Perancangan Tapis Takik ( Notch Filter) dengan Gyrator untuk

BAB III
PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM
Pada bab ini akan dibahas tentang perancangan dan realisasi sistem dari setiap
modul yang dibuat. Blok Diagram alat yang dibuat ditunjukkan oleh Gambar 3.1.
Penguat
Elektrokardiogram
Buffer
Notch Filter
UART
A/D Converter
PC
DC offset
Mikrokontroler
Buffer
Gambar 3.1. Blok Diagram Alat Keseluruhan.
Secara garis besar pertama kali sinyal dikuatkan di Penguat Elektrokardiogram,
penguat Elektrokardiogram berfungsi untuk memperkuat tegangan yang langsung
berasal dari suatu sensor atau tranduser secara akurat. Penguat Elektrokardiogram
adalah penguat tertutup, maka tidak perlu dipasang rangkaian umpan balik seperti
halnya dengan penguat operasional[10]. Supaya sinyal masukan tetap maka diperlukan
rangkaian penyangga atau buffer. Kemudian diolah di Notch Filter dengan gyrator.
Sinyal di buffer dan diteruskan di rangkaian DC offset dan diteruskan di A/D Converter
Mikrokontroler dan ditampilkan di layar PC.
3.1. Cara Kerja Alat
Alat ini nantinya akan menampilkan sinyal isyarat jantung seseorang di
layar PC. Alat ini terdiri dari modul penguat elektrokardiogram, modul buffer,
modul Dc offset untuk menaikkan offset gelombang elektrokardiogram
sehingga seluruh komponen gelombang elektrokardiogram menjadi
21
positif
dan dapat dibaca oleh ADC mikrokontroler, modul ADC mikrokontroler,
modul mikrokontroler sebagai pengolah data, PC sebagai penampil isyarat
sinyal janyung.
3.2. Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras
Perancangan dan realisasi perangkat keras pada skripsi ini dibagi dalam
beberapa bagian yaitu :
3.2.1 Pengujian Perangkat Keras Secara Terpisah
1. Modul Penguat Elektrokardiogram
2. Modul Notch filter dengan gyrator
3. Modul Dc-offset
4. Modul Rangkaian Penyangga / Buffer
3.2.1.1. Modul Penguat Elektrokardiogram
Modul ini digunakan untuk membaca elektrokardiogram dari
pengguna.Sinyal dibaca dengan menggunakan kabel lead dimana pada
ujungnya ditempeli elektroda yang ditempelkan pada tangan kanan, tangan
kiri, dan kaki kanan.
Gambar 3.2.Kabel lead.
Gambar 3.3.Elektroda yang ditempel pada tangan dan kaki.
22
Gambar 3.4.Penempatan Elektroda pada tubuh manusia [11].
R1
U1
AD620
R Arm
L Arm
RG
ININ+
V-
RG
V+
OUT
REF
+ V1
9V
Output
+ V2
9V
R Leg
Gambar 3.5.Rangkaian penguat AD620.
Pin inverting dihubungkan ke tangan kanan, pin non-inverting
dihubungkan ke tangan kiri. Sedangkan kaki kanan dihubungkan ke
ground. Penguatan ditentukan sebesar 100 kali, dengan output yang
diharapkan sekitar 130mV, dengan input sekitar 1,3mV maka diperlukan
dengan penguatan sebesar 100 kali maka output yang diharapkan sekitar
130 mV dapat terpenuhi.
23
Sehingga nilai resistornya ditentukan persamaan berikut :
3.2.1.2.Modul Notch filter dengan gyrator
Notch Filter digunakan untuk menyaring frekuensi jala-jala PLN sebesar
50Hz. Gambar untai dan perhitungannya adalah sebagai berikut :
V5
-15/15V
R1
100
A
10kHz
C11
314uF
R2
2.2k
L1
0.03183H
R3
1
Gambar 3.6. Rangkaian Notch Filter 50Hz [4].
