a n1 S n1  ...ai S  ao fungsi transfer menggunakan sinusioda dengan frekuensi anguler () menggunakan

e j eo bm ( j ) m  bm1 ( j ) m1  ...bi ( j )  bo  ei an ( j ) n  a n1 ( j ) n1  ...ai ( j )  ao Instrumen Orde Nol Semua instrument yang menghasilkan konstanta a dan b sama dengan nol kecuali ao dan bo sehingga persamaan umum karakteristik sebagai berikut:

eo bo  ei ao ao eo  bo ei

eo 

bo ei ao

dimana K 

bo  kepekaan statis ao

eo  Kei alat ukur (instrumen urutan nol orde nol jika masukan berubah terhadap waktu maka keluaran mengikuti secara sempurna tanpa penyimpangan atau kesenjangan waktu. Instrumen orde nol memperlihatkan penampilan dinamis yang ideal.

E

E

e

R1

Gambar 2.3 e R R2 sistem orde nol Potensio meter menggambarkan Resistansi R1

8

Persamaan potensio meter diatas mempunyai hubungan output – input sebagai berikut

e

e Ro  E Ri

Ro E R1

e  KE Instrumen orde pertama Model matematik dari model pertama

ai

deo  ao eo  bo ei dt

persamaan diatas dapat disederhanakan manjadi

b ai deo .  eo  o ei ao ao dt misal

ai  T = Tetapan waktu ao bo  K = Tetapan statis ao menggunakan operator D

(TDeo  eo )  Kei (TD  1)eo  Kei T

eo K  ei Td  1

Tanggapan tangga (Step Response) untuk system orde pertama

e1 E

t=0

Gambar 2.4

t

Fungsi tangga

e1 = 0 untuk t = 0

9

e2 = E untuk t  0 Untuk transformasi Laplace

E1 (s )  T

E S

deo  eo  Ke1 dt

T sEo(s) + Eo(s) = K (T s + 1)Eo(s) = K Eo (s) =

E (s ) s

E ( s) s

K .E ( s) s(Ts  1) K KT    E(s)  s Ts  1

Eo(s) = 

  1 1  KE(s) =   1 s  s  T  Transormasi inverse Laplace menghasilkan

eo ...  ( 1 – e -t / T ) Kei dapat digambarkan proses system orde pertama terhadap masukkan fungsi step adalah sebagai berikut: Xo

Amplitudo

Step Input

Output ke1 0,632

Kx

Gambar 2.5

t Response System orde pertama jika diberi masukkan step

Respon system orde terhadap masukkan Ramp Masukkan ramp mempunyai persamaan :

ei  mt → Ei ( s )  L mt Ei ( s ) 

m s2

10

sehingga persamaan matematik siatem dengan input ramp menjadi :

E (s) 

K m . 2 (Ts  1) s

  1 T T = Km  2   1 s s   s T   eo (t) = Km (t – T + T e -t/T) untuk t  0 Error ( kesalahan ) dynamic antara input dan output adalah :

 (t) = kmt – xo (t) = Kmt – Km (t – T +T e-t/T ) =Km (1 – e-t/T ) Untuk t =  maka error yang terjadi adalah ss = KmT sehingga dapat digambarkan sebagai berikut eo Ramp Input mt

outputt Steady state

Amplitudo ss = KmT

Gambar 2. 6 Rspons system orde pertama jika diberi masukkan ramp t

11

MODUL IV SISTEM INSTRUMENTASI ORDE 2

Tujuan Instruksional Umum : Menjelaskan persamaan matematis system orde dua Tujuan Instruksi Khusus : a. Dapat memahami response dari system orde 2 b. Dapat memahami system orde 2 dengan input rampt

Buku Rujukan 1. Rangan Sarma

: Instrumentasi Devices And Sistem

2. W. Bolton

: Mechatronic

3. William D.Cooper

: Electronic Instrumentasi And Measurement Techniques

Sistem orde dua memenuhi persaman matematis sebagai berikut :

a2

de d 2eo  a1 o  ao eo  bo e1 2 dt dt

dengan menggunakan transformasi laplace akan diperoleh :

a2 s 2eo ( s )  a1seo (s )  ao eo ( s )  bo ei ( s ) (a2 s 2  a1s  ao )eo ( s )  boei ( s ) semua dibagi dengan ao

(

a2 2 a1 b s  s  1)eo ( s)  o e i (s ) ao ao ao

Jika dimisalkan 1.

bo K ao

2.  n 

ao a2 1   2 a2 ao  n

12

3.  

a1 2 ao a2

Dari persamaan 2 dan 3 didapat

a1  2 n ao Sehingga

(

s2

n 2

 2 n s  1)eo (s )  Kei ( s )

eo  2 s Kei (s)

n 2 eo (s)  2 s ei

n 2





1 2

n

K 2

n

s 1

s 1

contoh system orde 2 pada system yang mengandung pegas, gesekkan dan percepatan

m

dx d2x  b  kx  f (t ) 2 dt dt

masukkan berupa fungsi step untuk system orde 2 :

Es

t

Gambar 4.1

ei (t )  0

Untuk t  0

ei (t )  Es

Untuk t  0

L ei (t) =

Es s

13

Dengan memasukkan ke fungsi transfer system orde 2 dengan masukkan step didapat :

eo ( s) 1  2 E s 2 K s  s 1 2 s n n 2

eo ( s ) n  2 KE s s ( s  2 n s   n ada tiga kemungkinan response dari system orde 2 untuk masukkan berupa step input tergantung dari harga  antara lain : a. Untuk   1 (Overdamped) Dengan menggunakan transformasi balik (inverse transformasi laplace) akan didapat

   2 1 eo (t )   exp(    2  1) nt KE s 2  1 

   2 1 exp(    2  1)n t  1 2  1

b. Untuk  = 1 ( critically damped) Persamaan menjadi 2

eo ( s ) n  2 KE s s ( s  2 n s   n

n 2  s( s  n ) 2 

A B c   2 s ( s  n ) ( s  n )

sehingga

 n 2  A(s  n ) 2  B.s  Cs (s  n ) untuk s =   n

Didapat B =   n

14

diferensiasi dari * 0 = 2 A (s +n) + B + C ((s + n)+ s))………..(**) Untuk

s = -n 0 = B + C (-n) 0 = -n – C -n C = -1

Diferensiasi dari ** 0 = 2 A + C(2) A = -C = 1 Sehingga persamaan menjadi

eo ( s ) 1 (n ) 1    2 KE s s ( s  n ) (s  n ) dan

eo (t )  1  nte nt  e nt KE s eo (t )  1  (1  nt ) exp( nt ) KE s sedang kemungkinan ke tiga adalah   1 (under damped) didapat hasil

eo exp(  n t ) sin(( 1   nt )   ) (t )  1  KE s 1  2 dimana

  inv sin 1   2 Respon dari system orde 2 terhadap masukkan step dapat digambarkan sebagai berikut :

15

1,5

STEP INPUT

eo KEs

 = 0,1

 = 0,7

1,0  = 1,0  = 1,5  = 3,0

0,5 1

2

3

4

5

xt

Gambar 4.2 System orde 2 dengan input rampt : Input rampt ei (t) = mt Ei(s) =

m s2

Solusi dari persamaan orde input rampt a.   1

  eo 2 2 2 2  1 2  t    (t )  ( Kmt  ) exp(  nt )(cosh nt  2  1  sinh 1 )  n KEi n n 2  2  1   b.  =1

 eo 2 2  t (t )  ( Kmt  ) exp( nt )(1  n  2  KEi n n  c.   1

  2 exp( nt ) eo (t )  ( Kmt  ) sin(n t 1      n KEi n 1   2   dimana

2 1   2   invtg 2 2  1

16

Response dari system orde 2 untuk masukkan berbentuk rampt dapat digambarkan sebagai

 = 0,4 3

0,6

2

0,8

eo KEi

1,0

1

1,5

Gambar 4.3

1

2

3

4

5

nt

17

MODUL V SISTEM INSTRUMENTASI TRANSDUCER

5.1 Definisi dan pengelompokkan Transducer Transducer adalah suatu peralatan / alat yang dapat mengubah suatu besaran ke besaran lain. Dilihat dari pengubahan suatu besaran menjadi tegangan atau arus listrik terdapat dua kelompok transducer yakni : Tranducer fasif yakni transducer yang mengubah besaran menjadi tegangan atau arus listrik memerlukan sumber dari luar. Contoh : Mengubah level

(tinggi)

fluida menjadi tegangan arus listrik

menggunkan

transducer kapasitor.

Terminal kapasitor

Tinggi cairan

Gambar 5.1 kapasitor yang kesambung tangki Perubahan medium kapasitor dapat mengakibatkan harga kapasitansi dari kapasitor . Untuk kapasitor tabung berlaku persamaan

C

2 o KeL R Ln 2 R1

dimana c = kapasitansi (Farad) Ke= Konstanta dielektrik medium L = tinggi kapasitor o= permebilitas listrik udara/ vacuum

18

untuk mengubah besaran kapasitansi menjadi tegangan listrik memerlukan sumbe rdari luar.

Xc 

1 c

Vc 

R

Ac

C

 jXc RjXc

Vc

Gambar 5.2 Dihitung dalam bentuk phasor Contoh lain transformer Pasif Transducer perpindahan menggunakan resistansi terubah

Sa pu

P erpindahan

E o

E

i

Gambar 5.3

 A R  Resistansi ()   Panjang (m) R

A  Luas (m 2 )   Re sis tan si bahan (m) harga resistansi berbanding lurus dengan l sehingga jika panjang resistor perubah maka resistansinya berubah. Denganmemberi sumber dari luar maka akan didapatkan perpindahan berbanding lurus dengan tegangan keluaran.

19

Rw .Ei Rt EO  tegangan keluaran

EO 

E i  tegangan masukkan Rw  Resistansi antara sapu dan termin al Rt  Re sis tan si total 2. Transducer jenis pembangkit sendiri (Self generating type) Adalah transducer yang menghasilkan suatu tegangan atau arus analog bila diransang oleh suatu bentuk fisis enrgi tertentu, transducer pembangkit sendiri tidak memerlukan daya luar. Contoh :

Anoda Katoda

Cahaya

A

V

b. Rangkaian uji

a. Kontruksi

Gambar 5.4 Dapat digambarkan karakteristik dari fotolistrik sebagai berikut:

Fluks =0,1 lumen Arus anoda

A

20

0,8

15

0,6 0,4

10

0,4 5 80 v

160 v

Tegangan anoda

Gambar 5.5

20

Perhatikan bahwa untuk tegangan diatas 20 volt arus keluaran hampir tidak bergantung pada tegangan yang diberikan tetapi tergantung dari intensitas cahaya yang masuk melalui tabung, arus keluaran

biasanya

dalam orde mikrometer

dengan demikian tabung cahaya dihubungkan ke penguat arus guna menghasilkan suatu keluaran yang bermanfaat, transduser ini dapat mengubah intensitas cahaya menjadi arus listrik. Arus listrik yang terjadi berbanding lurus dengan intensitas cahaya yang masuk. Alat pengubah intensitas cahaya menjadi arus listrik tanpa sumber dari luar . Contoh lain transducer pembangkit energi sendiri : Tachogenerator Mengubah kecepatan putar atau kecepatan fluida menjadi ggl induksi (tegangan listrik) Prinsip kerjanya sebagai berikut:

N

S

Magnet permanent

Rotating coil Gambar 5.6 Menurut prinsip Faraday Jika penghantar mendapat fluks magnet yang tidak konstan akan menghasilkan ggl induksi sebesar

d dt e  ggl induksi N  Jumlah lilitan d  Perubahan fluks magnet terhadap waktu dt   d d   B.ds dt dt e N

[fluks magnet ] yang dihasilakan dari magnet permanent berharga kostan tetapi karena lilitan

diputar pada medan magnet maka lilitan penghantar (kumparan

penghantar) akan mendapat fluks yang berubah sesuai dengan posisi penghantar.

