Pengkondisi Sinyal - Universitas Diponegoro

TUGAS MEKATRONIKA
MAKALAH
PENGKONDISI SINYAL
Edo Herwinantyo
(21060111120014)
Hafidz Aly Hidayat
(21060111130093)
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
2014
DAFTAR ISI
1.
THE BRIDGE NETWORK
1.1 Jembatan Wheatstone ....................................................................
2.
3.
4.
1
OPERATIONAL AMPLIFIER
2.1 Penguat Inverting ..........................................................................
5
2.2 Penguat Non Inverting ..................................................................
6
2.3 Penguat Penjumlah Tegangan .......................................................
8
2.4 Penguat Selisih Tegangan .............................................................
9
2.5 Penguat Integrator .........................................................................
11
2.6 Penguat Deferensiator ...................................................................
13
2.7 Penguat Instrumentator .................................................................
14
FILTER
3.1 LPF RC .........................................................................................
19
3.2 LPF Aktif ......................................................................................
21
3.3 HPF RC .........................................................................................
22
3.4 HPF Aktif ......................................................................................
24
3.5 BPF RC .........................................................................................
27
3.6 BPF Aktif ......................................................................................
28
3.7 BRF RC .........................................................................................
31
3.8 BRF Aktif ......................................................................................
32
ADC & DAC
4.1 Komparator ...................................................................................
35
4.2 DAC ...............................................................................................
35
4.3 ADC ..............................................................................................
39
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Skema Rangkaian Jembatan Wheatstone ..............................
1
Gambar 1.2 Jembatan Wheatstone dalam Kondisi Seimbang ...................
1
Gambar 1.3 Kondisi Jembatan Wheatstone yang Tidak Seimbang ...........
2
Gambar 1.4 Kondisi Jembatan Wheatstone yang Tidak Seimbang ...........
2
Gambar 1.5 Rangkaian Jembatan Wheatstone Untuk Mengukur R
yang Belum Diketahui.................................................................................
3
Gambar 2.1 Rangkaian Penguat Pembalik ................................................
5
Gambar 2.2 Rangkaian Penguat Pembalik ................................................
6
Gambar 2.3 Penguat Non-Inverter .............................................................
7
Gambar 2.4 Penguat Non-Inverter .............................................................
8
Gambar 2.5 Penguat Penjumlah Tegangan ................................................
9
Gambar 2.6 Penguat Selisih Tegangan ......................................................
10
Gambar 2.7 Rangkaian Integrator..............................................................
12
Gambar 2.8 Rangkaian Deferensiator........................................................
13
Gambar 2.9 Rangkaian Equivalen Penguat Instrumentasi ........................
14
Gambar 2.10 Contoh Penguat Instrumentasi ...............................................
15
Gambar 2.11 Rangkaian Penguat Deferensial .............................................
15
Gambar 2.12 Penguatan Common Mode .....................................................
16
Gambar 2.13 Rangkaian Pertama Penguat Instrumentasi ............................
17
Gambar 3.1 Rangkaian Dasar Dan Grafik Respon Frekuensi
Low Pass Filter RC .....................................................................................
19
Gambar 3.2 Rangkaian Dasar Filter Aktif Low Pass (LPF) ......................
21
Gambar 3.3 Respon Frekuensi Filter Aktif Low Pass ...............................
21
Gambar 3.4 Rangkaian High Pass Filter (HPF) RC ..................................
23
Gambar 3.5 Grafik karakteristik dari high pass filter (HPF) .....................
24
Gambar 3.6 Rangkaian Filter Aktif High Pass (HPF) ...............................
25
Gambar 3.7 Respon Frekuensi Filter Aktif High Pass (HPF) ...................
26
Gambar 3.8 Rangkaian Band Pass Filter (BPF) RC ..................................
27
Gambar 3.9 Karakteristik Band Pass Filter (BPF) RC ..............................
28
Gambar 3.10 Rangkaian Band Pass Filter {BPF) Bidang Lebar .................
29
Gambar 3.11 Grafik Output Band Pass Filter {BPF) Bidang Lebar ...........
29
Gambar 3.12 Rangkaian Band Pass Filter (BPF) Bidang Sempit ...............
30
Gambar 3.13 Rangkaian Band Stop Filter (BPF) RC ..................................
31
Gambar 3.14 Karakteristik Band Stop Filter (BPF) RC .............................
32
Gambar 3.15 Rangkaian Dan Output Band Reject Filter (BRF)
Bidang Lebar ...............................................................................................
33
Gambar 3.16 Rangkaian Band Reject Filter (BRF) Bidang Sempit ............
34
Gambar 4.1 Komparator ............................................................................
35
Gambar 4.2 Rangkaian Dasar Binary-weighted DAC ...............................
36
Gambar 4.3 Rangkaian R/2R Ladder DAC ...............................................
37
Gambar 4.4 Rangkaian Ekivalen R/2R Ladder .........................................
38
Gambar 4.5 Pengaruh Kecepatan Sampling ADC .....................................
39
Gambar 4.6 Rangkaian Dasar ADC Simultan ...........................................
40
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1
Konversi Digital Ke Analog Rangkaian Binary-weighted ....
37
Tabel 4.2
Konversi Digital Ke Analog Rangkaian R/2R Ladder ..........
38
Tabel 4.3
Output ADC 100 biner ...........................................................
41
THE BRIDGE NETWORK
1.1 JEMBATAN WHEATSTONE
Gambar 1.1 Skema Rangkaian Jembatan Wheatstone
Fungsi jembatan wheatstone adalah untuk menghitung besar suatu
hambatan yang tidak diketahui besar hambatannya. Pada saat ini jembatan
wheatstone lebih sering digunakan sebagai alat bantu untuk pengukuran
(instrumentasi), karena rangkaian ini sangat sensitif dan akurat. Beberapa alat
ukur yang mengunakan prinsip jembatan wheatstone : Ohmmeter, voltmeter,
amperemeter, termometer elektronik, staingauge dan lain sebagainya. Hampir
semua alat ukur menggunakan prinsip ini. Salah satu kelebihan jembatan
wheatstone adalah dapat digunakan untuk mengukur perubahan yang sangat kecil
pada hambatan.
Dalam kondisi seimbang, jembatan wheatstone dapat disamakan dengan 2
rangkaian seri resistor yang dipasang paralel seperti gambar 2, dimana tidak ada
beda potensial pada titik CD, sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir
melewati titik CD.
Gambar 1.2 Jembatan Wheatstone dalam Kondisi Seimbang
1
Pengkondisi Sinyal
Pada gambar 2 terlihat rangkaian seri resistor pada sisi kanan sama dengan
rangkaian seri resistor pada sisi kiri. Resistor – resistor tersebut akan membagi
tegangan sumber (12 V) menjadi V1 = 4 V dan V2 = 8 V demikian juga dengan
sisi sebelah kanan yaitu V3 = 4 V dan V4 = 8 V. Arus akan terbagi menjadi 2 juga
yaitu I1 dan I2 yang besarnya sama karena besarnya hambatan total seri 1 besarnya
sama dengan hambatan total rangkaian seri 2. Akibatnya tidak ada beda potensial
pada titik C dan titik D. Karena tidak ada beda potensial maka tidak akan ada arus
yang mengalir pada titik CD.