Xa: 50.85
Yc: 0.000
A
0
Xb: 1.570
Yd:-39.96
a-b: 49.28
c-d: 39.96
b
a
c
-7
-14
-21
-28
-35
d
-42
1
10
Ref=Ground
100
1k
X=frequency(Hz) Y=voltage(db)
10k
Gambar 3.7. Tanggapan Frekuensi Rangkaian Notch Filter 50Hz [4].
24
Penurunan Fungsi Transfer orde 2 melalui persamaan matematis
Sistem Elektrik
Dalam gambar dibawah ditunjukkan sebuah sistem rangkaian elektrik
yang terdiri dari R, L dan C, dimana sebagai tegangan input adalah e dan arus
output adalah i.
Dengan menerapkan hukum Kirchoff pada rangkaian diperoleh
persamaan sebagai berikut :
( )
( )+
+
( ).
= ( )
……….(3.1)
Transformasi Laplace persamaan (3.1) adalah
( )= ( )
( )+ . ( )+
.
……….(3.2)
Dengan demikian Fungsi transfer dari rangkaian elektrik diatas adalah:
( )
( )
=
……….(3.3)
Diagram Blok hubungan input dan output dari sitem diatas ditunjukan pada blok
dibawah ini :
+
+
+
+
!" =
= #!$
#!% +
!% (
&
#+
=!
= !
=
#!% + !% = !
# + 1) = !
25
()
=
()
=
(
(
*
+
*
…...…(3.4)
*
Perhitungan Notch Filter :
Pertama – tama untuk merancang notch filter yang perlu diperhatikan
adalah berapa nilai notch depth atau pelemahan dari notch filter yang ingin
dibuat. Dari gambar notch depth digambarkan pada titik lengkung pada fo.
Kemudian menghitung faktor kualitas dari rangkaian serta nilai dari resistor,
kapasitor, induktor..
Gambar 3.8. Transfer Function Rangkaian Notch Filter 50Hz.
26
Notch depth q = 20 log ,1 +
=20 log (1+
%%
-
)
=20 log 101
=40,0864 Db
R2 >> R1 maka R2 = 2k2 Ω
Q=
=
=
&/0"
-
= &/0"
2%
-
0"
= ∆0
(2&,2456,2)
2%
2
= 10
R3 =
=
7
% )4
%%
% ,))89 4
%
= ::,:::
=1Ω
;
L = 1 &/0"
%
= 1 (&/.2%)
=
%
- 5, 2:
= 0,03183 H
C =
(&/0")
= %,%=
<-(&/.2%)
- 5 ,5:2%
= 3,183 . 10 -4
= 0,3183 mF
≈ 314 µF
27
. [dB]
V5
-500m/500mV
R16
100
A
50 Hz
R2
2k2
C13
314uF
R11
300
R12
300
-9V
9V
U5
OPAMP5
+
U6
OPAMP5
R13
300
+
9V
-9V
C12
11uF
R14
10
R1
300
Gambar 3.9. Rangkaian Notch Filter 50Hz dengan Gyrator [3].
Xa: 50.59
Yc:-42.00
A
Xb: 1.000
Yd:-39.98
b
0
a-b: 49.59
c-d:-2.022
a
-7
-14
-21
-28
-35
-42
1
Ref=Ground
d
c
10
100
1k
X=frequency(Hz) Y=voltage(db)
Gambar 3. 10. Tanggapan Frekuensi Rangkaian Notch Filter 50Hz dengan Gyrator [3].
28
Perhitungan Notch Filter dengan gyrator :
R4
1
R2
1
-9V
9V
U2
OPAMP5
+
+
R3
1
9V
-9V
C1
1
R5
1
Induktor simulasi
•
Pengertian Konverter dan Inverter
Untuk menunjukkan dua jaringan port, impedansi input Zin dua
port jaringan ini diberikan oleh:
Inverter Jaringan: Di mana A = D = 0
=> =
?
