PENGKONDISI SINYAL ANALOG

TUJUAN
Setelah menyelesaikan perkuliahan ini
peserta mampu:
• Menggunakan rumus-rumus dalam
rangkaian elektronika untuk menganalisis
rangkaian pengkondisi sinyal pasif
• Menggunakan kaidah, hukum, dan
rumus dalam rangkaian elektronika untuk
merancang rangkaian pengkondisi sinyal
pasif
POKOK BAHASAN
• Prinsip Pengkondisian Sinyal
• Rangkaian Pasif
• Operational Amplifier (Op amp)
• Panduan Perancangan
• Tugas.
PRINSIP PENGKONDISIAN
SINYAL
• Pengubahan Level Sinyal
• Linierisasi
• Konversi
• Filter dan Penyesuaian Impedansi
• Konsep Pembebanan.
Pengubahan Level Sinyal
• Penguatan
• Peredaman
Pertimbangan dalam pemilihan penguat:
• Impedansi masukan yang ditawarkan
kepada sensor (atau elemen lain yang
berfungsi sebagai masukan)
• Tanggapan frekuensi penguat.
Linierisasi
• Tujuan: untuk mendapatkan
keluaran yang berubah secara
linier terhadap variabel masukan
meskipun keluaran sensornya
tidak linier
• Rangkaian linierisasi sulit
dirancang, dan biasanya bekerja
hanya dalam batas yang sempit
• Cara linierisasi alternatif: secara
perangkat lunak.
Konversi
• Untuk mengkonversi suatu jenis perubahan
listrik ke jenis perubahan listrik yang lain
• Transmisi Sinyal: konversi tegangan ke arus.
Standard: 4 sampai 20 mA
• Interface Digital: konversi sinyal analog ke data
digital (ADC). Biasanya memerlukan pengaturan
level sinyal analog agar sesuai dengan masukan
yang diperlukan oleh ADC.
Filter dan Penyesuai Impedansi
• Sinyal yang diperlukan sering bercampur
dengan sinyal yang tidak diinginkan (noise).
Perlu filter yang sesuai, yaitu LPF,HPF, notch
filter, atau gabungan dari filter-filter tersebut
• Penyesuaian impedansi kadang diperlukan,
yaitu apabila impedansi internal transduser atau
impedansi saluran dapat menyebabkan
terjadinya suatu kesalahan dalam pengukuran
suatu variabel.
Contoh 2.1
• Sebuah penguat mengeluarkan tegangan
sepuluh kali tegangan terminal masukannya,
dan mempunyai resistansi masukan sebesar
10 kW. Sebuah sensor mengeluarkan
tegangan yang sebanding suhu dengan
fungsi alih 20 mV/oC. Sensor tersebut
mempunyai resistansi keluaran sebesar 5
kW. Apaila suhu yang diukur sebesar 50 oC,
berapakah tegangan keluaran penguat
tersebut ?
Penyelesaian
T
20 mV/oC
VT
Vin
Gain = 10
• Tegangan sensor
dalam keadaan tanpa
beban diperoleh dari
fungsi alih :
Vo
VT  20mV / C 50 C   1,0V
o
o
Tegangan keluaran penguat :
Vo  10Vin  10 1,0V   10V
Konsep Pembebanan
• Adanya pengaruh pembebanan pada
suatu rangkaian oleh rangkaian lain dapat
menyebabkan terjadinya ketidakpastian
dalam amplituda tegangan.
Rx
x
Vx
Vy
RL
 Rx 

Rx 
  Vx 1 

V y  Vx  Vx 
 RL  Rx 
 RL  Rx 
 RL 
 (2.1)
 Vx 
 RL  Rx 
dengan : Vy = tegangan beban
Vx = tegangan sensor dengan rangkaian terbuka
Rx = impedansi internal sensor
RL = impedansi beban.
Lanjutan Contoh 2.1
T
5k
VT
Vin
10 k
• Tegangan yang
sebenarnya muncul
pada terminal
Vo
masukan penguat
adalah :
Gain = 10
 10 kW 
Vin  VT 
  0,67 V
 10kW  5kW 
dengan Vin = 0,67 V maka besarnya tegangan
keluaran penguat adalah :
Vo  10 0,67V   6,7V .
RANGKAIAN PASIF
• Rangkaian Pembagi Tegangan
• Rangkaian Jembatan
• Filter RC.
Rangkaian Pembagi Tegangan
Vs
R1
VD
• Rangkaian pembagi tegangan
digunakan untuk mengkonversi
perubahan resistansi menjadi
perubahan tegangan
R2
R2 VS
VD 
R1  R2
(2.2)
(PR)
dengan : VS = tegangan catu
R1, R2 = resistansi pembagi tegangan.
Karakteristik Rangkaian Pembagi Tegangan:
•
•
•
Perubahan VD terhadap R1 maupun R2
tidaklah linier
Impedansi keluaran efektif rangkaian
adalah kombinasi paralel R1 dan R2
Karena arus mengalir melalui kedua
resistor, maka rating daya resistor
maupun sensor harus diperhatikan.
Rangkaian Jembatan Wheatstone
• Rangkaian jembatan digunakan untuk
mengkonversi perubahan impedansi
menjadi perubahan tegangan, terutama
untuk fraksi perubahan yang kecil
• Keluarannya dapat dibuat berubah di
sekitar nol, sehingga penguatan dapat
digunakan untuk memperbesar level sinyal
(guna meningkatkan sensitivitas terhadap
perubahan impedansi).
V  Va  Vb
(2.3)
• dengan : Va = potensial
titik a terhadap titik c
• Vb = potensial titik b
terhadap titik c
VR3
Va 
R1  R3
(2.4)
VR4
Vb 
R2  R4
(2.5)
VR3
R3 R2  R1 R4
VR4
V 

