Modul 9 Alat Ukur Elektronik 25p

190 | Modul 9_Alat Ukur Elektronik ~alifis

Modul 9

ALAT UKUR ELEKTRONIK

PENDAHULUAN

Pengukuran besaran listrik yang telah dibahas dalarn Modul 4, 5, dan 6 pada

umumnya menggunakan proses analogi yang merujuk pada nilai arus, tegangan serta

hambatan suatu rangkaian. Kelemahan dari alat ukur analog adalah tingkat ketelitian

dalam proses pembacaannya, atau yang dikenai dengan istilah paralaks. Di samping

ita juga banyak faktor mekanik dari peralatan analog tersebut yang menjad: kendala

dalam hal ketelitian proses analoginya. Di antaranya adalah piranti alat ukur analog

dapat dikelompokkan kepada suatu alat ukur pasif dikarenakan dalam proses

pengukurannya selalu bergantung pada sumber energi dari besaran listrik yang diukur

(tegangan dan arus), artinya alat ukur analog tersebut tidak memiliki sumber energi

sendiri untuk memproses besaran listrik yang akan diukur. Dengan kata lain, proses

pengukuran dengan menggunakan sistem analog akan menghasilkan pengukuran

yang mengalami rugi-rugi daya sehingga hasil pengukurannya kurang teliti.

Setiap besaran listrik yang diukur secara alamiah adalah merupakan besaran

analog, sebagai contoh adalah besaran listrik bolak-balik (ac: alternating current).

Oieh karena proses dari penghasil listrik (generator dari PLTA atau PLTD atau

PLTU) bermu1a dari perubahan energi mekanik, kemudian menghasilkan, tegangan

listr:k yang mernpunyai nilai amplitudo sesuai dengan perubahan. waktu. Nilai

besaran analog ini tidak dapat secara langsung diterjemahkan oleh alat ukur listrik

elektronik. Untuk menjembatani agar besaran analog tersebut dapat diproses oleh

rangkaian alat ukur listrik maka diperlukan suatu pengubah besaran listrik dari analog

menjadi besaran digital, biasa dikenal dengan istilah proses ADC (analog to digital

converter). Dengan cara demikianlah maka besaran listrik analog dapat diproses oleh

alat ukur elektronik. Di samping penggunaan mekanisme analog to digital ini,

mekanisme kerja dari alat ukur elektronik menggunakan aktivitas kerja suatu saklar.

Proses pensaklaran ini sering disebut scbagai proses penyaluran atau pemilihan data,

dan dalam teknologi elekronika disebut dengan proses multiplexing.

Kompetensi yang ingin dicapai setelah mempelajari Modu1 9: Alat Ukur

Elektronik ini adalah:


1 . menjelaskan rangkaian dasar suatu multimeter elektronik;

2. menjelaskan penggunaan multimeter;

3. menjelaskan proses pemilihan data;

4. membedakan proses analog ke digital dengan digital ke analog.

Selanjutnya untuk meningkatkan pemahaman Anda dalam mempelajari

modul ini, untuk setiap kegiatan belajar akan diberikan contoh soal/latihan,ringkasan

kuliah, serta test formatif yang diberikan jawabannya pada akhir . Setiap test formatif

bertipe pilihan ganda sehingga Anda dapat mengukur sendiri kemampuan Anda

berdasakan rumus nilai.

Selamat belajar!

9.1 MULTIMETER ELEKTRONIK

Interaksi medan magnet dengan kumparan yang dilalui arus listrik

memungkinkan dikonstruksi aiat-alat ukur besaran-besaran listrik, rnisalnya arus

listrik, beda potensial, muatan listrik yang dipindahkan dari dan ke kapasitor, daya

dan tenaga listrik. Di samping alat-alat ukur listrik, interaksi antara medan magnet

dan arus listrik juga digunakan dalam rnotor arus searah. Dalam sesi ini Anda akan

mempelajari prinsip dari galvanometer, ampermeter, dan voltmeter.

A. Galvanometer

Prinsip dari suatu galvanometer adalah adanya simpangan kumparan yang

dilalui arus listrik dalam medan magnet, seperti yang terlihat dalam gambar 9.1

Gambar 9.1. Prinsip Galvanometer


Induksi magnet ditimbulkan oleh medan permanen, arah induksi magnet dari

kutub U ke kutub S. Semua kawat kumparan dalam daerah cd akan mengalami gaya

ke arah meninggalkan penggambar, sedang semua kawat dalam daerah ab akan

mengalami gaya ke arah penggambar. Kedua gaya ini sama besarnya dan arahnya

berlawanan dan tidak dalam satu garis kerja sehingga membentuk suatu kopel yang

akan memutar kumparan besarnya momen kopel adalah;

= B i A N cos

di mana :

= Momen kopel (weber.ampere)

B = Induksi Magnet (weber/m2)

i = Arus Listrik (ampere)

A = Luas Penampang Kumparan Kawat (m)

N = Jumlah Lilitan

= Sudut antara induksi magnet dengan kumparan kawat

Gerak kumparan ini akan ditentang oleh torsi yang ditimbulkan oleh

konduktor F yang berupa pita tipis sehingga simpangan kumparan akan dibatasi oleh

torsi yang ditimbulkan oleh F. Simpangan kumparan akan sebanding dengan kuat

arus I, sedang besarnya simpangan dapat diamati dengan mengukur sudut simpangan

cahaya yang dipantulkan oleh cermin C, atau dapat juga diamati dengan mengamati

gerak jarum jarum yang dipasangkan pada kumparan.