21

 Maximum

Fluks maksimum Gambar 5.7. (a) Penghantar mendapat fluks maximum (b)gambar penghantar mendapat fluks sama dengan nol.

t

jika penghantar membentuk sudut t mendapat    m sin t Gambar 5.8 Dari persamaan di atas t= sudut yang ditempuh oleh penghantar yang berputar dan  adalah kecepatan sudut. Dengan mensubstitusikan ke persamaan Maxwell didapat

d ( m sin t ) dt e  N m cos t e N

dimana merupakan fungsi dari banyaknya putaran

permenit sehingga secara

keluruhan hubungan antara tegangan keluaran dengan rotasi permenit mempunyai hubungan :

22

E  cn E  tegangan keluaran c  konstanta   fluks magnet n  rotasi permenit

23

MODUL VI INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA OP-AMP Tujuan Instruksional Umum 

Agar mahasiswa dapat memahami tentang Op-amp

Tujuan Instruksional Khusus 

Dapat menerangkan tentang sifat-sifat ideal Op-amp



Dapat menerangkan penguat menggunakan Op-amp

Buku Rujukan 

Rangan Sarma

: Instrumentasi Devices And Sistem



W. Bolton

: Mechatronic



William D.Cooper

: Electronic Instrumentasi And Measurement Techniques

6.1. Pendahuluan Penguat operasional atau op-amp (dari kata operational amplifier) adalah penguat diferensial dengan dua masukan dan satu keluaran yang mempunyai penguatan tegangan yang amat tinggi, yaitu dalam orde 105. dengan penguatan yang amat tinggi ini, penguat operasional dengan rangkaian balikan lebih banyak digunakan daripada dalam lingkar terbuka. Pada masa kini op-amp dibuat dalam bentuk rangkaian terpadu atau IC (Integrated Circuit), dimana dalam satu potong kristal silicon dengan luas kurang dari 1 mm2 terkadang rangkaian penguat lengkap terdiri dari banyak transistor, dioda, resistor, dan kadang-kadang kapasitor. Kini kita dapat membeli suatu IC yang dalam satu potongan kristal mengandung empat buah op-amp sekaligus. Pemakaian op-amp amatlah luas meliputi bidang elektronika audio, pengatur tegangan dc, tapis aktif, penyearah presisi, pengubah analog ke digital dan pengubah digital ke analog, pengolah isyarat seperti cupliktahan , penguat pengunci, pengintegral, kendali otomatik, computer analog, elektronik nuklir, dan lain-lain. 6.2. Sifat-sifat ideal op-amp Op-amp biasanya dilakukan dengan gambar 6.1

24

Gambar 6.1 Tampak ada dua masukan, yaitu masukan pembalik (inv) dan masukan tak membalik (non inv). Masukan diberi tanda minus dan masukan tidak membalik diberi tanda (+). Jika isyarat masukan dihubungkan dengan masukan membalik, maka pada daersh frekuensi tangah isyarat keluaran berlawanan fasa atau berlawanan tanda dengan isyarat masukan. Sebaliknya jika isyarat masukan dihubungkan dengan masukan tak membalik maka isyarat keluaran sefasa atau mempunyai tanda yang sama dengan isyarat masukan. Pada umumnya op-amp menghasilkan tegangan keluaran yang sebanding dengan beda tegangan isyarat antara kedua masukannya. Op-amp semacam ini dikenal sebagai op-amp biasa. Disamping op-amp biasa ada pula op-amp yang menghasilkan tegangan isyarat keluaran yang sebanding dengan beda arus masukan. Op-amp semacam ini dikenal sebagai op-amp Norton. Satu contoh op-amp Norton adalah IC LM 3900 buatan National semikonduktor. Satu macam ini adalah op-amp yang menghasilkan arus keluaran yang sebanding dengan beda tegangan isyarat antara kedua masukannya. Op-amp semacam ini disebut penguat transkonduktansi operational (Operational Transconcuctance Amplifier-OTA). Satu contoh OTA adalah IC 3080 buatan RCA. Pada bahasan ini hanya sebatas op-amp biasa. Beberapa ideal sifat op-amp adalah: a. Penguat lingkar terbuka tak berhingga atau Av,ib = b. Hambatan keluaran lingkar terbuka adalah nol, atau Ro, ib = 0 c. Hambatan masukan lingkar terbuka tak berhingga atau Ri,ib =  d. Lebar pita tak berhingga, atau f = f2 – f1 =  e. Nisbah penolakan bersama (CMMR) =  Marilah kita tinjau op-amp yang popular digunakan yang dikenal dengan IC 741. pada mula IC 741 dibuat oleh Fairchild Semiconductor dan bernama A 741. Akan

25

tetapi oleh karena amat popular hamper semua perusahaan membuatnya. Untuk 741 kita mempunyai data sebagai berikut Ri,lb = 2 M, CMMR = 90 dB, Av,lb = 2000009 pada frekuensi rendah), Ro,lb = 75, lebar pita untuk penguatan =1 adalah 1 MHz.

6.3. Penguat Menggunakan Op-amp Jika kita menggunakan op-amp untuk penguat dengan penguatan yang tidak terlalu besar, kita harus memasang balikan negative. Ini dilakukan dengan memasang resistor antara keluaran dengan masukan membalik. Oleh karena penguatan tanpa balikan (lingkar terbuka) amat besar maka penguatan lingkar tertutup (dengan balikan) boleh dikata hanya bergantung pada rangkaian balikan saja, dan tak bergantung pada nilai komponen yang digunakan dalam op-amp IC itu sendiri. Ini tak berlaku pada frekuensi tinggi. Ada tiga macam penguatan yaitu penguat pembalik, penguat tak membalik dan penguat jumlah. Penguat pembalik Penguat pembalik sumber isyarat dihubungkan dengan masukan membalik seperti pada gambar 6.2

Gambar 6.2 Penguat pembalik Kita membahas penguatan lingkar tertutup (Av,lb) dengan pengertian balikan. Akan tetapi disini akan ditempuh jalan lain lebih praktis pada gambar 6.3 pastikan bahwa

Gambar 6.3 Arus isyarat pada penguat pembalik

26

vo = Av,lb Vab sedangkan Co = Av,it vi Tegangan puncak-puncak isyarat keluaran tak melebihi 2 Vcc, sebab bila ini terjadi isyarat keluaran akan tergunting, akibatnya Vab 

vo  0 , elah karena itu penguatan Av ,lb

lingkar terbuka tampak Vab  0 atau va  vb, akan tetapi antara a dan b ada hambatan masukan Ri yang amat besar, dalam keadaan ini dikatakan titik a dan b keadaan hubungan singkat maya Selanjutnya oleh karena titik b dihubungkan dengan tanah, titik a dikatakan berada pada tanah maya. Adanya hambatan masukan Ri yang amat besar antara masukan membalik dan tak membalik mengakibatkan arus yang mengalir kedalam masukan membalik dan tak membalik amatilah kecil. Arus isyarat pada penguat membalik ditunjukkan pad gambar 6.4

Gambar 6.4 Menentukan hambatan masukan penguat pembalik Perhatikan bahwa titik a ada pada tanah maya, sehingga Va = 0. Nyatakanlah vi – va = ii Ri akan tetapi Va = 0, sehingga vi = ii R1 dan Rin 

vi  R1 , Hambatan ii

keluaran amatlah kecil yaitu

A  Ro,lt  ( Ro ,lb ) v ,lt   Av ,lb  oleh karena titik a dan b ada dalam keadaan hubung singkat maya dan b pada tanah, maka titik a ada pada tanah maya. Tegangan isyarat pada titik a mendekati nol, akan tetapi titik terpisah dari tanah oleh hambatan masukan Rid yang amat besar. Oleh karena adanya hambatan dalam antara masukan membalik dan membalik amat besar maka i2  0 sehingga i1  i3 .

27

kedua hal ini yaitu kedua masukan op-amp ada dalam hubung singkat maya dan bahwa arus isyarat yang masuk dalam op-amp amat kecil sehingga dapat diabaikan, merupakan dasar berfikir terhadap cara kerja op-amp. Marilah kita kembali kepada penguat pembalik dari gambar 6.3 kita peroleh :

vi  ii Ri  v a va  vb  0 i1  i3 v a  v c  i3 R 2 vc  vo dari hubungan diatas kita peroleh vi = ii Ri dan vo = - i3 R2 = i1 R2 sehingga :

Av ,lt 

vo i R  R2  1 2  vi i1 R1 R1

contoh 6.1 misalkan kita mempunyai rangkaian penguat pembalik seperti pada gambar 6.5

Gambar 6.5 Rangkaian untuk contoh soal Hitunglah tegangan isyarat keluaran jika dihubungkan dengan sumber isyarat tegangan keluaran terbuka 100 m Vpp dan hambatan keluaran 5 K Jawab :

vo  R2 120 K    12 vi R1 10 K atau vo = - 12 vi akan tetapi vi 

Rin,lt R1 vs  vs Rs  Rin ,lt Rs  R1

sehingga

 10 K  v s   8vs   800mVpp vo   12vi  12   10 K  5 K 

28

dapatlah disimpulkan bahwa

vo  R2  v s R1  Rs penguat tak membalik

Gambar 6.6 Penguatan tak membalik Op-amp dapat dipasang untuk membentuk penguat tak membalik seperti pada gambar. Perhatikan bahwa pada penguat tak membalik isyarat dihubungkan dengan masukan tak membalik (+) pada Op-amp. Balikan melalui R2 dan R1 tetap dipasang pada masukan membalik agar membentuk balikan negative. Penguat tak membalik dilukiskan seperti gambar 6.6 dibawah ini

Gambar 6.7 Marilah kita tinjau lingkar tertutup penguat tak membalik dengan anggapan bahwa lingkar terbuka Av,lb = . Perhatikan gambar oleh karena masukan membalik dan tak membalik berada pada keadaan hubung singkat maya maka Vb = Vi. Akan tetapi Vb 

R1 R1 va  vo R1  R2 R1  R2

Nyatakanlah penguatan lingkar tertutup untuk penguat tak membalik adalah

 R  Av ,lt  1 2   R1 

29

Hambatan masukan penguat tak membalik amat tinggi karena isyarat masukan berhubungan langsung dengan masukan tak membalik secara teori

A Ri ,lt  Ri , dif  Ri ,lb  v ,lb  Av ,lt

   

yang mempunyai nilai amat besar (6.4) Hambatan keluaran Ro mempunyai nilai amat rendah. Kita dapat membuat suatu bentuk khusus penguat tak membalik dengan membuat agar R1 =  dan R2 = 0 lihat gambar 6.8

Gambar 6.8 Penguat tegangan Oleh karena kedua masukan ada dalam keadaan hubung singkat maya maka vo = vi atau penguatan lingkar tertutup sama dengan satu. Penguatan dalam bentuk ini disebut pengikut tegangan, mengikuti nama pengikut emitor pada penguat transistor diskret. Pengikut tegangan mempunyai penguatan sama dengan satu, impedansi masukan amat tinggi, dan keluaran amat kecil. Jadi pengikut tegangan berfungsi sebagai penyangga dengan penguatan sama dengan astu. Penguat jumlah Agar pengertian tanah maya menjadi lebih jelas lagi, kita bahas penguat jumlah dengan rangkaian seperti pada gambar 6.9. oleh karena masukan membalik (-) ada dalam keadaan hubung singkat maya dengan tak membalik (+), sedang masukan tak membalik berhubungan dengan tanah, maka membalik berada pada tanah maya.

