24 BAB III PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI C

BAB III
PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI
C-V METER BERBASIS SoC C8051F350
3.1
Perancangan dan Implementasi Perangkat Keras
3.1.1 Perancangan sistem C-V meter
Diagram yang disederhanakan dari rangkaian sistem C-V Meter
ditunjukkan pada gambar 3.1. Sistem terdiri dari komputer, antar muka RS-232,
SoC C8051F350, penguat depan, rangkaian nilai mutlak, ADC yang ada di dalam
SoC, Sumber tegangan negatif dari DAC1, sumber tegangan positif dari DAC0
yang ada di dalam SoC, sumber tegangan step, dan bagian keluaran.
Gambar 3.1
Diagram blok C-V Meter
24
Komputer berfungsi sebagai kontrol utama yang mengendalikan sistem
C-V Meter secara keseluruhan sekaligus sebagai pengolah dan penyimpan data
hasil pengukuran. Komunikasi antara komputer dengan SoC C8051F350
menggunakan sistem antar muka serial, sehingga untuk menyesuaikan level
tegangan antara komputer dengan SoC C8051F350 dibutuhkan antar muka
RS232. Sebagai kontrol sekunder, SoC C8051F350 berfungsi mengendalikan
sistem pengukuran sesuai dengan perintah kontrol utama (komputer) mengatur
saklar pada penguat depan, mengatur kerja DAC, memilih tegangan step,
mengolah data hasil konversi ADC dan mengirimkan data hasil pengukuran ke
komputer. SoC yang digunakan pada sistem C-V Meter yang dirancang
menggunakan SoC C8051F350 dari Silicon Laboratories 15).
Bagian Penguat depan berfungsi untuk menampung seluruh muatan yang
masuk dan
mengubahnya menjadi tegangan yang sebanding dengan CF.
Tegangan keluaran dari penguuat depan kemudian masuk ke rangkaian nilai
mutlak sehingga ADC selalu membaca tegangan positif. Tegangan DC untuk
tegangan bias negatif dihasilkan oleh DAC1 dengan penguat membalik (inverting)
dan DAC0 menghasilkan tegangan positif. Sumber tegangan step diberikan oleh
multiplekser dan penyangga. Bagian keluaran berfungsi untuk menjumlahkan dan
menguatkan tegangan bias dengan tegangan dari sumber step. Devais yang akan
diukur dihubungkan seri dengan sumber tegangan dan masukan pada tahap
penguat depan (rangkaian penguat balikan).
Pembuatan PCB (Printed Circuit Board) rangkaian dibagi menjadi dua,
yaitu: rangkaian pengendali tegangan, dan rangkaian kontrol seperti yang
ditunjukkan pada gambar 3.2. PCB Pengendali tegangan terdiri atas sumber
tegangan bias, sumber tegangan step dan bagian keluaran. PCB rangkaian kontrol
terdiri dari SoC C8051F350, antar muka RS-232, penguat balikan muatan dan
rangkaian nilai mutlak. Pemisahan PCB ini untuk menghindari gangguan dari
sinyal tegangan tinggi terhadap SoC dan sistem penguat balikan muatan.
25
Gambar 3.2
Gambar PCB sistem C-V Meter
3.1.2 Pembangkit tegangan sumber bias
Untuk mendapatkan kurva C-V devais yang akan diukur harus diberi
tegangan bias dengan sapuan tegangan pada daerah yang diinginkan, biasanya
dari tegangan negatif melewati tegangan nol hingga mencapai tegangan positif
tertentu. Sumber tegangan bias pada sistem C-V Meter ini dirancang
menggunakan dua buah DAC arus yaitu IDAC0 dan IDAC1 8 bit yang terdapat
pada SoC C8051F350. Diagram blok IDAC pada SoC C8051F350 ditunjukkan
oleh gambar 3.3.
26
Diagram blok IDAC 8 bit dalam SoC C8051F350
Gambar 3.3
15)
Rangkaian penghasil tegangan bias ditunjukkan oleh gambar 3.4. Arus
dari IDAC0 diubah menjadi tegangan dengan bantuan op-amp U1 sehingga
menghasilkan tegangan negatif yang nilainya ditunjukkan oleh persamaan 3.1.
Nilai tegangan negatif ini akan dibalikkan menjadi tegangan positif yang
diperkuat pada bagian keluaran dari sistem C-V Meter.
