41 BAB 4 IMPLEMENTASI DAN EVALUASI 4.1 Prosedur

BAB 4
IMPLEMENTASI DAN EVALUASI
4.1
Prosedur Pengoperasian Sistem
Langkah-langkah yang perlu dilakukan untuk mengoperasikan switching
amplifier yang dirancang adalah sebagai berikut :
1.
Siapkan modul input, modul FPGA, dan modul output-nya.
2.
Sambungkan modul input dan modul output dengan development board FPGA.
3.
Nyalakan development board FPGA.
4.
Hubungkan development board FPGA dengan ke PC melalui sebuah kabel
paralel.
5.
Aktifkan ISE Webpack 6.1i yang sudah ter-install dengan benar pada PC.
6.
Load proyek yang diinginkan, dalam hal ini proyek digital PWM.
7.
Lakukan sintesis dan implementasi desain.
8.
Generate Programming File sehingga menghasilkan sebuah bit file.
9.
Konfigurasikan bit file tersebut ke chip FPGA melalui kabel paralel yang telah
terhubung sebelumnya.
10. Hubungkan power supply ke modul input dan modul output.
41
4.2
Implementasi Sistem
Hasil perancangan pada PC diimplementasikan ke development board dengan
menjalankan langkah-langkah sesuai dengan prosedur pengoperasian sistem.
4.3
Evaluasi Sistem
Evaluasi terhadap sistem dibedakan menjadi dua, yaitu evaluasi menggunakan
data input konstan dan gelombang sinus. Berikut ini diberikan evaluasi pada modul
FPGA dan evaluasi pada modul output.
4.4
Evaluasi Modul FPGA
Evaluasi terhadap modul FPGA dilakukan dengan menggunakan input berupa
data konstan. Evaluasi dengan dua cara, yaitu secara teoritis dan secara praktis (hasil
pengujian). Dengan membandingkan hasil output berdasarkan teoritis dan praktisnya,
maka dapat dilihat bahwa modul FPGA yang dirancang berfungsi dengan benar dan
sesuai dengan teori.
4.4.1
Proses Noise Shaping Secara Teoritis Dengan Data Konstan
Input dari Noise Shaper adalah data 16 bit, sesuai dengan output dari data
buffer. Sebagai contoh, apabila input diberi nilai konstan sebesar 1088, maka outputnya akan berfluktuasi antara 1024 dan 1280 (nilai quntizer terdekat) dengan nilai ratarata mendekati 1088. Berdasarkan algoritma yang telah dirancang, maka Noise Shaper
melakukan perhitungan sebagai berikut :
Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Noise Shaper Dengan Input Konstan
41
clock
0
1
2
3
4
5
6
7
dst…
Input – X(z)
Biner
Desimal
0000 0100 0100 0000
1088
0000 0100 0100 0000
1088
0000 0100 0100 0000
1088
0000 0100 0100 0000
1088
0000 0100 0100 0000
1088
0000 0100 0100 0000
1088
0000 0100 0100 0000
1088
0000 0100 0100 0000
1088
Output terkuantisasi – Y(z)
Biner
Desimal
0000 0100 0000 0000
1024
0000 0101 0000 0000
1280
0000 0100 0000 0000
1024
0000 0100 0000 0000
1024
0000 0100 0000 0000
1024
0000 0100 0000 0000
1024
0000 0101 0000 0000
1280
0000 0100 0000 0000
1024
Nilai sample
1400
1300
1200
Output
Input
1100
1000
900
clock
800
0
5
10
15
20
25
30
35
Gambar 4.1 Grafik Input dan Output Noise Shaper
Dengan noise shaping orde 2, oversampling 8× (3 oktaf) serta kuantisasi output 8
bit, maka berdasarkan rumus 2.4, signal to error ratio maksimum pada bandwidth
audio adalah 82,17 dB.