Namun bila hambatannya dibalik seperti pada gambar 3 berikut ini.
Gambar 1.3 Kondisi Jembatan Wheatstone yang Tidak Seimbang
Maka pada resistor sebelah kira akan timbul tegangan 8 Volt pada titik C
dan pada resistor sebelah kanan akan timbul tegangan 4 Volt pada titik D.
Akibatnya titik C dan titik D timbul beda tegangan. Besar beda tegangan ini
adalah : 8 – 4 = 4 Volt.
Dapat dilihat, jika resistor di salah satu sisinya tidak sama besarnya, atau
ada sedikit saja perbedaan, maka akan timbul beda tegangan pada titik tengah
(CD), beda tegangan inilah yang dapat digunakan sebagai alat ukur. Berikut
adalah contoh perhitungannya :
Gambar 1.4 Kondisi Jembatan Wheatstone yang Tidak Seimbang
2
Pengkondisi Sinyal
Bila diketahui R1 = 10 kΩ ; R2 = 20 kΩ ; R3 =8 kΩ dan R4 = 6 kΩ, dengan
sumber tegangan 12 V, hitunglah berapa beda potensial pada titik CD atau yang
terukur oleh voltmeter pada titik CD.
Langkah-langkah :
Langkah pertama hitung beda potensial pada titik CB
Rangkaian jembatan Wheatstone untuk menghitung besar resistor yang
belum diketahui besarnya dapat dilihat seperti pada gambar berikut ini.
Gambar 1.5 Rangkaian Jembatan Wheatstone Untuk Mengukur R yang Belum Diketahui
Pada gambar 4 tampak rangkaian yang dapat digunakan untuk mengukur
besar hambatan suatu resistor yang belum diketahui besarnya. Hambatan yang
tidak diketahui besarnya dipasang pada R4(RX), sedangkan R3 diganti dengan
3
Pengkondisi Sinyal
sebuah potensiometer. Fungsi potensiometer ini adalah untuk mengatur supaya
beda tegangan antara titik C dan D sama dengan Nol atau untuk menyeimbangkan
jembatan wheatstone. Maka besar RX dapat dihitung.
Tegangan CB dapat dihitung :
4
Pengkondisi Sinyal
OPERATIONAL AMPLIFIER
2.1 PENGUAT INVERTING
Keluaran sensor dan tranduser pada umumnya mempunyai tegangan yang
sangat kecil hingga mikro volt, sehingga diperlukan penguat dengan impedansi
masukan rendah. Rangkaian penguat inverting merupakan rangkaian penguat
pembalik dengan impedansi masukan sangat rendah. Rangkaian penguat inverting
akan menerima arus atau tegangan dari tranduser sangat kecil dan akan
membangkitkan arus atau tegangan yang lebih besar. Rangkaian dasar penguat
inverting adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar 1, dimana sinyal
masukannya dibuat melalui input inverting. Rangkaian ini adalah pengubah dari
arus menjadi tegangan dan digerakkan oleh sumber tegangan dan bukan sumber
arus. Tahanan sumber R1, bagian umpan baliknya berubah dan beberapa sifat
umpan balik juga berubah.
Gambar 2.1 Rangkaian Penguat Pembalik
Input non-inverting pada rangkaian ini dihubungkan ke ground, atau v+ =
0. Karena v+ dan v- nilainya = 0 namun tidak terhubung langsung ke ground, input
op-amp v- pada rangkaian ini dinamakan virtual ground. Dengan fakta ini, dapat
dihitung arus pada hambatan resistor R1 dan arus pada hambatan resistor R2
adalah
I out 
I in 
0  Vout
R2
Vin  0
R1
(1)
(2)
5
Pengkondisi Sinyal
Arus yang masuk dalam op-amp adalah nol, i_  0 makab
I in  I out  i_  0
(3)
Masukan persamaan 1 dan 2 ke persamaan 3
Vin  0 0  Vout

R1
R2
(4)
Selanjutnya
Vin
V
  out
R1
R2
Vout  
R2
xVin
R1
Jika penguatan G didefenisikan sebagai perbandingan tegangan keluaran terhadap
tegangan masukan, maka dapat ditulis
G
Vout
R2

Vin
R1
(4)
Impedansi rangkaian inverting didefenisikan sebagai impedansi input dari sinyal
masukan terhadap ground. Karena input inverting (-) pada rangkaian ini diketahui
adalah 0 (virtual ground) maka impendasi rangkaian ini tentu saja adalah Zin = R1.
Gambar 2.2 Rangkaian Penguat Pembalik
Penguat pembalik adalah penggunanan op amp sebagai penguat sinyal dimana
sinyal outputnya berbalik fasa 180 derajat dari sinyal input.
2.2 PENGUAT NON INVERTING
Banyak rangkaian elektronika yang memerlukan penguatan tegangan atau
arus yang tinggi tanpa terjadi pembalikan (inversion) isyarat. Peguat op-amp takmembalik (noninverting op-amp) didesain untuk keperluan ini. Rangkain ini dapat
digunakan untuk memperkuat isyarat AC maupun DC dengan keluaran yang tetap
6
Pengkondisi Sinyal
sefase dengan masukan. Impedansi masukan dari rangkaian ini berharga sangat
terminal masukan noninverting, besarnya penguatan tegangan tergantung pada
harga in R dan F R yang dipasang. Isyarat keluaran penguat ini diambil dari
resistor L R (biasanya berharga sekitar 35Penguat non inverting ini memiliki masukan yang dibuat melalui input
non-inverting. Dengan demikian tegangan keluaran rangkaian ini akan satu fasa
dengan tegangan inputnya. Untuk menganalisa rangkaian penguat op-amp non
inverting, caranya sama seperti menganalisa rangkaian inverting.
Gambar 2.3 Penguat Non-Inverter
Dengan menggunakan analisa konsep bumi semu:
vin = v+
v+ = v- = vin
Dari sini ketahui arus pada hambatan R2 dan arus pada hambatan R1 adalah
iR1 = vin/R1
iout = (vout-vin)/R2
Hukum kirchkof pada titik input inverting merupakan fakta yang mengatakan
bahwa :
iout + i(-) = iR1
Arus yang masuk dalam op-amp adalah nol, i_  0 maka
iout = iR1
(vout – vin)/R2 = vin/R1
yang kemudian dapat disederhanakan menjadi :
7
Pengkondisi Sinyal
vout = vin (1 + R2/R1)
Jika penguatan G adalah perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan
masukan, maka didapat penguatan op-amp non-inverting :
… (2)
Impendasi untuk rangkaian Op-amp non inverting adalah impedansi dari input
non-inverting op-amp tersebut. Dari datasheet, LM741 diketahui memiliki
impedansi input Zin = 108 to 1012 Ohm.
