BAB II LANDASAN TEORI

BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Osiloskop
Osiloskop adalah jenis alat uji elektronik yang memungkinkan tegangan
sinyal ditampilkan pada layar berformat dua dimensi, dengan detail yang sangat
tinggi. Alat ini banyak digunakan oleh para engineer untuk pengamatan sirkuit
dan gelombang, dan telah menjadi sala satu instrumen yang turut berkonstribusi
memicu rentetan berbagai penemuan-penemuan teknologi modern.
Gambar 2.1 Contoh Osiloskop
5
6
2.2
Sejarah Osiloskop
Kata osiloskop berasal dari gabungan dua kata dari bahasa yang berbeda,
bagian pertama berasal dari bahasa Latin 'oscillare', yang berarti mengayun ke
belakang dan ke depan. Bagian kedua berasal dari bahasa Yunani Klasik 'skopein',
yang berarti untuk mengamati, bidik, memeriksa (terutama pada pengamatan yang
mengunakan penglihatan dan pendengaran).
Ada beberapa penemuan penting yang menandai
perkembangan
osiloskop, dimana masing-masing teknologi tersebut memungkinkan peningkatan
kemampuan osiloskop dalam menampilkan gelombang listrik.
Tabel 2.1 Sejarah Perkembangan Osiloskop
TAHUN
PERKEMBANGAN
1897
Karl Ferdinand Braun menemukan tabung katoda (CRT)
Akhir 1930-an
Perusahaan asal Ingris, A C Cossor menemukanan dual beam oscilloscope
1946
Triggered sweep oscilloscope ditemukan oleh Howard Vollum and Jack
Murdock, kemudian mendirikan perusahaan bernama Tektronix Company
yang kelak menjadi perusahaan terkemukan dalam memproduksi osiloskop
berperforma tinggi
1963
Tektronix Memperkenalkan Direct View Bistable Storage Tube (DVBST).
Penemuan Digital Storage Oscilloscope (DSO) olah Walter LeCroy, yang
kemudian mendirikanperusahaan bernama LeCroy Corporation.
7
2.3
Jenis-Jenis Osiloskop
Osiloskop dikelompokkan menjadi dua bagian berdasarkan cara kerjanya,
yaitu: osiloskop analog dan osiloskop digital.
2.3.1
Osiloskop Analog
Osiloskop ini merupakan jenis yang pertama kali dibuat, muncul setelah
penemuan tabung CRT. Sesuai namanya, osiloskop ini menggunakan teknik
analog untuk membuat pola pada layar tabung sinar katoda, dimana tegangan pada
plat x dan y menyebabkan sebuah titik pada layar berpendar dan bergerak. Arah
horisontal merupakan basis waktu, sedangkan defleksi arah vertikal merupakan
basis tegangan yang sebanding dengan sinyal input (tegangan). Frekuensi
maksimum yang dapat dilihat oleh osiloskop analog adalah sekitar 1 GHz.
Gambar 2.2 Contoh Osiloskop Analog
8
Gambar 2.3 Blok Diagram CRO Analog
2.3.2
Osiloskop Digital
Osiloskop digital menggunakan format digital dalam menampilkan
gelombang. Dengan cara, mengambil sampel secara priodik pada rate tertentu,
mengubah nilai analog ke digital dan kemudian memproses nilai-nilai digital
tersebut untuk ditampilkan pada layar. Dengan teknologi semikonduktor dan
perangkat lunak semakin muktahir, terutama pada bagian pengolahan sinyal,
menjadikan kinerja osiloskop jenis ini menjadi jauh lebih cepat, akurat, dan
fleksibel serta memungkinkan untuk penambahan fitur-fitur pengukuran lain.
Osiloskop digital juga memiliki batasan pada frekuensi operasi dan
kemapuan kerja,
tergantung pada jenis-jenisnya. Dua faktor utama yang
menentukan frekuensi operasi; yakni bandwidth analog dari bagian front-end
yang sering disebut sebagai titik -3 dB, dan sample rate yang diambil secara
teratur (semakin tinggi sample rate, semakin tinggi frekuensi yang dapat dilihat
pada layar).
9
Osiloskop digital dapat dimasukkan ke dalam tiga kategori utama:
