33 BAB III PENGKONDISIAN SINYAL DIGITAL TUJUAN

BAB III
PENGKONDISIAN SINYAL DIGITAL
TUJUAN PEMBELAJARAN
Dalam bab ini, prinsip-prinsip dasar dari elektronika digital dan pemrosesan sinyal
digital dibahas dengan penekanan khusus pada teknik konversi digital ke analog dan
analog ke digital (A/D), dan sistem akuisisi data. Setelah membaca hal ini, anda
diharapkan dapat:
1. Mengembangkan persamaan Boolean untuk sebuah permasalahan sederhana
alarm proses kontrol.
2. Mengimplementasikan sebuah desain alarm kontrol proses dengan rangkaian
digital dan komparator.
3. Menentukan representasi suatu biner pecahan dan bilangan desimal.
4. Membuat diagram dasar DAC dan menjelaskan cara kerjanya.
5. Membuat diagram suatu pendekatan successive ADC dan menjelaskan cara
kerjanya.
6. Menentukan resolusi konversi dari ADC dan DAC.
7. Membuat sistem akuisisi data.
3.1
PENDAHULUAN
Alasan untuk konversi ke dalam elektronika digital adalah keinginan
perkembangan untuk mempergunakan komputer digital dalam proses industri. Secara
normal, komputer memerlukan informasi yang dikodekan dalam bentuk digital sebelum
dapat dipergunakan. Pertanyaan mengenai kebutuhan untuk pengkondisian sinyal digital
menjadi sebuah pertanyaan mengapa komputer sangat banyak digunakan di dalam
industri. Hal ini benar-benar hal kompleks dan banyaknya dapat ditulis berulang-ulang.
Dengan menyebutkan beberapa alasan yang akan dinyatakan, seperti yang akan
didiskusikan lebih lanjut yaitu. (1) kemudahan dengan menggunakan untuk
mengendalikan suatu sistem kontrol proses multivariabel, (2) melalui pemrograman
komputer, nonlinieritas di dalam output transduser dapat dilinierkan, (3) persamaan
kontrol yang rumit dapat diselesaikan untuk menentukan fungsi kontrol yang
diperlukan, dan (4) kemampuan untuk mengubah rangkaian pemroses digital yang
kompleks dalam bentuk mikro seperti integrated circuits (IC). Sungguh, dengan
pengembangan chip mikroporsesor, seluruh komputer dapat diimplementasikan pada
satu papan rangkaian tercetak (PCB). Teknologi ini tidak hanya mengurangi ukuran
fisik, namun juga dapat mengurangi konsumsi daya serta rata-rata kegagalan.
3.2
DASAR-DASAR DIGITAL
Pekerjaan untuk meahami aplikasi dari teknik digital pada kontrol proses
memerlukan sebuah dasar mengenai elektronika digital dasar. Desain dan implementasi
dari sistem logika kontrol dan sistem kontrol mikrokomputer memerlukan pemahaman
mendalam yang hanya dapat diperoleh setelah melewati kursus yang berkaitan dengan
hal tersebut. Dalam tulisan ini, kami harap untuk para pembaca memiliki latar belakang
yang cukup sehingga dapat menyadari fitur penting dari desain elektronika digital dan
aplikasinya pada kontrol proses.
33
3.3.1
Detektor Kesalahan
Penggunaan teknik digital dalam kontrol proses memerlukan pengukuran
variabel dinamik dan informasi yang dikodekan ke dalam suatu bentuk digital. Sinyal
digital sendiri merupakan level dua keadaan (biner) dari tegangan pada suatu kabel.
Kemudian kita membahas informasi digital sebagai kondisi high (H atau 1) atau kondisi
rendah (L atau 0) pada suatu kabel yang membawa sinyal digital.
WORD DIGITAL
Diberikan suatu informasi biner yang sederhana yang dibawa oleh sinyal digital,
sangatlah jelas bahwa suatu penyusunan yang lebih kompleks harus digunakan untuk
menyatakannya ke dalam bentuk analog. Pada umumnya, hal ini dilakukan dengan
mempergunakan suatu susunan level digital untuk menyusun suatu word. Level digital
tunggal disebut sebagai bit suatu word. Misalnya, suatu word 6-bit terdiri 6 level digital
yang tidak bergantung satu sama lain yaitu 101011 yang bisa dianggap sebagai bilangan
6 digit dengan basis dua. Pertimbangan yang utama adalah bagaimana informasi kontrol
proses didekodekan ke dalam word digital ini.
BILANGAN BULAT DESIMAL
Salah satu hal umum untuk mengkodekan data analog ke dalam suatu word
digital adalah mempergunakan perhitungan langsung representasi desimal (basis 10)
dan biner. Prinsip dari hal ini dibahas dalam Lampiran A-2 bersama-sama dengan
representasi oktal dan heksadesimal.