Untuk membandingkan kepekaan suatu galvanometer dengan galvanometer

yang lain, perlu didefinisikan kepekaan galvanometer (Current sensitivity of

galvanometer), yaitu besar arus dalam kumparan galvanometer yang dapat

menimbulkan 1 cahaya yang dipantulkan cermin sebesar 1 mm pada jarak 1 meter

dari galvanometer.

Untuk suatu galvanometer yang telah diberi skala, harga tersebut telah ditera

lebih dahulu, yaitu dengan mengalirkan arus yang diketahui misalnya 1µA

(mikroampere), 2 µA, 3µA, 4 µA, 5 µA dan seterusnya, simpangan diberi tanda

berturut-turut 1, 2, 3, 4, 5 dan seterusnya. Jika dengan galvanometer tersebut kita


mengukur arus yang tidak diketahui besarnya dan simpangan menunjukkan tanda 5

maka artinya arus yang lewat galvanometer tersebut 5 mikroampere.

B. Amperemeter

Galvanometer hanya untuk mengukur arus dalam orde mikroampere, sedang

sehari-hari kita memerlukan arus dalam orde ampere karena itu perlu alat ukur arus

yang mampu mengukur arus dalam orde ampere, alat ukur ini disebut amperemeter.

Suatu amperemeter adalah suatu galvanometer yang diberi tahanan luar

paralel dengan tahanan galvanometer (disebut tahanan shunt). Fungsi dari

tahanan shunt adalah untuk mengalirkan arus sedernikian hingga arus maksimum

yang lewat galvanometer tetap dalam orde mikroampere. Misalkan, suatu

galvanometer dengan tahanan 25 ohm hanya mampu dialiri arus 100 A pada

simpangan maksimum, galvanometer ini akan dijadikan amperemeter yang mampu

mengukur arus sebesar 100 ampere pada simpangan maksimum.

Pada Gambar 9.2, Anda dapat rnelihat bahwa arus sebesar 100 A - 100 µA

harus dilewatkan pada tahanan shunt. Besarnya tahanan shunt yang harus dipasang

pada galvanometer agar mampu menjadi amperemeter dengan batas ukur 100 A

(sirnpangan maksimum bila dilalui arus 100 A) dapat dihitung sebagai berikut :

0,0001 A x 25 = (100 -,0001)Rsh

௦ = ଶହ×,ଵଵ,ଵ

= 2,5 × 10ହ

Gambar 9.2. Amperemeter dengan Batas ukur 100 A

C. VOLTMETER

Prinsip suatu voltmeter adalah galvanometer yang diberi tahanan muka

(tahanan luar yang diseri dengan tahanan galvanometer). Misalkan, tahanan

galvanometer 25 ohm, simpangan maksimum galvanometer terjadi bila dilalui arus

0,1 µA. Galvanometer akan dijadikan voltmeter dengan batas ukur 100 volt, tahanan

muka yang dipasang adalah Rs harus sedemikian rupa sehingga bila dipasang antara

titik a dan b yang beda potensialnya 100 volt, arus yang lewat galvanometer 100 µA.


Pada Gambar 9,3 Anda dapat melihat voltmeter dengan batas ukur 100 volt. Tahanan

seri pada galvanometer agar dapat dipakai sebagai voltmeter dengan batas ukur 100

volt dapat dihitung sebagai berikut :

(Rs + 25 ) 10-4 = 100

Rs = (100 x 104) - 25

Rs = 999975 ohm.

Gambar 9.3 Voltmeter dengan Batas Ukur 100 Volt

D. Penggunaan Alat Ukur elektronik

1. Penggunaan Amperemeter

Pada Gambar 9.4, Anda dapat melihat amperemeter dengan 3 batas ukur,

yaitu 1 A, 10 A, dan 100 A. Tahanan galvanometer sebesar 20 ohm dan arus yang

melewati galvanometer adalah 1 mA. Pertanyaan sederhana yang muncul adalah

berapa besar R1, R2, dan R3 yang cocok agar terpenuhi syarat dari batas ukur tersebut

? Dengan menggunakan prinsip dasar dari amperemeter maka dapat dihitung sebagai

berikut:

(10-3 A)(20 ohm) = [(1-10-3) A ][(R1 + R 2 + R3) ohm] (9.2)

(10-3 A)(20 + R 3 )ohm) = [(10-10-3) A ][(R1 + R 2) ohm] (9.3)

(10-3 A)(20 + R 3 + R 2)ohm) = [(100-10-3) A ][(R1 ohm] (9.4)

Dari ketiga persamaan diatas maka besarnya R1, R2, dan R3 dapat dicari.

Gambar 9.4 Amperemeter dengan 3 batas ukur : 1 A, 10 A dan 100 A


Dari pernyataan di atas, rnungkin Anda bertanya-tanya dari manak.ah ketiga

persamaan tersebut? Ilustrasi dibawah ini, mencoba rnemberikan gambaran tentang

bagairnana ketika persamaan tersebut didapat.

Perhatikan: gambar 9.5a, 9.5b, dan: 9.5c., ketiga gambar tersebut merupakan

modifikasi dari Gambar 9.4, dimana disesuaikan dengan batas ukur yang diminta

pada saat amperemeter digunakan untuk mengukur, yaitu 1 A, 10 A, dan 100 A. Dari

Gambar 9.5a, 9.5b, dan 9.5c. serta dengan menggunakan hukum Ohm Anda akan

mendapat persamaan 9.2, 9.3, dan 9.4.

