Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 19 November 2016 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor DESAIN RANGKAIAN UNTUK PENGUKUR RESPON FREKUENSI FILTER BERBASIS KOMPUTER JAJAT YUDA MINDARA*, SAHRUL HIDAYAT, SETIANTO, LIU KUN MEN Prodi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran Jl. Raya Bandung-Sumedang Km 21, Jatinangor 45363 Abstrak. Grafik respon frkuensi rangkaian fiter, menyatakan karakteristik amplitudo tegangan terhadap perubahan frekuensi masukan. Dalam desain sistem pengukur respon frekuensi berbasis komputer diperlukan perangkat keras dan perangkat lunak. Perangkat keras berfungsi untuk menginputkan perubahan frekuensi, mengukur amplitudo tegangan analog input dan output rangkaian uji dan mengubahnya ke sinyal digital melalui rangkaian perantaraan. Perangkat lunak dirancang untuk mengatur, mengolah, menvisualisasi dan intepretasi kuantitatifnya pada layar monitor. Sehingga proses dan intepretasinya dapat dilakukan secara in situ. Dalam penelitian ini didesain untuk daerah frekuensi Audio, dengan rangkaian VCO, DAMP, DAC dan ADC, untuk rangkaian uji Low-Pass-Filter, High-Pass-Filter, Band-Pass-Filter, Rejektor. Hasil visualisai grafik sudah dapat menentukan respon frekuensi potong sesuai dengan hitungan teoritis. Kata kunci : Respon Filter, Berbasis Komputer, Perangkat keras, Perangkat Lunak. Abstract. Graph of the frequency response filter circuit is characteristics of voltage amplitude of the input and frequency changes. In the measurement design of frequency response system, we need tools both of hardware and software necessary. Hardware serves as an input frequency changes, measure the voltage amplitude of analog input and output of the test circuit and convert it into a digital signal through the interface circuit. The software is designed to manage processes, visualize and interpret of it on the monitor screen quantitatively. So, the process and its interpretation can be performed in situ directly. In this study were designed for audio-frequency regions with VCO circuit, DAMP, DAC and ADC for a test circuit of low-pass filter, high-pass filter, band-pass filter and Rejecter. As Results, visualization charts have been able to determine the frequency response in accordance with theoretical calculation. Keywords: Response Filter; Hardware; Software; PC 1. Pendahuluan Grafik respon frkuensi dari suatu rangkaian filter, menyatakan tanggapan rangkaian terhadap perubahan frekuensi. Diperlukan untuk mengetahui karakteristik filter rangkaian tersebut. Karakteristik diperlukan pada suatu sistem elektronika atau pengolahan sinyal elektronika yang kondisinya perlu penapisan * email : [email protected] Kode Artikel: FINS-08 ISSN: 2477-0477 Desain Rangkaian Untuk Pengukur Respon Frekuensi Filter Berbasis Komputer…... frekuensi, seperti pada rangkaian tone kontrol, equaliser atau rangkaian untuk meredam noise. Dalam membuat grafik respon frekuensi cara konvensional dari dari suatu rangkaian filter menggunakan osciloskop dan generator frekuensi. Dalam hal ini perubahan amplitudo keluaran rangkaian filter akibat perubahan perstep frekuensi diukur pada layar osciloscope, untuk grafik respon yang baik tentunya perlu banyak perubahan frekuensi. Hal ini selain memerlukan waktu, kemungkinan