BILANGAN HEXA DAN OKTAL
Sangatlah tidak praktis bagi manusia untuk bekerja dengan word digital yang
diekspresikan sebagai angka dalam representasi biner. Untuk alasan inilah dipergunakan
representasi oktal (basis 8) atau heksadesimal (basis 16, disebut hex) yang dijelaskan
dalam Lampiran A-2. Bilangan oktal terbentuk dari pengelompokan tiga digit biner,
dimana 0002 adalah 08 dan 1112 adalah 78. Sehingga sebuah bilangan biner 1010112
adalah ekivalen dengan 538. Bilangan heksadesimal diperoleh secara mudah dari
pengelompokan empat digit biner, sehingga 00002 adalah 0h dan 11112 adalah FFh.
Huruf h kecil dipergunakan untuk menandakan suatu bilangan heksadesimal daripada
penggunaan subskrip 16. Perlu diingat bahwa urutan penghitungan heksadesimal adalah
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, dan F yang mencakup semua kondisi yang
mungkin. Karena mikrokomputer seringkali mempergunakan word 4-bit, 8-bit, atau 16bit, notasi heksadesimal sangat sering dipergunakan. Di dalam heksadesimal, sebuah
angka biner seperti 101101102 dapat ditulis sebagai B6h.
3.3.2
Bilangan Biner Pecahan
Meskipun jarang dipergunakan, sangatlah mungkin untuk menentukan sebuah
bilangan biner pecahan dengan cara yang sama seperti bilangan bulat hanya dengan
mempergunakan 1 dan 0 dari sistem perhitungan. Bilangan semacam itu, seperti dalam
kerangka kerja desimal, merepresentasikan pembagian dari sistem perhitungan yang
menghasilkan nilai kurang dari satu.
N10 = b1 2-1 + b2 2-2 + . . . + bm 2-m
Dimana
N10
b1b2 . . . bm-1bm
= bilangan basis 10 kurang dari satu
= bilangan basis 2 kurang dari satu
34
(3-1)
m
= jumlah digit dalam bilangan basis 2
Konversi suatu bilangan basis 10 yang kurang dari 1 menjadi ekivalen biner
malewati suatu prosedur dimana dilakukan perkalian berulang dengan 2. Hasil dari
masing-masing perkalian akan menjadi bagian pecahan dan termasuk bagian bulat 1 dan
0, yang menentukan apakah digit tersebut adalah 0 dan 1. Perkalian pertama
menghasilkan bit b1, sedangkan terakhir perkalian terakhir yang maenghasilkan 0 atau 1
adalah untuk bit bm.
3.3.3
Aljabar Boolean
Di dalam dunia industri, suatu kondisi analog hadir secara relatif terhadap
pengaruh internal dan eksternal pada proses manufakturing, dan ketika kita
mengendalikan sebuah proses kita sedang mengajari suatu respon sistem kontrol pada
harga observasi benar/salah. Pengajaran ini dapat terdiri dari desain rangkaian
elektronik yang secara logis (logically) dapat mengevaluasi kondisi harga benar/salah
dan menentukan beberapa aksi kondisi awal yang sesuai. Untuk mendesain sistem
elektronik semacam itu, pertama-tama kita harus dapat mengekspresikan input secara
matematis, evaluasi logika, dan output yang berhubungan. Aljabar Boolean adalah
sebuah prosedur mateematis yang memungkinkan kombinasi kondisi benar/salah dalam
bermacam operasi logika sehingga konklusi dapat diturunkan. Untuk mencapai tujuan
ini, kita tidak memerlukan keahlian dalam teknik Boolean tidak lebih hanya suatu
pendekatan dengannya untuk mengaplikasikannya pada lingkungan kontrol proses.
Sebelum sebuah permasalahan khusus di dalam industri dapat
diimplementasikan dengan menggunakan elektronika digital, permasalahan ini harus
dianalisa di dalam bentuk yang sesuai dengan sifat biner dari teknik digital. Secara
umum, hal ini dilakukan dengan menyatakan permasalahan di dalam bentuk suatu
kondisi harga benar/salah yang harus diaplikasikanuntuk menurunkansejumlah hasil
yang diinginkan. Harga-harga kondisi ini kemudian dinyatakan ke dalam bentuk satu
atau lebih persamaan Boolean. Kita akan melihat di dalam subbab berikutnya bahwa
persamaan Boolean sudah dalam bentuk yang siap diimplementasikandengan rangkaian
logika yang ada. Pendekatan matematis dari aljabar Boolean membantu kita untuk
menulis sebuah ekspresi analitis untuk merepresentasikan ketentuan tersebut.
Gambar 3.1 Kondisi untuk aplikasi contoh SubBab 3.2.3
35
Mari kita anggap sebuah contoh sederhana bagaimana persamaan Boolean dapat
dihasilkan dari suatu permasalahan praktis. Anggap sebuah tangki pencampur yang
memiliki tiga variabel yang penting: level cairan, tekanan, dan temperatur.