Gambar 9.5a. Amperemeter dengan Batas ukur 1 A

Dengan Hukum Ohm didapat:

(10-3 A)(20 ohm) = [(1 - 10-3 )A ][( R1 + R2 + R3) ohm]

Gambar 9.5b. Amperemeter dengan Batas Ukur 10 A

Dengan Hukum Ohm didapat: (10-3 A)(20 + R 3 )ohm) = [(10-10-3) A ][(R1 + R2

ohm]

Gambar 9.5c. Amperemeter dengan Batas Ukur 100 A


(10-3 A)(20 + R 3 + R 2)ohm) = [(100-10-3) A ][(R1 ohm]


2. Penggunaan Voltmeter

Pada gambar 9.6, Anda dapat melihat voltmeter dengan 3 batas ukur, yaitu 1

V, 10 V, dan 100 V. Tahanan galvanometer sebesar 10 ohm dan arus yang melewati

galvanometer adalah 1 mA. Pertanyaan sederhana yang muncul adalah berapa besar

R1, R2, dan R3 yang cocok agar terpenuhi syarat dari batas ukur tersebut? Dengan

menggunakan prinsip dasar dari voltmeter maka dapat dihitung sebagai berikut.

Voc = 100 volt = [(10 + R1 + R2 + R3 )ohm ] x ( 10-3 Ampere) (9.5)

Vob = 10 volt = [(10 + R1 + R2 )ohm ] x ( 10-3 Ampere) (9.6)

Voa = 1 volt = [(10 + R1 )ohm ] x ( 10-3 Ampere) (9.7)

Dari ketiga persamaan diatas maka besarnya R1, R2, dan R3 dapat dicari.

Gambar 9.6 Voltmeter dengan Batas Ukur 1V, 10V dan 100 V

Dari pernyataan di atas, mungkin Anda bertanya-tanya dari manakah ketiga

persamaan tersebut ? Ilustrasi di bawah ini, mencoba memberikan gambaran tentang

bagaimana ketiga persamaan tersebut didapat.

Seperti yang telah diterangkan pada pembahasan penggunaan amperemeter,

Perhatikan Gambar 9.7a, 3.7b. dan 9.7c., ketiga gambar tersebut merupakan

modifkasi dari Gambar 9.6 dimana disesuaikan dengan batas ukur yang dirninta pada

saat voltmeter digunakan untuk mengukur 100V, 10 V dan 1 V.

Gambar 9.7a Voltmeter dengan Batas Ukur 100 V


Dari Gambar 9.7a, 9.7b. dan 9.7c serta dengan menggunakan hukum Ohm

Anda akan mendapat persamaan 9.5, 9.6 dan 9.7.


Voc = 100 volt = [(10 + R1 + R2 + R3 ) ohm ] x

( 10-3 Ampere)

Gambar 9.7b Voltmeter dengan Batas Ukur 10 V


Vob = 10 volt = [(10 + R1 + R2 )ohm ] x ( 10-3

Ampere)

Gambar 9.7c Voltmeter dengan Batas Ukur 1 V

Dengan Hukum Ohm didapat:: Voa = 1 volt = [(10 + R1 )ohm ] x ( 10-3 Ampere)

3. Penggunaan Ohmmeter

Multimeter, disamping sebagai voltmeter dan ampermeter alat ini juga dapat

berfungsi sebagai ohmmeter yang dapat mengukur hambatan. Pada sesi ini, kita akan

membahas ohmmeter digital, yang berfungsi sebagai alat ukur nilai hambatan,

(Gambar 9.8). Nilai hambatan berdasarkan persamaan R = V/I, dalam pengukuran

hambatan yang diukur RX maka agar nilainya dapat diukur oleh multimeter digital

dengan batas ukur maksimum tegangan VM, diperlukan beberapa nilai arus stabil

untuk setiap batas ukur hambatan.

Untuk mengukur nilai hambatan dengan menggunakan alat ukur listrik, pada

dasarnya adalah mengukur arus yang dibaca oleh alat ukur, dimana besar kecilnya

arus ini sebanding dengan hambatan yang diukur. Marilah kita hitung berapa

besarnya arus stabil yang diperlukan untuk setiap batas ukur maksimum hambatan

dari Gambar 9.8. lngatlah, bahwa batas ukur maksimum dari multimeter digital VM

adalah 0,1 mV. Pada batas ukur hambatan maksimum 100 ( jika RX = 100 )


maka nilai arus stabit (IS) haruslah mempunyai nilai sebesar V M /RX = 0,1 volt/100

= 1 mA, dan tampilan dari peraga digital adalah 100.0.

Pada batas ukur t k maka IS = 0,1 volt/1000 = 0,1 mA = 100 µA dan

peraga digital menampilkan angka 1.000; IS = 10 µA untuk batas ukur 10 k dengan

penampilan peraga digital 10.000 dan nilai arus stabil IS = 1 µA untuk batas ukur 100

k dengan penampilan peraga digital 100.0.

Gambar 9.8. Ohmmeter Digital

9.2 DEMULTIPLEXER & MULTIPLEXER

A. Demultiplexer

Suatu demultiplekser adalah suatu sistem untuk menyampaikan suatu sinyal

biner (data serial) pada satu dari N baris, suatu baris tertentu yang dipilih dengan

pertolongan suatu alamat (address). Suatu penyambung putar N posisi berpole

tunggal disambungkan seperti dalam Gambar 9.9, merupakan suatu analog mekanis

dari suatu demultiplekser.