VDAC + = −( IDAC 0 × R1)
(a)
Gambar 3.4
(3.1)
(b)
Rangkaian sumber tegangan bias
(a) sumber tegangan bias positif
(b) sumber tegangan bias negatif
27
Untuk mendapatkan tegangan negatif digunakan IDAC1 yang diubah
menjadi tegangan oleh U2A dan kemudian dibalikkan oleh U2B menjadi sebuah
tegangan positif yang sebanding dengan nilai IDAC1. Nilai tegangan positif ini
akan diperkuat dan dibalikkan menjadi tegangan negatif pada bagian keluaran.
Nilai keluaran tegangan rangkaian ini diberikan oleh persamaan 3.2.
VADC − = IDAC1× R2
(3.2)
DAC arus merupakan pengubah data digital menjadi arus yang sebanding
dengan data digitalnya. Salah satu keunggulan penggunaan IDAC ini adalah
karena pengubahan daerah keluarannya sangat mudah. IDAC yang ada pada SoC
C8051F350 mempunyai 4 pilihan daerah keluaran yang diatur dengan cara
mengubah nilai skala penuhnya. Nilai skala penuh IDAC pada SoC C8051F350
terdiri dari empat pilihan, yaitu: 0.25 mA, 0,5 mA, 1 mA, dan 2 mA. Dengan
menggunakan resistor R1, R2 sama dengan 2K seperti pada gambar 3.2, maka
akan diperoleh tegangan keluaran dengan empat pilihan keluaran skala penuh,
yaitu: 0,5 V, 1,0 V, 2,0 V dan 4,0 V. Pemilihan nilai reistor R1 dan R2 untuk
menjaga keluaran maksimum op-amp berada di bawah 4,2 V karena nilai
tegangan ini merupakan batasan keluaran op-amp yang dicatu dengan tegangan
±5V. Tegangan keluaran akhir ditentukan oleh besarnya penguatan pada bagian
keluaran dari sistem C-V Meter.
3.1.3 Sumber tegangan step
Dalam pengukuran kapasitansi menggunakan metode balikan muatan,
sistem akan memberikan tegangan step (∆V) pada DUT dan kemudian mengukur
jumlah muatan yang masuk (∆Q) dan membagi dengan nilai step tegangan yang
jatuh pada kapasitor yang sedang diukur. Rangkaian pembangkit sumber tegangan
step ditunjukkan pada gambar 3.5.
28
Gambar 3.5
Rangkaian sumber tegangan step
Rangkaian pada gambar 3.5 merupakan pembagi tegangan yang membagi
suatu tegangan referensi yang konstan menggunakan LM3904. Keluaran pembagi
tegangan dipilih menggunakan multiplekser 4051 sedemikian rupa sehingga
hanya ada satu keluaran tegangan. Keluaran tegangan dari multiplekser kemudian
diumpankan pada sebuah bufer U3A dan dibalikkan polaritasnya dengan op-amp
U3B sehingga keluaran akhir rangkaian adalah tegangan negatif. Tegangan step
dibuat negatif karena pada bagian keluaran sistem C-V Meter tegangan ini akan
dibalik polaritasnya dengan penguatan 1x.
Pembagi tegangan dibentuk oleh RS1, RS2, RS3, RS4, dan RS5 yang
membagi tegangan referensi 3,3V menjadi 100 mV, 50 mV, 20 mV dan 10 mV.
Tegangan step bernilai sangat kecil untuk mendapatkan pengukuran DUT yang
membutuhkan waktu lama untuk mencapai kesetimbangan.
29
3.1.4 Tahap keluaran
Keluaran dari sumber tegangan bias positif, bias negatif dan tegangan step
digabungkan menggunakan rangkaian penguat penjumlah pada tahap keluaran
dari sistem C-V Meter. Gambar 3.6 menunjukkan gambar rangkaian untuk tahap
keluaran.
Gambar 3.6
Rangkaian tahap keluaran sistem C-V Meter
30
Rangkaian pada tahap keluaran pada dasarnya terdiri dari sebuah sistem
penguat op-amp membalik gabungan. Rangkaian op-amp gabungan dibentuk oleh
U4, Q1, Q2 dan beberapa komponen lain pemberi bias untuk transistor.