R1 i1 R2 R1 i2 i3

i

+

Gambar 6.9 Rangkaian penguat jumlah

30

Dari gambar 6.9 terlihat arus i1 dari masukan v1 terus menuju titik a dan tak akan masuk R2 dan R3. Begitu juga halnya dengan arus i2 dan v2, dan arus I3 dari masukan v3. Jadi arus dari ketiga masukan ini tak saling mengganggu. Jumlah ketiga arus masukan ini seolah-olah diteruskan ke R4oleh karena ia  0 sehingga va – vo = i R4 = ( i1 + i2 + i3 ) R4 Oleh karena va = 0 tanah maya maka vo = -i R4 = - ( i1 + i2 + i3 ) R4

i1 

v1  va v1  R1 R1

i2 

v2  v a v2  R1 R2

i3  

v3  va v3  R3 R3

Persamaan diatas menjadi

v v v  vo    1  2  3  R4  R1 R2 R 3  R  R R vo    4 v1  4 v2  4 v3  R3  R2  R1 Penguat jumlah ini sering digunakan untuk menjumlahkan atau mencampur berapa isyarat suara tanpa saling mengganggu. Alat semacam ini dikenal sebagai audio yang digunakan untuk mencampur isyarat musik dari instrument dan suara penyanyi melalui mikropon.

31

MODUL VI INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA SIFAT DAN BESARAN OP-AMP Tujuan intruksional umum Agar mahasiswa dapat memahami sifa tdan besaran Op-amp Tinjauan Instruksional khusus 1. Dapat menerangkan tentang ofset tegangan keluaran 2. Dapat menerangkan tentang tanggapan amplitude 3. Dapat menerangkan impedansi keluaran dan masukan Buku Rujukan : a. Rangan Sarma

Instrumentation Devices and Sistem

b. W. Bolton

Mechatronic

c. William D. Cooper

Electronic Instrumentation and Measurement Technique

Beberapa sifat dan besaran dasar op-amp dalam pembahasan ini kita akan membahas beberapa sifat lain dari op-amp misalnya arus panjar masukan, offset masukan dan keluaran, laju belok dan tanggapan frekuensi. 7.1 Ofset tegangan keluaran Offset pada tegangan keluaran atau disingkat offset keluaran (Vo,of), menyatakan tegangan dc pada keluaran op-amp jika op-amp dalam keadaan lingkar tertutup tidak diberi isyarat masukan (vi = 0 ) Suatu op-amp yang ideal ialah apabila tidak ada isyarat masukan maka tegangan dc pada keluaran sama dengan nol, jika op-amp bekerja dengan catu daya dwikutub(+Vcc dan –Vcc), jika tanpa isyarat masukan tegangan dc pada keluaran tak sama dengan nol dikatakan op-amp mempunyai ofset pada tegangan keluaran. adanya ofset membatasi kemampuan penguat untuk menghasilkan isyarat keluaran yang besar tanpa cacat. Agar lebih jelas perhatikan gambar 7.1

32

Vo  Voo  Vos

Gambar 7.1 Penguat tak membalik dengan catu daya simetrik Bila tidak ada ofset pada tegangan keluaran kita akan mampu memperoleh isyarat keluaran dengan nilai puncak mendekati Vcc seperti dilukiskan pada gambar 7.2 a

Gambar 7.2 Pengaruh ofset pada isyarat keluaran (a) tanpa ofset Voo; (b) dengan ofset Voo. Jika ada ofset, isyarat keluaran akan menumpang di atas tegangan ofset sehingga

Vopmaks  Vcc  Vo,of

Penyebab terjadinya ofset pada tegangan keluaran ada

bermacam-macam. Di antaranya ialah karena kedua bagian penguat difrensial pada masukan tidak tepat sama. Sehubungan dengan ini orang mendefenisikan ofset tegangan masukan Vi,of sebagai tegangan maksimum yang diperlukan pada op-amp dengan rangkaian terbuka agar tak ada ofset pada tegangan keluaran. Sebab lain adalah arus panjar masukan pada basis kedua transistor penguat difrensial dalam melihat hambatan yang berbeda pada masukan membalik dan tak membalik seperti pada gambar 7.3 a.

ib1

ib1

ib 2

ib 2

vo

vo R3  R1 // R 2

Gambar 7.3 Pengaruh arus masukan

33

dilihat dari titik a resistor R1 dan R2 tampak paralel, sehingga jika pada masukan tak membalik (+) kita beri hambatan R3 dengan R3=R1//R2, maka kedua masukan akan melihat hambatan yang kurang lebih sama, sehingga ofset tegangan keluaran oleh arus panjar

masukan berkurang. Kedua arus panjar masukan, yaitu IB1 dan IB2

tidaklah sama besar. Selisih kedua arus panjar masukan ini disebut ofset arus panjar, yang dinyatakan sebagai

I io  I B1  I B 2  . Ofset arus panjar ini akan

mengakibatkan tegangan keluaran Vo ,of  R2 I io . Hubungan ini menyatakan bahwa besar nilai hambatan R2 dibatasi oleh ofset pada arus masukan. Sebagai contoh ofset masukan Iio untuk 741 mempunyai nilai antara 12 nA hingga 500 nA. Jika untuk penguat pada gambar kita gunakan R2 = 10 M kita dapat memproleh ofset tegangan keluaran

Vo,of  I io R2  5 Volt . Besar arus panjar masukan dan ofset pada arus masukan amat penting pada penguat intrumentasi, pada pengintegral dan cuplik pada tanah.

Gambar 7.4 Potensiometer Rv digunakan untuk meniadakan ofset pada keluarannya Adanya ofset pada keluaran dapat diatasi dengan berbagai cara . bebarapa jenis op-amp mempunyai kaki-kaki untuk membuat agar ofset keluaran menjadi nol. Kedua kaki ini disebut kaki pelenyap ofset. Pada penguat 741 pelenyap rangkaian ofset dipasang anatara kaki nomor 1 dan 5 seperti pada gambar. 7.4 Untuk op-amp yang tak mempunyai pengaturan ofset di dalamnya dapat digunakan rangkaian seperti pada gambar 7.5

34

Gambar 7.5 Pengaturan ofset keluaran (a) Penguat pembalik (b) Penguat tak membalik Tanggapan Amplitudo

Pada umumnya op-amp mempunyai beberapa tahap penguatan di dalamnya dengan menggunakan gandengan dc. Akibatnya op-amp tak punya kutub di daerah frekuensi rendah dan mempunyai lebih dari dua kutub pada daerah frekuensi tinggi. Agar

op-amp

dapat diberi berbagai nilai factor balikan tanpa mengakibatkan

ketidakmantapan (osilasi), maka op-amp harus menggunakan kompensasi frekuensi . pada beberapa macam op-amp seperti misalnya 741, LM 324, RC 4739 dan XR 4196 kompensasi frekuensi sudah dipasang dalam IC . Op-amp tersebut dikatakan mempunyai kompensasi dalam . Pada beberapa macam IC yang lain kita harus menambahkan kapasitor dan frekwensi. Op-amp

resistor pada kaki-kaki tertentu untuk kompensasi

ini dikatakan mempunyai kompensasi luar. Beberapa contoh

kompensasi luar adalah 748, 709, LM 301, LM 308, dan LF357. Tanggapan amplitudo op-amp dengan kompensasi dalam seperti pada op-amp 741 dilukiskan pada gambar .7.6.

Av, gb dB 110 100 80

Kemiringian -6 dB/oktaf

60 40 20 0 1

10

100

1 K 10 K

1M

10 M

F(log)

Gambar 7.6 Tanggapan amplitudo 741

35

Misalkan kita ingin menentukan tangapan amplitude penguat lingkar tertutup sebesar AV. lt = 40 dB. Kita tarik garis ab pada AV = 40 dB. Bagan Bode untuk lingkar tertutup diberikan oleh garis patah abc, dan tanggapan frekwensinya dilukiskan dengan garis putus-putus (gambar 7.7). Dari gambar 7.7 tampak bahwa jika digunakan penyangga dengan penguatan satu (0 dB), 741 dapat mempunyai frekwensi potong atas 1 M Hz. Dengan kata lain dapat dikatakan, lebar pita pada penguatan satu kali adalah 1 MHz. Op-amp LM 357 misalnya mempunyai lebar pita pada penguatan satu kali sebesar 20 MHz. Av , gb dB 110 100 80

Tanggapan gelung terbuka

60 40

a

b

20 c

0 1

10

100

1K

10 K

1M

10 M

F(log)

Gambar 7.7 Tanggapan amplitudo lingkar untuk penguatan Av,lt= 40dB Untuk op-amp dengan kompensasi-luar tanggapan amplitudo lingkar terbuka bergantung pada rangkaian kompensasi yang dipasang. Op-amp 748 mempunyai rangkaian didalam IC yang tepat sama dengan 741, tetapi tanpa kompensasi kutub dominant pada transistor keluarannya. Pada 748 kapasitor untuk kompensasi harus dipasang diluar IC. Op-amp 709 menggunakan dua rangkaian kompensasi frekwensi yaitu kompensasi masukan dan kompensasi keluaran.

C k  30 pF C k  5 pF C k  2 pF

Gambar 7.8 Op-amp 748 beserta tanggapan amplitudonya; (a) diagram kaki beserta rangkaian untuk ofset; (b) tanggapan amplitudo.

