Upload
dinhhuong
View
275
Download
6
Embed Size (px)
Citation preview
SISTEM INSTRUMENTASI
Disusun oleh :
Dr. Drs. Jaja Kustija, M.Sc.
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA
2014
i
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR ISI ........................................................................................................... i
Modul I SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA .................................. 1
Modul II & III SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA
KARAKTERISTIK STATIS & DINAMIS ......................................................... 5
Modul IV SISTEM INSTRUMENTASI ORDE 2 ............................................ 12
Modul V SISTTEM INSTRUMENTASI TRANDUCER ................................ 18
Modul VI INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA OP-AMP ............................ 24
Modul VII INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA SIFAT DAN BESARAN
OP-AMP ................................................................................................................ 32
Modul VII & IX INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA PENGGUNAAN OP-
AMP UNTUK PENGUAT INSTRUMENTASI DAN PENGUAT LOG DAN
ANTILOG ............................................................................................................. 27
Modul X & XI SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA
PENGOLAHAN DIGITAL TO ANALOG CONVERTER ............................. 52
Modul XII & XIII SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA
PENGOLAH ISYARAT (SINYAL) ................................................................... 63
Modul XIV SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA JENIS-JENIS
PENGUBAH ISYARAT ANALOG KE DIGITAL .......................................... 75
1
MODUL I
SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA
Tujuan : Menjelaskan bagian-bagian dari Sistem Instrumentasi Elektronika
Pokok-pokok Bahasan
1. Definisi Sistem Instrumentasi Elektronika
2. Bagian dari Sistem Instrumentasi Elektronika
3. Contoh Sistem Instrumentasi Elektronika
4. Definisi-definisi dalam Sistem Instrumentasi Elektronika
Daftar Pustaka
1. Rangan Sarma : Instrumentasi Devices And Sistem
2. W. Bolton : Mechatronic
3. William D.Cooper : Electronic Instrumentasi And
Measurement Technique
I. Bagian – bagian Sistem Instrumentasi Elektronika dan beberapa definisi dalam
instrumentasi
Mempelajari pengukuran besaran-besaran fisis dengan bantuan peralatan
elektronik.
Secara umum Sistem Instrumentasi Elektronik terdiri dari tiga bagian seperti
terlihat pada gambar 1.1
Gambar 1.1 Sistem Instrumentasi
1. Sensor which respond to the quantity being measured by giving as its output a
signal which is related to the quantity
Definisi lain :
Sensor Signal Conditioner
Di splay
Quantity Being
Measured
Value Of
The Quantity
2
Sensor / Tranduser adalah suatu alat yang dapat mengubah suatu besaran
fisis menjadi besaran fisis yang lain.
Untuk keperluan Sistem Instrumentasi Elektronik, tranduser yang digunakan
yang mempunyai output besaran listrik.
Contoh :
Kuantitas yang ingin kita ukur adalah temperatur, supaya temperatur dapat
dibaca secara elektronik maka digunakan sensor termo kopel (Thermocouple).
Gambar 1.2
Beda potensial listrik yang dihasilkan sebanding dengan tinggi rendahnya
temperature.
2. A Signal Conditioner
Which takes the signal from sensor and convert it into a condition which is
suitable for either display.
Ex :
Keluaran dari sensor termokopel adalah tegangan yang masih lemah, maka
pada “ signal Conditioner ” (pengkondisian) sinyal ini diperkuat dalam hal ini
alat pengkondisian sinyal adalah Penguat Instrumentasi (Ampli), lebih lengkap
lagi sinyal yang telah diperkuat tadi tumbuh menjadi data digital (ADC)
kemudian dicacah secara digital untuk selanjutnya masuk ke bagian display.
3. A Display Sistem
A Display system where the output from signal conditioner is displayed.