terjadinya human error dalam pembacaan skala akan besar. Dengan berkembangnya teknologi komputer dan piranti perantara (I/O), ADC, DAC dan komponen pengolah sinyal dan perangkat lunak saat ini, memungkinkan untuk mendesain sistem pengukur respon frekuensi berbasis komputer. Dengan dapat terealisasi tentunya kendala dalam mengukur respon frekuensi dapat teratasi, selain ini jika hasil pengembangan desain memenuhi spesifikais standard pengukuran, tentunya akan memiliki prospek produksi, khususnya dalam intrumentasi berbasis komputer. Untuk dapat mevisualisasikan grafik respon frekuensi berikut intepretasi kuantitatif dari suatu rangkaian filter pada layar monitor komputer diperlukan perangkat keras dan perangkat lunak. Perangkat keras berfungsi untuk memberi sinyal dengan frekuensi yang dapat diubah pada rangkaian filter uji, mengkonversi sinyal analog dari masukan-keluaran rangkaian uji dan sinyal analog fungsi frekuensi ke sinyal digital. Selanjutnya sinyal digital ini direkam ke dalam komputer dalam domain waktu dengan pengaksesan perangkat lunak. Dengan kedua perangkat tersebut seluruh proses mulai dari akusisi data sampai dengan intepretasinya dapat dilakukan secara in situ. 2. Metoda Metode yang digunakan adalah eksperimen dengan tahapan: Pertama merumuskan konversi data, penguatan (perbandingan amplitudo sinyal outputinput) sebagai fungsi dari frekuensi pada rangkaian uji. Kedua merancang rangkaian generator frekuensi dari rangkaian V/F agar frekuensi dapat diubah DAC. Rangkaian F/V agar data rekuensi dapat direkam ADC. Dan rangkaian untuk mengukur amplitudo sinyal input-output pada rangkaian uji. Dan rangkaian perantara ADC-DAC diakses melalui port LPT agar mudah disntalasi. Ketiga Perangkat lunak akses ADC-DAC agar data amplitudo dan frekuensi dapat masuk ke komputer. Visualisasi grafik dan save-load data pada file. Selanjutnya karakteristik subrangkaian, integrasi dan uji coba pada rangkaian filter. Perbaikan dilakukan untuk mendapatkan hasil sesuai dengan rencana desain. Batasan masalah dalam merancang perangkat uji respon frekuensi filter berbasis komputer sebagai berikut: Respon frekuensi filter yang diuji adalah LPF, HPF, BPF dan Reject, pada daerah frekuensi Audio yaitu dari (20-20K) Hz. Generator frekuensi dari rangkaian V/F dengan IC XR2206. Frekuensi diubah dengan DAC0808. Rangkaian F/V menggunakan IC4151 agar data rekuensi dapat direkam ADC. Untuk mengukur amplitudo sinyal input-output pada 131 Jajat Yuda Mindara, dkk menggunakan rangkaian penyearah presisi dengan IC LM308. Perantara ADC tipe MAX195 16 bit modus unipolar tegangan referensi 5 Volt. Akses melalui port LPT. Perangkat lunak akses ADC-DAC, Visualisasi grafik dan save-load data pada file menggunakan bahasa Pascal. Diagram blok sistem yang didesain ditunjukkan pada Gambar.1. subsistem analog terdiri dari rangkaian Uji, pengkondisi sinyal meliputi osilator dikontrol tegangan (VCO atau V/F) berfungsi pemberi variabel frekuensi, pengubah frekuensi ke tegangan (F/V), pengkondisi sinyal input-output (DAMP) rangkaian uji. Subsistem digital meliputi perantara ADC-DAC, komputer dan perangkat lunaknya. Prinsip kerja dan konversi datanya dapat dijelaskan sebagai berikut Pada prinsipnya melalui perangkat lunak, mengatur variasi tegangan DAC, sehingga