Permasalahan adalah dimana kita harus memberi sinyal sebuah alarm ketika kombinasi
tertentu dari kondisi yang terjadi di antara variabel-variabel ini. Dengan melihat Gambar
3.1, kita notasikan level dengan A, tekanan dengan B, dan temperatur dengan C, dan
anggap bahwa nilai batas telah diberikan untuk masing-masing variabel sehingga
variabel Boolean 1 atau 0 sebagai kuantitas fisik di atas atau di bawah nilai batas. Alarm
akan dipicu ketika variabel Boolean D menuju ka kondisi logika true. Kondisi alarm
adalah:
1. Level rendah dengan tekanan tinggi.
2. Level tinggi dengan temperatur tinggi.
3. Level tinggi dengan temperatur rendah dan tekanan tinggi.
Sekarang kita menentukan sebuah ekspresi Boolean yang akan memberikan D = 1 untuk
masing-masing kondisi
1. D = A ⋅ B akan memberikan D = 1 untuk kondisi (1).
2. D = A ⋅ C akan memberikan D = 1 untuk kondisi (2).
3. D = A ⋅ C ⋅ B akan memberikan D = 1 untuk kondisi (3).
Persamaan logika akhir dihasilkan oleh menggabungkan semua ketiga kondisi tersebut
sehingga jika ada yang berlogika benar (true) alarm akan berbunyi (D = 1). Hal ini
dapat digunakan dengan operasi OR
D = A⋅B + A⋅ C + A⋅ C ⋅ B
(3-2)
Sekarang, persamaan ini akan membentuk langkah awal untuk mendesain rangkaian
elektronika digital yang akan melakukan operasi yang ditunjukkan.
3.3.4
Elektronika Digital
Blok elektronika pembangun dari elektronika digital didesain untuk bekerja pada
level biner yang muncul pada jalur sinyal digital. Blok pembangun yang dimaksud
berdasar pada beberapa tipe rumpun rangkaian elektronika, seperti yang dibahas dalam
Lampiran A-2, yang memiliki ketentuan spesifik mengenai suplai daya dan level
tegangan dari kondisi 1 dan 0. Strukur dasar melibatkan penggunaan logika AND/OR
dan logika NAND/NOR untuk mengimplementasikan persamaan Boolean.
CONTOH
Kembangkan sebuah rangkaian digital dengan menggunakan gerbang AND/OR yang
mengimplentasikan persamaan yang dikembangkan dalam SubBab 3.2.3.
SOLUSI
Masalah yang diragakan dalam SubBab 3.2.3 (dengan Gambar 3.1) memiliki sebuah solusi
persamaan Boolean
D = A⋅B + A⋅ C + A⋅ C ⋅ B
36
(3-2)
Implementasi persamaan ini dengan mempergunakan erbang AND/OR yang
diperlihatkan dalam Gambar 3.2. Perlu diketahui bahwa AND, OR, dan inverter
dipergunakan dalam implementasi yang jelas dari persamaan ini.
Gambar 3.2. Solusi untuk Contoh diatas
3.3
KONVERTER
Alat bantu digital yang paling penting untuk teknologi kontrol proses adalah
yang menerjemahkan informasi digital ke bentuk analog dan juga sebaliknya. Sebagian
besar pengukuran variabel-variabel dinamik dilakukan oleh piranti ini yang
menerjemahkan informasi mengenai vaiabel ke bentuk sinyal listrik analog. Untuk
menghubungkan sinyal ini dengan sebuahkomputer atau rangkaian logika digital, sangat
perlu untuk terlebih dahulu melakukan konversi analog ke digital (A/D). Hal-hal
mengenai konversi ini haris diketahui sehingga ada keunikan, hubungan khusus antara
sinyal analog dan digital. Seringkali, situasi yang sebaliknya terjadi dimana sinyal
digital diperlukan untuk menggerakkan sebuah piranti analog. Dalam hal ini, diperlukan
sebuah konverter digital ke analog (D/A).
3.3.1
Komparator
Bentuk komunikasi yang paling mendasar antara wujud digital dan analog
adalah piranti (biasanya berupa IC) disebut komparator. Piranti ini, yang diperlihatkan
secara skematik dalam Gambar 3.4, secara sederhana membandingkan dua tegangan
pada kedua terminal inputnya. Bergantung pada tegangan man yang lebih besar,
outputnya akan berupa sinyal digital 1 (high) atau 0 (low). Komparator ini digunakan
secara luas untuk sinyal alarm ke komputer atau sistem pemroses digital. Elemen ini
juga merupakan satu bagian dengan konverter analog ke digital dan digital ke analog
yang akan didiskusikan nanti.