36

Jika dipasang kapasitor kompensasi Ck = 30 pF, tampak tanggapan amplitudo turun dengan kemiringan -6 dB/oktaf dari penguatan lebih dari 100 dB hingga kira-kira -10 dB. Pada keadaan ini 748 dapat digunakan sebagai penyangga dengan penguatan satu kali. Untuk nilai kapasintasi Ck= 5 pF pada penguatan dibawah Av = 10 dB, tanggapan amplitude

turun dengan kemiringan lebih curam -6 dB/oktap. Pada

keadaan ini 748 tak dapat digunakan untuk penguatan lingkar tertutup kurang dari 10 dB, atau agar lebih pasti jangan digunakan untuk penguatan lebih dari 20 dB, atau 10 kali. Untuk Ck = 2 pF jangan gunakan 748 untuk penguatan kurang dari 40 dB atau 100 kali. Keuntungan op-amp dengan kompensasi luar ialah pada nilai penguatan tinggi kita dapat mempunyai frekuensi potong atas yang lebih tinggi dari op-amp kompensasi dalam. Laju belok Laju belok menyatakan sifat op-amp terhadap isyarat besar berupa isyarat persegi atau denyut, yaitu untuk perubahan tegangan yang mendadak. Laju belok dinyatakan dengan

v yang menyatakan berapa volt isyarat keluaran berubah dalam waktu 1 s

s , jik masukan diberi isyarat berbentuk tingkap. Op-amp untuk keperluan umum biasanya mempunyai laju belok sekitar 0,5

v , seperti 741 , 709 301 dan s

sebagainya. Op-amp LF 357 dengan lebar pita untuk penguatan satu sebesar 20 M Hz mempunyai laju belok 50

v v . Op-amp LH 0024 mempunyai laju belok 500 . s s

Untuk laju belok ayng lebih tinggi orang harus menggunakn op-amp hybrid yang merupakan campuran IC dan diskret. Pengaruh laju belok pada bentuk isyarat keluaran dilukiskan pada gambar 7.9 t

 V0

Gambar 7.9 Pengaruh laju belok pada bentuk isyarat keluaran

37

Pad gambar 7.9 diatas laju belok dapat ditentukan dari

vo . Laju belok disebabkan t

oelh pengisian dan pengosongan muatan kapsitor

kompensasi. Makin kecil

kapasitor kompensasi luar makin tinggi laju belok . Jika kita bekerja dengan op-amp kompensasi luar kita dapat mengatur nilai laju belok yang lebih tinggi dengan menggunkan

kapasitansi

yang

kecil,

dengan

kemantapan

balikan

yang

bersangkutan. Impedansi masukan dan keluaran Op-amp yang ideal mempunyai impedansi atu hambatan takberhingga dan hambatan keluaran nol .

op-amp IC yang paling popular yaitu 741 mempunyai

hambatan masukan kira-kira 1 M, dan hambatan keluaran 75 . Op-amp lain yang banyak digunakan yaitu 709. mempunyai hambatan masukan kira-kira 150 K, dan hambatan keluaran 200 . Op-amp IC LF 157 yang mempunyai tahap penguat difensial menggunakan JFET, mempunyai impedansi masukan 1012 . Impedansi masukan yang dinyatakan dalam lembaran data op-amp adalah untuk keadaan lingkar terbuka. Ada dua pengertian tentang impedansi masukan, yaitu masukan difrensial Rid Dan impedansi masukan modus bersama Ric keduan impedansi ini dilukiskan pada gambar 7.10

Ric

Rid

Ric

Gambar 7.10 Impedansi masukan Pada IC op-amp Untuk menentukan Ri penguat, kita pasang suatu sumber tegangan tetap vi, dan kita hitung arus yang ditarik ii, maka Ri 

vi ii

38

R2

Ric

R1

ii

id

Rid

Ric Vs

ic

Vs

Gambar 7.11 Impedansi masukan pada penguat tak membalik Dari gambar 7.11

ii  ic  id tetapi

ic 

vi Ric

id 

vab v dan vab  o Rid ,lb Av ,lb

sehingga id 

vo Rid ,lb Av ,lb

tetapi vo  Av,lt vi sehingga id 

Av ,lt vi Rid ,lb Av ,lb

dapat dituliskan id 

dengan Rid ,ef 

vi



Rid ,lb

Av ,lb Av ,lt

vi Rid ,ef

Av,lb Rid ,lb Av ,lt

oleh karena ii  ic  id

ii 

vi v  i Ric Rid ,ef

maka

1 ii v v   i  i Ri vi Ric Rid ,ef

atau

Ri  Rid ,ef // Ric dengan Rid ,ef 

Av,lb Rid ,lb Av ,lt

39

lembaran data op-amp biasanya menyatakan impedansi masukan difrensial. Jadi untuk 741 Rid  1 M dan untuk 709 adalah Rid  200 M impedansi masukan modus bersama Ric biasanya jasuh lebih besar daripada Rid(lingkar terbuka) yang mempunyai nilai hambatan tak terlalu besar, tetapi pada keadaan lingkar tertutup mempunyai nilai efektif yang besar. Sebagai contoh marilah kita bahas impedansi masukan penguat tak membalik seperti gambar 7.11 pada keadaan lingkar tertutup hambatan masukan penguat adalah

Ri  ( Rid ,ef  Ric // R2 // R1 ) // Ric  R id, ef // Ric

Rid ,ef adalah impedansi masukan difrensial dilihat dari difrensial a dan b, pada keadaan lingkar terbuka R id, ef  Rid ,lb . Nyata bahwa walaupun Rid ,lb mungkin mempunyai nilai tak terlalu besar , tetapi keadaan lingkar tertutup tampak mempunyai nilai efektif sebesar

Rid ,ef 

Av,lb Rid ,lb Av ,lt Rid ,ef  Ric sehingga

Pada op-amp dalam keadaan linkar tertutup mungkin

Rin  Rid , ef // Ric Impedansi keluaran R2

i2

vid

io

R1

Rid

ii Ric

ic

Vo ,b  Av, ohVid

Vs

Vs

Gambar 7.12 Menentukan Ro,lt Impedansi keluaran op-amp dalam keadaan lingkar tertutup dapat mempunyai nilai yang jauh lebih kecil daripada impedansi keluaran lingkar terbuka. Ini dapat kita tunjukkan dengan uraian sebagai berikut. Untuk menentukan impedansi keluaran kita pasang suatu sumber tegangan khayal vo, hingga arus io yang ditarik dari vo maka

Ro  voio dari gambar

40

io  i1  i2 i2 

vo R1  R2

i1 

vo,lb Av ,lb vid  Ro ,lb Ro ,lb

vid 



R1 vo vo  R R1  R2 1 2 R1

vo Av ,lt Av ,lb x

io 

Ro 

vo Av ,lt

Ro,lb

ii  vo



vo R1  R2

1 1 1   atau Av ,lt R1  R2 Ro,lt Ro ,lb Av ,lb

 A  Ro ,lt   Ro,lb v,lt  //( R1  R2 ) Av ,lb    A  Ro ,lt   Ro ,lb v ,lt  Av ,lb   karena Ro ,lb

Av ,lt  ( R1  R2 ) Av ,lb

41

MODUL VIII & IX INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA PENGGUNAAN OP-AMP UNTUK PENGUAT INSTRUMENTASI DAN PENGUAT LOG DAN ANTILOG Tujuan instruksional umum : Agar mahasiswa dapat memahami tentang penguat instrumentasi Tujuan instruksional khusus : Dapat menjelaskan tentang rangkaian penguat instrumentasi Dapat menjelaskan bagian- bagian rangkaian penguat instrumentasi Dapat menjelaskan penurunan rumus rangkaian instrumentasi Buku Rujukan : a. Rangan Sarma

Instrumentation Devices and Sistem

b. W. Bolton

Mechatronic

c. William D. Cooper

Electronic Instrumentation and Measurement Technique

8.1 Penguat instrumentasi Penguat instrumentasi adalah suatu penguat loop tertutup (closed loop) dengan masukan difrensial, dan penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi nisbah penolakan modus bersama (Common Mode Rejection Ratio –CMRR). Fungsi utama penguat instrumentasi adalah untuk memperkuat tegangan yang tepat berasal dari suatu sensor atau transducer secara akurat. Rangkaian ekuivalen

penguat

instrumentasi adalah seperti gambar 8.1

e1

Ri , dif

e2

Gambar 8.1 Rangkaian ekuivalen suatu penguat instrumentasi

42

Besaran RicM adalah hambatan atau impedansi atau impedansi masukan diferensial . eo,o adalah tegangan keluaran tanpa beban (terbuka) dan Ro adalah hambatan atau impedansi keluaran. Karena penguat instrumentasi adalah penguat loop terbuka. Maka tak perlu dipasang rangkaian umpan balik untuk menggunakannya seperti halnya penguat operasioanal (op-amp). Penguat instrumentasi yang bermutu tinggi dibuat dalam bentuk hybrid yaitu campuran IC dan komponen diskrit. Satu contoh penguat instrumentasi adalah penguat Burr-Brown 3620. spesifikasi penguat

ini

adalah sebagai berikut ; Drift rendah :  25 v/ c Bising rendah : 1 Vpp CMRR tinggi 100 dB Impedansi masukan tinggi : 300 M (difrensial) dan 1 G CM(common mode) Kisaran penguatan : 1 hingga 10.000 . Penguat instrumentasi dapat dibuat dengan menggunakan op-amp. Mutu penguat ini bergantung pada mutu op-amp yang digunakan yang menyangkut offset masukan., impedansi masukan, drift pada tegangan keluaran, CMRR, PSRR dan sebagainya. Disamping itu CMRR dan ketepatan penguatan op-amp amat bergantung kepada presisi dari komponen pasif yang digunakan . marilah kita bahas dua rangkaian penguat instrumentasi menggunakan op-amp. Rangkaian yang lazim digunakan orang untuk membuat panguat instrumentasi dengan op-amp adalah seperti pada gambar 8.2

Gambar 8.2 Suatu penguat instrumentasi Kita dapat bagi rangkaian diatas menjadi dua bagian yaitu bagian terdiri dari OA1 dan OA2 dan bagian II terdiri dari OA3 marialh kita bahas bagian II lebih dahulu bagian kita lukiskan lagi pada gambar 8.3

43

Gambar 8.3 Rangkaian penguat diferensial menggunakan op-amp Oleh karena hambatan masukan difrensial dari op-amp amat tinggi maka dapat dianggap I1=I4 =0 sehingga : Ia =I a’ dan Ib =Ib’ Dengan menggunakan hukum Kirchoff kita peroleh :

ea  Vo  ( R2  R6 ) I a eb  0  ( R5  R7 ) I b selanjutnya kita gunakan suatu sifat op-amp yang lain

yaitu bahwa masukan

inverting dan non inverting ada dalam keadaan hubung singkat virtual oleh sebab ini:

VO   I a R6  I b R7 dari ketiga persamaan ini kita peroleh ;

VO   I a R6  I b R7VO  VO  (1 

R7 R6 eb  (ea  VO ) R5  R7 R2  R6

R6 R7 R6 eb  )( ea ) R2 R5  R7 R2  R6

agar tegangan Vo sebanding dengan selisih tegangan isyarat masukan maka hasrus dibuat agar :

R7 R6 R R atau 5  2  R5  R7 R2  R6 R7 R6 sebaiknya digunakan R5 =R2 dan R7 = R6 maka :

VO  (1 

R6 R6 ) eb  ea ) R2 R2  R6

44

VO  

R6 (ea  eb ) R2

jadi

Av , dif 

VO R  6 ea  eb R2

Penguatan common mode dapat kita peroleh bila kita gunakan

eb  ea  eCM seperti gambar 8.4

R6

-

R2

+ R5 R7

Vo

Gambar 8.4 Penguat difrensial dengan menggunakan common mode. Persamaan menjadi

VO  (1 

R6 R7 R6  )( )eCM ………………………………………(8.5) R2 R5  R7 R2  R6

seperti telah digunakan diatas jika digunakan R7=R6 dan R5=R2 kita peroleh penguat difrensial akan tetapi dalam prakteknya tidak mungkin membuat dua hambatan tepat sama. Resistor yang dijual ditoko mempunyai toelransi minimum 1 %. Misalkan

R7 R6     1 R5  R7 R2  R6

Maka VO  (1 

Av ,CM 

R6 )eCM R2

VO R  (1  6 ) eCM R2

dari persamaan diatas kita peroleh common mode Rejection ratio.