frekuensi melalui VCO tertentu akan diberikan ke rangkaian uji, selanjutnya sinyal input-output dan frekuensi melalui Damp1,2 dan F/V masuk ke ADC melalui chanel 0,1 dan 2. Setelah data masuk ke komputer diplot grafik perbandingan Data chanel-0 dan 2 terhadap data chanel-1. Proses konversi datanya sebagai berikut: misal untuk data ke-i, dikeluarkan ke DAC sehingga keluarannya, V DA (i) = VrefDA 2n 1 Data DA (i) (1) Misal konversi Tegangan ke frekuensi didesain linier, dengan persamaan f (i) = K1VDA (i) (2) Vref DAMP2 RANGKAIAN FILTER UJI ADC F/V CH0 CH1 CH2 DAMP1 n-bit VCO D0 ... Dn I/0 LPT PERANGKAT LUNAK DAC Gambar 1 Diagram Blok Sistem Pengukur Grafik Respon Frekuensi Rangkaian Filter Berbasis Komputer Dalam hal ini keluaran dari VCO sinyal sinusoid maka tegangan keluarannya adalah, Vi (i) = Vmi .Sin{2 f (i)t} (3) Dimana Vmi adalah tegangan maksimum, keluaran dari VCO yang masuk ke rangkaian Uji, ke rangkaian DAMP1 masuk ke ADC melalui channel-2, konversi data ADC untuk modus unipolar, 132 Desain Rangkaian Untuk Pengukur Respon Frekuensi Filter Berbasis Komputer…... 2n 1 (4) Data 2(i) = Vmi VrefAD Selanjutnya dengan pengubah (F/V) diubah ke tegangan dan didesain linier, dengan persamaan (5) V (i) = K 2 f (i) Tegangan ini dikonversi ADC melalui channel-1, 2n 1 2n 1 (6) Data1(i) = V (i) = K 2 f (i) VrefAD VrefAD Tegangan keluaran Rangkaian Uji Vo(t) keberadaan pelemahan dan penguatan dari sinyal masukan Vi (t) bergantung karakteristik filter dan frekuensi. Tegangan keluaran dapat dinyatakan dengan persamaan, Vo (i) = Vmo .Sin{2 f (i)t} (7) Tegangan keluaran ini ke DAMP1 masuk ke ADC melalui channel-0, konversi data ADC dapat dinyatakan dengan, 2n 1 (8) Data0(i) = Vmo VrefAD Penguatan atau pelemahan dari rangkaian uji dapat dinyatakan dengan persamaan Data0(i ) (9) Av(i ) = Data 2(i ) Grafik respon frekuensi dapat dinyatakan sebagai Av fungsi dari pada Data1(i) +5V BP/UP DOUT DAMP1 EOC MUX 4051 F/V PORT-LPT CLOCK 379 H 12 - D5 11 - D6 CON V AIN DAMP2 ADC MAX195 VCO 15 - D3 13 - D4 378 H 2 - D0 Vo 6 LF356 5 +5V 5K 2 13 15 2 16 1 +15V 14 5K 3 10K 4 Vref 5K 1uF -15V 3 17 D0 14 D1 15 D2 8 D3 18 D4 19 D5 20 D6 21 D7 DAC 0808 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 3 - D1 RST COUNT 4 - D2 5 - D3 6 - D4 74393 2x4050 7 - D5 8 - D6 9 - D7 18 sd 25 Gambar 2. Rangkaian ADC-DAC akses Port LPT 133 Jajat Yuda Mindara, dkk Rangkaian untuk pengukur grafik respon frekuensi ditunjukkan pada gambar.2 ADC Yang digunakan tipe MAXIM 195 produksi Maxim, Inc, USA. Proses konversi sinyal analog ke digital dengan metoda SAR. Spesifikasinya lebar jalur data 16-bit dengan konversi secara serial, dan waktu konversinya optimal 10 mikro detik, memiliki dua modus tegangan referensi yaitu Unipolar (0,5) Volt. Proses pengendalian dengan clock maximum 1,7 Mega Herz, dilengkapi Start konversi dan end Konversi. Komsumsi dayanya rendah dengan catu daya bipolar (-5,0,+5) Volt. Masukan Sinyal analog terdiri atas modus 1-saluran dan 8-saluran, dipilih menggunakan multiplekser analog 8 ke 1. Pemilihan saluran multiplekser dikendalikan 3-bit dari pin 4 (D2), pin 5 (D3), pin 6 (D4) port LPT IBM PC, yang masing-masing mempunyai bobot biner 0, 2, diakses melalui alamat 378H. Hasil konversi analog ke serial data biner dari ADC pada pin DOUT, masuk