Gambar 3.4 Sebuah komparator merubah keadaan logika output
sesuai fungsi tegangan input analog
37
Sebuah komparator dapat tersusun dari sebuah opamp yang memberikan output
terpotong untuk menghasilkan level yang diinginkan untuk kondisi logika (+5 dan 0
untuk TTL 1 dan 0). Komparator komersil didesain untuk memiliki level logika yang
dperlukan pada bagian outputnya.
3.3.2
Konverter Digital ke Analog (DAC)
Sebuah DAC menerima informasi digital dan mentransformasikannya ke dalam
bentuk suatu tegangan ananlog. Informasi digital adalah dalam bentuk angka biner
dengan jumlah digit yang pasti. Khususnya ketika dipergunakan sebagai penghubung
dengan sebuah komputer, angka biner ini disebut word biner atau word komputer.
Digit-digit tersebut disebut bit word. Sehingga, sebuah word 8 bit akan memberikan
sebuah angka biner yang memiliki delapan digit, seperti 101101102. Konverter D/A
mengonversi sebuah word digital ke dalam sebuah tegangan analog dengan
memberikan skala output analog berharga nol ketika semua bit adalah nol dan sejumlah
nilai maksmum ketika semua bit adalah satu. Hal ini dapat direpresentasikan secara
matematis dengan memperlakukan angka biner sebagai angka pecahan. Dalam konteks
ini, output dari konverter D/A dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan (3.1)
yang memberikan skala dari sejumlah tegangan referensi.
Vx = VR [b12–1 + b22– 2 + . . . + bn2 – n ]
(3-3)
Dimana
Vx = output tegangan analog
VR = tegangan referensi
b1 b2 . . . bn = word biner n-bit
Perlu diketahui bahwa minimum dari Vx adalah nol, dan harga maksimum
ditentukan oleh ukuran dari word biner, karena dengan semua bit yang diset berharga
satu, ekivalen desimal mendekati harga VR sesuai dengan peningkatan jumah bit.
Sehingga sebuah word 4-bit memiliki harga maksimum
Vmax = VR [2–1 + 2– 2 + 2– 3 + 2 – 4 ] = 09375 VR
Sedangkan sebuah word 8-bit mamiliki harga maksimum
Vmax = VR [2–1 + 2– 2 + 2– 3 + 2 – 4 + 2–5 + 2– 6 + 2– 7 + 2 – 8 ] = 09961 VR
RESOLUSI KONVERSI
Resolusi konversi juga merupakan sebuah fungsi jumlah dari bit-bit yang ada
dalam word. Lebih banyak bit, lebih kecil perubahan di dalam output analog untuk
perubahan 1-bit di dalam word biner sehingga resolusi semakin besar. Perubahan
terkecil yang mungkin terjadi secara sederhana dinyatakan oleh
∆Vx = VR 2 – n
(3-4)
Dimana
∆Vx = perubahan output terkecil
VR = tegangan referensi
n = jumlah bit-bit di dalam word
sehingga, sebuah konverter D/A word 5-bit dengan tegangan revferensi 10 volt
akan menghasilkan perubahan sebesar ∆Vx = (10) (2 – 5) = 0.3125 volt per volt.
38
Gambar 3.6 Diagram yang memperlihatkan input dan output dari
konverter digital ke analog (DAC) n-bit.
KARAKTERISTIK DAC
Untuk aplikasi modern hampir semua DAC berupa rangkaian terintegrasi (IC), yang
diperlihatkan sebagai kotak hitam memiliki karakteristik input dan output tertentu.
Dalam Gambar 3.6, kita lihat elemen penting dari DAC dengan input dan output yang
diinginkan. Karakteristik yang berkaitan dapat diringkas oleh referensi dari gambar ini.
1. Input Digital. Secara khusus, jumlah bit dalam sebuah word biner paralel
disebutkan di dalam lembar spesifikasi. Biasanya, level logika TTL
dipergunakan kecuali dikatakan lain.
2. Catu Daya. Merupakan bipolar pada level ± 12 V hingga ± 18 V seperti yang
dibutuhkan oleh amplifier internal.
3. Suplai Referensi. Diperlukan untuk menentukan jangkauan tegangan output dan
resolusi dari konverter. Suplai ini harus stabil, memiliki riple yang kecl. Dalam
beberapa unit, diberikan referensi internal.
4. Output. Sebuah tegangan yang merepresentasikan input digital. Tegangan ini
berubah dengan step sama dengan perubahan bit input digital dengan step yang
ditentukan oleh Persamaan (3-4). Output aktual dapat berupa bpolar jika
konverter didesain untuk menginterpretasikan input digital negatif.
5. Offset. Karena DAC biasanya diimplementasikan dengan op-amp, maka
mungkin adanya tegangan output offset dengan sebuah input nol. Secara khusus,
koneksi akan diberikan untuk mendukung pengesetan ke harga nol dari output
DAC dengan input word nol.