Komponen balikan dibentuk oleh RO3 dan CO1 yang menentukan penguatan
dari rangkaian. Penguatan dari rangkaian pada gambar 3.6 diberikan oleh
persamaan 3.3.
RO1
RO3
⎛ RO3
⎞
VDAC − ⎟
VDAC + +
VStep +
Vo = − ⎜
RO0
RO 2
⎝ RO1
⎠
(3.3)
Dengan demikian, penguatan untuk sistem dengan nilai seperti diatas
menghasilkan penguatan -1x untuk tegangan sumber step, -5x untuk tegangan
VDAC+ dan VDAC-.
Transistor Q3 dan RO7 membatasi arus keluaran tegangan positif sistem
dan transistor Q4 serta RO8 membatasi arus negatif keluaran sistem. Arus
keluaran dari tegangan sumber dibatasi maksimum sampai 4 mA. Gambar 3.7
menunjukkan rangkaian tambahan dari tahap keluaran yang memberikan
pembatasan arus. Pembatasan arus terjadi pada 3 mA ± 1 mA. Pada setengah
positif dari tahap keluaran komplementer, Q7 aktif ketika batas arus positif
terlampaui. Arus basis Q3 dihubungsingkatkan melalui DO3 untuk mencegah
tahap keluaran naik terlalu tinggi. Untuk setengah negatif dari tahap
komplementer ini, Q4, RO8 dan DO4 menunjukkan fungsi yang sama.
31
Gambar 3.7
3.1.5
Rangkaian pembatas arus pada tahap keluaran
sistem C-V Meter
Perancangan penguat depan
Penguat depan merupakan rangkaian utama dari sistem C-V Meter dan
dirancang menggunakan metode balikan muatan. Rangkaian dasar pengukurannya
ditunjukkan pada gambar 3.8, salah satu terminal dari kapasitansi yang akan
diukur (Cx) dihubungkan ke sumber tegangan dan ujung yang lain dihubungkan
ke masukan dari penguat balikan muatan (integrator). Pada saat awal, kapasitor
balikan (Cf) dari integrator dikosongkan dengan menutup saklar SW1 yang
terhubung secara paralel dengan Cf. Pengukuran dilakukan ketika saklar SW1
dibuka. Setiap muatan yang terpindahkan ke dari integrator akan menyebabkan
perubahan pada keluaran integrator seperti pada persamaan 3.4.
32
ΔVout =
Gambar 3.8
−ΔQ
Cf
(3.4)
Rangkaian penguat depan
Op-amp yang digunakan pada rangkaian penguat depan ini adalah IC
OP07 yang mempunyai tegangan offset rendah hingga 75 µV. Kapasitor Cf
merupakan kapasitor umpan balik yang dirancang untuk dapat mengukur
kapasitansi hingga 100 pF. Nilai kapasitansi CF harus sangat tepat diketahui dan
sebaiknya diukur denga alat ukur yang sangat presisi, karena komponen inilah
penentu ketelitian pengukuran. Saklar SW1 merupakan reed relay yang telah
dilengkapi dengan magnetic shield untuk menghindari gangguan akibat
pengaktifan saklar. Reed relay yang digunakan adalah tipe EDR201A500 yang
merupakan relay SPST (Single Pole Single Through) dengan tegangan kontrol 5V.
Relay ini memiliki nilai resistansi yang kecil pada saat terhubung hingga 150 mΩ.
Gambar 3.9
Rangkaian penguat depan dengan pengubah daerah pengukuran
33
Sistem penguat depan dirancang untuk dapat melakukan pengukuran
dengan dua daerah pengukuran yang berbeda. Rangkaian lengkap penguat depan
ditunjukkan pada gambar 3.9. Rangkaian dilengkapi dengan tambahan SW2 dan
CF1. Ketika saklar SW2 aktif maka nilai kapasitansi balikan akan menjadi
persamaan 3.5. Nilai CF1 juga harus mempunyai kepresisian yang baik.