ke port LPT melalui pin-15 (D3), diakses melalui alamat port 379H. Proses konversi ADC (CONV) dikendalikan sinyal hasil OR antara sinyal CLK dan START, dimana kedua sinyal berasal dari Pin-2 (D0) dan Pin-3 (D1) yang diakses melalui Alamat 378H. Dan proses konversi ADC selesai (EOC) masuk ke pin-13 (D4) yang diakses melalui Alamat port 379H. Piranti yang digunakan untuk rangkaian ADC untuk multiplekser digunakan tipe CMOS 4051, untuk buffer digunakan tipe CMOS 4050 dan untuk gerbang OR menggunakan tipe TTL 7432. Rangkaian pengubah digital ke analog menggunakan DAC0808 Tegangan Vout bergantung pada nilai tegangan Vref yang diberikan seta keadaan bit-bit yang diberikan dari D0 hingga D7. Untuk rancangan ini digunakan Vref 15 volt, sehingga Vout maksimum yang dihasilkan sebesar 15 volt dan minimum 0 volt. IC OpAmp LF 351 merupakan bagian dari rangkain pengubah arus ke tegangan. Ini digunakan karena keluaran dari IC 0808 adalah arus. Setting Vout dilakukan dengan mengubah nilai hambatan pada R5. Untuk pengaksesan DAC melalui Port LPT dirancang dengan cara ‘Pencacah Diprogram’. Dalam hal ini untuk akses DAC Bit D7 ke count, Bit D6 ke RST dan bit D5 ke Latch, akses melalui alamat 378H. Rangkaian pengubah Tegangan ke frekuensi dengan IC Osilator pengendali Tegangan (VCO) XR-2206 adalah komponen yang khusus dibuat sebagai pembangkit frekuensi. Output VCO yang diguanakan bentuk sinyal keluaran, sinusoida. Rangkaian Pengubah Frekuensi ke Tegangan (F/V) ini pada prinsipnya terdiri dari rangkaian komparator, rangkaian F/V serta buffer. Rancangan rangkaian F/V komponen utama 4151. Rangkaian penyearah presisi (DAMP) pada prinsipnya adalah pengubah Tegangan AC ke Tegangan. Piranti utama untuk menyearahkan umum digunakan Dioda. Dengan menggunakan komponen aktif IC LM 308. Catu daya merupakan bagian yang berfungsi untuk menyediakan daya untuk daya rangkaian. Dalam desain catu daya, yaitu catu daya untuk Perantara ADC dengan Catu -5, 0,+5 Volt, DAC derngan Catu (0,5,15,0,+15) Volt, V/F -15, 0,+15) Volt Catu daya F/V) (0,12) Volt. Dalam desain menggunakan rangkaian jembatan dioda dan filter kapasitor dengan regulator tegangan tetap adalah LM78xx, 79xx. 134 Desain Rangkaian Untuk Pengukur Respon Frekuensi Filter Berbasis Komputer…... Perangkat lunak dalam desain untuk akses ADC-DAC dan visualisasi grafik respon layar monitor. Bahasa pemrograman yang digunakan yaitu Pascal. Struktur menu yang didesain Menu Utama terdiri atas subukur, subdata subtest serta Keluar. Dalam submenu Ukur untuk pengaksesan ADC untuk DAMP1 sebagai data sinyal masukan, F/V sebagai data frekuensi yang diberikan dan DAMP2 sebagai data sinyal keluaran rangkaian uji, algoritmanya sebagai berikut: Mulai Ulang DataDA(i=0) Keluarkan DataDA(i=0) ke Port Out Ambil Data0(i) melalui cahnnel-0 Ambil Data1(i) melalui cahnnel-1 Ambil Data2(i) melalui cahnnel-2 Hitung Av Plot Grafik Av terhadap Data1(i) Akhir Ulang DataDA(i=Max) Selesai Variabel Data0(i) yaitu DAMP1, Data1(i) yaitu F/V dan Data2(i) adalah DAMP2, untuk mengubah frekuensi ada sebanyak 255 tingkatan. Frekuensi dari DataDA (indeks-i). Frekuensi tersebut akan meningkat secara bertahap pada rangkaian uji. Dalam Pengujian untuk menganalisa karakteristik linier masing-masing subrangkaian menggunakan korelasi dan regresi