CMRR 

Av , dif Av ,CM

CMRR  (



R6 R2 1 ( ) R2 R2  R6 

R6 1 ) R2  R6 

tampak bila   1%  0.01 dan R2  R6 maka CMRR =60=30 dB

45

jadi agar diperoleh CMRR yang tinggi diperlukan komponen dengan presisi yang tinggi pula . Marilah kita kembali kepada gambar 8.2 dan kita lukiskan bagian I

V PQ

Gambar 8.5 Bagian I rangkaian pada gambar 8.2 Oleh karena masukan inverting dan non inverting pada op-amp ada pada keadaan hubung singkat virtual, maka tegangan pada titik A = ea dan pada titik B = eb. disamping itu karena hambatan masukan difrensial pada op-amp mempunyai harga sangat besar maka arus I 1= I2 = 0 akibatnya:

VPQ  VP  VQ  I ( R1  R3  R4 ) akan tetapi V A  VB  ea  eb  IR3 sehingga I 

ea  eb R3

sehinggs V  (1 

R1  R4 )(ea  eb ) Persamaan 8.8 menyatakan bahwa bila ea= eb= R3

eCM maka VPQ=0 sehingga Av,CM=0, yang berarti bahwa pada rangkaian Gambar 8.2 penurunan CMRR disebabkan oleh bagian II saja. Ini berarti bahwa dipandang dari segi CMRR hanya R2,R6, R5 dan R7 yang harus mempunyai nilai yang presisi. Penguatan

dari

seluruh

rangkaian

gambar

8.2

dapat

diperoleh

dengan

menggabungkan persamaan 8.5 dan 8.8 yaitu :

Av , dif  (1 

R1  R4 R6 )( ) R3 R2

suatu contoh rangkaian instrumentasi ditunjukkan pada gambar 8.6 yang digunakan adalah tipe CA 3140 yaitu CMOS-input op-amp dengan Zin(CM)=1012 , CMRR=90dB, unity gain bandwith 7,5 MHz dan PSRR = 90dB. IC CA 3240 adalah dua CA 3140 yaitu dalam satu IC ada dua op-amp seperti Ca 3140.

46

+15V

10 M

3 -

2n

1%

8

5K1 OA1

2 +

100K

100K 1% +15V

2n

1%

100K

2

7

OA3

OA1,0A2:CA324 3

3K9

V1

100K 1%

6 OA2

10M

+

5

4

6 2K

Vo

100 K 1%

2n

2 5K1

+ 4

1%

2n

OA3:CA314

-15V

Gambar 8.6 Penguat difrensial presisi Spesifikasi penguat diatas adalah respon frekuensi (-3 dB) dc hingga 1 Mhz; slew rate =1,5 V/us, CMRR=86 dB. Penguatan = 35-60 dB. Suatu rangkaian penguat instrumentasi lain ditunjukkan pada gambar 8.7

Eb(1 

R2 ) R1

Gambar 8.7 Suatu rangkaian penguat instrumentasi Rangkaian diatas digunakan penguat instrumentasi buatan Burr Brown yaitu BB 3627, suatu penguat instrumentasi dengan drift amat rendah. Keuntungan disbanding dengan rangkaian pertama adalah hanya diperlukan du op-amp dan empat buah resistor. Resistor R5 tak perlu dipasang bila diinginkan penguatan tegangan sama besar.

47

(1 

R4 ) R3

Kita gunakan dua sifat op-amp yaitu bahwa masukan inverting dan non inverting ada dalam keadaan hubung singkat virtual, dan bahwa hambatan difrensial antara kedua masukan ini amat besar . sehingga arus yang masuk dapat diabaikan. Dari gamba r8.7 kita peroleh :

I o  I1  I 2 I o  ( Eo  Ea ) / R4 I1  ( Ea  Eb )(1 

R2 ) / R3 R1

I 2  ( Ea  Eb ) / R5 dari hubungan-hubungan di atas kita dapatkan:

Eo  Ea (1 

R4 R4 RR R R  )  Eb ( 2 4  4  4 ) R3 R5 R1R3 R3 R5

bila dibuat agar R2 R4  R1 R3 yaitu dengan memilih R2  R3 dan R4  R1 maka

Eo  (1 

R4 R4  )( Ea  Eb ) R3 R5

I o  I1  I 2

I2 

( Eb  Ea ) R5

I3 

Ea  I2 R1

I3 

Ea Eb  Ea ( ) R1 R5

Ec  Ea  R2 (

Ec  Ea 

R R R2 Ea  2 Ea  2 Eb R5 R1 R1

 E a (1  I1 

Ea Eb  Ea  ) R1 R5

R2 R2 R  )  2 Eb R1 R5 R5

1 Eb  Ec R R R ( Eb (1  2 )  Ea (1  2  2 ))  R1 R5 R3 R3 R5

I o  I1  I 2 

1 R R R E  Ea ( Eb (1  2 )  Ea (1  2  2 )  b R3 R5 R1 R5 R5

48

VO  Eb  R4 I O R2 R2  R4 R2 R4   )  ( Eb  Ea )  Eb (1  )  Ea (1  R1 R5  R5 R5 R3  R R R R R R  Eb  4 Eb (1  2 )  Ea 4 (1  2  2 )  1 ( Eb  Ea ) R3 R5 R3 R1 R5 R5 

 Eb (1  (1 

R R R R R R R4 R4 R2 R4   )  Ea (1  4  4 2  4 2  4 ) R3 R3 R1 R3 R5 R5 R3 R3 R5 R5

R4 R4 R2 R4 R4 R4 R2 R4 R2 R4 R4 R2      1 R3 R3 R5 R5 R3 R3 R1 R3 R5 R5 R3 R1

R4  R1

R2  R3

 ( Eb  Ea )(1 

R4 R4 R2 R4   ) R3 R3 R5 R5

 ( Eb  Ea )(1 

R4 R4 R  2 4 ) R3 R3 R5

 ( Eb  Ea )(100  2 atau AV ,diff  (1 

dapat dituliskan

R4 ) R5

R4 R4  ) R3 R5

Bila R2 R4 tidak tepat sama dengan R1R3, sehingga

R4 R2  1  R1 R3

dengan   1 maka untuk isyarat Ea=Eb=ECM Eo= ( )ECM Kita peroleh Common Mode Rejection yaitu :

CMRR 

Av , dif Av,CM

 (1 

R4 R4  )/ R3 R5

tampak bahwa R5 tidak mempengaruhi Av,CM sehingga dapat digunakan untuk mengatur penguatan tanpa mengubah CMRR. Dengan menggunakan sebuah opamp dan beberapa buah transistor kita juga dapat membuat suatu penguat instrumentasi

yaitu seperti ditunjukkan pada gambar 8.8

rangkaian ini sering

dijumpai dalam instrumentasi dan juga di dalam rangkaian lain seperti IC analog multiplier. Yaitu MC 1496 dan juga IC balanced modulator MC 1495. Pada gambar diatas transistor Q1, Q2, Q3, dan Q4 sebaiknya terbuat dari IC yang berisi transistor array seperti LM 314 atau CA 3049 .

49

R6 = R7 = 1211 k.1% R8 = R9 = 100 k.1% R1 = R2 = 470 R3 = R4 = 2 k. 1% R10 = 10 R5 = 1 k (pot)

Gambar 8.8 Penguat instrumentasi menggunakan transistor dan op-amp

Va  VO  I 2  R6 akan tetapi Va=Vb sebab masukan op-amp ada dalam keadaan hubung singkat virtual akibat kita peroleh :

Vo  I1 ' R9  I 2 ' R6 bila digunakan R9  R8 maka Vo  ( I1 ' I 2 ' ) R8 sekarang marilah kita pikirkan rangkaian transistor pada penguat di atas Dua transistor Q1 dan Q2 membentuk penguat difrensial. Sedang transistor Q3 dan Q4 membentuk sumur arus tetap (constant current sink).yang menarik arus sama yaitu I dari Q1 dan Q2. Kalau kita gunakan hokum kirchoff untuk arus –arus pada titik c dan d kiat akan peroleh:

I1  I o  I I 2  I  IO sehingga I 2  I1  2 I O Kembali pada titik a dan b . Va  Vcc  R7 I o 2

Vb  Vcc  R6 I o1 Karena Va  Vb dan kita buat R7  R6 maka I o1  I o 2 yang berarti I1 ' I1  I 2 ' I 2

I 2 ' I1 '  I1  I 2  2 I o selanjutnya dari persmaa di atas menjadi VO  2 I o R8 Vc  Vd  I O R11 50

akan tetapi Vc  Eb  VBE (Q2 ) dan Vd  Ea  VBE (Q1 ) Bila Q1 dan Q2 dibuat agar mempunyai karekteristik sedekat mungkin sehingga

VBE (Q2 )  VBE (Q1 ) maka Vc  Vd  Ea  Eb akibatnya I O 

Vc  Vd ( Ea  Eb ) dan  R11 R11

persamaan di atas kita peroleh :

Vo  2

R8 R ( Ea  Eb ) atau Av , dif  2 8 R11 R11

Nyata bahwa penguatan dapa tdibuat variable dengan memasang potensiometer untuk R11 .