V
(2.7)
R1  R3 R2  R4
( R1  R3 )( R2  R4 )
V akan sama dengan nol (setimbang) bila:
R3 R2  R1R4 (2.8).
Filter RC
• Filter RC Lolos rendah (LPF)
• Filter RC Lolos Tinggi (HPF)
• Contoh Perancangan
• Pertimbangan Praktis.
Filter RC lolos rendah (LPF)
• Perbandingan tegangan
keluaran dan masukan:
R
Vi
C
Vo
Vo
1

1
2
Vi
 f   2
1   f  
  C 
(____
2.12)
(PR)
fC = frekuensi kritis, yaitu frekuensi dimana
perbandingan antara tegangan keluaran dan
tegangan masukan sama dengan 0,707:
1
fC 
2 RC
(_____
2.13)
(PR).
Tanggapan LPF
Filter RC Lolos Tinggi (HPF)
• Perbandingan antara tegangan
keluaran dan masukan:
C
Vi
R
Vo

VO
f / fC 

2 1/ 2
Vi
1   f / fC 

Tanggapan HPF:

(______
2.14)
(PR)
Contoh 2.1
• Pulsa untuk sebuah motor step dikirimkan
pada frekuensi 2000 Hz. Pulsa ini
mengandung noise dengan frekuensi 60
Hz. Rancanglah sebuah filter yang
meredam frekuensi noise 60 Hz, tetapi
redamannya terhadap pulsa-pulsa untuk
motor step tidak boleh melebihi 3 dB.
Penyelesaian Contoh 2.1
P(dB) = 20 log (Vo/Vi) (PR)
Redaman 3 dB pada pulsa berarti bahwa P = -3 dB.
Oleh karena itu ,
P(dB) = 20 log (Vo/Vi) = -3
Vo/Vi = 10-3/20 = 0,707
Dari Persamaan 2.14, untuk frekuensi f = 2000 Hz:

VO
f / fC 

 0,707
1
/
2
2
Vi
1   f / fC 


2000 / f C 
2 1/ 2
1  2000 / fC  
 f C  2000 Hz
 0,707
• Misalkan C = 0,01 mF, maka dengan
menggunakan Persamaan (2.13):
1
2000 
2 R (0,0110 6 )
R  7,957 kW
Jadi dengan nilai C sebesar 0,01 mF maka
nilai R yang diperlukan adalah sebesar
7,957 kW.
• Pengaruh filter pada noise 60 Hz diperoleh
dengan menggunakan Persamaan (2.14),
untuk frekuensi f = 60 Hz
VO / Vi

60 / 2000

2 1/ 2
1  60 / 2000 
 0,03
Jadi, dapat dilihat bahwa hanya 3 % dari
noise 60 Hz yang tersisa, dengan kata lain
telah teredam sebesar 97 %.
Contoh 2.2
• Suatu sinyal pengukuran mempunyai
frekuensi < 1kHz, dan mengandung noise
dengan frekuensi 1 MHz
• Rancanglah sebuah filter yang meredam
noise tersebut menjadi 1 %
• Bagaimana pengaruh filter tersebut
terhadap sinyal pengukuran pada frekuensi
maksimumnya (1 kHz).
Penyelesaian Contoh 2.2
• Dengan menggunakan Persamaan (2.12)
diperoleh frekuensi kritis sebagai berikut :
0,01 
1
1  1MHz
fC 

2 12
f C  10 kHz
Misalkan digunakan C = 0,01 mF, maka
diperoleh :
1
R
 1,59 kW
2 0,01mF 10kHz 
• Untuk melihat pengaruh filter terhadap sinyal
1 kHz, dapat digunakan Persamaan (2.12) :
VO
1

2
Vi
1  0,1


1/ 2
 0,995
Jadi sinyal pengukuran pada frekuensi
maksimumnya hanya teredam sebesar 0,5 %.
Pertimbangan Praktis
Untuk merancang filter, perlu diperhatikan :
• Setelah frekuensi kritis ditentukan, nilai-nilai R dan
C dapat dipilih yang memenuhi Persamaan (2.13)
dengan memperhatikan :
– Hindari pemilihan nilai resistansi yang terlalu kecil /
kapasitor yang terlalu besar karena akan menarik arus
yang besar. Pada umumnya digunakan resistansi dalam
kisaran kW ke atas, dan kapasitor dalam kisaran mF ke
bawah
– Seringkali nilai frekuensi kritis yang eksak tidaklah
penting, tetapi jika memang diperlukan eksak, biasanya
lebih mudah memilih kapasitor lebih dulu baru kemudian
resistansinya disesuaikan dengan menggunakan resistor
trimmer.
Pertimbangan Praktis
• Impedansi masukan dan keluaran efektif filter
ada kemungkinan berpengaruh terhadap
rangkaian sebelum dan sesudah rangkaian filter.
Karena itu bilamana perlu dapat digunakan
suatu pengikut tegangan
• Dua filter dengan frekuensi kritis yang sama
dapat dikaskade untuk meningkatkan ketajaman
tanggapan, dengan memperhatikan bahwa
impedansi keluaran filter pertama harus jauh
lebih kecil dibanding impedansi masukan filter
kedua, guna menghindari pengaruh
pembebanan.
TUGAS 2
• Buktikan / turunkan persamaan-persamaan
yang diberi tanda (PR) .
• Kerjakan dengan ditulis tangan,
dikumpulkan pada pertemuan berikutnya.