Gambar 9.9. Analog Mekanis suatu (a) Demultiplekser dan (b) Multiplekser


Alamat menentukan sudut perputaran dari tangan penyambung. Suatu

dekoder diubah ke dalam demultiplekser dengan pertolongan hubungan putus-putus

dalam Gambar 9.10. Ka1au sinyal data diberikan pada S maka keluaran akan

merupakan komplemen dari sinyal tersebut (karena keluaran sama dengan 0 kalau

semua masukan sama dengan 1) dan akan muncul hanya pada garis beralamat.

Sinyal yang dimungkinkan dapat diberikan ke demultiplekser dengan

membuat bertingkat sistem Gambar 9.9 dengan yang ditunjukkan dalam Gambar

9.11. Kalau masukan yang dimungkinkan (enable) 0 maka S merupakan komplemen

dari data. Sehingga data akan muncul (tanpa inversi) pada baris dengan kode yang

diinginkan. Kalau masukan yang dimungkinkan sama dengan l, S = 0, data terlarang

untuk muncul pada setiap baris dan semua rnasukan tetap pada 1.

Gambar 9.10. Suatu Dekoder BCD Ke Desimal. Misalkan bahwa S = 1, (Baris 2 dan

7 Tidak Ditunjukkan).Garis putus-putus Mengubah Sistem ke Dalam Suatu

Demultiplekser Kalau S Menggambarkan Sinyal Masuk

Gambar 9.11. Suatu Dekoder Diubah Menjadi Suatu Demuttiplekser (dengan

Masukan Memungkinkan, Enable) Kala Terminal S dalam Gambar 9.11

Didapatkan dari Keluaran Gerbang AND di Atas


B. Multiplexer/Selektor Data

Fungsi yang dibentuk oleh multiplekser adalah untuk memilih 1 dari N

sumber data-masuk dan mentransmisikan data yang terpilih ke saluran informasi

tunggal. Penyambung N-posisi yang dihubungkan seperti Gambar 9.9b merupakan

analog mekanis dari suatu multiplekser. Bandingkan Gambar 9.9a dan b karena

dalam suatu demultiplekser hanya ada satu baris masuk dan data ini harus muncul

dalam salah satu dari N baris keluaran maka multiplekser membentuk proses

kebalikannya dari pada demultiplekser.

Demultiplekser dalam Gambar 9.10 diubah ke dalam suatu multiplekser

dengan melakukan dua perubahan berikut (1) Tambahkan suatu gerbang NAND yang

masukannya mencakup semua N keluaran dari Gambar 9.10 dan (2) tambahkan pada

tiap gerbang NAND suatu masukan data individu Xo, X1 X2, … XN. . Sistem logika

untuk multiplekser 4 ke-1 baris digambarkan dalam Gambar 9.12. Logika AND-OR

ini ekivalen dengan logika NAND-NAND seperti telah dijelaskan dalam langkah 1

dan 2 di atas. Perhatikan bahwa konfigurasi dekode yang sama digunakan baik dalam

multiplekser maupun demultiplekser.

Gambar 9.12.Suatu Multiplekser 4 ke-1 Baris. Dua Sistem Demikian Dipaketkan

sebagai TI 153. Perhatikan bahwa A Merupakan LSB. Masukan Komplementer A

dan B Didapatkan dari Inverter dalam Serpih


C. Pengubah Analog/Digital

Mengubah sinyal analog menjadi digital yang sebanding dengan

amplitudonya, atau sebaliknya sangatlah diperlukan pada percobaan/proses yang

direkam atau dikontrol oleh komputer/mikroprosessor. Demikian pula pada proses-

proses analog yang dikerjakan secara digital, misalnya pengiriman informasi analog

dengan terlebih dahulu mengubahnya menjadi sinyal digital agar bebas dari kesalahan

dan derau, misalnya "audio digital", atau memodulasi kode pulsa (PCM, pulse code

modulation). Pada bidang pengukuran, penggunaan pengubah A/D juga telah meluas,

termasuk pada peralatan baku, seperti multimeter digital atau alat-alat yang lebih

canggih lainnya, seperti perata transien, "penangkap glitch" atau osiloskop dengan

memori digital. Tak ketinggalan pula peralatan pembangkit dan pengolah sinyal,

misalnya pembangkit sinyal digital atau penyandi data.

Terakhir, teknik pengubah A/D dan D/A juga merupakan faktor penting

dalam membuat peragaan analog dari peralatan digital, misalnya penunjuk besaran,

atau peraga (dan penulis) xy dari data yang dihasiikan komputer.

Masalah kesalahan pengubah A/D dan D/A sangat rumit sehingga kalau

diperinci seluruhnya akan menghasilkan satu buku tersendiri. Untuk mempermudah

analisis Anda, berikut disajikan empat macam kesalahan utama dari pengubah. Agar

tidak membosankan, kami tidak akan menjelaskan dengan kata-kata, tetapi dalam

bentuk gambar yang mencerminkan masing-masing jenis kesalahan: kesalahan offset,

kesalahan skala, ketidaklinearan, serta ketidakmonotonan (Gambar 9.13).

Gambar 9.13(A)(B) Kesalahan Pengubah (A) Kurva Transfer ADC dengan

Kesalahan Offset ½ LSB pada Titik Nol (B) Linear, Kesalahan Skala 1 LSB.