Contoh-contoh display
1. Printer
2. Layar Monitor
3. Jarum
4. Seven Segment
5. LCD
Contoh : Sistem Instrumentasi Elektronik
Thermo Couple
Temperatur EMF (Beda Potensial Listrik)
3
Gambar 1.3 Pengukuran jarak dengan media ultra sonic dan pengolah signal
mikro kontroler
“ Konfigurasi Sistem Pengukuran “
Dapat dijelaskan seperti pada gambar dibawah ini :
Gambar 1.4 Konfigurasi Sistem Pengukuran
a. The Tranduser
Which Convert the measured into a useable electrical output.
b. The Signal Conditioner
C
AT 89C51
Display
Pemancar Ultra Sonic
Penerima Ultra Sonic
Object Pemeroses
Digital Printer
Digital Display
Analog Panel Meter
Grafic Recorder
To Control System
Osiloscope
Magnetic Tape Recorder
Signal Conditioner
Tranduser
Power Supply
Input Measurend
4
Which Convert the tranduser output into an electrical quantity suitable for
control recording and display.
c. The Display or red out devices which display the required information about
the measurend, generally in engineering units.
Beberapa definisi dalam Pengukuran
Instrument : Sebuah alat untuk menentukan nilai atau kebesaran
suatu kuantitas atau variable
Ketelitian (Accuracy)
Harga terdekat dengan mana suatu pembacaan instrument
mendekati harga sebenarnya dari variable yang diukur.
Ketepatan (Precision)
Suatu ukuran kemampuan untuk mendapatkan hasil
pengukuran yang serupa dengan memberikan suatu harga tertentu
bagi sebuah variable
Ketepatan (presisi) merupakan suatu ukuran tingkatan yang menunjukan
perbedaan hasil pengukuran pada pengukuran – pengukuran yang telah
dilakukan secara berurutan
Sensitivitas (sensitivity)
Perbandingan antara sinyal keluaran atau respon instrument
terhadap perubahan masukan atau variable yang diukur.
Resolusi (Resolution)
Perubahan terkecil masukan yang dapat direspon oleh
instrument
Kesalahan (Error)
Penyimpangan Variable yang diukur dari nilai sebenarnya
5
SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA
KARAKTERISTIK STATIS & DYNAMIS
Tujuan : Mempelajari karakteristik statis dan dynamis alat ukur
Pokok-pokok Bahasan
1. Karakteristik statis
2. Karakteristik Dynamis
3. Sistem Orde nol
4. Sistem Orde satu dengan masukkan step dan ramp
Daftar Pustaka
1. Instrumentation Devices : Rangan, SARMA, and System.
2. Electronic Instrumentation
And measurement Tekhniques : William. D. Coopera
3. Techniques of Instrumentation : A. C. Srivastava
4. Mechatronics : w. Bolton
2.1. Pendahuluan
Karakteristik kerja instrumentasi secara garis besarnya terbagi dalam dua kelompok
besar adalah :
Karakteristik Statis yang dipresentasikan oleh tingkat presisi dan akurasi. Sifat akurasi
ditentukan oleh sensitivitas, range (jangkauan), non linieritas, hysteresis.
Karakteristik dynamis : Karakteristik ini di definisikan oleh time constant, damping
coefisien dan frekuensi natural.
2.2. Karakteristik Statis
Karakteristik Statis adalah suatu alat ukur (instrumentasi) adalah karakteristik apabila
alat ukur digunakan untuk mengukur suatu kondisi yang tidak berubah karena waktu
atau hanya berubah secara lambat.
2.3. Karakteristik Dynamis
Karakteristik Dynamis suatu alat ukur adalah fungsi waktu. Hubungan masukkan
keluaran dinyatakan dalam bentuk persamaan diferensial karakteristik utama adalah
kecepatan dalam tanggapan kecermatan kecepatan tanggapan (respon adalah
6
kecepatan alat ukur dalam memberi tanggapan terhadap perubahan kuantitas yang
diukur).
Kecermatan adalah tingkat yang memberi gambar apakah alat ukur tanpa kesalahan
dinamis adalah perbedaan antara kuantitas nilai sebenarnya yang berubah menurut
waktu terhadap nilai yang ditunjukkan alat ukur jika di asumsikan tidak ada kesalahan
statis.