6. Mulai konversi. Sejunlah rangkaian DAC memberikan sebuah logika input yang
mempertahankan konversi dari saat terjadinya hingga diterimanya sebuah
perintah logika tertentu (1 atau 0). Dalam ini, word input digital diabaikan
hingga diterimanya input logka tertentu.
Dalam sejumlah hal, sebuah buffer input diberikan untuk memegang (hold)
word digital selama dilakukannya konversi hingga selesai, bahkan word ini sendiri
dapat muncuk pada jalur input hanya dalam waktu singkat. Buffer-buffer ini biasanya
39
berupa flip-flop (FF) yang yang dimasukkan di antara terminal-terminal input dari
konverter dan jalur digital.
STRUKTUR DAC
Jelasnya, sebuah DAC dipergunakan sebagai kotak hitam (black box), dan tidak ada
pengetahuan mengenai cara kerja internal diperlukan. Ada beberapa hal penting ntuk
menunjukkan bagaimana konversi dapat diimplementasikan. Konversi yang paling
sederhana mempergunakan sebuah suatu deretan op-amp ntuk input dengan tujuan
dipilih penguatan yang memberikan suatu output sesuai dengan Persamaan (3-3).
Macam yang paling umum adalah mempergunakan sebuah jaringan ladder resistif untuk
menghasilkan fungsi transfer. Jaringan ini diperlihatkan dalam Gambar 3.7 dalam hal
konverter 4-bit. Dengan pilihan resistor R-2R, dapat diperlihatkan malaui analisis
jaringan dimana teganganoutput diberikan oleh Persamaan (3-4). Saklar merupakan
saklar analog elektronik.
Gambar 3.7 Jaringan ladder merupakan suatu contoh untuk sebuah
rangkaian umum untuk konverter D/A.
DAC SERIAL
Dalam sejumlah kasus, word digital merupakan tipe serial pada jalur input selain bit
paralel. Dalam hal ini, diperlukan baik konverter serial maupun konverter serial ke
paralel, dengan output bufer.
3.3.3
Konverter Analog ke Digital (ADC)
Meskipun ada beberapa transduser yang memberikan output sinyal digital secara
langsung dan sdang dikembangkan, sebagian besar transduser tetap hanya
mengkonversi variabel dinamik ke dalamsebuah sinyal lsitrik analog. Dengan
peningkatan penggunaan logika digital dan komputer di dalam kontrol proses, sangat
[erlu untuk mempergunakan sebuah DAC untukmenhasilkan sebuah output yang
dikodekan secara digital. Fungsi transfer dari ADC dapat diekspresikan dengan cara
yang sama denga Persamaan (3-3) dalam sejumlah tegangan analog yang diberikan
sebagai nput, dan konverter mendapatkan sebuah bilangan biner yang jika
disubstitusikan ke dalam Persamaan (3-3) memberikan input analog. Sehingga
40
Vx = VR [b12–1 + b22– 2 + . . . + bn2 – n ]
(3-5)
Dimana
Vx = input tegangan analog
VR = tegangan referensi
b1 b2 . . . bn = output digital n-bit
Kita mempergunakan kesamaan pendekatan dalam ersamaan ini karena tegangan di
sebelah kanan dapat berubah oleh ukuran step yang terbatas oleh Persamaan (3-4),
∆V = VR 2 – n
(3-4)
Hal ini berarti bahwa ada ketidakpastian dari ∆V di dalam melakukan konversi dari
tegangan analog ke snyal digital. Ketidakpastian ini harus diambil ke dalam
perhitungan di dalam aplikasi desain. Jika permasalahan sesuai dengan pertimbangan
menentukan suatu resolusi tertentu terhadap tegangan analog, maka ukuran word dan
referensi harus dipilih ntuk mendapatkan resolusi ini dalam bilangan yang
dikonversikan ke bilangan digital.
STRUKTUR A/D
Hampir semua ADC yang tersedia dalam bentuk rakitan rangkaian terintegrasi
(IC) yang dapat dianggap sebagai kotak hitam (black box). Untuk dapat benar-benar
mengenal karakteristik dari piranti ii, sangatlah penting untuk memeriksa teknik standar
yang dipergunakan untuk melakukan konversi. Ada dua metoda yang dipergunakan
untuk melakukan konversi yang merepresentasikan pendekatan yang sangat berbeda
untuk permasalahan konversi.
ADC PARALEL – FEEDBACK
Konverter A/D paralel-feedback menerapkan sistem umpan balik (feedback)
untuk melakukan konversi seperti diperlihatkan pada Gambar 3.8. Pada dasarnya,
sebuah komparator dipergunakan untuk membandingkan tegangan input Vx terhadap
sebuah tegangan umpan balik VP yang berasal dari sebuah DAC seperti tampak dalam
gambar. Komparator menghasilkan sinyal yang menggerakkan sebuah jaringan logika
yang menaikkan output digital (dan juga input DAC) hingga komparator
mengindikasikan dua sinyal adalah sama sesuai resolusi dari konverter. Konverter
paralel-feedback yang paling populer adalah pendekatan successive. Pada piranti ini,
susunan rangkaian logika dibuat secara successive dan menguji setiap bit, dimulai
dengan bit paling penting (MSB) dari word. Kita memulainya dengan semua bit nol.