=
@
Converter Jaringan: Di mana B = C = 0
=> =
A
=
#
29
U1
OPAMP5
•
Gyrator
Simbol rangkaian dari gyrator dengan Matrix-T sebagai berikut:
Impedansi input dari girator ketika ZL impedansi beban
terhubung ke port output diberikan oleh:
Untuk yang ideal girator, r1 = r2 = r dan dalam hal ini kita
memiliki hubungan sebagai berikut:
! = BC
&
!& = BC
!
+ !&
= E
(
=0
Penerapan gyrator
Dari gambar di atas terlihat :
! =, +
(
+ !&
.
0
!
F G = HE
+
(
=
&
E
(
! =
30
&
E
!&
0 I JE & K
•
Realisasi induktasi
L Ground = satu port jaringan
=
Contoh Realisasi L Ground
!
L
Zin
Untuk mewujudkan L Ground, ada dua pilihan :
=
>M
(
N O9 OP
M N N
8
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
R
1/SC
r
r
r
R
r
r
1/SC
r
= > = L#&
8
9 P
= #&
8
= > = L#5
8
9 P
= #5
8
31
9 P
9 P
Maka berdasarkan rangkaian yang digunakan maka dapat
dihitung sebagai berikut:
R4
1
R2
1
-9V
9V
U2
OPAMP5
+
+
R3
1
9V
-9V
C1
1
R5
1
•
Bagian gyrator
Berdasarkan nilai-nilai komponen rangkaian terlihat bahwa semua
resistor gyrator memiliki nilai yang rendah yang dapat menjadi masalah
bagi kinerja penggerak op-amp. Walaupun sebagian besar op-amp
memang memiliki kinerja penggerak keluaran yang baik namun perangkat
catu daya yang kecil tidak memiliki kinerja penggerak keluaran yang
baik. Untuk mengatasi masalh ini, nilai resistansi dari resistor R4,R2,R3,
dan R5 dapat ditingkatkan
dengan faktor pengali tertentu dengan
ketentuan faktor pengali gabungan dari
R4,R3, dan R5 adalah sama
dengan faktor pengali R2 [3]. Maka faktor pengali ditentukan 300.
Maka :
R1= R2=R3=1 Ω x 300 = 300 Ω
C=
&/0Q
= -%%.&/.2%
32
U1
OPAMP5
= 10,610 µF
≈ 11 µF
R5= L x 300
= 0.3183 x 300
= 9,549 Ω
≈ 10 Ω
•
R3 di rangkaian = 1Ω x 300
= 300 Ω
3.2.1.3. Modul DC offset
Agar dapat digunakan sebagai masukan pada mikrokontroler, maka
sinyal keluaran dari untai ecg harus berada di antara 0 V - 5 V. Oleh
karena itu dirancang sebuah untai DC offset .
Berdasarkan hasil pengujian notch filter yang telah dilakukan
keluaran tertinggi pada frekuensi 1 Hz dengan masukan sebesar
1000mVpp diperoleh keluaran sebesar 920mVpp. Maka tegangan DC
offset yang diperlukan sebesar 500mVolt.
Nilai 500mVolt dipilih dengan pertimbangan bahwa:
5V
V5
-500m/500mV
R6
9k
C2
430uF
A
1 Hz
R5
1k
Xa: 5.000
Yc: 966.7m
A
Xb: 0.000
Yd: 0.000
a-b: 5.000 freq: 200.0m
c-d: 966.7m
b
1.2
a
1
c
800m
600m
400m
200m
0
0
d
833m
1.67
Ref=Ground
33
2.5
3.33
X=833m/Div Y=voltage
4.17
5
Hasil pengujian notch filter yang telah dilakukan keluaran tertinggi
pada frekuensi 1 Hz dengan masukan sebesar 1000mVpp diperoleh
keluaran sebesar 920mVpp. Agar sinyal dapat terbaca maka tegangan
dioffsetkan sebesar 500mVolt sehingga sudah tidak ada yang negatif.