Gambar 2.4 Penguat Non-Inverter
Penguat tidak membalik adalah penggunanan op amp sebagai penguat
sinyal dimana sinyal outputnya sefasa dengan sinyal input.
2.3 PENGUAT PENJUMLAH TEGANGAN
Dengan
menggunakan
rangkaian
penguat
membalik
dasar
dan
menambahkan resistor masukan lainnya, kita dapat membuat penguat penjumlah
membalik atau penjumlah analog, seperti tampak pada Gambar 2.13. Tegangan
keluaran dibalikkan dan nilainya sama dengan penjumlahan aljabar dari masingmasing perkalian tegangan masukan dengan hasil bagi resistor masukan dengan.
resistor umpan balik yang bersesuaian, atau dapat dinyatakan sebagai :
Suku RF/RN (VN) dalam rumus di atas menyatakan bahwa dalam
rangkaian tersebut mungkin terdapat lebih dari dua masukan. Bila semua resistor
luar sama nilainya (RF = R, = R2 = ... = RN), keluaran dengan mudah dapat
dihitung sebagai penjumlahan aIjabar dari masingmasing tegangan masukan, atau
VOut = - (VI + V2 + - - - + VN)
8
Pengkondisi Sinyal
Gambar 2.5 Penguat Penjumlah Tegangan
Penguat penjumlah berfungsi menjumlahkan level masing masing sinyal
input yang masuk ke op amp. Penggunanan op amp sebagai penjumlah sering
dijumpai pada rangkaian mixer audio.
2.4 PENGUAT SELISIH TEGANGAN
Penamaan penguat operasional memang cocok karena penguat ini dapat
digunakan untuk operasi matematika. Pada eksperimen sebelumnya telah kita lihat
9
Pengkondisi Sinyal
bagaimana opamp berfungsi sebagai penguat atau secara matematika sebagai
pengali. Pada bagian ini akan kita pelajari op-amp sebagai operasi matematika
penjumlah dan pengurang. Untuk operasi penjumlah, masukan tak membalik dari
op-amp dihubungkan dengan tanah sedangkan tegangan masukan yang akan
dijumlah diumpankan pada masukan membalik. Pada operasi pengurangan atau
penguat diferensial, dengan mengumpankan isyarat pada masukan tak-membalik
dan membalik akan didapat selisih keduanya.
Penguat ini serupa dengan pembanding, kedua masukan dipakai untuk
merasakan tegangan di antara mereka, namun rangkaian menggunakan modus lup
tertutup, sehingga tegangan keluaran dapat diperkirakan dan dikendalikan
besarnya. Bila semua resistor luar sama besarnya, maka penguat ini berfungsi
sebagai rangkaian matematik analog dan dikenal sebagai pengurang tegangan.
Tegangan keluaran merupakan kebalikan selisih tegangan di antara kedua
masukan dan nilainya dihitung menurut rumus
Gambar 2.6 Penguat Selisih Tegangan
10
Pengkondisi Sinyal
Sebagaimana pembanding, polaritas tegangan kelfiaran akan positif bila
tegangan pada masukan membalik lebih negatif daripada tegangan pada masukan
tak membalik (seperti dibuktikan dalam rumus), dan sebaliknya.
Penguat differensial adalah penggunaan op amp untuk mencari selisih
antara dua buah titik tegangan yang berbeda.
2.5 PENGUAT INTEGRATOR
Rangkaian op-amp untuk fungsi integrasi termasuk rangkaian yang
penting. Rangkaian integrator banyak digunakan dalam “komputer analog”
sebagai alat bantu untuk menyelesaikan persamaan integral. Rangkaian ini dapat
dibuat dengan menempatkan kapasitor pada masukan membalik dan keluaran dan
masukan tak-membalik ditanahkan.
Rangkaian integrator op-amp ini juga berasal dari rangkaian inverting
dengan tahanan umpan baliknya diganti dengan kapasitor. Proses perhitungannya
sebagai berikut: B F i = I + i 1 , B I diabaikan karena sangat kecil nilainya
sehingga : F i @ i 1 . Arus pada kapasitor adalah
yang sama dengan iF , sehingga
karena v1 = v2 @ 0, karena penguatan A terlalu besar, sehingga
11
Pengkondisi Sinyal
Sehingga persamaannya menjadi :
Batas frekuensi yang dilalui oleh capasitor dalam rangkaian integrator adalah
Biasanya rangkaian untuk aplikasi ada penambahan tahanan yang diparalel
dengan kapasitor dengan dinama RF. Seperti pada gambar dibawah rangkaian
integrator yang belum di tambah tahanan yang diparalel dengan kapasitor. Nilai
ROM adalah antara nol sampai dengan R1.
Gambar 2.7 Rangkaian Integrator
Penguat ini mengintegrasikan tegangan masukan terhadap waktu, dengan
persamaan:
di mana t adalah waktu dan Vmula adalah tegangan keluaran pada t = 0.
Sebuah integrator dapat juga dipandang sebagai tapis pelewat-tinggi dan dapat
digunakan untuk rangkaian tapis aktif.
12
Pengkondisi Sinyal
2.6 PENGUAT DEFERENSIATOR
Rangkaian differensiator adalah rangkaian aplikasi dari rumusan
matematika yang dapat dimainkan (dipengaruhi) dari kerja kapasitor. Untuk
mendapatkan rumus differensiator, urutannya adalah sebagai bagai berikut : C B F
i = i + i dan selama nilai = 0 B i maka C F i = i selisih dari inverting input dan
noninverting input (v1 dan v2) adalah nol dan penguatan tegangannya sangat
besar, maka didapat persamaan pengisian kapasitor sebagai berikut :
menjadi
atau
Gambar 2.8 Rangkaian Deferensiator
Mendiferensiasikan sinyal hasil pembalikan terhadap waktu dengan persamaan:
di mana Vin dan Vout adalah fungsi dari waktu.
Pada dasarnya diferensiator dapat juga dibangun dari integrator dengan
cara mengganti kapasitor dengan induktor, namun tidak dilakukan karena harga
induktor yang mahal dan bentuknya yang besar. Diferensiator dapat juga dilihat
sebagai tapis pelewat-rendah dan dapat digunakan sebagai tapis aktif.
13
Pengkondisi Sinyal
2.7 PENGUAT INSTRUMENTASI
Penguat instrumentasi adalah suatu penguat loop tertutup (closed loop)
dengan masukan difrensial, dan penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi
nisbah penolakan modul bersama (common mode rejection ratio – CMRR).