Dari sini, operasi pertama adalah dengan mengeset b1 = 1 dan menguji VF = VR 2 – 1
terhadap Vx melalui komparator.
41
Gambar 3.8 Konverter A/D tipe pendekatan successive sangat
umum digunakan dan melibatkan penggunaan konverter D/A.
Jika Vx lebih besar, maka b1 adalah satu; b2 diset ke 1 dan dilakukan test bagi Vx
terhadap VV = VR(2 – 1 + 2 – 2 ), dan seterusnya.
Jika Vx lebih kecil dari VR2–1, maka b1 direset ke nol; b2 diset ke 1 dan
dilakukan test bagi Vx terhadap VR 2 – 2. Proses ini diulang hingga bit terendah (least
significant bit) dari word. Operasi yang terjadi paling baik diilustrasikan melalui
contoh.
A/D RAMP
Konverter A/D tipe ramp pada intinya membandingkan tegangan input
terhadap tegangan ramp yang naik secara linier. Sebuah pencacah (counter) biner
diaktifkan untuk mencacah step ramp sampai tegangan ramp sama dengan input. Ramp
ini sendiri dihasilkan oleh sebuah rangkaian integrator op-amp, yang didiskusikan
dalam SubBab 2.5.6.
Gambar 3.9 Konverter A/D slope ganda mempergunakan integrator
op-amp, komparator, dan rangkaian digital yang berkaitan.
42
A/D RAMP SLOPE GANDA
ADC ini merupakan tipe yang paling umum dari konverter ramp. Diagram yang
disederhanakan dari piranti ini diperlihatkan pada Gambar 3.9. Prinsip kerjanya
berdasar pada kemampuan sinyal input untuk menggerakkan integrator untuk waktu
tetap T1, sehingga menghasilkan sebuah output
1
Vx dt
(3-6)
RC ∫
atau karena Vx adalah konstan,
1
V1 =
T1 Vx
(3-7)
RC
Setelah waktu T1, input integrator secara elektronis tersaklar pada suplai referensi yang
bernilai negatif. Kemudian komparator melihat sebuah tegangan input yang berkurang
dari V1 sebagai
V1 =
1
VR dt
(3-8)
RC ∫
atau , karena VR adalah konstan dan V1 diperoleh dari Persamaan (3-7),
1
1
(3-9)
V2 =
T1 Vx −
t VR
RC
RC
sebuah pencacah diaktifkan pada waktu T1 dan mencacah hingga komparator
mengindikasikan V2 = 0 pada waktu tx, Persamaan (3-9) mengindikasikan bahwa Vx
sebesar
V2 = V1 −
tx
(3-10)
VR
T1
Sehingga, waktu pencacah tx adalah linier terhadap Vx dan juga tidak bergantung pada
karakteristik integrator, yaitu R dan C. Prosedur ini diperlihatkan dalam diagram waktu
pada Gambar 3.10 konversi dimulai sinyal digital konversi mulai (start) dan selesai
(complete) jugadipergunakan dalam piranti ini, dan (dalam beberapa kasus) referensi
internal atau eksternal dapat dipergunakan.
Vx =
Gambar 3.10 Konverter A/D slope ganda mencacah waktu yang diperlukan
untuk zero crossing output integrator dari sebuah input yang diketahui.
KARAKTERISTIK UMUM
Sejumlah besar fitur umum yang mungkin dimiliki oleh konverter A/D, yang penting
dalam aplikasi:
43
1. Input. Biasanya berupa level tegangan analog. Level yang paling umum adalah
0 – 10 volt atau –10 hingga +10 jika dimungkinkan konversi bipolar. Dalam
beberapa kasus, level ditentukan oleh sebuah referensi suplai eksternal.
2. Output. Sebuah word biner paralel atau serial yang merupakan hasil pengkodean
input analog.
3. Referensi. Stabil, sumber dengan ripple kecil terhadap konversi.
4. Suplai Daya. Biasanya, sebuah suplai bipolar ±12 hingga ±18 V diperlukan
untuk amplifier analog dan komparator dan sebuah suplai +5 V untuk rangkaian
digital.
5. Input Sample and Hold. Error timbul jika tegangan inputberubah selama proses
konversi. Untuk alasan ini, sebuah amplifier sample and hold selalu
dipergunakan pada input untuk memberikan sebuah tegangan input tetap ntuk
proses konversi.