CF Total = CF + CF 1
(3.5)
Dalam proses pengukuran kapasitansi pada sistem C-V Meter yang
dirancang dilakukan tiga kali pengukuran muatan di sekitar tegangan step. Dari
ketiga pengukuran ini kapasitansi dan arus yang mengalir ke devais (pada akhir
waktu tunda) dihitung. Gambar 3.10 menjelaskan bagaimana bentuk gelombang
muatan diukur. Simbol Q1, Q2, dan Q3 mewakili tiga pengukuran yang dibuat
pada waktu tertentu. Q1 adalah tegangan dasar sesaat sebelum devais diberi
tegangan step. Q3 diukur setelah waktu tunda tertentu (delay) dan menandai
berakhirnya transfer muatan melalui CX. Q2 diukur sebelum Q3 (diberi selang
waktu t0 sebelum pengukuran Q3) dan digunakan untuk menentukan kemiringan
dari bentuk gelombang muatan. Kemiringan ini menunjukkan jumlah arus (Q/t)
yang mengalir pada CX selama waktu terakhir waktu delay t0. Q/t
merepresentasikan kebocoran pada CX atau sistem dan nilainya dapat diperoleh
dari persamaan. Dari pengukuran gelombang muatan, diperoleh kapasitansi CX
seperti pada persamaan 3.7. Nilai CX yang lebih tepat dengan mendeteksi
kebocoran pada rangkaian menggunakan Q/t maka diperoleh CX koreksi seperti pada
persamaan 3.8.
34
Gambar 3.10
3.1.6
Bentuk Gelombang
pengukuran muatan
Keluaran
tegangan
dan
Pemilihan dan implementasi SoC C8051F350
SoC berfungsi sebagai kontrol sekunder yang mengendalikan bagian-bagian
penting dari sistem C-V meter. SoC yang digunakan adalah SoC C8051F350 dari
Silicon Laboratories. SoC ini dipilih karena fasilitasnya lengkap, cepat, konsumsi
daya rendah, kemasannya kecil dan ringkas serta harganya relatif murah.
Arsitektur SoC C8051F350 seperti ditunjukkan Gambar 3.11 terdiri atas 15):
1. ADC (analog to digital converter) dengan spesifikasi:
•
resolusi 24 bit atau 16 bit
•
throughput dapat diatur sampai dengan 1 ksps (kilo sample per
second)
•
dapat menangani sampai dengan 8 buah masukan eksternal
•
terdapat PGA (programmable gain amplifier) yang dapat diatur
besarnya: 1x sampai 128x
•
terdapat sensor temperatur internal
2. dua buah IDAC (current digital to analog converter) 8 bit
35
3. dua buah komparator analog
4. tegangan referensi 2,45 V
5. RAM (random acces memory) 768 byte
6. flash ISP (in system programmable) 8 kilo byte dalam 512 sektor
7. inti (core) SoC C8051F350 8051 kecepatan tinggi dengan kelebihan:
•
tujuh puluh persen instruksi dilakukan dalam 1 atau 2 sistem clock
•
kecepatan eksekusi program sampai dengan 50 MIPS (mega
instruction per second)
•
sumber interupsi yang bisa diperluas
8. sumber clock
•
sumber oscillator internal 24.5 MHz dengan akurasi ± 2% dan
mendukung operasi UART
•
sumber clock eksternal dapat berasal dari kristal, rangkaian RC
atau osilator
•
terdapat pengali clock hingga mencapai 50 MHz internal
•
dapat berganti clock selama program berlangsung (on-the-fly)
9. tujuh belas port input/output toleran terhadap tegangan 5V dengan arus
benaman (sink current) yang tinggi masing-masing hingga 100 mA
10. sistem antarmuka SMBus (kompatibel dengan I2C), SPI, dan UART
11. empat buah counter/timer untuk kegunaan umum yang dapat diatur
dengan 3 modul capture/compare
12. WDT (watch-dog timer)
13. fasilitas JTAG dengan kemampuan:
•
sistem dapat dapat di-debug tanpa membutuhkan emulator
•
dilengkapi dengan kemampuan
breakpoints, single stepping,
watchpoints dan stack monitor
•
dapat memodifikasi isi memori dan register
14. catu daya 2,7 – 3,6 V dengan konsumsi arus 5,8 mA pada clock 25 MHz
dan 11 μA pada clock 32 kHz
36
Gambar 3.11 Arsitektur SoC C8051F350
3.1.7 Implementasi
15)
ADC (analog to digital converter) dan pengkondisi
sinyal
Diagram blok subsistem ADC dalam SoC C8051F350 ditunjukkan oleh
Gambar 3.12. subsistem ini terdiri atas penyangga masukan (input buffer),
tegangan referensi internal, kontrol kalibrasi, PGA (programmable gain
amplifier), dan ADC 24 bit dengan throughput 1 ksps, fast filter dan SINC3
Filter. Analog multiplekser, PGA, ADC dan filter seluruhnya dapat dikonfigurasi
dengan perangkat lunak melalui SFR (special function register) 15).