linier. Pengujian meliputi: Pengujian Linearitas ADC, Pengujian Linearitas DAC, uji Karakteristik Rangkaian (V/F), Uji Karakteristik (F/V). Pengujian Linearitas DAMP. Untuk menguji perangkat lunak, sesuai dengan submenu yang dirancang. Terdidri atas pengujian untuk : Program Utama, Sub Menu Ukur dan Submenu Data Base. Pengujian program utama meliputi pola tampilan dan akses terhadap masingmasing submenu. Untuk submenu rekam adalah pengujian visualisasi real time, dan penskalaan serta visualisasi kuantitatif keberadaan rangkaian filter uji. Untuk submenu data adalah jumlah data yang disimpan yang sesuai dengan pensampelannya. Yang terakhir adalah Uji Integrasi dan Pengukuran terdidri atas uji integrasi bagian perantara ADC-DAC, Pengkondisi sinyal dan uji pengukuran respon frekuensi filter. 3. Hasil Dan Pembahasan Hasil rancang bangun board uji untuk perantara ADC-DAC, pengkondisi sinyal untuk pengukuran grafik respon frekuensi ditunjukkan pada Gambar 3. tampak Perantara ADC-DAC, Catu Daya, Pengkondisi Sinyal (DAMP, F/V,F/V). Rangkaian filter yang akan diuji diluar board uji, dihubungkan melalui soket RCA. Perantara ADC-DAC ke slot LPT IBM PC melalui soket DB25. untuk sumber listrik PLN dihubungkan kabel AC 220V. Kinerja Subrangkaian hasil uji coba sesuai yang diharapkan yaitu linier. Untuk mengoperasikan sistem pengukur grafik respon frekuensi filter berbasis IBM PC, dengan pemrograman Pascal, pertama-tama sambungkan semua kabel pada slot yang telah ditentukan. 135 Jajat Yuda Mindara, dkk Hidupkan box, hidupkan komputer, lalu jalankan program RESPON.PAS. Sesaat setelah program dijalankan maka akan tampil program menu utama seperti pada Gambar 4a. Tampak logo dan menu pilihan, ukur, data, Grafik keluar, dan kondisi memory standar komputer. Bila piilih submenu Ukur, maka pada layar monitor akan tampil sesuai Gambar 4.b. akan tampil pilihan Ukur atau Batal. Jika pilih ukur, dan rangkaian uji adalah LPF maka akan tampil layar seperti pada Gambar 5a. Tampak frame untuk grafik respon frekuensil, frame harga Gain dan vaariabel frekuensi. Jika pengukuran sukses akan muncul frame permintaan direkam atau tidak direkam ke file. Bila “Ya” akan tampil permintaan nama file. DAMP-F/V-V/F CATU DAYA ADC - DAC Gambar 3. Board Uji Pearantara ADC-DAC Dan Pengkodisi Sinyal (a) (b) Gambar 4. (a) Logo Menu Utama (b) Pilihan Ukur atau Batal (a) (b) Gambar 5. (a) Grafik Respon Frekuensi (b) Data Grafik Respon Frekuensi 136 Desain Rangkaian Untuk Pengukur Respon Frekuensi Filter Berbasis Komputer…... Misal ditulis “Respon1.Txt” maka data hasil pengukuran telah disimpan pada file tersebut. Submenu Data adalah untuk menampilkan tabel data hasil ukur, seperti ditunjukkan pada Gaambar 5b, yaitu dengan cara meload File. Saat menu ini dijalankan akan tampil permintaan nama file, setelah di-entry nama file maka akan muncul pola menu seperti pengukuran dan hasil. Submenu Grafik adalah untuk menampilkan kembali grafik respon frekuensi ukur dengan cara meload File. Saat menu ini dijalankan akan tampil permintaan nama file, setelah di-entry nama file maka akan muncul pola menu seperti pengukuran dan hasil. Bila memilih submenu Keluar maka akan keluar dari program, atau dapat juga menekan “Esc” pada keyboard dan akan langsung kembali pada tampilan windows. LPF 