Analog Signal Conditioning

BAB II
ANALOG SIGNAL CONDITIONING
2.1 Pendahuluan

Signal Conditioning ialah operasi untuk mengkonversi sinyal ke dalam bentuk yang cocok
untuk interface dengan elemen lain dalam sistem kontrol.

Process
ymax
Cmax
Signal
Conditioning
Sensor
ymin
Cmin

bmax
bmin
Bentuk – bentuk Analog Signal Conditioning :
o Perubahan Level Sinyal. Misalnya dengan menguatkan atau melemahkan level
tegangan. Faktor yang penting dalam pemilihan amplifeier : Impedansi input.
o Linearisasi. Ada rangkaian analog yang berfungsi untuk melinearkan sinyal.
o Konversi. ASC berfungsi untuk mengubah bentuk perubahan elektris tertentu ke
bentuk lain. Misalnya banyak sensor yang menghasilkan perubahan resistansi akan
diubah ke bentuk sinyal arus atau tegangan melalui rangkaian jembatan.
o Filtering dan Impedance Matching. ASC berguna untuk menghilangkan sinyal-sinyal
yang tidak diinginkan pada frekuensi tertentu. ASC juga berguna untuk menghilangkan
error akibat impedansi internal transducer atau impedansi line (kabel).

Hal penting yang harus diperhatikan dalam ASC ialah terjadinya loading atau pembebanan
suatu rangkaian oleh rangkaian yang lain.
RX
VX
X
Element
Vy 
Vx
Persamaan :
VY
RL
2.2 Rangkaian Pasif
2.2.1 Rangkaian Pembagi

Rangkaian ini dapat digunakan untuk mengkonversi perubahan resistansi menjadi perubahan
tegangan.

Gambar dan Persamaan :

Hal – hal yang perlu diperhatikan :
o Perubahan VD terhadap R1 maupun R2 ialah nonlinier.
o Impedansi ouput rendah, harus berhati-hati dengan efek pembebanan.
o Akan terjadi disipasi daya pada kedua resistor (termasuk sensor), sehingga power
rating dari resistor dan sensor harus diperhatikan.
2.2.2 Rangkaian Jembatan

Berguna untuk mengkonversi perubahan impedansi menjadi perubahan tegangan.

Keuntungannya ialah tegangan yang dihasilkan berada di sekitar nilai 0 volt, sehingga hanya
dengan menguatkan tegangan akan menambah sensitivitas terhadap perubahan impedansi.

Gambar dan persamaan :
R3 . R2 = R1 . R4

Untuk sistem kontrol dimana sensor terletak pada posisi yang jauh dari control room,

penggunaan kabel yang panjang dikhawatirkan akan memberi kontribusi pada perubahan
resistansi sensor. Hal itu dapat diatasi dengan penggunaan rangkaian jembatan.
o Gambar dan persamaan

Penggunaan rangkaian ini akan menimbulkan nonlinearitas yang besar jika kisaran perubahan
resistansi besar. Namun jika perubahan resistansi kecil dan berada di sekitar nol (seperti respon
sensor pada umumnya), maka respon outputnya cenderung linear.
2.2.3 RC Filter

Bertujuan untuk menghilangkan sinyal noise yang tidak diinginkan dengan menahan/
mengeblok kisaran frekuensi tertentu.

Critical frequency ialah frekuensi dimana rasio tegangan output dan input sebesar 0.707.

Low Pass RC Filter mengeblok frekuensi tinggi dan melewatkan frekuensi rendah.
o Gambar dan persamaan :

High Pass RC Filter mengeblok frekuensi rendah dan melewatkan frekuensi tinggi.
o Gambar dan persamaan :

Hal-hal yang perlu diperhatikan
o Pemilihan nilai tahanan harus tinggi (dalam k) dan nilai kapasitor harus kecil (dalam
F) untuk menghindari terjadi arus yang besar sehingga menyebabkan efek
pembebanan besar.
o LPF dan HPF bisa dikombinasikan untuk mendapatkan band pass filter. Masingmasing LPF dan HPF juga bisa disusun seri untuk menambah kisaran frekuensi
2.3 Operational Amplifier (Op-Amp)

Gambar dan persamaan :

Ideal Op Amp
o Jika V1 – V2 ialah positif, maka V0 tersaturasi positif. Jika selisihnya negatif, maka V0
tersaturasi negatif. Pada dasarnya, op-amp hanya punya 2 output : + Vsat dan – Vsat.
o Memiliki impedansi antar input op-amp yang besarnya tak terbatas.
o Memiliki impedansi output sebesar 0.