osiloskop penyimpanan digital, digital osiloskop fosfor, dan osiloskop digital
sampling
a.
Osiloskop Penyimpanan Digital
Osiloskop penyimpanan digital atau Digital storage oscilloscope (DSO)
adalah bentuk konvensional osiloskop digital. Menggunakan layar jenis raster
seperti yang digunakan pada monitor komputer, sehingga dapat menampilkan
gambar dan unsur-unsur tambahan selain bentuk gelombang. Unsur-unsur
tambahan tersebut seperti; teks, lambang dan sejenisnya.
Seperti namanya, bentuk gelombang disimpan terlebih dahulu dalam
format digital di memori kemudian diproses oleh platform pemrosesan, kemudian
baru ditampilkan dilayar monitor. Dengan metoda ini, memungkinkan melakukan
pengolahan data dengan tingkat keakurasian lebih tinggi, mudah dalam
menampilkan grafik dan platform untuk bagian pemrosesan juga menjadi lebih
sederhana. Selain itu, juga memungkinkan menahan bentuk gelombang pada
waktu yang lama.
DSO
secara
dikarenakan,keunggulannya
luas
yang
digunakan
untuk
dapat
menangkap,
banyak
aplikasi
menyimpan
dan
memanipulasi bentuk gelombang sesuai dengan kebutuhan. Sala satunya
digunakan untuk mengamati peristiwa trasien (terjadi seketika), yang tidak bisa
dilakukan bila menggunakan osiloskop jenis analog.
10
Gambar 2.4 Osiloskop penyimpan digital
b.
Osiloskop Digital Fospor
Digital fosfor osiloskop (DPO) merupakan jenis diperkenalkan oleh
Tektronix pada bulan Juni 1998. Berbeda dengan DSO yang mengunaka arsitektur
pemrosesan serial, DPO dirancang dengan mengunakan arsitektur pemrosesan
parallel yang memungkinkan untuk menangkap peristiwa sementara(transien)
namun tetap mempertahankan bandwidth yang besar. Dan juga, memungkinkan
DPO untuk menyerupai osiloskop analog, yang memungkinkan informasi
intensitas terlihat lihat secara real time.
Walaupun menggunakan istilah Fosfor, osilokop ini tidaklah dimaksudkan
mengunakan fosfor seperti halnya osiloskop analog, DPO adalah murni berkerja
secara elektronik. Adapun yang dimaksudkan dari penamaanya, adalah
dikarenakan seolah bisa menampilkan secara gelombang real time, seperti
layaknya tipe osiloskop fosfor analog .
11
Gambar 2.5 Osiloskop Digital Fospor
c.
Oscilloscope Sampling Digital
Digital Sampling Oscilloscope(DSO) merupakan jenis osiloskop yang
dirancang untuk beroperasi pada frekuensi yang sangat tinggi, khususnya untuk
pengamatan gelombang atau signal dengan repetisi yang sangat tinggi, dengan
operasi kerja hingga 50GHz, bahkan lebih.
Prisnsip kerja osilokop ini adalah dengan mengambil sampling dari
sebagian bentuk gelombang yang bersifat repetitif dan memiliki frekuensi sangat
tinggi. Data-data sampling tersebut kemudian diproses dengan metode Nyquist
untuk kemudian ditampilkan dalam bentuk grafik. Metoda ini hanya untuk
menangkap pristiwa yang memiliki repetisi dan tidak efektif untuk menangkap
pristiwa transien.
12
Gambar 2.6 Digital Sampling Oscilloscope(DSO)
d.
Osiloskop PC
Pada prinsipnya, komputer personal (PC) memiliki segala komponen dari
sebuah osiloskop, baik dari dari bagian ADC (dari sound card), bagian akuisis
data (seperti USB eksternal atau perangkat port
nstrume, atau internal add-on
PCI atau ISA card), bagian pemroses data (CPU), hingga layar yang cukup besar
untuk menampilkan bentuk gelombang. Sehingga dengan kelengkapan dasar yang
telah terintegrasi tersebut, memungkinkan untuk dirangkai menjadi sebagai
osilokop yang dinamakan PC-based oscilloscopes (PCO).
Keuntungan dari PC osiloskop meliputi:

Berbiaya rendah, dengan asumsi pengguna sudah memiliki PC sendiri.

Mudah mengirim data ke perangkat lunak PC standar seperti spreadsheet
dan pengolah kata. Atau perangkat lunak khusus seperti program analisis
numeric, matlab, dan lain-lain.
13

Kemampuan untuk mengontrol
nstrument dengan menjalankan program
khusus.

Memiliki jaringan dan media penyimpanan yang besar.

PC biasanya memiliki layar warna yang besar resolusi tinggi yang dapat
lebih mudah untuk dibaca. Warna dapat digunakan untuk membedakan
bentuk gelombang. Juga dapat menampilkan informasi lebih lengkap.

Mudah dibawa, bila digunakan PC laptop.
Kelemahan PC osiloskop, yang meliputi:

Noise Power-supply dan elektromagnetik dari sirkuit PC, yang dapat
mengurangi tingkat keakurasian.

Transfer data ke PC yang tergantung pada metode koneksi. Hal ini
mempengaruhi laju sampling maksimum dan resolusi PCO ketika
streaming.

Diperlukan penginstalan perangkat lunak osiloskop, yang mungkin tidak
kompatibel dengan sistem operasi bawaan PC.

Kompabilitas program yang singkat, dikarenakan bergantung pada
program utama PC dan OS, yang selalu berubah.

Sangat riskan dan bahkan dapat merusak PC bila digunakan untuk
pengukuran arus (diatas 40mA) dan tegangan yang besar (220V)