1.2 1 Gain 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 210 420 630 840 1050 1260 1470 1680 1890 2100 2310 2520 Frekuensi (Hz) Gambar 6. Hasil Uji coba Grafik Respon High Pass Filter HPF 1.2 1 Gain 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 210 420 630 840 1050 1260 1470 1680 1890 2100 2310 2520 Frekuensi (Hz) Gambar 7. Hasil Uji coba Grafik respon High Pass Filter BPF 1.2 1 Gain 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 210 420 630 840 1050 1260 1470 1680 1890 2100 2310 2520 Frekuensi (Hz) Gambar 8. Hasil Uji coba Grafik respon Band Pass Filter REJECT 1.2 1 Gain 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 210 420 630 840 1050 1260 1470 1680 1890 2100 2310 2520 Frekuensi (Hz) 137 Jajat Yuda Mindara, dkk Gambar 9. Hasil Uji coba Grafik respon Rejektor Filter Uji coba pengukuran dilakukan dengan pemrograman Pascal dalam memperbesar resolusi grafik Reson frkuensi dibantu paket program Excel. Gambar 6 menunjukkan hasil rekam dengan pascal dan visualisasi grafik excel untuk Rangkaian uji filter lowpass dengan frekuensi cut 500 Hz . Gambar 7. menunjukkan hasil rekam dengan pascal dan visualisasi grafik excel untuk Rangkaian uji filter high pass frekuensi cut 1880 Hz. Gambar 8. menunjukkan hasil rekam dengan pascal dan visualisasi grafik excel untuk Rangkaian uji filter Bandpass dengan frekuensi cut bawah 320Hz dan frekuensi cut atas 780Hz. Gambar 9. menunjukkan hasil rekam dengan pascal dan visualisasi grafik excel untuk Rangkaian uji filter Rejektor dengan frekuensi cut bawah 190Hz dan frekuensi cut atas 1280Hz. 4. Kesimpulan Telah dirancang rangkaian sistem pengukur garfik respon filter. Sistem yang didesain menggunakan Perantara ADC MAX195 dan DAC0808. Dengan linearitas ADC: Data=13107V+25. Dengan korelasi r sebesar 0,98317’ Untuk DAC persamaan V= 0,0196Data+0,01, dengan korelasi r sebesar 0,98317 Untuk (V/F) F=998,979.V+5,105. Untuk (V/F) V= 0,0009897F+0,0515. Untuk DAMP, V= 0,98Vm+0,0515. Sesuai hasil memiliki karakteristik Linier. Perangkat Lunak dengan bahasa pemrograman pascal, akses ADC-DAC, visualisasi grafik dan data sesuai dengan algoritmanya. Hasil pengujian HPF, LPF, BPF dan Reject respon grafik menunjukkan karakteristiknya. Daftar Pustaka 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 138 J.W.Confron, The IBM Connectio, Sybex 1980. L.C.Eggebrecht, Interfacing to The IBM PC, By Howard W.Sams & Co, 1993. W.D.Cooper, Electronic Instrumentation Measuremen Tehnique, fourth edition, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.Y USA 1998. S.E.Derenzo, Interfacing, Prentice Hall,1990. Wolfgang Link, Pengukuran Pengendalian dan Pengaturan dengan PC, Terjemahan Gramedia 1993. A.P Malvino, Digital Principles And Application, Mc.Graw Hill 1987. Borland Turbo Pascal User’s Guide V.5, Scot Valley, CA Borland International,1988. A.P Malvino, Digital Computer Electronics, Mc.Graw Hill, Inc 1990. Data Sheet,AD0808, ADMAX195, AD7805, CMOS,TTL National Semikonduktor Dikat Praktikum Instrumentasi Pengukuran Dan Kendali, Lab.Instrumentasi Fisika Unpad Desain Rangkaian Untuk Pengukur Respon Frekuensi Filter Berbasis Komputer…... 11. 12. Darold Wobschall, Circuit Design For Electronic Instrumentation, Mc.Graw-Hill.Inc, 1987 Elektur, 300,301, 302 Circuit, by elektuur, 1999. 139