Fungsi utama penguat instrumentasi adalah untuk memperkuat tegangan yang
tepat berasal dari sensor atau transduser secara akurat. Rangkaian equivalen
penguat instrumentasi adalah seperti gambar berikut :
Gambar 2.9 Rangkaian Equivalen Penguat Instrumentasi
Besaran RicM adalah hambatan atau impedansi masukan deferensial. e0
adalah tegangan keluaran tanpa beban (terbuka) dan R0 adalah hambatan atau
impedansi keluaran. Karena penguat instrumentasi adalah loop terbuka, maka
perlu dipasang rangkaian umpan balik untuk menggunakan seperti halnya penguat
operasional. Penguat instrumentasi yang bermutu tinggi dibuat dalam bentuk
hybrid yaitu campuran ic dan komponen diskrit.
Penguatan instrumentasi dapat dibuat dengan menggunakan op amp. Mutu
dari penguat instrumentasi ini tergentung dari mutu op-amp yang digunakan yang
menyangkut ini offset masukan, impedansi masukan, drift pada tegengan
keluaran, CMRR, PSRR, dan lain sebagainya. Disamping itu CMRR dan
ketepatan penguat op-amp amat tergantung kepada presisi dari komponen pasif
yang digunakan. Sekarang kita akan membahas dua rangkaian penguat
instrumentasi menggunakan op-amp. Rangkaian yang digunakan untuk membuat
instrumentasi dengan op amp
14
Pengkondisi Sinyal
:
Gambar 2.10 Contoh Penguat Instrumentasi
Kita dapat bagi rangkaian diatas menjadi dua bagian pertama terdiri dari
IC OP-AMP OA1 dan IC OP-AMP OA2 dan bagian kedua terdiri dari IC OPAMP OA3. Sekarang kita akan membahas bagian kedua terlebih dahulu.
Rangkaian bagian kedua dapat di lihat pada gambar dibawah :
Gambar 2.11 Rangkaian Penguat Deferensial
Karena impedansi masukan difrensial dari op-amp sangat tinggi maka
dapat dianggap I1=I4=0 sehingga Ia = Ia’ dan Ib =Ib’
Dengan menggunakan hokum kirchoff kita peroleh
ea-Vo=(R2+R6)Ia
eb-0=(R5+R7)Ib
15
Pengkondisi Sinyal
Selanjutnya kita menggunakan dari sifat op yang lain yaitu bahwa masukan
inverting dan non inverting ada dalam keadaan hubung sikat virtual maka:
Vo=-IaR6+IbR7
Dari ketiga persamaan kita dapatkan:
Agar tegangan Vo sebanding dengan selisih tegangan isyarat masukan maka harus
dibuat agar:
Sebaiknya digunakan R5=R2 dan R7=R6
Jadi
Penguatan common mode dapat kita peroleh bila menggunakan
Gambar 2.12 Penguatan Common Mode
Persamaan menjadi
Seperti telah digunakan diatas jika digunakan R7=R6 dan R5=R2 kita peroleh
16
Pengkondisi Sinyal
penguat diferensial. Dalam prakteknya tidak akan membuat hambatan sama
karena resistor tersebut mempunyai toleransi minimum 1%
Misalnya
Maka
Dari persamaan diatas kita peroleh common mode Rejection ratio
Tampak bila ∆=1%=0.01 dan R2=R6 maka CMRR=60=30db
Jadi agar diperoleh CMRR yang tinggi diperlukan komponen dengan presisi yang
tinggi pula.
Gambar 2.13 Rangkaian Pertama Penguat Instrumentasi
Oleh karena masukan inverting dan non inverting pada op-amp dalam
keadaan hubung singkat maka tegangan pada titik A = ea dan pada titik B =eb.
Hambatan masukan diferensial sangat besar maka arus I1=I2=0 akibatnya:
17
Pengkondisi Sinyal
akan tetapi
sehingga
sehingga
ea=eb=ecm maka
persamaan xx menyatakan bahwa bila
sehingga
yang berarti bahwa pada rangkaian
Gambar xx terjadi penurunan dari segi CMRR disebabkan oleh bagian II saja. Ini
berarti bahwa dipandang dari segi CMRR hanya R2,R6,R5 dan R7 yang harus
mempunyai nilai presisi. Penguatan dari seluruh rangkaian gambar xxx dapat
diperoleh dengan menggabungkan persamaan xx dan xx yaitu:
18
Pengkondisi Sinyal
FILTER
Lingkungan perindustrian adalah lingkungan yang rawan atau sensitif
terhadap gangguan listrik atau noise. Motor yang nyala dan mati bukan pada
waktu-waktu tertentu akan menghasilkan interferensi elektromagnetik atau EMI
pada sistem pengkabelannya. Pengendali kecepatan motor, pengatur lampu juga
menyumbang EMI. Bahkan lampu fluorescent dan bor tangan juga menyumbang
noise.
Filter merupakan salah satu metode pengendalian noise tersebut.
Pengendalian noise diperlukan agar sistem berjalan sebagaimana mestinya dengan
menganulir gangguan yang tidak diinginkan.
3.1 LPF RC
Low Pass Filter (LPF) atau Filter Lolos Bawah adalah filter yang hanya
melewatkan sinyal dengan frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi cut-off (fc)
dan akan melemahkan sinyal dengan frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi
cut-off (fc). Pada filter LPF yang ideal sinyal dengan frekuensi diatas frekuensi
cut-off (fc) tidak akan dilewatkan sama sekali (tegangan output = 0 volt).
Rangkaian low pass filter RC merupakan jenis filter pasif, dengan respon
frekuensi yang ditentukan oleh konfigurasi R dan C yang digunakan. Rangkaian
dasar LPF dan grafik respon frekuensi LPF sebagai berikut.
Gambar 3.1 Rangkaian Dasar Dan Grafik Respon Frekuensi Low Pass Filter RC
Frekuensi cut-off (fc) dari filter pasif lolos bawah (Low Pass Filter,LPF)
dengan RC dapat dituliskan dalam persamaan matematis sebagai berikut.
19
Pengkondisi Sinyal
Rangkaian filter pasif LPF RC di atas terlihat seperti pembagi tegangan
menggunakan R. Di mana pada filter LPF RC ini tegangan output diambil pada
titik pertemuan RC. Tegangan output (Vout) filter pasif LPF seperti terlihat pada
rangkaian di atas dapat diekspresikan dalam persamaan matematis sebagai
berikut.
Besarnya penguatan tegangan (G) pada filter pasif yang ideal maksimum
adalah 1 = 0dB yang hanya terjadi pada frekuensi sinyal input di bawah frekuensi
cut-off (fc). Penguatan tegangan (G) filter LPF RC pasif dapat dituliskan dalam
persamaan matematis sebagai berikut.
Dan penguatan tegangan (G) LPF RC dapat dituliskan dalam satuan dB
sebagai berikut.
Pada filtrer lolos bawah (low pass filter ,LPF) terdapat beberapa
karakteristik mendasar sebagai berikut.