Gambar 9.13 (C) (D): Kesalahan Pengubah (C) ketidaklinearan ± ½ LSB

(Memungkinkan Kesalahan 1 LSB), Ketidaklinearan 1 LSB (Memungkinkan tak

Terjadinya Perubahan). (D) Tidak Monoton (Harus Tidak Linear ± ½ LSB) (National

Semiconductor Corp)

D. Pengubah Digital ke Analog (DAC)

Tujuannya tentu saja mengubah besaran biner (atau BCD) menjadi tegangan

atau arus yang besarnya sebanding dengan harga besaran digital tersebut. Berikut ini

beberapa cara yang populer.

1. Penjumlahan Resistor dengan Bobot

Sebuah op-amp dengan sejumlah resistor paralel pada titik penjumlahannya

akan menghasilkan output yang sebanding dengan jumlah bobot tegangan input

masing-masing (Gambar 9.14). Rangkaian ini akan menghasilkan output dari nol

sampai dengan - 10 volt, dengan output maksimum sebanding dengan input 64

(desimal). Sebenarnya input maksimum selalu berharga 2n - 1 yaitu pada keadaan

semua bit 1; dalam contoh ini tegangan output maksimum = -10 x 63/64. Dengan

mengatur harga resistor umpan balik, kita dapat memperoleh tegangan output,

misalnya dari nol sampai 6,3 volt, yang berarti perubahan 0.1 volt setiap kali input

bertambah. Untuk memperoleh output positif, tinggal menambahkan penguat

inverting atau offset dc pada titik penjumlahannya. Kita dapat pula mengubah kode

yang bukan biner. Misalnya, BCD atau kode dengan bobot lainnya; yaitu dengan cara

mengganti harga resistor-resistor input. Tegangan input harus dihubungkan dengan


tegangan acuan yang tepat. Selain itu, makin kecil harga resistor input yang

digunakan maka ketelitiannya harus lebih tinggi. Jangan. Anda abaikan resistansi

saklar (yang tentunya tidak boleh melebihi 1/2n dari resistor kecil) karena pada

rangkaian yang sebenarnya, sebagai saklar digunakan FET.

2. Tangga R-2R

Tangga R-2R merupakan bentuk lain yang menarik dari rangkaian di atas.

Rangkaian ini dapat langsung menghasilkan tegangan output dengan menggunakan

sekumpulan resistor yang hanya terdiri dari dua harga saja: R dan 2R (Gambar 9.15).

Output yang dihasilkan berkisar dari nol sampai +10 V, dengan output maksimum

sebanding dengan input 16 (desimal). Sekali lagi, bilangan input maksimum adalah

15, dengan tegangan output 15/16 x 10 volt. Dengan sedikit modifikasi, rangkaian R-

2R dapat digunakan sebagai pengubah BCD.

Gambar 9.14. Penjumlahan Resistor Bobot Gambar 9.15. Tangga R-2R

F. Pengubah Analog ke Digital (ADC)

Sekurang-kurangnya ada enam cara mengubah analog ke digital, masing-

masing dengan kelebihan dan keterbatasannya sendiri. oleh karena itu, kita akan lebih

sering menggunakan rnodul A/D yang telah ada dari pada membuat sendiri maka

teknik pengubahan hanya akan kita bahas selintas, sebagai pedoman cerdik untuk

memilih mana yang cocok untuk penggunaan tertentu. Pada sesi ini, akan

diperlihatkan gambaran penerapan berbagai jenis peng;ibah A/D.


1. Pengkode Paralel

Pada pengkode paraiel, tegangan sinyal input diumpankan sekaligus pada

salah satu input masing- masing komparator (ada n buah), sedangkan. input yang lain

dihubungkan dengan tegangan acuan yang harganya berbeda-beda> namun berurutan.

Sebuah pengkode prioritas akan membangkitkan output digital, sebanding dengan

nomor komparator tertinggi yang diaktifkan tegangan input (Gambar 9.16).

Gambar 9.16. ADC Pengkode Paralel

Pengkodean paralel (kadang-kadang disebut pengkodean kilat) adalah cara

yang paling cepat untuk mengubah sinyal analog ke digital. Waktu perambatan antara

input dan output sama dengan jumlah waktu perambatan pada komparator dan

pengkode. Untuk komparator NE521 serta pengkode 74148, perambatan sinyal

memakan waktu kurang dari 20 ns.

2. Pendekatan Berulang

Dengan cara yang populer ini, kita mencoba berbagai kode output yang

mungkin, dengan cara mengumpankan input pada pengubah D/A, kemudian

membandingkan hasilnya dengan input analog melalui sebuah komparator.Mula-

mula seluruh bit dibuat 0. Kemudian, dimulai dengan bit paling berarti; setiap bit

dibuat 1. Jika output D/A kurang dari sinyal input, bit tersebut dibiarkan 1, tetapi

kalau tidak, ia dikembalikan lagi ke 0. Untuk A/D n-bit diperlukan n-langkah. Jadi,

yang dilakukan adalah mencari bilangan biner yang sesuai. Oleh karena itu, pada

modul A/D ini akan selalu terdapat input MULAI PENGUBAH dan output

PENGUBAH SELESAI. Output digital tersedia baik dalam bentuk paralel (dalam n


jalur output), atau serial (n-bit berturut-turut, dimulai dengan MSB, pada satu jalur

output).

Pengubah A/D pendekatan berutang biasanya cukup cepat dan teliti. Untuk

A/D n-bit, waktu yang dibutuhkan hanya n kali waktu diam DAC. Kisar waktu

pengubah umumnya sekitar 1 µs sampai 50µs, dengan ketelitian antara 8 sampai 12

bit. Sedangkan harganya berkisar dari 10 sarnpai 400 ribu rupiah. Oleh karena

pengubah hanya perlu melihat input sesaat saja maka apabila input berubah selama

pengubahan berlangsung maka kesalahannya takkan Lebih besar dari perubahan input

yang terjadi saat itu. Meskipun demikian, kelemahannya bukan tidak ada; antara lain

spike pada input, ketidaklinearan yang agak aneh, serta "kehilangan kode".