Tidak memiliki pengaman.
14
Gambar 2.7 Osilokop PC
Gambar 2.8 Tampilan Layar Osilokop PC
15
e. Arduinoscope/Logic Analyzer
Jenis osiloskop ini masih termasuk dalam katagori PC osilokop, yang dapat
dapat menampilkan signal analog maupun digital. Keunikan osiloskop yang
berbasis arduino ini adalah pada kemampuannya dalam menampilkan signal
digital, dimana jumlah signal ditampilkan bisa ditambah sesuai kebutuhan dan
setiap signal tetap ditampilkan secara kontiniu.
Dengan kemampuan ini, bit-bit signal yang berlangsung pada peralatan digital
dapat diamati dengan mudah. Seperti mengamati signal yang dikirimkan oleh
remote control, pengamatan sejumlah informasi data mentah yang melewati
sirkuit Ethernet, hingga pengamatan signal-signal komunikasi pada peralatan
antar muka.
Gambar 2.9 Arduinoscope/Logic Analyzer
16
Gambar 2.10 Tampilan Arduinoscope/Logic Analyzer
2.4
Pengenalan Panel Depan dan Fungsi
Pengenalan Fungsi Panel Depan dijelaskan searah jarum jam dimulai dari
saklar daya.
17
Gambar 2.11 Panel Depan Osiloskop
 Saklar on / off untuk mengaktifkan CRO putar tombol searah jam.
 CRO aktif ditandai dengan lampu menyala.
 Time/ div untuk mengatur lebar sinyal agar mudah dibaca.
 Tombol time kalibrasi digunakan saat mengkalibrasi waktu, bila kalibrasi
telah dilakukan, posisi ini tidak boleh diubah ubah.
 Terminal kalibrasi tempat dihubungkan probe pada saat kalibrasi. Posisi X
digunakan untuk menggeser tampilan sinyal dalam peraga kearah
horizontal.
18
 Triger digunakan untuk mengatur besarnya picu sedangkan picu negatip
atau positip diatur dengan tombol kecil dibawahnya kanan positip kiri
negatip.
 Input ext, adalah tempat memasukkan sinyal dari luar yang dapat
difungsikan sebagai time base.
 Ground tempat disambungkan dengan ground rangkaian yang diukur.
 Fokus untuk mengatur focus tampilan sinyal pada layar.
 Posisi Y digunakan untuk mengatur posisi tampilan sinyal yang diukur
pada kanal 2 arah vertikal.
 Input kanal 2 merupakan terminal masukan untuk pengukuran sinyal.
 Kalibrasi tegangangan perlu diatur pada saat kalibrasi agar tepat pada
harga seharusnya. Bila tegangan ini telah tercapai tombol tidak boleh
diubah-ubah, karena dapat mempengaruhi ketelitian pengukuran.
 Mode operasi atau pemilih kanal, digunakan untuk memilih mode operasi
hanya menampilkan kanal 1, kanal 2 atau keduanya.
 Volt/div digunakan untuk mengatur besarnya tampilan amplitudo untuk
mempermudah pembacaan dan ketelitian hasil pengukuran. Pengaturan
yang baik adalah pengaturan yang menghasilkan tampilan amplitudo
terbesar tanpa terpotong.
 Pemilih AC, DC , ground diatur sesuai dengan besaran yang diukur, untuk
pengukuran tegangan batere digunakan DC, pengukuran frekuensi pada
posisi AC dan menepatkan posisi berkas pada posisi ground.pengukuran
19
tegangan batere digunakan DC, pengukuran frekuensi pada posisi AC dan
menepatkan posisi berkas pada posisi ground.
 Terminal masukan kanal 1 dan kanal 2, tempat dihubungkannya sinyal
yang akan diukur.
 Posisi Y kanal 1 untuk mengatur tampilan sinyal pada layar kearah vertikal
dari masukan kanal 1.
 Berkas elektron menunjukkan bentuk sinyal yang diukur, bila garis terlalu
tebal dapat di tipiskan dengan mengatur focus, dan bila terlalu terang dapat
diatur intensitasnya.
 Gratikul adalah skala pembacaan sinyal. Sinyal dibaca perkolom gratikual
dikalikan posisi divisi. Misal mengukur tegangan amplitude tingginya 3
skala gratikul akan terbaca 6 volt jika posisi Volt/div pada 2V.
2.5
Probe
Untuk pengukuran sinyal dan besar tegangan, probe memberikan
kemudahan dalam pemakaian dan kemampuan cakupan pengukuran. Pasangan
probe tegangan dengan arus akan memberi solusi ideal pengukuran daya.
Pena penghubung uji (test lead) suatu multimeter yang normal tidaklah
cocok untuk dipergunakan pada osiloskop dikarenakan pena penghubung uji
tersebut bisa merubah bentuk dari pada bentuk gelombang frekuensi tinggi. Untuk
pembacaan yang akuratsebuah probe osiloskop yang lebih tepat seloalu
dipergunakan.
20
Probe standar memiliki ujung pengait (cantelan) untuk mempermujdah
hubungan ke rangkaian. Hubungan bumi atau ground adalah suatu penghubung
kecil yang dilengketkan ke ujung dari probe yang dihubungkan ke ground
peralatan yang sedang diuji.