Pada saat frekuensi sinyal input lebih rendah dari frekuensi cut-off (fc) (fin
<< fc) maka penguatan tegangan / Gain (G) = 1 atau G=0dB.
Pada saat frekuensi sinyal input sama dengan frekuensi cut-off (fc) (fin = fc) maka
ω = 1/RC sehingga penguatan tegangan / Gain (G) menjadi -3 dB atau terjadi
pelemahan tegangan sebesar 3 dB.
Pada saat frekuensi sinyal input lebih tinggi dari frekuensi cut-off (fc) (fin
>> fc) maka besarnya penguatan tegangan (G) = 1/ωRC atau G = -20 log ωRC
Sehingga dapat ditarik kesimpulan bahwa Filter Lolos Rendah (Low Pass Filter,
LPF) hanya meloloskan sinyal dengan frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi
cut-off (fc) saja.
20
Pengkondisi Sinyal
3.2 LPF Aktif
Low pass filter yang dibahas disini adalah model butterworth dan beberapa
model lainnya antara lain adalah model buffer model inverting. Low Pass Filter
adalah filter yang akan meloloskan frekuensi yang berada dibawah frekuensi cut
off (fc) dan meredam frekuensi diatas fc. Filter aktif low pass adalah rangkaian
filter yang menggunakan penguat operasional (Op-Amp) rangkaian terpadu (IC)
dimana rangkaian filter aktif low pass ini akan meloloskan sinyal input dengan
frekuensi dibawah frekuensi cut off rangkaian dan akan melemahkan sinyal input
dengan frekuensi diatas frekuensi cut-off rangkaian filter aktif low pass tersebut.
Seperti tampak pada gambar ini adalah gambar Low Pass Filter Butterworth
dengan perhitungan sebagai berikut :
Gambar 3.2 Rangkaian Dasar Filter Aktif Low Pass (LPF)
Frekuensi cut-off filter low pass (fc) :
Penguatan filter low pass (AF) :
Gambar 3.3 Respon Frekuensi Filter Aktif Low Pass
21
Pengkondisi Sinyal
Respon frekuensi atau penguatan sinyal terhadap perubahan frekuensi sinyal
input pada filter aktif low pass ini dibagi dalam 3 bagian yaitu :
1. Pada saat sinyal input dengan frkuensi (f) lebih rendah dari frekuensi cutoff (fc) f < fc
2. Pada saat sinyal input dengan frkuensi (f) sama dengan frekuensi cut-off
(fc) f = fc
3. Pada saat sinyal input dengan frkuensi (f) lebih tinggi dari frekuensi cutoff (fc) f > fc
Jadi filter aktif low pass (LPF) akan konstans dari input 0 Hz sampai cut
off frekuensi tinggi Hf. Pada Hf penguatannya menjadi 0.707 AF dan setelah
melewati Hf maka akan menurun sampai konstan dengan seiring penambahan
frekuensi. Frekuensi naik 1 decade maka penguatan tegangan dibagi 10. Dengan
kata lain, penguatan turun 20 dB (20 log 10) setiap kenaikan frekuensi dikali 10.
Jadi rate dari penguatan berturut-turut turun 20dB/decade setelah Hf terlampuai
Saat input frekuensi f = Hf, dikatakan frekuensi cut-off yang saat itu turun 3dB
(20 log 0.707) dari 0 Hz.
3.3 HPF RC
Filter high-pass atau sering juga disebut dengan filter lolos atas adalah
suatu rangkaian yang akan melewatkan suatu isyarat yang berada diatas frekuensi
cut-off (ωc) sampai frekuensi cut-off (ωc) rangkaian tersebut dan akan menahan
isyarat yang berfrekuensi dibawah frekuensi cut-off (ωc) rangkaian tersebut. Filter
high-passs dasar disusun dengan rangkaian RC seperti berikut.
22
Pengkondisi Sinyal
Gambar 3.4 Rangkaian High Pass Filter (HPF) RC
Prinsip kerja dari filter high pass atau filter lolos atas adalah dengan
memanfaatkan karakteristik dasar komponen C dan R, dimana C akan mudah
melewatkan sinyal AC sesuai dengan nilai reaktansi kapasitifnya dan komponen R
yang lebih mudah melewatkan sinyal dengan frekuensi yang rendah. Prinsip kerja
rangkaian filter lolos atas atau high pass filter (HPF) dengan RC dapat diuraikan
sebagai berikut, apabila rangkaian filter high pass ini diberikan sinyal input
dengan frekuensi diatas frekuensi cut-off (ωc) maka sinyal tersebut akan di
lewatkan ke output rangkaian melalui komponen C. Kemudian pada saat sinyal
input yang diberikan ke rangkaian filter lolos atas atau high pass filter memiliki
frekuensi di bawah frekuensi cut-off (ωc) maka sinyal input tersebut akan
dilemahkan dengan cara dibuang ke ground melalui komponen R.
Frekuensi resonansi dari filter high-pass mengikuti nilai time constant (τ)
dari rangkaian RC tersebut.
Sehingga frekuensi cut-off dari filter tersebut adalah :
Sinyal output rangkaian filter high-pass mendahului inputnya yaitu sebesar :
23
Pengkondisi Sinyal
Gambar 3.5 Grafik karakteristik dari high pass filter (HPF)
3.4 HPF Aktif
Filter aktif high pass atau sering disebut dengan Active High Pass Filter
(Active HPF) atau juga disebut dengan filter aktif lolos atas adalah rangkaian
filter yang akan melewatkan sinyal input dengan frekuensi diatas frekuensi cut-off
rangkaian dan akan melemahkan sinyal input dengan frekuensi dibawah frekuensi
cut-off rangkaian dan ditambahkan rangkaian penguat tegangan menggunakan
operasional amplifier (Op-Amp). Rangkaian high pass filter aktif pada dasarnya
sama saja dengan filter pasif high pass, perbedaannya pada bagian output filter
aktif high pass ditambahkan rangkaian penguat tegangan. Rangkaian dasar dari
sebuah filter aktif high pass (Active High Pass Filter, HPF) dapat dilihat pada
gambar rangkaian berikut.