6. Sinyal digital. Sebagian besar ADC memerlukan sebuah logika input tinggi
pada jalur yang diberikan untukmenginisialisasi proses konversi. Ketika
konversi selesai, ADC biasanya memberikan sebuah level tegangan tinggi pada
jalur lainnya sebagai indikator untuk mengikuti perlengkapan status.
7. Waktu konversi. ADC harus berurutan melalui sebuah set operasi sebelum dapat
menemukan output digital yang diinginkan. Untuk alasan ini, sebuah bagian
penting dari spesifikasi adalah waktu yang diperlukan untuk konversi. Waktu
adalah 10 – 100 µs bergantung pada jumlah bit dan desain dari konverter.
3.4
SISTEM OUTPUT DAN AKUISISI DATA
Sebuah komputer digital dapat melakukan sejumlah besar perhitungan dalam
hitungan detik, karena waktu tipikal yang diperlukan untuk mengeksekusi satu instruksi
dapat hanya beberapa mikrodetik. Sebagai contoh, sebuah mikroprosesor dapat
menjumlakan dua bilangan biner 8-bit dalam waktu 2 µs. sebaliknya, sebagian besar
instalasi kontrol proses melibatkan variasi variabel proses dengan skala waktu hitungan
menit. Untuk alasan ini dan alasan lainnya yang dibicarakan dalam Bab 10, penggunaan
efisien dari komputer dalam kontrol proses dimaksudkan agar sebuah komputer tunggal
dapat mengendalikan sejumlah variabel. Untuk melakukan hal ini, secara periodik
komputer akan mengambil sampel harga dari masing-masing variabel, mengevaluasi
harga tersebut sesuai denganoperasi kontrol terprogram, dan mengeluarkan output
sebuah sinyal pengontrol yang sesuai untuk elemen kontrol final. Di bawah kontrol
program, komputer memilih variabel terkontrol lainnya, mengambil sampel,
mengevaluasi, dan menghasilkan output, dan begitu seterusnya untuk sema loop di
bawah kontrol tersebut. Mengambil sebuah sampel angka dari dnia nyata ke dalam
komputer tidaklah mudah. Hal ini membutuhkan sebuah kombinasi hardware dan
software (program) untuk memungkinkan bagi komputer membaca bilangan yang
merepresentasikan sejumlah variabel proses, seperti temperatur, tekanan, dan lain-lain.
Keseluruhan proses melakukan hal ini, dan mengembalikannya sebagai output,
semuanya ini disebut interface. Sekarang, seseorang daat mengambil sebuah ADC dan
beberapa amplifier yang perlu dan menulis sebuah program yang diperlukan untuk
bekerja bersama-sama dengan sebuah interface untuk sejumlah komuter untuk sebuah
aplikasi proses. jika komputer dipergunakan untukmengendalikan beberapa loop, kita
akan memerlukan sistem tersebut untuk masing-masing variabel sebagai input. Selain
itu, untuk mengambil input kita dapat mempergunakan sebauh sistem akuisisi data
(Data Acquisition System – DAS) yang memungkinkan lebih dari satu variabel untuk
diambil sampelnya dari beberapa sumber untuk dimasukkan ke dalam komputer dengan
44
pemrograman yang sesuai. Begitu juga, sebuah modul output data (Data Output
Module – DOM) memungkinkan komputer untuk mengeluarkan sinyal output untuk
lebih dari satu sumber di bawah kontrol program.
3.5
Sistem Akuisisi Data (DAS)
Ada banyak tipe yang berbeda dari sistem akuisisi data, namun sangatlah
mungkin untuk generalisasi elemen paling pentingnya seperti diperlihaktan pada
Gambar 3.12. Paragraf di bawah menyajikan deskripsi umum dari masing-masing blok
dari DAS. Perlu diketahui bahwa hampir semua sistem akuisisi data tersedia dalam
bentuk modul kecil yang berisi rangkaian-rangkaian yang diperlihatkan dalam Gambar
3.12. Pada umumnya, modul menerima sejumlah input analog, yang disebut kanal
(channel), baik sebagai sinyal tegangan differensial (dua kawat – two wire) maupun
sinyal tegangan tunggal (terhadap ground). Secara khusus, sebuah sistem dapat
memiliki delapan kanal input differensial atau enam belas kanal input tunggal.
Kemudian komputer dapat memilih salah satu dari kanal-kanal tersebut dibawah
kontrol program untuk input data di dalam kanal.