Ideal Inverting Amplifier
o Gambar :
o Tidak ada perbedaan antara tegangan input op-amp, V+ = V- .
o Tidak ada arus yang mengalir melalui terminal input op amp karena diasumsikan
impedansi inputnya tidak terbatas.


Sehingga jumlah arus yang mengalir pasti nol :
I1 + I2 = 0
Efek Nonideal (Kondisi nyata op-amp)
o Gambar :
o Gain open loop yang terbatas, sebesar rasio dari V0 dan [V1 - V2].
o Impedansi input yang terbatas, sehingga ada tegangan dan arus yang melintasi terminal
input op-amp.
o Impedansi output yang tidak nol, meskipun hanya beberapa ohm saja.
o Persamaan :
2.4 Rangkaian Op Amp dalam Instrumentasi
2.4.1 Voltage follower

Mempunyai unity gain (besarnya gain ialah satu), dan impedansi input yang sangat tinggi
(lebih dari 100 M). Sering digunakan untuk menaikkan impedansi input op-amp lain.
2.4.2 Noninverting Amplifier

Dapat digunakan untuk menaikkan level tegangan, tetapi tidak bisa menurunkannya karena
input noninverting mempunyai impedansi input tinggi dan impedansi output rendah.

Gambar dan persamaan :
2.4.3 Differential Instrumentation Amplifier

Differential amplifier ideal memberikan selisih dari dua tegangan input yang dikalikan dengan
nilai gain tertentu.
o Vout = A ( V1 – V2)

Differential amplifier :

Karena diff. Amp di atas mempunyai impedansi input rendah. Dengan menambahkan
rangkaian voltage follower dapat diberikan impedansi input tinggi dan impedansi output
rendah. Kombinasi rangkaian ini dinamakan : instrumentation amplifier.
2.4.4 Voltage to Current Converter

Karena sinyal dalam dunia industri sering berupa arus standar 4 – 20 mA, berikut rangkaian
yang diperlukan untuk mengubah tegangan menjadi arus.

Gambar dan persamaan : …..
2.4.5 Current to Voltage Converter

Gambar dan persamaan :
2.4.6 Integrator

Gambar dan persamaan :
o Jika tegangan input konstan, Vin = K , sehingga persaman di atas menjadi :
Vout = - (K/RC) .t
Mekanisme reset dengan mendischarge capacitor harus dipersiapkan, sebab jika tidak
Vout akan naik dan berada pada nilai saturasi output untuk beberapa waktu.
2.4.7 Linearization

Dilakukan dengan menambahkan elemen nonlinear pada feedback loop op-amp (misal: dioda)
2.5 Petunjuk Desain Analog Signal Conditioning
1. Tentukan tujuan pengukuran.
a. Parameter : apakah jenis variabel yang diukur : tekanan, suhu, flow, dll?
b. Range : Berapakah range pengukuran : misal 2 – 4 V ?
c. Accuracy : berapakah akurasi yang diperlukan?
d. Linearity : apakah hasil pengukuran harus linear?
e. Noise : berapakah level noise dan spektrum frekuensi dari lingkungan pengukuran?
2. Memilih sensor.
a. Parameter : apakah nature dari output sensor: resistansi, tegangan, dll?
b. Transfer function : bagaimanakah hubungan (persamaan matematis) antara output
sensor dan variabel yang diukur?
c. Range : berapakah range output sensor untuk range pengukuran yang telah ada?
d. Power : bagaimanakah spesifikasi daya sensor?
3. Mendesain analog signal conditioning
a. Parameter : apakah nature dari output yang diinginkan?
b. Range : berapa range parameter output yang diinginkan?
c. Input impedance : berapa impedansi input yang harus dihasilkan S/C untuk sumber
sinyal tegangan. Sangat penting untuk mencegah efek pembebanan.
d. Output impedance : berapa impedansi output yang harus diberikan S/C untuk
rangkaian beban output.
4. Catatan untuk desain analog signal conditioning
a. Jika input berupa resistansi (rangkaian pembagi jembatan), pertimbangkan efek
nonlinieritas tegangan output terhadap perubahan resistansi dan efek dari arus yang
melewati sensor resistif.
b. Jika menggunakan op-amp, tentukan hubungan/persamaan yang menghubungkan
input dan output, untuk menentukan jenis rangkaian yang akan dipakai.
c. Pertimbangkan dan antisipasi kemungkinan adanya pembebanan dari sumber
tegangan.
Source : “Process Control Instrumentation Technology”, Curtis D. Johnson