Kebanyakan probe osiloskop yang moderen memiliki saklar tiga posisi
pada bodi utama dan ketiga posisi tersebut adalah X1, X10 dan GND. Posisi X1
mengizinkan suatu hubungan yang langsung melalui probe dan taraf sinyal tidak
berubah.
Posisi X10 mengurangi atau memperlemah tegangan sebanyak sepuluh
kali Sinyal yang terukur pada layar adalah sepuluh kali lebih kecil dari tegangan
yang ada dalam rangkaian yang diuji jadi tegangan pada layar harus dikalikan
dengan faktor sepuluh kali untuk mendapatkan pembacaan yang benar.
Posisi sklar yang ke-tiga disebut posisi ground (GND) dan posisi ini tidak
menghubungkan tegangan rangkaian ke osiloskop. Posisi ini menempatkan
tegangan 0 V atau hubungan ground dilakukan menuju ke masukan CRO. Hal ini
mengizinkan suatu taraf acuan untuk diatur pisisinya pada layar tanpa melepaskan
hubungan probe dari rangkaian yang sedang diuji.
Gambar 2.12 Probe Beserta Asesorisnya
21
2.6
Arduino
Arduino adalah sebuah kit elektronik open source yang dirancang khusus
untuk
memudahkan
setiap
orang
dalam
belajar
membuat
robot
atau
mengembangkan perangkat elektronik yang dapat berinteraksi dengan bermacammacam sensor dan pengendali. Gambar berikut menunjukkan bentuk Arduino.
Gambar 2.13 Ardunino Duemilanove
Kegunaan Arduino tergantung pada kita yang membuat program. Arduino
bisa digunakan unuak mengontrol LED, motor DC maupun aplikasi lainnya. Salah
satu kelebihan Arduino adalah kemudahan dalam membangun aplikasi. Dengan
Arduino, pengguna mikrokontroler dapat memilih cara cepat dalam membangun
sebuah aplikasi berbasis mikrokontroler.
Berikut spesifikasi modul Arduino Duemilanove:
22
Tabel 2.2 Spesifikasi Teknis Arduino Duemilanove
Microcontroller
ATmega168
Operating Voltage
5V
Input Voltage
7-12V
(recommended)
Input Voltage (limits)
6-20V
Digital I/O Pins
14 (of which 6 provide PWM output)
Analog Input Pins
6
DC Current per I/O Pin 40 mA
DC Current for 3.3V Pin 50 mA
16 KB (ATmega168) or 32 KB (ATmega328) of which
Flash Memory
2 KB used by bootloader
SRAM
1 KB (ATmega168) or 2 KB (ATmega328)
EEPROM
512 bytes (ATmega168) or 1 KB (ATmega328)
Clock Speed
16 MHz
2.7
Compiler Arduino
Untuk memprogram Arduino, telah disediakan program compiler yang
berbasis open source yang bisa langsung digunakan tanpa perlu menginstal driver
apapun di komputer, program ini merupakan bahasa C yang telah disederhanakan
dan dilengkapi contoh-contoh pemograman dasar. Compiler ini dikenal dengan
23
istilah Arduino IDE dan bahasa pemogramannya dikenal dengan istilah Arduino
language.
Gambar 2.14 Tampilan Compiler IDE
24
2.8
Processing
Processing adalah bahasa pemrograman berbasis open source yang dimulai
pada tahun 2001 oleh Casey Reas dan Benyamin Fry. Program ini dibangun untuk
para penghobi elektronika dan komunitas desain visual, yang bertujuan
mengajarkan dasar-dasar pemrograman komputer dalam konteks visual. Bahasa
ini didasarkan pada bahasa pemograman Java, dengan sintaks yang telah
disederhanakan dan mengunakan model pemograman grafis.
Gambar 2.15 Tampilan Program Processing
25
2.9
Teori ADC (Analog To Digital Converter)
Analog To Digital Converter (ADC) adalah alat pengubah input analog
menjadi kode – kode digital yang mempunyai presisi terbatas. ADC banyak
digunakan sebagai pengatur proses industri, komunikasi digital dan rangkaian
pengukuran/ pengujian. Umumnya ADC digunakan sebagai perantara antara
sensor yang kebanyakan analog dengan sistim komputer seperti sensor suhu,
cahaya, tekanan/ berat, aliran dan sebagainya kemudian diukur dengan
menggunakan sistim digital (komputer). ADC (Analog to Digital Converter)
memiliki 2 karakter utama, yaitu kecepatan sampling dan resolusi. Kecepatan
sampling suatu ADC menyatakan seberapa sering sinyal analog dikonversikan ke
bentuk sinyal digital pada selang waktu tertentu(sumbu x, horizontal yang
dinyatakan dalam sample per second (SPS). Sedangkan resolusi adalah jarak
antara 2 level terdekat (sumbu Y, vertikal).
Gambar 2.16 ADC Kecepatan Sampling Tinggi dan Rendah
26
Mikro kontroler Atmega yang digunakan pada modul Arduino, memiliki 6
slot pengkonverter analog ke digital(ADC). Dimana masing-masing ADC tersebut
memiliki resolusi 10 bit (210), yang berarti nilai integer dari 0 hingga 1023