Gambar 3.12 Sistem akuisisi data
DEKODER ALAMAT
Bagian dari DAS ini menerima sebuah input dari komputer melalui jalur alamat
(16 bit untuk mikroprosesor 8-bit) yang berfungsi memilih sebuah kanal analog tertentu
yang akan diambil sampelnya. Modul iniseringkali didesain sedemikian rupa sehingga
gabungan dari kanal tertentu dan sebuah word alamat komputer dapat dipilih oleh
pemakai (user). Dalam beberapa hal, hal ini dilakukan dengan membuat alamat kanal
modul muncul pada komputer sesuai dengan alamat lokasi memori, hal ini terkadang
dipilih sejmlah kanal input analog. Dengan kata lain, pemilihan kanal input adalah
ekivalen dengan pembacaan isi dari sebuah lokasi memori. Dalam sistem yang lain,
sebuah kode biner dikirim dari komputer melalui piranti khusus input/ output untuk
memilih sebuah kanal analog dan memasukkan data melalui kanal tersebut. Dalam hal
ini, pemilihan kanal dilakukan oleh sesuatu yang disebut piranti pemilih kode (device
select code).
45
MULTIPLEKSER ANALOG
Elemen DAS ini pada dasarnya sebuah saklar yang mengambil sinyal alamat yang
dikodekan dan memilih data pada kanal yang terpilih dengan penutupan sebuah saklar
yang terhubung pada jalur input analog.
Seperti diperlihatkan pada Gambar 3.13 untuk sebuah sistem akhiran tunggal,
multiplekser menerima sebuah input dari dekoder alamat dan mempergunakannya
untuk menutup saklar yang sesuai memasukkan sinyal kanal yang akan dilewatkan pada
tahap berikutnya dari DAS. Gambar 3.13 memperlihatkan kanal 2 yang telah dipilih,
yang mungkin telah dipilih oleh sebuah 10 pada jalur input. Dengan cara yang sama, 00
akan memilih kanal 0, 01 kanal 1, 10 kanal 2, dan 11 kanal 3. sehingga, dekoder alamat
harus mengkonversi jalur alamat komputer pada salah satu dari empat kemungkinan
tersebut ketika DAS telah dialamatkan oleh komputer. Elemen saklar aktual biasanya
berupa Transisto Efek Medan (FETs) yang berada pada posisi resistansi “on”beberapa
ratus ohm dan sebuah resistansi “off” ratusan hingga ribuan megaohm.
Gambar 3.13 Multiplekser analog empat kanal
AMPLIFIER
Hampir semua sistem akuisisi data meliputi sebuah bati penguatan yang
memungkinkan pengguna (uaser) untuk mengkompensasi level sinyal input. Gabungan
ADC umumnya didesain untuk beroperasi dari sebuah jangkauan input unipolar definit
atau bipolar sehinggalevel input harus disetel pada daerah ini. Sehingga jika input
sinyal ADC harus berada pada jangkauan 0 hingga 5 volt, penguatan dengan suatu bati
menjamin bahwa input berada dalam daerah ini. Jika ada perbedaan besar antara
bermacam level sinyal input, sejumlah pengkondisian snyal mungkin diperlukan sinyal
diberikan pada DAS.
ADC
Tentu saja, sebuah bagian penting dari DAS adalah konverter analog ke dgital.
Konverter ini akan menerima tegangan dengan rentang jangkauan tertenu seperti yang
diberikan oleh pengkondisian sinyal yang mendahuluinya. Konverter biasanya dapat
dikonfigurasi untuk menerima input unipolar atau bipolar. Hal-hal seperti penyetelan
offset dan penyetelan skala penuh harus dilakukan.
46
3.6
Modul Output Data (DOM)
Paragraf
sebelumnya
mendeskripsikan
sistem
yang
dipergunakanuntikmemasukkan data ke komputer. Umumnya, hal ini adalah sebuah
variabel kontrol proses yang terkontrol. Baik dalam kontrol pengawasan (supervisory
control) atau kontrol digital langsung (direct digital control), juga diperlukan untuk
memberikan sebuah mekanisme dimana komputer dapat menghasilkan output sebuah
sinyal baik sebagai penyetelan setpoint atau kepada elemen kontrol akhir. Antarmuka
(interface) jenis ini dibuat untuk sistem beberapa kanal oleh Modul Output Data (Data
Output Module – DOM). Blok umum dari piranti ini diberikan dalam Gambar 3.14.
Tujuan mum dari dekoder alamat adalah sama dengan DAS, yaitu memungkinkan
komputer untuk memilih sebuah kanal output tertentu. Dalam hal ini, komputer
“menuliskan” informasi ke dalam sebuah lokasi memori atau alamat output yang
dikonversikan ke sebuah tegangan analog oleh DAC. Kita mempergunakan sebuah
demultiplekser yang dapat mensaklar output dari DAC ke dalam salah satu dari word
data output yang berada dalam jalur data untuk beberapa mikrodetik. Pengunci (latch)
menahan (hold) data ini cukup lama untuk konversi dan aplikasi dalam loop kontrol
proses.
Kanal output analog
Multiplekser Analog
Jalur
data
komputer
Dekoder
Alamat
Jalur
kontrol
Jalur
data
komputer
Pengunci
input
DAC
Gambar 3.14 Modul data output
47
Vref