51

MODUL X SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA PENGOLAHAN ISYARAT DIGITAL TO ANALOG CONVERTER Tujuan Instruksional Umum :  Agar mahasiswa dapat memahami tentang Digital Analog converter Tujuan Instruksional Khusus :  Dapat menjelaskan tentang pengubahan data analog  Dapat menjelaskan bagian- bagian rangkaian DAC  Dapat menjelaskan penurunan jenis-jenis DAC Buku Rujukan :  Rangan Sarma

Instrumentation Devices and Sistem

 W. Bolton

Mechatronic

 William D. Cooper

Electronic Instrumentation and Measurement Technique

Pengubahan Data Analog Bila kita ingin memproses dari transducer yang telah diperkuat ke dalam microcontroller atau mikroprosesor diperlukan isyarat analog ke bentuk digital yang hanya sesuai dengan besaran analog. Piranti yang digunakan untuk mengubah data analog ke digital disebut ADC (Analog to Digital Converter ). Dan sebaliknya data dari digital jika ingin dirubah ke besaran analog diperlukan alat yang disebut DAC (Digital to Analog Converter). Sebelum menjelaskan cara kerja ADC pada kuliah ini akan dibahas dulu cara kerja DAC terdapat beberapa cara kerja DAC adalah:  Multiplying DAC;MDAC  Internal refrence DAC  Companding DAC Dasar kerja dari pada semua DAC di atas adalah perubahan arus-arus yang disaklar oleh masing-masing bit pada masukan digital diubah mejadi tegangan dengan mengunakan suatu op-amp. Contoh DAC-4 bit sederhana

52

I tot

Gambar 10.1

I Tot  (

Vref R

 (1 



Vref 2R



Vref 4R



Vref 8R

)

1 1 1 Vref   ) 2 4 8 R

Vo  K R2 I tot  K

Vref 2

(1 

1 1 1   ) 2 4 8

1 1 1 1 Vo  KVref (    ) 2 4 8 16 Vo  KVref (2 1  22  2 3  2 4 Tampak bahwa tegangan keluaran Vo adalah sebanding dengan Vref dikalikan dengan nilai kode biner natural dari masukannya. DAC dengan tegangan acuan Vref di luar rangkaian, artinya tidak ada di dalam IC disebut multiplying (MDAC) Soal : Diket Vref = 5V R= 5k D0, D1, D2,D3, masing-masing urutan bit rendah ke bit tinggi

53

Tabe 10.1 No.

D3

D2

D1 D0

Arus

keluaran

Perbandingan

Maksimum 0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

.

2

0

0

1

0

.

3

0

0

1

1

.

4

0

1

0

0

5

0

1

0

1

6

0

1

1

0

7

0

1

1

1

8

1

0

0

0

9

1

0

0

1

10

1

0

1

0

11

1

0

1

1

12

1

1

0

0

13

1

1

0

1

14

1

1

1

0

15

1

1

1

1

------

0

1/15

Saklar arus

Gambar 10.2

54

Transistor di atas bisa dihidupkan (saturasi) apabila titik D0, D1, D2,D3, diberi tegangan yang menghasilkan arus basis yang cukup membuat transistor saturasi sebaliknya jika D0, D1, D2,D3, bertegangan nol maka transistor cut-off.. Pada masa kini orang telah membuat DAC dalam bentuk rangkaian terintegrasi (IC). Beberapa tipe yang banyak digunakan adalah MC 1408 buatan Motorollah, DAC-08 membuat Precision Monolisthics dan AD 7522 buatan analog divices. Ketiga DAC yang tersebut di atas adalah MDAC (multiplying DAC) dimana jaringan tangga R-2R serta saklar arus sudah ada dalam IC, sedang Vref dan Op-amp ada diluar. Sebagai contoh diagram fungsional DAC 8 bit MC 1408 ditunjukkan pada GB. 10.3 adalah dari multiplying DAC, dan perlu menggunakan tegangan acuan di luar IC.

MSB

A1

A3

A2

5

6

Range 1 control

A5

A4

7

8

A6

9

A7

10

11

A8

LSB

12

Io

Saklar-saklar arus

4

Tangga R-2R

Arus Bias

2 Gnd

Vref (+) 14

Vref (-) 15

13 Vcc

+

Penguat Arus Acuan 16 compen

V EE

(a)

Pasangan sumber arus npn

55

 Io

Gambar 10.3 (a) Diagram fungsional MC 1408 (b) Simbol MC 1408 Pengkodean pada logika masukan menggunakan kode biner natural. Suatu arus acuan Iref = 2 mA akan menyebabkan arus keluaran skala penuh 2 mA. Arus keluaran ini bersifat menyedot waktu mapan DAC ini adalah 300 ns dan menggunakan catu daya +5 V dan -15 V. tegangan acuan dapat bipolar.Penggunaa DAC MC 1408 ditunjukkan pada gambar 10.4 . Arus keluarn pada skala penuh adalah sama dengan arus acua Iref yaitu

Vref R

 2 mA

. Oleh penguat operasional arus keluaran Io diubah menjadi tegangan keluaran :

Vo  IoRF   (2mA)(5k)  10 V (skala penuh) . Pada DAC-08 saklar arus digunakan untuk menghasilkan dua arus keluaran yang kompelmenter, yaitu Io dan I o . Waktu setting untuk DAC-08 adalah amat cepat , yaitu 85 ns. Arus acuan adalah dari 0,1 mA hingga 4 mA. Catu daya adalah  4,5 V hingga

 18V. masukan logika dapat deprogram agar dapat bekerja untuk berbagai keluarga logika (TTL,CMOS ECL dsb).

56

Penggunaan DAC-08 dalam rangkaian ditunjukkan pada gb 10.4

VLC

6,2K 10V

3,6K

(C)

0.1F CMOS -10V

Gambar 10.4 (a) Rancangan DAC-08 dalam rangkaian untuk menghasilkan tegangan keluaran negatif. (b) Penyambungan VLC untuk CMOS 5 V (c) penyambungan VLC CMOS 10 V. Pada gambar diatas impedansi masukan keluaran DAC adalah 5 k bila dinginkan impedansi masukan keluaran yang rendah kita dapat memasang suatu buffer. Agar masukan digital bekerja untuk tingkat tegangan TTL, kaki VLC harus dihubungkan langsung dengan pertanahan. Untuk hubungan dengan tingkat logika CMOS VLC dihubungkan dengan tanah melalui rangkaian seperti ditunjukkan pada gambar 10.4 b dan c. hubungan antara logika digital pada masukan tegangan keluaran analog pada gambar 10.5 ditunjukkan pada table 10.2.

57

Tabel 10.2 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8

Io(mA)

I o (mA)

Eo(V)

E o(V )

FS

1 1

1

1

1

1

1

1

1,992

0,000

-9,960

-0,000

FS-LB

1 1

1

1

1

1

1

0

1,984

0,008

-9,920

-0,040

½

1 0

0

0

0

0

0

1

1,008

0,984

-5,040

-4,960

1 0

0

0

0

0

0

0

1,000

0,992

-5,000

-5,000

FS- 0 1

1

1

1

1

1

1

0,992

1,000

-4,960

-5,040

FS+LB ½ FS ½ LB 0+LSB

0 0

0

0

0

0

0

1

0,008

1,984

-0,040

-9,920

0

0 0

0

0

0

0

0

0

0,000

1,992

-0,000

-9,960

(a)

Gambar 10.5 Tabel 10.3 B1………………B8

EO(mV)

EO (mV)

+FS

1 1

1 1

1 1 1 1 -9,940

+10,000

+FS-LSB

1 1

1 1

1 1 1 0 -9,840

+9,920

0

1 0

0 0 0 0 0

0 0,000

+0,080

-FS+LSB

0 0

0 0 0 0 0

1 +9,920

-9,840

-FS

0 0

0 0 0 0 0

0 +10,000 -9,940

58

RL LSB

MSB

Vref

+2,5 V

5,0K

12

15

Io

14

1,25K

Op-02 +

IO

15 16

3

13

1

Eo

2

RL

5,0K

+15V

-15V

(b)

-

DAC-08

1,25K

Bila R L dan R L dalam  0,05% keluaran akan simetrik thd GND Gambar 10.6 Tabel 10.4

B1…………………B2

Io (mA)

I o (mA)

Eo(V)

+FS

1 1 1 1 1 1 1 1

1.992

0,000

+9,960

+FS-LSB

1 1 1 1 1 1 1 0

1,984

0,008

+9,880

+0

1 0 0 0 0 0

0 0

1,000

0,992

+0,040

-0

0 1 1 1 1 1 1 1

0,992

1,000

-0,040

-FS+LSB

0 0 0 0 0 0

0 1

0,008

1,984

-9,880

-FS

0 0 0 0 0 0

0 0

0,000

1.992

-9,960

Gambar 10.5 Dua pemasangan DAC-08 untuk tegangan bipolar a. Biner natural b. Biner offset simetrik Satu teknik untuk mengatur gain dan affset untuk DAC-08 ditunukkan pada gambar 10.6 .

59

Eo

47 

Gambar 10.7 Satu teknik untukmengatur gain dan offset Dari rangkaian diatas tegangan keluaran FS dapat diatur demikian pula titik OV pada tegangan keluaran . Satu contoh lagi DAC adalah AD-7520 dan AD-7521 buatan analog devices . AD-7520 adalah DAC perkalian (MDAC) 8 bit

sedangkan AD-7521 adalah 12 bit diagram

fungsional AD-7520 dan AD-752 adalah seperti gambar 10.7

 Rfeed back

60

 Vref

RV 1

R FB

I OUT 2

500

I OUT1

 Vref

I OUT 2 I OUT 2

A2 I 'OUT 2

RFB

I OUT 1

( I OUT 1  I 'OUT 2 )

I 'OUT 2

Gambar 10 .8 Konverter D/A 8 bit AD-7520 (a) Diagram fungsinal (b) Rangkaian untuk menghasilkan tegangan unipolar. (c) Rangkaian untuk menghasilkan tegangan bipolar.

61

Tampak bahwa AD-7520 ddan AD-7521 hanya berisi jaringan tangga R-2R serta saklar-saklar arus. Di dalam chip AD-7520 disediakan hambatan 10 K untuk digunakan mengubah arus menjadi tegangan melalui op-amp. Dioda pada

pada gb10.7 b dan c adalah dioda schottky yang digunakan untuk

mencegah saklar mencantol (latcing). Tegangan acuan Vref

dapat positif maupun

negatif. Untuk mendapat tegangan bipolar dapat digunakan rangakan 10.7 (b) op-amp A2 digunakan sebagai cermin arus (current mirror) yang menyebabkan arus I’out2=Iout2 diambil dari Iout1, sehingga arus yang mengalir melalui RFB adalah sebesar

( I out1  I out 2 ) akibatnya Vo   RFB ( I out1  I out 2 ) bila masukan digital B1…….B10 semua nol, maka Iout1=0 dan Iout2=IFS dan Vo= + VoFS + Vref

62

MODUL XII & XIII SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA PENGOLAH ISYARAT (SINYAL)

Tujuan Instruksional Umum : 

Agar mahasiswa dapat memahami tentang pengolahan isyarat analog menjadi isyarat digital

Tujuan Instruksional Khusus : 

Dapat menjelaskan tentang pengubahan data analog ke digital



Dapat menjelaskan cara kerja pengubahan analog ke digital secara elektronik

Buku Rujukan : 

Rangan Sarma

: Instrumentasi Devices And Sistem



W. Bolton

: Mechatronic



William D.Cooper

: Electronic Instrumentasi And Measurement Techniques

Pada bagian ini kita akan membahas bagaimana isyarat analog menjadi digital yang dapat diproses oleh computer. Jadi peristiwa yang akan kita bahas ini kebalikan dari peristiwa sebelumnya. Yaitu pengubah digital ke analog (pengubah D/A). pada pengubah D/A data dari memori dikeluarkan dan diubah menjadi analog. Pada pengubah analog ke digital, data analog seperti misalnya tegangan DC yang menyatakan suhu, tekanan, arah angina diubah menjadi isyarat digital yang dapat disimpan dalam memori untuk diproses.