3. Pengubahan Tegangan ke Frekuensi

Tegangan input analog dapat diubah menjadi deretan pulsa output yang

frekuensinya sebanding dengan level input. Hal ini mudah dilakukan, dengan

melakukan arus yang besarnya sebanding dengan tegangan input untuk mengisi

kapasitor, kemudian mengosongkannya apabila tegangan kapasitor telah mencapai

ambang yang ditentukan terlebih dahulu. Untuk ketelitian yang lebih baik, biasanya

digunakan cara umpan balik, yaitu membandingkan output rangkaian F/V (frekuensi

ke tegangan) dengan input analog, kemudian membangkitkan putsa dengan frekuensi

yang cukup untuk membuat kedua input analog, kemudian membangkitkan pulsa

dengan frekuensi yang cukup untuk membuat kedua Input komparator sama.

Untuk tegangan input maksimum, frekuensi output V/F (tegangan ke

frekuensi) berkisar antara 10 kHz sampai 1 MHz. Pengubah V/F yang tersedia di

pasaran memiliki resolusi yang setara dengan ADC 12 bit (ketelitian 0,01 %).

Harganya tidak mahal, dan cocok apabila output dikirimkan secara digital melalui

kabel, atau jika diinginkan output berupa frekuensi (bukan kode digitalnya). Kode

digital yang sebanding dengan level input rata-rata dapat dipcroleh dengan

menghitung frekuensi output dalam selang waktu tertentu, tentu saja kalau kecepatan

tidak penting. Cara ini biasa dilakukan pada meter panel digital ketelitian sedang (3

digit).


4. Integrasi Sisi-Tunggal

Pada teknik ini, pernbangkit gelombang segitiga internal (sumber arus +

kapasitor) dinyalakan untuk memulai pengubahan. Pada saat yang sama sebuah

pencacah diaktifkan, uriiuk menghitung banyaknya pulsa dari clock yang stabil.

Apabila tegangan gelombang telah sama, sebuah pencacah diaktifkan untuk

menghitung banyaknya pulsa dari clock yang stabil. Apabila tegangan gelombanmg

telah sama dengan level input, komparator akan menghentikan pencacah. Hasil

penghitungatn pencacah (yang merupakan output digital) sebanding dengan level

input tersebut.

Pada akhir pengubahan, kapasitor akan dikosongkan kembali dan pencacah

direset siap untuk siklus berikutnya. Cara ini kelihatannya sederhana, namun untuk

ketelitian tinggi biasanya tidak digunakan karena persyaratan kestabilan dan ketelitian

untuk kapasitor dan komparatornya sangat berat. Hal ini diatasi dengan teknik

integrasi sisi ganda.

Gambar 9.17 ADC kemiringan Tunggal

5. Integrasi Sisi Ganda

Cara yang elok dan sangat populer ini meniadakan masalah-masalah kapasitor

dan komparator yang ditimbulkan oleh teknik integrasi sisi tunggal. Prinsipnya

ditunjukkan pada Gambar 9.18. Pertama, arus yang tepat sebanding dengan level

input mengisi sebuah kapasitor selama selang waktu tertentu. Kemudian, kapasitor


dikosongkan oleh arus konstan hingga mencapai nol lagi. Waktu yang dibutuhkan

untuk mcngosongkan kapasitor sebanding dengan level inputnya. Selama waktu

tersebut, sebuah pencacah diaktifkan. Hasil hitungannya merupakan output digital

yang diinginkan (sebanding dengan level input).

Gambar 9.18 Siklus Pengubahan Kemiringan Ganda

Integrasi sisi ganda dapat menghasilkan ketelitian sangat tinggi tanpa

memberlakukan syarat yang berat pada kestabilan komponen. Untuk kapasitor,

harganya tidak perlu terlalu stabil karena siklus pengisian dan penngosongannya

memiliki kecepatan yang berbanding terbalik dengan C.

Bersamaan dengan itu, awal dan akhir siklus memiliki tegangan sama akan

salingmeniadakan hanyutan atau kesalahan skala pada komparator. Pada beberapa

keadaan kemiringan pengisian dan pengosongan dapat dibuat sama.

Integrasi sisi ganda digunakan secara luas pada multimeter digital ketepatan

tinggi, serta modul pengubah dengan resolusi 10 sampai 18 bit. Dengan harga murah,

teknik ini mampu memberikan ketelitian tinggi, ditambah dengan peniadaan

interferensi jala jala, namun kecepatannya rendah.

6. Pengubah Delta Sigma

Diantara teknik-teknik pengubahan A/D, salah satunya adalah menggunakan

peniadaan arus input rata-rata, dengan sumber arus atau sumber muatan internal.

Gambar 9.19 memperlihatkan diagram fungsional pengubah delta-sigma. Tegangan

input memicu sebuah integrator, kemudian outputnya dibandingkan dengan tegangan


tertentu, misalnya tanah. Berdasarkan output komparator, pulsa-pulsa arus dengan

lebar tertentu (penambahan muatan tertentu) diberikan pada titik penjumlahan (atau

dialihkan ke tanah) setiap perubahan clock, dengan maksud menjaga arus rata-rata

tetap nol pada titik tersebut. Inilah prinsip penyeimbangan muatan! Sebuah pencacah

menghitung jumlah pulsa muatan yang diberikan selama jumlah clock tertentu,

katakanlah 4096 clock. Hasil penghitungan pencacah (yang sebanding dengan level

input rata-rata setama 4096 pulsa clock tersebut) adatah outputnya.

