Perbedaan Signal Analog vs Signal Digital « De` Corner

ANALOG SIGNAL PROCESSING USING OPERASIONAL AMPLIFIERS
(PEMROSESAN SINYAL ANALOG MENGGUNAKAN PENGUAT OPERASIONAL)
A. PENDAHULUAN
Sinyal keluaran dari sebuah tranduser atau sensor sangat kecil hampir
mendekati mikro volt. Tegangan keluran dari tranduser belum dapat dibaca oleh
adc atau pengolah sinyal yang lain. Agar sinyal tersebut dapat diolah oleh pengolah
sinyal, maka tegangan keluaran dari tranduser tersebut harus dimasukan kedalam
pengkondisi sinyal.
B. SIGNAL CONDITIONING
Pengkondisi sinyal merupakan konversi sinyal ke bentuk yang sesuai dengan
interface dengan elemen-elemen yang lain dalam loop kontrol proses. Efek
pengkondisi sinyal sering dinyatakan dengan fungsi alihnya (transfer function).
Sebuah pengkondisi sinyal mempunyai fungsi alih dari beberapa konstanta yang
ketika dikalikan dengan tegangan input akan memberikan tegangan output.
Pengondisi sinyal berfungsi untuk menyesuaikan sinyal keluaran transduser
temperatur agar dapat diterima dengan baik oleh untai ADC. Sinyal kondisi untuk
menguatkan sinyal tegangan keluaran dari trandusernya. Sinyal kondisi berfungsi
agar sinyal keluaran dari tanduser dapat di baca oleh komputer atau alat ukur lain.
Isyarat dari sinyal tranduser biasanya sangat lemah, untuk itu perlu dikuarkan
dengan penguat awal ditempatkan di dalam satu tempat dengan tranduser. Sinyal
kondisi di letakkan dalam satu tempat dengan tranduser, karena agar sinyal kondisi
hanya menguatkan sinyal keluaran dari tranduser. Penguat ini menjadi unsur dasar
pengolahan isyarat secara analog.
Pengondisi sinyal akan dibentuk dengan memanfaatkan penguat operasional
karena penguat operasional atau yang sering disebut op-amp memiliki beberapa
keutamaan yaitu memiliki impedansi masukan yang sangat besar, memiliki
impedansi keluaran yang rendah, memiliki nilai penguatan tinggi dan
karakteristiknya tidak berubah atau dipengaruhi temperatur.
C. PERUBAHAN SIGNAL LEVEL
Metode paling sederhana dari pengkondisi sinyal adalah pengubahan level
sinyal. Sinyal yang dihasilkan dari tranduser dan sensor mempunyai level sinyal
sangat kecil sampai mencapai mikro volt atau nano volt. Sinyal tersebut harus di
ubah levelnya menjadi mili volt atau volt. Pengubah level sinyal yang paling umum
adalah untuk penguatkan level tegangan. Suatu faktor penting dalam pemilihan
sebuah penguat sinyal adalah impedansi input yang ditawarkan oleh penguat sinyal.
Dalam memilih rangkaian penguat sinyal harus memilih penguat sinyal yang
memiliki impedansi input yang rendah.
Misalnya, sensor mengeluarkan tegangan keluaran sebesar 100uV. Sinyal dari
sensor dimasukan ke pengubah level tegangan dengan penguat 10x. Hitung berapa
tegangan keluaran dari pengubah level tegangan?
Jawab :
Tegangan keluaran dari pengubah level tegangan adalah :
Vout  A  Vinput
Vout  10 x100V  1mVolt
D. LINIERISASI
Tegangan keluaran dari sensor dan tranduser kebanyakan menghasilkan
tegangan yang tidak linier. Artinya, tegangan output sensor tidak berbanding lurus
dengan hasil pengukuran. Untuk itu, perlu dilakukan linierisasi dengan
menggunakan pengkondisi sinyal agar tegangan output sensor berbanding lurus
dengan hasil pengukuran. Linierisasi dengan menggunakan pengkondisi sinyal
adalah membuat persamaan fungsi linier yang akan di aplikasikan ke pengkondisi
sinyal.
Fungsi linier adalah fungsi yang paling sederhana karena hanya mempunyai
satu variabel bebas dan berpangkat satu pada variabel bebas tersebut, sehingga
sering disebut sebagai fungsi berderajad satu. Bentuk umum persamaan linier
adalah : y = a + bx; dimana a adalah konstanta dan b adalah koefisien. Atau sering
dinyatakan dalam bentuk implicit berikut: Ax + By + C = 0. Fungsi linier jika
digambarkan pada koordinat cartesius akan berbentuk garis lurus (linier).
Kemiringan pada setiap titik yang terletak pada garis lurus tersebut adalah sama.
Hal ini ditunjukkan oleh koefisien b pada persamaan y = a + bx.
Gambar 1. Grafik Fungsi Linier
E. SIGNAL CONVERSION
Sering kali, pengkondisi sinyal digunakan untuk mengkonversi suatu tipe
variasi elektrik kepada tipe lainnya. Sehingga, satu kelas besar dari transduser