4.4.2
Proses MUPWM Secara Teoritis
41
Gambar 4.2 sampai
Gambar 4.6 (tidak dengan skala sebenarnya),
menggambarkan proses MUPWM secara teoritis dengan data input secara berurutan : 0
(nol), 64, 127, -64 dan -127.
VA
VB
VOUT
(=VA – VB)
clock
0
7
71
134
142
satu siklus PWM
Gambar 4.2 Timing Diagram Output MUPWM dengan data input = 0
VA
VB
VOUT
(=VA – VB)
clock
0
7
71
134
142
satu siklus PWM
Gambar 4.3 Timing Diagram Output MUPWM dengan data input = 64
41
VA
VB
VOUT
(=VA – VB)
clock
0
7
71
134
142
satu siklus PWM
Gambar 4.4 Timing Diagram Output MUPWM dengan data input = 127
VA
VB
VOUT
(=VA – VB)
clock
0
7
71
134
142
satu siklus PWM
Gambar 4.5 Timing Diagram Output MUPWM dengan data input = -64
41
VA
VB
VOUT
(=VA – VB)
clock
0
7
71
134
142
satu siklus PWM
Gambar 4.6 Timing Diagram Output MUPWM dengan data input = -127
4.4.3
Evaluasi Modul FPGA Secara Praktis Menggunakan Data Konstan
Gambar 4.7 sampai Gambar 4.11, menggambarkan output MUPWM yang
diukur dengan osiloskop digital, dengan data input secara berurutan : 0 (nol), 64, 127, 64 dan -127.
Gambar 4.7 Output FPGA CH-1 = POA, CH-2 = POB, untuk D = 0
41
Gambar 4.8 Output FPGA dengan CH-1 = POA, CH-2 = POB, untuk D = 64
Gambar 4.9 Output FPGA dengan CH-1 = POA, CH-2 = POB, untuk D = 127
41
Gambar 4.10 Output FPGA dengan CH-1 = POA, CH-2 = POB, untuk D = -64
Gambar 4.11 Output FPGA dengan CH-1 = POA, CH-2 = POB, untuk D = -127
41
4.5
Evaluasi Modul Output
Evaluasi modul output dilakukan dengan mengevaluasi Driver MOSFET, proses
switching pada H-Bridge MOSFET dan evaluasi output filter.
4.5.1 Evaluasi Pada MOSFET Driver
Berdasarkan input yang diterima oleh Driver MOSFET, maka Driver MOSFET
merespon dengan mengeluarkan output berupa sinyal pulsa high atau low kepada setiap
MOSFET dalam rangkaian H-Bridge MOSFET. Ketika input low, maka Driver
MOSFET memberikan output low kepada High-side MOSFET dan high kepada Lowside MOSFET. Ketika input high, maka Driver MOSFET memberikan output high
kepada High-side MOSFET dan low kepada Low-side MOSFET.
Gambar 4.12 Output POA dari FPGA dengan D = 0 sebagai input untuk
salah satu Driver MOSFET
41
Gambar 4.13 Output Driver MOSFET untuk low side MOSFET A
Gambar 4.14 Output Driver MOSFET untuk high side MOSFET A
Pada Gambar 4.14, terlihat bahwa tegangan output high side driver mencapai 17
V. Untuk mencapai keadaan ON, high side MOSFET memerlukan tegangan gate
minimal sebesar Vcc + Vgs(th). IC Driver MOSFET memompa tegangan hingga 12 V
+ 5 V = 17 V.
41
Gambar 4.15 Output VA dari pasangan MOSFET A dengan D = 0
4.5.2
Evaluasi H-Bridge MOSFET Dengan Data Konstan
Berdasarkan input yang diterima dari Driver MOSFET, maka H-Bridge
MOSFET merespon dengan mengeluarkan output berupa sinyal pulsa positif atau
negatif. Gambar 4.16 sampai Gambar 4.20, memperlihatkan output dari pasangan
MOSFET pada rangkaian H-Bridge dengan data konstan mulai dari 0, 64, 127, -64 dan
terakhir -127.