Dipakai pembagi tegangan:
Gambar 3.11. Rangkaian Pembagi Tegangan.
Rangkaian dan perhitungannya sebagai berikut :
Jika,
 R2
Vo = Vt 
 R1 + R2



……….(3.5)
Dari pembagi tegangan bisa kita hitung nilai komponen yang diperlukan.
Dibutuhkan tegangan 500 mVolt dan V masukan sebesar 5 Volt ,maka,
&
=
%,2
2
R1= 9R2
nilai R2 = 1k Ω dan R1 = 9k Ω
Gambar 3.12. Rangkaian Dc offset dengan penguatan.
34
Rangkaian
ini
berfungsi
untuk
menambah
offset
tegangan
sinyal
elektrokardiogram sehingga sinyal elektrokardiogram menjadi positif dan dapat diterima
oleh ADC pada mikrokontroler. Penguatan dirumuskan sebagai berikut :
Av = 1 +
=1+
5
-
5R
R
= 5x
Dengan tegangan DC offset sebesar 500mVolt dan menggunakan penguatan 5 kali
maka DC offsetnya menjadi 2,5Volt. Maka ayunan sinyal sebesar 5Vpp dan dirasa
sudah cukup besar untuk dilanjutkan ke ADC.
3.2.1.4 Modul rangkaian penyangga atau Buffer
R1
1k
V1
10V
+V
V3
-1/1V
+
AU1
OPAMP5
1kHz
-10V
Gambar 3.13. Rangkaian Buffer / Penyangga.
Rangkaian buffer adalah rangkaian yang menghasilkan tegangan output
sama dengan tegangan inputnya. Dalam hal ini seperti rangkaian common colektor
yaitu berpenguatan = 1. Fungsi dari rangkaian buffer pada peralatan elektronika
adalah sebagai penyangga, dimana prinsip dasarnya adalah penguat arus tanpa
terjadi penguatan tegangan [24].
Pada nilai R yang terpasang pada rangkaian buffer tersebut, biasanya akan
memiliki fungsi yang berguna untuk membatasi arus yang di akan keluarkan oleh
rangkaian buffer ini.
Maka diperlukan rangkaian buffer untuk menstabilkan tegangan yang
keluar dari rangkaian penguat elektrokardiogram yang akan masuk ke rangkaian
notch filter serta tegangan yang keluar dari notch filter yag akan masuk ke rangkaian
dc-offset.
35
3.2.2. Pengujian Perangkat Keras Keseluruhan
Pengujian
perangkat
keras
secara
keseluruhan
dilakukan
dengan
menggabungkan keseluruhan modul yang disertai dengan dokumentasi gambar.
3.3 Perancangan dan Realisasi Perangkat Lunak
3.3.1. Modul Mikrokontroler
Pada skripsi ini menggunakan mikrokontroler keluarga AVR dengan
chip ATMega32. Berikut ini adalah gambar rangkaiannya :
Gambar 3.14. Rangkaian Mikrokontroler ATMega32.
Diagram alir program mikrokontroler :
START
Sampling ADC
Kirim ke PC
melalui serial
Gambar 3.15. Diagram alir program mikrokontroler.
36
Source codenya sebagai berikut menggunakan Code Vision AVR :
#include <mega32.h>
#include <stdio.h>
#include <delay.h>
#define ADC_VREF_TYPE 0x60
unsigned char read_adc(unsigned char adc_input)
{
ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff);
delay_us(10);
ADCSRA|=0x40;
while ((ADCSRA & 0x10)==0);
ADCSRA|=0x10;
return ADCH;
}
void main(void)
{
…..
…..
…..
while (1)
{
putchar(read_adc(0));
delay_ms(10)
};
}
37