3.4.1 Rangkaian Filter Aktif High Pass (HPF)
Rangkaian Filter Aktif High Pass (HPF),teori high pass filter aktif,filter
aktif high pass,active filter high pass,HPF,rangkaian HPF aktif,skema HPF
aktif,membuat HPF faktif,rumus HPF aktif,filter aktih high pass,rangkaian filter
aktif HPF,skema filter aktif high pass,skema HPF aktif, skema aktif filter high
pass,definisi high pass filter aktif,karakteristik high pass filter aktif
24
Pengkondisi Sinyal
Gambar 3.6 Rangkaian Filter Aktif High Pass (HPF)
Dari gambar rangkaian Filter Aktif High Pass (HPF) diatas terdapat
perhitungan-perhitungan dari filter aktif high pass sebagai berikut :
Frekuensi cut-off rangkaian filter aktif high pass (fc) adalah :
Pergeseran sudut fasa yang terjadi pada rangkaian filter aktif high pass (Φ) :
Faktor penguatan tegangan rangkaian penguat pada filter aktif high pass (Af)
diatas adalah :
Rangkaian filter aktif high pass pada gambar diatas adalah filter aktif high
pass jenis butterworth dimana besarnya penguatan tegangan (Av) yang terjadi
pada filter aktif high pass ini dapat dituliskan dengan persamaan matematis
sebagai berikut :
25
Pengkondisi Sinyal
Gambar 3.7 Respon Frekuensi Filter Aktif High Pass (HPF)
Penguatan tegangan dari sinyal input yang diberikan ke rangkaian filter aktif
high pass ini memiliki perbedaan pada respon frekuensi rangkaian filter aktif high
pass sebagai berikut.
1. Pada saat sinyal input dengan frekuensi (f) lebih tinggi dari frekuensi cutoff (fc) :
2. Pada saat sinyal input dengan frekuensi (f) sama dengan dari frekuensi
cut-off (fc) :
3. Pada saat sinyal input dengan frekuensi (f) lebih rendah dari frekuensi cutoff (fc) :
Dari penyataan diatas maka pada filter high pass akan memberikan respon
melemahkan sinyal input apabila frekuensi sinyal input yang diberikan ke
rangkaian filter aktif high pass lebih rendah dari frekuensi cut-off rangkaian dan
akan memberikan penguatan tegangan sebesar Av pada saat frekeunsi sinyal
26
Pengkondisi Sinyal
tersebut lebih tinggi dari frekuensi cut-off kemudian akan terjadi pelemahan 0,707
dari Av pada saat frekuensi sinyal input sama dengan frekuensi cut-off rangkaian
filter aktif high pass tersebut.
3.5 BPF RC
Filter band-pass adalah sebuah rangkaian yang dirancang hanya untuk
melewatkan isyarat dalam suatu pita frekuensi tertentu dan untuk menahan isyarat
diluar jalur pita frekuensi tersebut. Jenis filter ini memiliki tegangan keluaran
maksimum pada satu frekuensi tertentu yang disebut dengan frekuensi resonansi
(ωr) Jika frekuensinya berubah dari frekuensi resonansi maka tegangan
keluarannya turun, ada satu frekuensi diatas frekuensi resonansi (ωr) dan satu
dibawah (ωr) dimana gainnya tetap 0,707 Ar. Frekuensi ini diberi tanda (ωh)
frekuensi cutoff atas dan (ωl) frekuensi cutoff bawah. Pita frekuensi antara (ωh)
dan (ωl) adalah band width (B). Kondisi band pass terpenuhi bila. ωl > ωh.
Gambar 3.8 Rangkaian Band Pass Filter (BPF) RC
Nilai frekuensi cut-off atas ditentukan oleh filter high-pass sebagai berikut :
dan frekuensi cut-off bawah ditentukan oleh filter low-pass sebagai berikut :
sehingga besarnya bandwidth adalah :
27
Pengkondisi Sinyal
Gambar 3.9 Karakteristik Band Pass Filter (BPF) RC
Filter band-pass dapat digolongkan sebagai pita sempit atau pita lebar.
Filter pita sempit adalah sebuah filter yang mempunyai band width lebih kecil dari
sepersepuluh frekuensi resonansinya (B<0,1ωr). jika band width-nya lebih besar
sepersepuluh dari frekuensi resonansi maka (B>0,1ωr), filter tersebut merupakan
sebuah filter pita lebar. Perbandingan antara frekuensi resonansi dan lebar pita
dikenal sebagai faktor kualitas (Q) dari rangkaiannya. Q menunjukan selektifitas
dari rangkaian, makin tinggi nilai Q makin selektif rangkaian filter tersebut.
Untuk fiter-filter pita sempit, Q dari rangkaian lebih besar dari 10 dan
untuk filter-filter pita lebar Q lebih kecil dari 10. Filter band-pass disusun dengan
filter high-pass dan filter low-pass seperti pada gambar rangkaian band pass filter
(BPF) RC diatas.
3.6 BPF Aktif
Band pass filter (BPF) adalah filter yang akan meloloskan sinyal pada
range frekuensi diatas frekuensi batas bawah (fL) dan dibawah frekuesni batas
atas (fH). Dalam band pass filter (BPF) ini dikenal 2 jenis rangkaian band pass
filter (BPF) yaitu band pass filter (BPF) bidang lebar dan band pass filter (BPF)
bidang sempit. Untuk membedakan kedua rangkaian ini adalah dengan melihat
dari nilai figure of merit (FOM) atau Faktor kualitas (Q).
28
Pengkondisi Sinyal
Bila Q < 10, maka digolongkan sebagai band pass filter (BPF) bidang lebar.
Bila Q > 10, maka digolongkan sebagai band pass filter (BPF) bidang sempit.
Perhitungan faktor kualitas (Q) untuk band pass filter adalah :
Di mana
3.6.1 Band Pass Filter Bidang Lebar
Syarat BPF bidang lebar adalah Q<10, biasanya didapat dari 2 rangkaian
filter HPF dan LPF yang mereka saling di serie dengan urutan tertentu dan
frekuensi cut off harus tertentu. Misalnya urutan serie adalah HPF disusul LPF,
dan L f dari HPF harus lebih kecil dari H f dari LPF. Contoh rangkaian dan
perhitungannya adalah seperti gambar berikut.
Gambar 3.10 Rangkaian Band Pass Filter {BPF) Bidang Lebar
Gambar 3.11 Grafik Output Band Pass Filter {BPF) Bidang Lebar
Nilai penguatan tegangan absolut band pass filter (BPF) bidang lebar adalah :
29
Pengkondisi Sinyal
30
Pengkondisi Sinyal
3.6.2 Band Pass Filter (BPF) Bidang Sempit
Syarat BPF bidang sempit adalah Q > 10. Rangkaian yang digunakan bisa
seperti gambar diatas tapi ada rangkaian khusus untuk BPF bidang sempit.
Rangkaian khusus inipun bisa pula digunakan untuk BPF bidang lebar, tapi
spesialisnya untuk bidang sempit. Rangkaian ini sering disebut multiple feedback
filter karena satu rangkaian menghasilkan 2 batasan Lf dan Hf . Gambar rangkaian
serta contoh bandwidth bidang sempit diberikan seperti berikut ini. Persamaan
persamaannya pun beda dan tersendiri. Komponen pasif yang digunakan sama
dengan komponen pasif dari LPF dan HPF.