Gambar 4.21 memperlihatkan tegangan output yang dihasilkan dengan data 0.
Pada gambar tersebut, terlihat bahwa dengan pulsa inisial tegangan output yang
dihasilkan adalah nol.
41
Gambar 4.16 Output H-Bridge MOSFET CH-1 = VA, CH-2 = VB, untuk D = 0
Gambar 4.17 Output H-Bridge MOSFET CH-1 = VA, CH-2 = VB, untuk D = 64
41
.
Gambar 4.18 Output H-Bridge MOSFET CH-1 = VA, CH-2 = VB, untuk D = 127
Gambar 4.19 Output H-Bridge MOSFET CH-1 = VA, CH-2 = VB, untuk D = -64
41
Gambar 4.20 Output H-Bridge MOSFET CH-1 = VA, CH-2 = VB, untuk D = -127
Vout
Gambar 4.21 Vout saat Pulsa Inisial CH-1 = VA, CH-2 = VB, Vout = VA-VB
41
4.5.3
Evaluasi Output Filter
Berdasarkan perhitungan pada subbab 3.3.3, diperoleh frekuensi natural 35,4
KHz dengan damping ratio sebesar 1. Berikut ini akan diberikan tabel perbandingan
antara frekuensi dengan Gain (dB) dari output filter.
Tabel 4.2 Perbandingan frekuensi dengan Gain (dB)
Frekuensi (Hz)
1
10
100
1000
10000
20000
22700
30000
35446
100000
200000
333100
352800
Gain (dB)
0
0
0
0
- 0,67
- 2,41
-3
- 4,7
-6
- 19
- 30,3
- 39
- 40
.
5
0
-5
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
-10
-15
Av (dB)
-20
-25
-30
-35
-40
-45
Frekuensi
Gambar 4.22 Grafik Tanggapan Frekuensi Output Filter
41
Pengujian output filter dilakukan dengan data input berupa gelombang sinus
frekuensi 1,38 KHz. Ouput dari rangkaian H-Bridge merupakan sinyal unipolar PWM
yang mengandung gelombang sinus (Gambar 4.23).
Gambar 4.23 Vout H-Bridge dengan Data Gelombang Sinus
Kemudian LC filter melakukan proses demodulasi, yaitu mengubah sinyal
unipolar PWM menjadi gelombang sinus. (Gambar 4.24)
Gambar 4.24 Output LC Filter
41
4.6
Evaluasi Efisiensi Daya Switching Amplifier
Efisiensi daya merupakan perbandingan antara daya output yang dihasilkan
dengan daya input yang diserap oleh amplifier. Secara teoritis efisiensi dari switching
amplifier adalah mendekati 100 %, namun pada praktisnya ketidak idealan berbagai
komponen yang digunakan dalam switching amplifier menyebabkan efisiensi tidak
mungkin dapat mencapai 100 %.
Pengukuran efisiensi dilakukan dengan beban berupa resistor 4 ohm.
Penggunaan beban induktif menyebabkan daya yang terukur bukan daya real karena
arus tidak sefasa dengan tegangan.
Tegangan yang terukur pada beban adalah 5,5 V(RMS), sehingga daya output (Po)
adalah :
Po =
V 2 5,5 2
=
= 7,56 watt
R
4
Arus yang terukur pada switching amplifier adalah 0,80 A dengan tegangan
supply terukur sebesar 11,25 V, sehingga daya input (Pi) adalah :
Pi = V × I = 11,25 × 0,80 = 9 watt
Maka efisiensi daya adalah :
η=
Po
7,56
× 100% =
× 100% = 84%
Pi
9
Sebagai perbandingan efisiensi daya tertinggi penguat daya linear dicapai oleh
penguat kelas B yang secara teoritis mempunyai efisiensi sebesar 78,5 %
41