37
Gambar 3.12 Diagram blok ADC 24 bit dalam SoC C8051F350
15)
Masukan ADC dipilih dengan menggunakan multiplekser analog 9 kanal
yang masukannya bisa saling dipasangkan seperti ditunjukkan pada gambar 3.13.
Masing-masing masukan dapat dipilih dengan referensi terhadap masukan yang
lain. Sebagai contoh: masukan AIN0.0 dapat diukur terhadap beberapa
pasangannya, yaitu terhadap: ground, AIN0.1-AIN0.7, atau terhadap sensor
temperatur.
38
Gambar 3.13 Diagram blok multiplekser untuk memilih masukan
ADC 24 bit dalam SoC C8051F350 15)
3.1.8 Sistem antarmuka
Sistem antarmuka yang digunakan pada sistem C-V Meter ini adalah
sistem antar muka serial melalui COM serial pada komputer yang berbentuk DB9.
Sistem antarmuka ini dipilih dengan pertimbangan sudah lazim digunakan, relatif
mudah dalam pengoperasian, dan relatif mudah dalam pembuatan protokolkomunikasi-nya. Hampir setiap komputer yang ada sekarang dilengkapi dengan
antarmuka ini dan diperkirakan dalam beberapa waktu ke depan antarmuka ini
masih digunakan dan terdapat pada komputer.
Level tegangan antara COM serial komputer dengan SoC C8051F350
berbeda, oleh karena itu diperlukan divais yang dapat menjembatani kedua piranti
tersebut, piranti yang dapat menyesuaikan kedua level tegangan tersebut harus
memenuhi standar RS232. Untuk keperluan ini digunakan IC ST3222E dari ST
Electronics. IC ini terdiri dari 2 buah pengubah level tegangan CMOS ke RS232
dan 2 buah pengubah level tegangan RS232 ke CMOS dengan kecepatan transfer
39
data sampai dengan 250 kbps dan memerlukan arus supply yang rendah sebesar
300 µA. Gambar rangkaian antar muka sistem C-V Meter dengan komputer
ditunjukkan oleh gambar 3.14.
Gambar 3.14 Rangkaian
ST3222E
Antar
Muka
RS-232
menggunakan
40
3.2
Perancangan dan Implementasi Perangkat Lunak
3.2.1 Perancangan dan Implementasi Perangkat Lunak pada SoC
C8051F350
Perangkat lunak yang digunakan untuk program mikrokontroller adalah
bahasa C yang dikompilasi ke dalam bahasa assembler MCS-51
16)
untuk program komputer digunakan bahasa pemrograman Delphi 6.0
, sedangkan
17)
. Diagram
alir pemrograman untuk program SoC C8051F350 ditunjukkan oleh Gambar
3.15.
Gambar 3.15 Diagram alir program pada SoC C8051F350
41
3.2.2 Perancangan dan Implementasi Perangkat Lunak pada Komputer
Diagram alir pemrograman untuk program komputer ditunjukkan oleh
Gambar 3.16.
Gambar 3.16 Diagram alir program pada komputer
Diagram alir pada gambar 3.16 memberikan gambaran tentang proses
pengukuran C-V. Semua proses inisialisasi bisa dikendalikan oleh pengguna.
Inisialisasi berguna untuk mendefinisikan besarnya tegangan Step, waktu tunda,
42
pendeklarasian nilai Cf, dan inisialisasi mikrokontroler lainnya. Program utama
dimulai dengan mengosongkan muatan pada Cf dan kemudian pengukuran V1
yaitu Vout. Pemberian tegangan step, ΔV untuk waktu delay tertentu diberikan
kemudian tegangan keluaran Vout diukur untuk mendapatkan V2.
Dengan
diperolehnya V2 maka Cx bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan 6.
Pengukuran ini dilakukan terus menerus untuk tegangan bias yang berbeda
sehingga akan diperoleh kurva Cx terhadap V bias.
Cx = −
V2 − V1
Cf
VStep
(3.9)
43