mewakili 0 - 5 Volt. Bila diperlukan, pin analog juga bisa berfungsi sebagai inputoutput umum/ GPIO(General Purpose Input Output). Dimana fungsinya menjadi
sama seperti pin digital 0-13, namun dengan lambang pengkodean (A0-A6).
2.10
Pengolahan Signal Analog ke Digital
Terdapat 3 tahapan proses pengkonversian signal analog (continiu) ke digital
yang diilustrasikan pada gambar 2.13.
a. Pencuplikan/ Sampling
Suatu Proses mencuplik/ mengambil signal continiu pada waktu-waktu
tertentu, dengan waktu/ jarak pencuplikan (T). Keluaran dari bolok ini
adalah signal diskrit, sebab signal tersebut hanya terdefinisi pada waktuwaktu tertentu saja, yaitu pada kelipatas Ts. Keluaran pada blok ini adalah
signal diskret yang bernilai kontiniu.
b. Kuantisasi
Tahap yang mengubah signal diskrit yang bernilai kontiniu menjadi signal
diskrit yang bernilai diskrit pula. Dengan cara, nilai signal dibagai menjadi
beberapa level resolusi.
c. Pengkodean/ Coding
Mengubah nilai tiap level, dari keluaran blok kuantisasi menjadi biner.
27
Gambar 2.17 Tahap-tahap proses ADC
2.11
Succesive Approximation ADC
Mengubah tingkat tegangan analog menjadi nilai setara digital (ADC) bisa
sangat sulit, terutama jika perlukan hasil yang baik, cepat dan akurat. Input analog
pada CPU ATMega menggunakan teknik disebut " Succesive Approximation
ADC" yang menyediakan kompromi teknis yang proporsional antara kecepatan,
akurasi, resolusi, dan kompleksitas.
Succesive Approximation ADC menggunakan jaringan kapasitor dan
komparator/pembanding pada beberapa tingkat skala yang berbeda (sesuai jumlah
bit). Pengukuran memamfaakan tegangan referensi untuk menentukan nilai lebih
tinggi atau lebih rendah, dan bernilai “1” jika lebih tinggi atau “0” jika itu lebih
rendah.
Cara pembacaan input dimulai dari skala bit yang sangat tinggi dan
semakin menyempit ke bawah ke lokasi yang lebih akurat. Pembacaan pertama,
28
atau bit pertama, hanya memeriksa apakah itu di bagian atas atau bawah dari
setengah tegangan referensi (5V/2) . Jika berada di bagian atas, maka bernilai “1”;
bagian bawah, maka bernilai “0”. Kemudian pembacaan kedua, atau bit kedua,
memeriksa bagian atas atau bawah dari setengah dari bagian satu dari pembacaan
bit sebelumnya, dan begitu seterusnya hingga mendekati nilai sebenarny. Jadi
tingkat keakurasian tergantung dari jumlah bit yang tersedia (lihat gambar 2.14).
Bit resolusi ADC yang terdapat pada microprosessor ATMega pada setiap
masukan analog berjumlah 10 bit, sehingga resolusi tertinggi dapat diberikan
adalah 210 atau 1024. 0 untuk tegangan di 0V, dan 1023 untuk tegangan pada
pasokan tegangan tertinggi dari sistem (umumnya 5V), yang berarti ketelitian
yang dapat terbaca adalah 4.8828125 mV per bit.
Gambar 2.18 Succesive Approximation ADC
29
2.12
Perhitungan Pengukuran Tegangan
Untuk pengukuran tegangan
pada jaringan distribusi yang memiliki
nominal 220V-RMS (Netral -Phase), dibutuhkan tambahan transformator
potensial (PT) yang berfungi untuk menurunkan nilai tegangan dari sistem tenaga
ke nilai yang kompatibel untuk sistem ADC. Dalam hal ini, nilai yang digunakan
adalah nilai puncak ke puncak (Vp-p).
Nilai tegangan yang masuk ke ADC harus pada kisaran 0 ~ +5V, Oleh
karena itu tegangan keluaran dari PT masih perlu ditambah dengan sejumlah
rangkaian Op-Amp, yang akan mengeser nilai negatif ke positf. Dengan demikian
nilai maksimal keluaran PT harus dibuat dibawah 2.5V, agar setelah diclamping
(penambahan referensi +2,5VDC) dan dibalik (inversing), nilai keluarannya tidak
melebihi 5 VDC.
Gambar 2.19 Rangkaian Pengukur Tegangan
Ditambahakan rangkaian filter anti-aliasing sehingga frekuensi cutoff
sama dengan setengah dari frekuensi sampling dari ADC. Dikarenakan harmonik
30
ke-11 adalah properti sistem pemantauan digital, maka frekuensi sampling harus
sama dengan minimal dua kali frekuensi harmonik ke 11.
2 x 11 x 60 = 1320 samples per second
RC filter yang ditunjukkan memiliki frekuensi cutoff dari yang harus sama
dengan,
11 x 60 = 660 Hz
Dimana,
Jika Ra yang digunakan adalah 10K, maka ;
C = 2.411 x E-8 Farad.
Jika nilai R terlalu kecil maka akan membebani op-amp, sebaliknya bila R
terlalu besar, maka noise output pun akan tinggi. Nilai R juga akan ditentukan
oleh ketersediaan kapasitor.