Gambar 9.19. ADC Penyeimbang Muatan Delta Sigma

Pengubah delta-sigma dapat juga dibuat dengan arus yang dibangkitkan dari

tegangan acuan stabil (melalui sebuah resistor) karena titik penjumlahan merupakan

tanah bayangan. Dalam hal ini, resistansi saklar ON harus benar-benar lebih kecil

dibandingkan resistor seri tersebut sehingga variasi Ron tidak mangakibatkan

hanyutan (drift).

LATIHAN

Untuk memperdalam pemahaman Anda rnengenai materi di atas,

kerjakanlah latihan berikut!

1. Mengapa proses pengukuran besaran dengan menggunakan alat ukur listrik

analog mempunyai keterbatasan kerja?

2. Besaran listrik analog tidaklah dapat langsung diproses oleh rangkaian digital.

Sebutkanlah rangkaian elektronik yang diperlukan agar besaran analog dapat

dibaca atau diukur oleh alat ukur digital!


3. Jelaskan fungsi dari tahanan shunt dalam amperemeter!

4. Jelaskan bagaimana agar kita dapat membuat sebuah alat ukur voltmeter bila, kita

disediakan sebuah galvanometer!

5. Sebuah ohmmeter digital mengukur hambatan RX yang diketahui mempunyai

nilai 4700. Nyatakanlah tampilan pada peraga digital, jika batas ukur diietakkan

pada 10 k!

6. Jelaskan dengan singkat tentang demultiplekser!

7. Jelaskan dengan singkat tentang multiplekser!

8. Sebutkan perbedaan prinsip dari demultiplekser dan multiplekser!

9. Sebutkan perbedaan dari A/D converter dan D/A converter!

10. Mengapa kita harus melakukan proses D/A sehingga datanya dapat dibaca oleh

alat ukur analog, kapan ketelitian alat ukur digital lebih baik dibandingkan alat

ukur analog?

Petunjuk jawaban latihan

1. Proses pengukuran dengan menggunakan sistem analog dalam pembacaan

besaran listrik akan menghasilkan pengukuran yang mengalami rugi daya

sehingga hasil pengukurannya kurang teliti.

2. Diperlukan suatu pengubah besaran listrik dari besaran analog menjadi besaran

digital, yang disebut pengubah analog ke digital (analog digital converter).

3. Fungsi dari tahanan shunt adalah untuk mengalirkan arus sedemikian, hingga arus

maksimum yang lewat galvanometer tetap dalam orde mikroampere.

4. Prinsip suatu voltmeter adalah galvanometer yang diberi tahanan muka (tahanan

luar yang diseri dengan tahanan galvanometer).

5. Tampilan pada peraga digital adalah 04.70.

6. Suatu Demultiplekser adalah suatu sistem untuk menyampaikan suatu sinyal

biner (data serial) pada satu dari N baris tertentu yang dipilih dengan pertolongan

suatu alamat (address).


7. Fungsi yang dibentuk oleh multiplekser adalah untuk memilih 1 dari N sumber

data masuk dan mentransmisikan data yang terpilih ke saluran informasi tunggal.

8. Perbedaannya adalah dari iumlah terminal masukan dan jumlah terminal

keluarannya, dimana terminal masukan dari demultiplekser hanya satu dan

keluarannya lebih dari satu, sedangkan terminal masukan multiplekser lebih dari

satu dan keluarannya hanya satu.

9. A/D converter adalah proses pengubahan isyarat analog menjadi digital

sedangkan D/A converter adalah proses pengubahan isyarat digital menjadi

analog.

10. Oleh karena proses digital adalah pemrosesan isyarat yang terbebas dari

gangguan (noise) maka setelah hasilnya diubah ke dalam isyarat analog,

diharapkan akan terbentuk isyarat analog dengan kualitas yang prima.

RANGKUMAN

Proses multiplexing adalah proses pensaklaran yang mempunyai beberapa

masukan dan menghasilkan satu keluaran, sedangkan proses demultiplexing adalah

proses pensaklaran yang memiliki satu buah masukan dan menghasilkan beberapa

keluaran.

Suatu proses pengubah besaran listrik dari analog menjadi besaran digital

(analog to digital process) menggunakan A/D converter, sedangkan proses pengubah

besaran listrik dari digital menjadi besaran analog (digital to analog process)

menggunakan rangkaian D/A converter.

TES FORMATIF

Pilihlah satu jawaban yang paling tepat

1. Pengukuran dengan menggunakan sistem analog hasil pengukurannya kurang

teliti dibandingkan dengan sistem digital karena ....


A. pengukuran analog mengalami rugi-rugi daya

B. pengukuran analog tidak menggunakan teknologi elektronika

C. pengukuran digital lebih teliti

D. pengukuran digital memerlukan sumber tegangan sendiri

2. Mekanisme yang dipergunakan agar multimeter digital dapat mengukur besaran

listrik analog adalah ....

A. menggunakan rangkaian elektronik

B. menampilkan hasil pengukuran pada peraga digital

C. mengubah isyarat analog menjadi isyarat digital

D. mengubah isyarat digital menjadi analog

3. Proses pembandingan nilai tegangan pada terminal masukan dengan tegangan

acuan agar dapat ditampilkan pada peraga digital, dilakukan oleh rangkaian ....