transduser menyediakan perubahan tahanan dengan perubahan dalam variable
dinamik. Dalam kasus ini, adalah perlu dibuat sebuah rangkaian untuk
mengkonversi perubahan tahanan ini baik kedalam sinyal tegangan maupun arus.
Secara umum ini dipenuhi oleh jembatan-jembatan bila perubahan sebagian
tahanan adalah kecil dan/atau dengan amplifier-amplifier yang gainnya berubah
terhadap tahanan.
F. PENAPIS FREKUENSI
Sering sinyal-sinyal gangguan dari daya yang besar muncul dalam lingkungan
industri, seperti sinyal-sinyal frekuensi saluran standar 60 Hz dan 400 Hz. Transien
start motor juga dapat mengakibatkan pulsa-pulsa dan sinyal-sinyal yang tidak
diperlukan lainnya dalam loop kontrol proses. Dalam banyak kasus, perlu
digunakan high pass, low pass, dan notch filter untuk mengurangi sinyal sinyal
yang tidak diinginkan dari loop. Filter seperti ini dapat dipenuhi oleh filter pasif
yang hanya menggunakan resistor, kapasitor, induktor atau filter aktif,
menggunakan gain dan feedback. Penyesuai impedansi adalah sebuah elemen
penting dari pengkondisi sinyal ketika impedansi internal transduser atau impedansi
saluran dapat mengakibatkan error dalam pengukuran variabel dinamik. Baik
jaringan aktif maupun pasif juga dipakai untuk menghasilkan penyesuai seperti ini.
G. PERBEDAAN ANALOG AND DIGITAL SIGNAL
a. Analog Signal
Signal analog adalah signal yang berupa gelombang elektro magnetik dan
bergerak atas dasar fekuensi. Frekuensi adalah jumlah getaran bolak balik sinyal
analog dalam satu siklus lengkap per detik. Satu siklus lengkap terjadi saat
gelombang berada pada titik bertegangan nol, menuju titik bertegangan positif
tertinggi pada gelombang, menurun ke titik tegangan negatif dan menuju ke titik
nol kembali (lihat gambar). Semakin tinggi kecepatan atau frekuensinya semakin
banyak siklus lengkap yang terjadi pada suatu periode tertentu. Kecepatan
frekuensi tersebut dinyatakan dalam hertz. Sebagai contoh sebuah gelombang
yang berayun bolak balik sebanyak sepuluh kali tiap detik berarti memiliki
kecepatan 10 Hz.
Gambar 2. Satu Siklus Gelombang Analog
Signal analog dapat digunakan dalam media tertutup seperti kabel coaxial,
TV kabel dan kabel tembaga. Signal analog dapat pula digunakan melalui
medium terbuka seperti gelombang mikro, telepon rumah tanpa kabel dan
telepon seluler.
b. Kerugian pada Sinyal Sistem Analog
Pengiriman signal analog dapat dianalogikan mengirim air lewat pipa.
Aliran pipa kehilangan tenaganya saat disalurkan melalui sebuah pipa. Semakin
jauh pipa semakin banyak tenaga yang berkurang dan aliran semakin menjadi
lemah. Demikian pula signal analog akan menjadi lemah setelah melewati jarak
yang jauh.
Selain bertambah jauh signal analog juga memungut interferensi elektrik
atau “noise” dari dalam jalur. Kabel listrik, petir dan mesin-mesin listrik semua
menginjeksikan noise dalam bentuk elektrik pada signal analog.
Untuk mengatasi kelemahan tersebut maka diperlukan alat penguat signal
yang disebut amplifier.
c. Digital Signal
Sebagai ganti gelombang maka signal pada sistem digital ditransmisikan
dalam bentuk bit bit biner. Sistem biner adalah sistem on – off (sistem 1 – 0),
jadi bila ada tegangan atau on maka di angkakan 1, sedang bila tidak ada
tegangan atau off maka diangkakan 0. Meski memiliki kelemahan terhadap
nosie inteferensi listrik apabila jarak semakin jauh, namun signal digital masih
dapat diperbaiki atau “direparasi” artinya dengan cara membangkitkan ulang bitbit tersebut dengan tidak meregenerasi noise. Sebagai perbedan maka dapat di
lihat pada gambar di bawah ini :
Gambar 3. Perbedaan Signal Analog dan Digital
d. Kelebihan pada Signal Sistem Digital
Signal digital memiliki kelebihan dibanding signal analog, yang meliputi :
1.
Kualitas suara lebih jernih, selain lebih jelas signal digital memiliki sedikit
kesalahan.
2.
Kecepatan lebih tinggi.
3.
Lebih sedikit kesalahan.
4.
Memerlukan tenaga pendukung yang tidak terlalu kompleks.
Tabel 1. Perbedaan Signal Analog dan Digital
Berbagai contoh sistem digital saat ini (sebelumnya sistem analog):

Audio recording (CDs, DAT, mp3)

Phone system switching

Automobile engine control
Berbagai contoh sistem analog :

Perekam pita magnetik

Penguat audio.