63

Ada beberapa macam cara yang digunakan orang untuk mengubah isyarat analog ke isyarat digital. Pengubah analog menjadi digital (Analog to digital converter – ADC) biasanya diartikan sebagai piranti yang mengubah tegangan masukan analog menjadi isyarat digital parallel. Disamping ini ada piranti yang mengubah masukan analog menjadi pulsa-pulsa digital seri periodic. Piranti ini disebut pengubah tegangan ke frekuensi (Voltage to Frequency Converter – VFC). Ada beberapa macam A/D yang digunakan orang pada masa ini. Yaitu pengubah A/D Ramp, pengubah

A/D dual

slope, pengubah

A/D Successive

Approximation

(Aproksimasi berurutan) dan A/D parallel pengubah A/D flash.

12.1. Pengubah A/D ramp atau pengubah A/D pencacah. Pengubah A/D pencacah (counter type ADC) atau sering dikenal sebagai pengubah A/D ramp menggunakan feedback yang mengandung satu pengubah D/A dan pencacah. System pengubah A/D ini ditunjukan pada gambar 12.1

64

Gambar 12.1 Begitu ada perintah mulai konversi maka pencacah dibuat reset, sehingga keluaran pengubah D/A menjadi nol. Selanjutnya keluaran D/A dibandingkan masukan analog. Selama Vin > VDAC keluaran komparator tetap tinggi sehingga pencacah terus bekerja. Setelah pengeluaran D/A lebih tinggi dari masukan analog, maka keluaran komparator menjadi rendah, dan pencacah dibuat berhenti mencacah. Keluaran pencacah menyatakan kode digital amat panjang, yaitu 2n perioda clock. Untuk konversi 10 bit diperlukan 28 = 1024 perioda clock. Keuntungan adalah rangkaian sederhana. Suatu modifikasi dari pengubah A/D pencacah adalah yang disebut pengubah A/D pelacakan (Tracking ADC), yang juga dikenal sebagai pengubah A/D servo. Pada pengubah A/D ini digunakan pencacah naik turun (Up-Down Counter). Dengan tambahan sedikit rangkaian logika ADC ini dapat mengikuti atau melacak masukan analog yang berubah.

12.2 Pengubah A/D Integrasi pengubah A/D Integrasi (Integrasi ADC) menggunakan integrator op-amp seperti ditunjukan gambar

65

VINT

(a) Diagram blok

t2a

t1

t 2b

(b) Diagram timming Gambar 12.2 System ini mempunyai dua selang waktu, yaitu t1 dan t2. selang waktu t1 mempunyai panjang tertentu. Dalam selang waktu ini isyarat masukan dihubungkan dengan saklar S1, yang membuat keluaran integrator VINT menjadi positif. Nilai tegangan VINT yang dicapai pada akhir selang t1 bergantung pada nilai tegangan masukan Vin bila Vin (t1) akan besar pula.

66

Dalam waktu t2 tegangan masukan Vin dilepas dan S1 dihubungkan dengan Vref (positif) akibatnya tegangan keluaran VINT akan turun dengan kemiringan tertentu (ditentukan oleh

Vref Rc

). Bila VINT mencapai harga nol maka komparator akan berbalik

keadaan dan t2 akan berakhir. Selang waktu t1 dan t2 adalah selang waktu yang dapat diukur dengan menggunakan suatu pencacah dapat ditunjukkan bahwa

Vin  Vref

t2 t1

Bila Vref dan t1 tetap, maka Vin  t2, selang waktu t2 dicacah dengan suatu pencacah yang akan menghasilkan keluaran biner ataupun BCD. Keluaran ini adalah keluaran digital untuk isyarat analog Vin. Oleh karena ada dua kemiringan pada diagram pewaktuan, pengubah A/D integrasi juga dikenal sebagai pengubah A/D kemiringan rangkap (dual slope). Kekurangan pencacah A/D integrasi terletak pada waktu konversi yang sama, yaitu pada orde 10 ms atau lebih. Pengubah A/D integrasi banyak digunakan pada multimeter digital, dimana waktu konversi tidaklah terlalu mengganggu.

12.3 Pengubah A/D pendekatan berurutan Pengubah A/D ini dikenal sebagai pengubah A/D pendekatan berurutan (successive approximation) dan bekerja dengan prinsip umpan balik. Diagram blok dan timing diagram pengubah A/D pendekatan berurutan. Ditentukan pada gambar

67

Vi Masukan analog

Register pendekatan struktural Komparator

Keluaran Digital

Pengubah D/A

VD / A VD / A Vi 1

V2 Vi 2

VlSB

V3

VlSB

VMSB 2 V2

V1

VMSB1

V1  VMSB VMSB

Gambar 12.3 A/D pendekatan berurutan (a) Diagram blok (b) Diagram timing Komparator digunakan untuk membandingkan keluaran D/A dengan masukan analog Vin. Keluaran komparator digunakan untuk mencek register pendekatan berurutan (Successive Approximation Register – SAR). Untuk register ini dapat digunakan IC MSI

68

Seperti misalnya AM 2502 buatan Advance Micro Device. Cara kerja register ini adalah sebagai berikut : Setelah menerima pulsa mulai konversi, SAR akan mengeluarkan bit-bit untuk diubah menjadi tegangan analog oleh suatu pengubah D/A. perhatikan gambar 12.b kiri yang menunjukan diagram timing keluaran pengubah D/A. mula SAR akan mengaktifkan MSB, yang akan menghasilkan suatu tegangan analog pada keluaran pengubah D/A. tegangan ini dibandingkan dengan Vin. Bila V1 < Vin maka MSB dibiarkan tinggi(“1”), bila V1 > Vin maka MSB dibuat “0”. Pada contoh kita V1 < Vin sehingga MSB dibuat “1”. Selanjutnya bit no 2 diaktifkan dibuat 1 dan keluaran pengubah D/A yang baru dibandingkan lagi dengan Vin . pada contoh V2 < Vin sehingga bit no 2 dibuat juga 1. kemudian bit no 3 dibuat 1. terakhir bit no 4 (LSB) dibuat “1”. Akan tetapi V4 > Vin, maka bit no 4 dibuat 0. keadaan akhir pada keluaran SAR adalah (1110)2 menyatakan keluaran digital untuk Vin. Bagaimana pengubah kerja pengubah A/D pada gambar 12.3b. pengubah A/D pendekatan berurutan n-bit melakukan konversi dalam waktu (n+1) siklus Clock. pengubah A/D termasuk pengubah A/D yang cepat, dapat melakukan dibawah 1s. pengubah A/D pendekatan berurutan dapat dibuat sangat akurat, bergantung pada tegangan acuan dan pengubah D/A yang digunakan pengubah A/D macam ini kini dapat diperoleh dengan resolusi 12 bit dan waktu konversi 10 – 20 s. kita juga dapat menggunakan mikrokomputer untuk bertindak sebagai register pendekatan berurutan dengan menggunakan program. Disamping itu kita dapat diperoleh pengubah A/D pendekatan berurutan monoklitik (IC) atau pun hybrid, yang lengkap mengandung semua komponennya.

69

kita akan membahas D/A pendekatan yang berurutan perangkat lunak, serta antara muka ADC ini bagian tersendiri. marilah kita singgung sedikit tentang pengubah A/D atau A/D flash sekedar untuk pengetahuan umum.

12.4 Pengubah A/D Paralel Pada pengubah A/D parallel semua tingkat kode analog pada tegangan masukan konversi serentak dengan menggunakan banyak komparator.

Vref 

3 LSB 2

Gambar 12.4 Pengubah A/D Paralel

70

Untuk menghasilkan keluaran digital 8 Bit diperlukan 255 komparator, seperti pada pengubah A/D monolitik TDC 1007 J buatan TRW-LSI product. pengubah A/D ini mempunyai waktu konversi yang pendek yaitu 5 milisecond sehingga dapat digunakan untuk melakukan konversi dengan frekuensi 45 MHz. ini berarti bahwa pengubah A/D parallel dapat digunakan untuk mengubah isyarat analog yang berubah dengan frekuensi 20 MHz. pengubah A/D dapat digunakan untuk memproses isyarat video pada televisi. Karena semua kode analog di konversi dalam waktu satu siklus clock maka pengubah A/D ini sering dikenal sebagai pengubah A/D kilat.

Spesifikasi Data Ada beberapa parameter yang perlu di ketahui dalam pengubah A/D dan pengubah D/A yang menyangkut penyimpangan-penyimpangan keluaran terhadap sifat-sifat idealnya.

Resolusi Resolusi atau daya pisah adalah perubahan analog terkecil yang dapat dibedakan oleh A/D atau dihasilkan oleh suatu pengubah D/A. resolusi adalah nilai analog daripada LSB yaitu FS/2n untuk computer binar n bit.

Linieritas Linieritas diartikan sebagai penyimpangan dari lurus yang ditarik antara kedua ujung fungsi transfer suatu computer. Linieritas dapat dinyatakan sebagai presentase skala penuh (FS) atau sebagian pecahan LSB. Linieritas suatu converter yang baik adalah 1/2 LSB . pengertian Linieritas beserta kesalahan penguatan (gain error) dan kesalahan offset ditunjukkan pada gambar 2.5 dibawah ini.

71

(a)

(b)

Gambar 12.5 fungsi respon converter data, (a) Ideal, (b) kesalahan-kesalahan

Liniertias Diferensial Kesalahan Linieritas Diferensial adalah penyimpangan maksimum dari ukuran bit yang sebenarnya dari nilai teorinya dalam daerah jangkau (range) converter. suatu linieritas diferensial sebesar 1/2 LSB berarti bahwa ukurannya adalah 1 LSB 1/2 LSB. Kesalahan linieritas diferensial ditunjukan pada gambar 12.6

Gambar 12.6 Linieritas Diferensial dan monotonisitas

72

Monotonisitas Monotonisitas berarti dihasilkan keluaran yang selalu bertambah bila diberi masukan yang selalu bertambah. gambar 12.6 b menunjukkan keluaran yang tak monoton.