Gambar 3.12 Rangkaian Band Pass Filter (BPF) Bidang Sempit
Perhitungan dari rangkain band pass filter (BPF) diatas dengan nilai
C1=C2=C sehingga nilai resistansinya dapat ditentukan sebagai berikut :
dimana nilai A F saat pada f C adalah :
Perlu diingat bahwa :
dengan
Ada keuntungan rangkaian band pass filter (BPF) bidang sempit ini adalah
bila ingin mengganti frekuensi centernya f C , maka tinggal mengganti nilai R2
31
Pengkondisi Sinyal
saja, sehingga menjadi R2′ dengan nilai sebagai berikut :
3.7 BRF RC
Band stop filter (BPF), band elimination filter, band reject filter dan sering
juga disebut dengan notch filter atau filter tolak jalur memiliki pengertian yang
sama sebagai filter yang memiliki karakteristik akan menahan sinyal dengan
frekuensi sesuai frekuensi cut-off rangkaian dan akan melewatkan sinyal dengan
frekuensi di luar frekuensi cut-off rangkaian filter tersebut baik dibawah atau
diatas frekuensi cut-off rangkaian filter. Band stop filter merupakan kebalikan dari
band pass filter. Kondisi band pass terpenuhi bila. ωl < ωh.
Seperti pada filter band-pass, filter band-elimination atau band stop filter
(BPF) RC juga disusun dari dua buah filter low-pass dan filter high-pass yang
disusun secara parallel seperti terlihat pada gambar berikut. Rangkaian band stop
filter (BPF) ini merupakan contoh sederhana dari filter pasif band stop.
Gambar 3.13 Rangkaian Band Stop Filter (BPF) RC
Filter low-pass disusun oleh R1,R2 dan C2 dengan konfigurasi “T” dan
filter high-pass disusun oleh C1,C3 dan R3 dengan susunan “T” sehingga filter ini
sering disebut dengan filter “Twin T”. Dengan menentukan nilai R1,R2 = 2*R3
dan nilai C1,C3 = 0,5*C2 maka besarnya frekuensi cutoff pada filter “Twin
T”adalah:
Karakteristik dari filter band stop atau filter band elimination ini dapat
dilihat pada gambar berikut:
32
Pengkondisi Sinyal
Gambar 3.14 Karakteristik Band Stop Filter (BPF) RC
Dari grafik karakteristik dari band stop filter diatas terlihat bahwa
tegangan dari sinyal input pada frekuensi cut-off rangkaian filter akan dilemahkan
dari level aslinya dan sinyal dengan frekuensi di luar frekuensi cut-off baik diatas
atau dibawah frekuensi cut-off akan dilewakan ke output rangkaian filter band sop
(BPF) RC tersebut.
3.8 BRF Aktif
Band reject filter atau disebut juga sebagai band stop filter adalah
rangkaian elektronika yang berfungsi untuk menahan sinyal dengan range
frekuensi diatas frekuensi batas bawah (fL) dan dibawah range frekuensi batas
atas (fH). Dan akan melewatkan sinyal dengan range frekuensi diluar range
frekuensi batas bawah (fL) dan frekuensi batas atas (fH). Band reject filter atau
band stop filter aktif dibagi dalam 2 kategori sebagai berikut :
Jenis Band Reject Filter Aktif :
1. Band reject filterbidang lebar
2. Band reject filterbidang sempit
3.8.1 Band Reject Filter (BRF) Bidang Lebar
BRF bidang lebar adalah terdiri dari rangkaian HPF dan LPF yang
dimasukkan ke rangkaian penjumlah. Sedang BRF bidang sempit adalah terkenal
dengan rangkaian Notch Filter yaitu menolak frekuensi tertentu. Contoh rangkaian
Band Reject Filter bidang lebar seperti gambar berikut ini.
33
Pengkondisi Sinyal
Gambar 3.15 Rangkaian Dan Output Band Reject Filter (BRF) Bidang Lebar
Untuk menentukan nilai frekuensi batas atas (fH) dan frekuensi batas
bawah (fL) dapat mengguanakan rumus-rumus untuk rangkaian LPF dan HPF
serta rangkaian penjumlah berlaku untuk menentukan nilai nilai komponen atau
elemen pasif yang digunakan untuk rangkaian band reject filter bidang lebar ini.
Dimana :
fH = Frekuensi batas atas (frekuensi cut Off rangkaian Low Pass Filter (LPF)
fL = Frekuensi batas bawah (frekuensi cut Off rangkaian High Pass Filter (LPF)
RCLPF = nilai R dan C pada sisi rangkaian Low Pass Filter (LPF)
RCHPF = nilai R dan C pada sisi rangkaian High Pass Filter (HPF)
3.8.2 Band Reject Filter (BRF) Bidang Sempit
Nama band reject filter bidang sempit ini sering dikenal dengan nama
Aktif Notch Filter. Rangkaian menggunakan model twin-T circuit. Biasanya
rangkaian aktif Notch Filter ini digunakan pada rangkaian intrumentasi medis.
Pada rangkaian band reject filter (BRF) bidang sempit atau Aktif Notch Filter
terdapat daerah frekuensi yang akan di tahan oleh rangkaian Notch Filter ini (fN)
yang dapat dirumuskan sebagai berikut :
Rangkaian band reject filter atau aktif notch filter adalah gabungan filter
34
Pengkondisi Sinyal
low pass RC dan filter high pass RC dengan konfigurasi twin-T circuit. Gambar
rangkaian band reject filter bidang (BRF) sempit adalah sebagai berikut :
Gambar 3.16 Rangkaian Band Reject Filter (BRF) Bidang Sempit
35
Pengkondisi Sinyal
ADC dan DAC
4.1 Komparator
Merupakan salah satu aplikasi yang memanfaatkan batas simpal terbuka
(bahasa Inggris: open-loop gain) penguat operasional yang sangat besar. Ada jenis
penguat operasional khusus yang memang difungsikan semata-mata untuk
penggunaan ini dan agak berbeda dari penguat operasional lainnya dan umum
disebut juga dengan komparator (bahasa Inggris: comparator).
V1
-
V2
+
Vout
Gambar 4.1 Komparator
Komparator membandingkan dua tegangan listrik dan mengubah
keluarannya untuk menunjukkan tegangan mana yang lebih tinggi.
di mana Vs adalah tegangan catu daya dan penguat operasional beroperasi di
antara +Vs dan –Vs.
4.2 DAC
DAC (Digital to Analog Convertion) adalah perangkat atau rangkaian
elektronika yang berfungsi untuk mengubah suatu isyarat digital (kode-kode
biner) menjadi isyarat analog (tegangan analog) sesuai harga dari isyarat digital
tersebut. DAC (digital to Analog Convertion) dapat dibangun menggunakan
penguat penjumlah inverting dari sebuah operasional amplifier (Op-Amp) yang
diberikan sinyal input berupa data logika digital (0 dan 1).
Rangkaian dasar DAC (Digital to Analog Convertion) terdapat 2 tipe yaitu
Binary-weighted DAC dan R/2R Ladder DAC. Kedua tipe DAC tersebut dapat
dijelaskan sebagai berikut.