A. peraga digital B.sumber tegangan

C.. penguat awal D. osilator kontrol tegangan

4. Susunan rangkaian hambatan pada voltmeter akan ....

A. seri B. seri dengan tahanan galvanometer

C..paralel D. paralel dengan tahanan galvanometer

5. Susunan rangkaian hambatan pada amperemeter adalah ...

A. Seri B. Seri dengan tahanan galvanometer

C..paralel D. paralel dengantahanan galvanometer

6. Galvanometer hanya untuk mengukur arus dalam orde ....

A. Ampere B. miliampere C. mikroampere D. nanoampere

7. Pada ohmmeter digital proses pengukuran nilai hambatan pada terminal keluaran

adalah berdasarkan proses ....

A. pemilihan tegangan acuan stabil B. pengukuran arus

C..pengukuran tegangan D. pengukuran hambatan

8. Tampilan pada peraga digital suatu ohmmeter digital menunjukkan angka 1. Jika

pada terminal masukannya dipasangkan hambatan 1200 maka ....

A. proses pengukuran hambatan tidak menunjukkan harga sebenarnya

B. batas ukur yang ditentukan berada pada daerah di atas nilai hambatan yang

diukur


C. batas ukur yang ditentukan berada pada daerah di bawah nilai hambatan yang

diukur

D. hambatan yang diukur tidak hernilai 1200 , tetapi bernilai 1

9. Suatu proses pensaklaran di mana terminal masukannya hanya satu dan

keluarannya lebih dari satu, disebut proses ....

A. multiplexer B. multiplexing C. demultiplexer D. demultiplexing

10. Suatu proses yang menentukan sudut perputaran dari tangan penyambung

dalarn sistem multiplekser dan demultiplekser adalah ....

A. Kode B. data C. alamat D. sinyal masukan

11. Proses pengubahan isyarat digital menjadi isyarat analog dilakukan oleh

rangkaian ......

A. D/A converter B. D/A C. A/D converter D. A/D

12. Dibawah ini yang bukan merupakan kesalahan utama dalam pengubah A/D dan

D/A adalah …..

A. Kesalahan offset B. Kesalahan pengkodean

C.. Kesalahan skala D. Ketidaklinearan

13. Fungsi kerja dari rangkaian A/D adalah ....

A. Pada bagian masukannya dihubungkan dengan demultiplekser

B. Pada bagian masukannya dihubungkan dengan multiplekser

C. Mengubah isyarat analog menjadi isyarat digital

D. Mengubah isyarat digital menjadi isyarat analog

14. Untuk menganalisis suatu rangkaian D/A dirancanglah rangkaian pengganti yang

terdiri dari hambatan dan tegangan, dimana rangkaian ini dikenal dengan

rangkaian .....

A. Pengganti sumber arus B. Pengganti sumber tegangan

C.. Thevenin D. Tangga R-2R

15. Untuk mendapatkan pengubah digital ke analog salah satu cara yang populer

adalah dengan cara penjumlahan resistor dengan bobot, input/masukan

maksimum dari rangkaian ini selalu berharga ....

A. 2n B. 2n-1 C. 2n-1 D. 2n-1


Kunci Jawaban Tes Formatif

1. A. Pengukuran analog mengalami rugi daya

2. C. Mengubah isyarat analog dengan isyarat digital

3. D. Osilator kontrol tegangan

4. B. Seri dengan tahanan galvanometer

5. D. Paralel dengan tahanan galvanometer

6. C. Mikroampere

7. B. Pengukuran arus

8. C. bahwa batas ukur yang ditentukan berada pada daerah dibawah nilai

hambatan yang diukur.

9. D. Demultiplexing

10. C. Alamat

11. A. D/A converter, analog to digital

12. B. Kesalahan pengkodean

13. C. Mengubah isyarat analog menjadi isyarat digital

14. D. Tangga R-2R

15. C. 2n - 1

Petunjuk Penilaian & Tindak Lanjut

Cocokkan jawaban Anda dengan kunci jawaban Test Formatif yang terdapat di

bagian akhir modul ini. Hitunglah jawaban yang benar. Gunakan rumus

berikut untuk mengetahui tingkat penguasaan Anda terhadap materi:

Tingkat Penguasaan = ( Jumlah Jawaban Benar / Jumlah Soal ) x 100%

Arti tingkat penguasaan:

90 – 100 % = baik sekali

80 – 89 % = baik

70 – 79 % = cukup

< 70% = kurang


Apabila tingkat penguasaan mencapai 80 % atau lebih, Anda dapat

melanjutkan ke modul berikutnya. Jika masih dibawah 80%, Anda harus

mengulangi materi dalam modul ini, terutama yang belum dikuasai.

DAFTAR PUSTAKA

David Buchla & Wayne MeLachlan. (1992). Applied Electronic Instrumentation and

Measurement. Prentice Hall.

Dosen-dosen Fisika. (1997). Diktat Kuliah Fisika Dasar 2, Yayasan Pembina Jurusan

Fisika (Yanasika), jurusan Fisika FMIPA ITS Surabaya.

HeIfric & Cooper. (1995). Modern Electronic Instrumentation and Measurement

Techniques. Prentice Hall.

Jacob Millman. (398b). Mikroelektronika, Sistem Digital dan Rangkaian Analog.

Jilid l . PT Midas Surya Grafindo.

Paul Horowitz & Winfield Hill. (1980). The Art of Electronic. Cambridge Press

University.

Documents

Modul 9 Alat Ukur Elektronik 25p