Kode Hilang (Missing Code) Didalam pengubah A/D ini, terjadi bila keluaran melompat 1 digit.

Kesalahan Kuantitas (Quantizing Error) Kesalahan ini adalah ketakpastian dasar yang berhubungan dengan digitisasi suatu isyarat analog oleh adanya resolusi (daya pisah) yang terbatas pada suatu pengubah A/D. Suatu converter ideal mempunyai kesalahan kuantisasi sebesar ½ LSB.

Akurasi Relatif Akurasi relative menyatakan berapa % FS kesalahan pada keluaran bila tak ada kesalahan offset dan penguatan. Akurasi relative berhubungan dengan linieritas.

Kesalahan Offset Kesalahan yang terjadi bila fungsi transfer tak melalui titik asal (origin).

Kesalahan Penguatan Beda kemiringan antara fungsi transfer ideal dan fungsi transfer yang sebenarnya .

Laju Kelok dan Waktu Mapan Laju perubahan keluaran suatu pengubah D/A ditentukan oleh laju belok (Slew Rate), yaitu kemampuan keluaran pengubah D/A untuk merubah dalam suatu selang waktu.

73

Laju belok dinyatakan dalam V/s untuk mengubah D/A dengan keluaran tegangan atau mA/s untuk mengubah D/A dengan keluaran arus. Laju belok memberikan gambaran kasar kecepatan pengubah D/A, kecepatan pengubah D/A harus memperhitungkan waktu yang diperlukan agar isyarat keluaran menjadi tetap dalam daerah ketepatan yang diinginkan. pengertian laju belok dan waktu mapan (setting time) ditunjukkan pada gambar 12.

V

Laju Belok ( slew rate) 

V t

t

Gambar 12.7 Pengukuran Laju belok dan waktu mapan

74

MODUL XIV SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA JENIS-JENIS PENGUBAH ISYARAT ANALOG KE DIGITAL

Tujuan Instruksional Umum :  Agar mahasiswa dapat memahami tentang pengolahan jenis-jenis isyarat analog menjadi isyarat digital. Tujuan Instruksional Khusus :  Dapat menyebutkan jenis-jenis pengubah isyarat analog

menjadi isyarat

digital.  Dapat menjelaskan bagian-bagian dan cara kerja pengubah analog ke digital Buku Rujukan :  Rangan Sarma

Instrumentation Devices and Sistem

 W. Bolton

Mechatronic

 William D. Cooper

Electronic Instrumentation and Measurement Technique

14.1 Pemakaian Pengubah A/D Pendekatan Berturutan Kita akan membahas

salah satu pengubah A/D

yang sering digunakan, yaitu

pengubah pendekatan berurutan (Successive Aproximation SA). Ad-Sa mempunyai waktu konversi yang cukup pendek, yaitu dari 1 s hingga 100 s. Ada tiga bentuk pengubah A/D ini, yaitu mengunakan

Register pendekatan berurutan (Successive

Aproximation SAR). Dan pengubah D/A dalam satu chip, dan yang menggunakan perangkat lunak sebagai ganti SAR. Yang terakhir ini mempunyai waktu konversi yang panjang, akan tetapi dapat dilaksanakan tanpa SAR perangkat keras. Pengubah AD-SA dengan mengubah D./A dan SAR

75

Do Q

Co

Io

Gambar 14.1 Susunan dasar pengubah A/D pendekatan berurutan Komponen kunci dari suatu AD-SA adalah SAR, yaitu suatu register khusus dirancang untuk mengubah AD-SA . Satu seri SAR yang amat popular adalah AM 2502, AM 2504 buatan Advance Micro devices. IC ini dirancang menggunakan TTL , dan dibuat untuk 8 bit ( AM 25.2 dan AM 2503) serta 12 bit (AM 2504). Ada pula SAR yang dibuat dengan teknologi CMOS, yaitu Motorola MC 14549 dan Motorola 14559, serta MM 74c905 buatan National Semiconductor. AM 2502 (8 bit) dapat digandeng dengan AM 2502 yang lain agar dapat beroperasi untuk jumlah bit lebih besar dari 8 bit. Semua SAR seri 2500 mempunyai kaki untuk menerima pulsa mulai konversi (START), dan kaki yang menghasilkan tingkat logika yang menyatakan selesai konversi. Gambar 14.2

menunjukkan pengubah A/D-SA dengan menggunakan DAC-08 dan

SAR AM 2502 membentuk pengubah A/D 8 bit biner dengan waktu konversi 4 s.

76

S

CC

DO

IO

IO

IO

Gambar 14.2 Pengubah A/D menggunakan DAC-08 dan AM 2502 Pada rangkaian ini keluaran pengubah D/A, yaitu

arus Io, tak diubah menjadi

tegangan melalui op-amp oleh karena op-amp akan menambah waktu mapan. Pada rangkaian DAC-08 yang digunakan mempunyai waktu mapan 85ns . Op-amp akan menambahi waktu mapan sebesar 1000 ns. Tengangan pada masukan komparator CMP-01 adalah (iin  I o ) RL  ( Kecepatan

respons komparator

Vin  I o ) RL . Rin

ditentukan oleh beda tegangan antara masukan

inverting dan non-inverting. Beda tegangan ini disebut

pacu lebih. Pacu lebih ini

mempunyai nilai

1 1FS ( Rin // RL ) x LSB  ( Rin // RL )  (850)(39A)  3, 2 mV. 2 2 x 28 Dari karakteristik CMP-01 pacu lebih sebesar ini akan memberikan waktu respon 100 ns (Gambar 13.35)

77

Gambar 14.3 Waktu respons CMP-01 untuk berbagai pacu lebih Untuk menentukan waktu mapan pengubah D/A kita perlu tahu beberapa informasi yang dapat diperoleh dari lembaran data. Untuk beban diatas 500  , untuk DAC-01 rangkaian RC luar merupakan faktor penentu bagi waktu mapan : Misalkan kapasitansi keluaran adalah 25pF, maka dengan R = Rin / / RL =850  , RC 0 = 20 ns. Untuk memperoleh ketelitian

1 LBS kita harus menunggu 6.2 x RC = 130 ns. Disamping 2

waktu mapam untuk komparator (100 ns) dan waktu mapan pengubah D/A (130 ns) harus ditambahkan waktu penundaan SAR (20 ns). Jadi seluruhnya diperlukan waktu 255 ns. Ini berarti frekuensi clock maksimum adalah 3,9 MHZ. Waktu konversi minimum adalah (n+1) 255 ns = 9 x 255 ns = 2,4 s . Dalam hal kita tak memerlukan waktu konversi minimum, frekuensi clock dapat ditentukan dari :

Tclock 

1 waktukonversi clock  n 1 f

Pada gambar 13.33 resistor R2 = 2.4 M  akan memberikan arus offset sebesar  3,9 A (

1 LBS dari IFS = 2 mA). Dengan menggunakan R2 maka masukkan pengubahan 2

A/D dapat diberi bias

1 LBS dari nol untuk kalibrasi. Pengaturan gain (atau FS) dapat 2

dilakukan dengan mengubah arus acuan pengubahan D/A atau Rin

.

Rin dan Rif

hendaknya bersifat bila mungkin dari satu jaringan bersama.

78

Operasi bipolar dapat diperoleh dengan memasang Roffset pada Vref seperti ditunjukan pada gambar 14.3 Roffset hendaknya memberi arus sebesar

1 IFS pada titik jumlahan. 2

Resistor ini juga harus bersifat melacak terhadap Rin dan Rref. Pengubahan AD SA Integral Kita telah membahas sistem pengubah A/D SA yang menggunakan pengubahan D/A, SAR dan komparator. Berbagai perusahaan telah membuat pengubahan A/D SA yang lengkap dalam satu kemasan, siap untuk beroperasi. Pengubahan A/D seperti ini disebut pengubah A/D integral. Hampir semua piranti ini dapat dihubungkan dengan masukan analog yang baku (standard), dan mempunyai keluaran seri dan paralel. Ada berbagai resolusi maksimum, yaitu dari 8 hingga 12 bit, dan hampir semua dapat dibuat agar bekerja dibawah resolusi maksimumnya. Sebagian contoh pengubahan A/D 8 bit (maksimum) dapat dibuat agar bekerja dengan resolusi di bawah 8 bit, misal 6 bit. Hampir semua mempunyai clock dalam, walaupun ada pula yang juga dapat beroperasi engan clock luar. Diantara beberapa perusahaan yang membuka pengubahan A/D SA adalah Analog Devicer, Detel, Burr-Brown, Intersil, Motorola. Marilah kita pelajari satu contoh pengubahan A/D SA integral, yaitu ADC 82, yaitu pengubahan A/D 8 bit buat rata-rata Burr-Brown (Gambar 14.4)

1

10

MSB

 79

0  20V

10V

0  10V

 5V  2,5V

0  5V

Gambar 14.4 ADC dan diagram hubungannya .ADC 82 ini dapat mengubah tegangang masukan unipolar maupun bipolar dengan kecepatan konversi 2,8 s, menggunakan clock dalam. Pada keluaran berupa tegangan digital

paralel dengan tingkat TTl. Juga disediakan keluaran MSB untuk

keluaran bipolar komplemen. Pada Gambar 14.5 ADC 82 dihubungkan untuk jangka unipolar OV hingga +10V. Untuk menggunakan clock – IN. Konversi akan dimulai dengan menaikkan Convert Command (dimulai konversi ) Konversi akan dimulai pada tepi jatuh (negatif) dari pada pulsa Convert Command. Ini ditunjukan pada gambar ADC 82 (gambar 14.5 )

Gambar 14.5 Diagram Pewaktuan ADC 82

80

Pada gambar 14.5 ADC 82 melakukan konversi hanya bila mendapat perintah melalui kaki 23 dengan suatu pulsa. Konversi dilakukan dengan menggunakan clock dalam. Kita dapat menbuat agar konversi dilakukan secara kontinu menggunakan clock dalam dengan rangkaian seperti pada gambar 14.6 Pada rangkaian ini keluaran status atau akhir konversi digunakan untuk menggerbang suatu multivibrator astabil.

650

Gambar 14.6 Menggunakan ADC 82 dengan clock dalam untuk konversi kontinu ADC 82 juga dapat menggunakan clock luar untuk operasi kantinu. Kaki clock keluar dan kaki perintah konversi dibiarkan terbuka, sedangkan clock luar dihubungkan dengan kaki clock masuk. Untuk operasi konversi atas perintah dengan clock luar diperlukan “untai” seperti pada gambar 14.7

Gambar 14.7 Untai untuk membuat ADC 82 melakukan konversi atas perintah dengan clock luar Dengan untaian di atas konversi akan terjadi bila keluaran STATUS ada pada keadaan tinggi dan perintah konversi rendah. Selama perintah konversi ada pada keadaan tinggi clock luar tak dapat masuk ADC 82.

81