36
Pengkondisi Sinyal
4.2.1 Binary-weighted DAC
Sebuah rangkaian Binary-weighted DAC dapat disusun dari beberapa
Resistor dan Operational Amplifier yang diset sebagai penguat penjumlah noninverting seperti gambar berikut.
Vcc
R
B3
B2
B1
B0
R
Vout
+
2R
4R
8R
Gambar 4.2 Rangkaian Dasar Binary-weighted DAC
Resistor 20KOhm menjumlahkan arus yang dihasilkan dari penutupan
switch-switch D0 sampai D3. Resistor-resistor ini diberi skala nilai sedemikian
rupa sehingga memenuhi bobot biner (binary-weighted) dari arus yang
selanjutnya akan dijumlahkan oleh penguat penjumlah inverting IC 741.
Apabila sumber tegangan pada penguat penumlah IC 741 tersebut adalah
simetris ± 15Vdc. Maka dengan menutup D0 menyebabkan tegangan +5Vdc akan
diberikan ke penguat penjumlah dengan penguatan – 0,2 kali (20K/100K)
sehingga diperoleh tegangan output penguat penjumlah -1Vdc. Penutupan
masing-masing switch menyebabkan penggandaan nilai arus yang dihasilkan dari
switch sebelumnya. Nilai konversi dari kombinasi penutupan switch ditunjukkan
pada tabel berikut.
37
Pengkondisi Sinyal
Tabel 4.1 Konversi Digital Ke Analog Rangkaian Binary-weighted
4.2.2 R/2R Ladder DAC
R/2R Ladder DAC Metode lain dari konversi Digital to Analog adalah
R/2R Ladder. Metode ini banyak digunakan dalam IC-IC DAC. Pada rangkaian
R/2R Ladder, hanya dua nilai resistor yang diperlukan, yang dapat diaplikasikan
untuk IC DAC dengan resolusi 8, 10 atau 12 bit. Rangkaian R/2R Ladder dapat
dilihat pada gambar dibawah.
Vcc
3R
B3
2R
2R
Vout
+
R
B2
2R
R
B1
2R
R
B0
2R
2R
Gambar 4.3 Rangkaian R/2R Ladder DAC
Prinsip kerja dari rangkaian R/2R Ladder adalah sebagai berikut :
informasi digital 4 bit masuk ke switch D0 sampai D3. Switch ini mempunyai
38
Pengkondisi Sinyal
kondisi “1” (sekitar 5 V) atau “0” (sekitar 0 V). Dengan pengaturan switch akan
menyebabkan perubahan tegangan yag diberikan ke penguat penjumlah inverting
sesuai dengan nilai ekivalen biner-nya. Sebagai contoh, jika D0 = 0, D1 = 0, D2 =
0 dan D3 = 1, maka R1 akan paralel dengan R5 menghasilkan 10 k . Selanjutnya
10 k ini seri dengan R6 = 10 k menghasilkan 20 k . 20 k ini paralel dengan R2
menghasilkan 10 k , dan seterusnya sampai R7, R3 dan R8. Sehingga diperoleh
rangkaian ekivalennya seperti gambar berikut.
Gambar 4.4 Rangkaian Ekivalen R/2R Ladder
Sehingga teganagan output (Vout) analog dari rangkaian R/2R Ladder
DAC diatas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
Vout yang dihasilkan dari kombinasi switch ini adalah -5V. Nilai
kombinasi dan hasil konversi rangkaian R/2R Ladder DAC ditunjukkan pada tabel
berikut.
Tabel 4.2 Konversi Digital Ke Analog Rangkaian R/2R Ladder
39
Pengkondisi Sinyal
4.3 ADC
Analog To Digital Converter (ADC) adalah pengubah input analog
menjadi kode – kode digital. 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 prinsip, yaitu
kecepatan sampling dan resolusi. Kecepatan sampling suatu ADC menyatakan
seberapa sering sinyal analog dikonversikan ke bentuk sinyal digital pada selang
waktu tertentu. Kecepatan sampling biasanya dinyatakan dalam sample per
second (SPS).
Gambar 4.5 Pengaruh Kecepatan Sampling ADC
Resolusi ADC menentukan ketelitian nilai hasil konversi ADC. Sebagai
contoh: ADC 8 bit akan memiliki output 8 bit data digital, ini berarti sinyal input
dapat dinyatakan dalam 255 (2n – 1) nilai diskrit. ADC 12 bit memiliki 12 bit
output data digital, ini berarti sinyal input dapat dinyatakan dalam 4096 nilai
diskrit. Dari contoh diatas ADC 12 bit akan memberikan ketelitian nilai hasil
konversi yang jauh lebih baik daripada ADC 8 bit.
Prinsip kerja ADC adalah mengkonversi sinyal analog ke dalam bentuk
besaran yang merupakan rasio perbandingan sinyal input dan tegangan referensi.
Sebagai contoh, bila tegangan referensi (Vref) 5 volt, tegangan input 3 volt, rasio
input terhadap referensi adalah 60%. Jadi, jika menggunakan ADC 8 bit dengan
skala maksimum 255, akan didapatkan sinyal digital sebesar 60% x 255 = 153
(bentuk decimal) atau 10011001 (bentuk biner).
40
Pengkondisi Sinyal
4.3.1 ADC Simultan
ADC Simultan atau biasa disebut flash converter atau parallel converter.
Input analog Vi yang akan diubah ke bentuk digital diberikan secara simultan
pada sisi + pada komparator tersebut, dan input pada sisi – tergantung pada
ukuran bit converter. Ketika Vi melebihi tegangan input – dari suatu komparator,
maka output komparator adalah high, sebaliknya akan memberikan output low.
VCC
Analog Input
R/2
+
R
+
R
+
R
+
PRIORITY
ENCODER
3 BIT OUTPUT
R
+
R
+
R
+
R/2
Gambar 4.6 Rangkaian Dasar ADC Simultan
Bila Vref diset pada nilai 5 Volt, maka dari gambar rangkaian ADC
Simultan diatas didapatkan :
V(-) untuk C7 = Vref * (13/14) = 4,64
V(-) untuk C6 = Vref * (11/14) = 3,93
V(-) untuk C5 = Vref * (9/14) = 3,21
V(-) untuk C4 = Vref * (7/14) = 2,5
V(-) untuk C3 = Vref * (5/14) = 1,78
V(-) untuk C2 = Vref * (3/14) = 1,07
V(-) untuk C1 = Vref * (1/14) = 0,36
Sebagai contoh Vin diberi sinyal analog 3 Volt, maka output dari C7=0,
C6=0, C5=0, C4=1, C3=1, C2=1, C1=1, sehingga didapatkan output ADC yaitu
100 biner, sehingga diperoleh tabel berikut
41
Pengkondisi Sinyal
Tabel 4.3 Output ADC 100 biner
42
Pengkondisi Sinyal