Model matematis yang berkaitan dengan masukkan dan keluaran pada karakteristik
dinamis adalah sebagai berikut.
ooo
n
on
nn
on
n eadt
dea
dt
eda
dt
eda
11
1
1 ...
= ioi
im
m
mim
m
ebdt
debe
dt
dbe
dt
dbm
11
1
1 ...
Dimana eo = Keluaran
ei = Masukkan
a dan b adalah tetapan-tetapan yang berkaitan dengan kombinasi parameter-
parameter fisik system. Persamaan matematis diatas dapat diselesaikan
menggunakan operator D atau transformasi Laplace.
Marilah kita definisikan operator diferensial sebagai berikut.
dt
dD
Persamaan umum menjadi :
oon
nn
n eaDaDaDa )...( 11
1
= iom
mm ebDbDbbmD )...( 1
11
Dengan mengunakan metoda operator D penyelesaian eo secara lengkap diperoleh
dua bagian.
opiOCFo eee
OCFe bagian penyelesaian fungsi pelengkap
opie bagian penyelesaian integral tertentu
Penyelesaian OCFe mempunyai n tetapan sembarang, opie tidak memiliki tetapan,
tetapan sembarang ini dapat dievaluasi secara numerik dengan menentukan kondisi
awal pada persamaan umum. Penyelesaian OEFe diperoleh dengan menghitung n
akar persamaan al-jabar karakteristik.
7
0... 11
1 o
nn
no aDaDaDna
Bila akar r1,r2,r3….Rn telah diperoleh maka penyelesaian pelengkap dapat ditulis
sesuai aturan jawaban persamaan diferensial .
Bagian penyelesaian integral tertentu dapat dikerjakan menggunakan metoda
kooefisien tak ditetapkan sehingga diperoleh penyelesaiannya.
......)(")(')( tCftBftAfeopi
Gambar 2.1 Hubungan Input-Output
Pernyataan diatas menunjukkan perbandingan keluaran dan masukkan dinyatakan
dengan fungsi transfer.
Fungsi transfer sangat berguna dalam menggambarkan karakteristik dinamis sistem
dengan symbol yaitu menggunakan diagram blok misalkan suatu system terdiri dari 4
subsatuan yang mempunyai transfer K1,K2,K3, dan K4. seluruh fungsi transfer dari
sistem adalah :
54321 KKKKKe
e
i
o
io eKe 5
Gambar 2.2
Fungsi Transfer Keseluruhan
K
ie oe
KaDaDaDa
bDbDbbmDD
e
e
on
nn
n
om
mm
i
o
11
1
11
1
...
...)(
K1
K2
K3
K4
ie
oe
8
5Kee io
Fungsi transfer menggunakan transformasi laplace.
oin
nn
n
om
mm
m
i
o
aSaSaSa
bSbSbSbs
e
e
...
...)(
11
11
1
fungsi transfer menggunakan sinusioda dengan frekuensi anguler () menggunakan
je
oin
nn
n
oim
mm
m
i
o
ajajaja
bjbjbjb
e
e
)(...)()(
)(...)()(1
1
11
Instrumen Orde Nol
Semua instrument yang menghasilkan konstanta a dan b sama dengan nol kecuali ao
dan bo sehingga persamaan umum karakteristik sebagai berikut:
o
o
i
o
a
b
e
e
iooo ebea
i
o
oo e
a
be
dimana o
o
a
bK kepekaan statis
io Kee
alat ukur (instrumen urutan nol orde nol jika masukan berubah terhadap waktu maka
keluaran mengikuti secara sempurna tanpa penyimpangan atau kesenjangan waktu.
Instrumen orde nol memperlihatkan penampilan dinamis yang ideal.
Gambar 2.3
Potensio meter menggambarkan sistem orde nol R e
R1
E
E
e
Resistansi
R1
R2
9
Persamaan potensio meter diatas mempunyai hubungan output – input sebagai
berikut i
o
R
R
E
e
KEe
Instrumen orde pertama
Model matematik dari model pertama
ioooo
i ebeadt
dea
persamaan diatas dapat disederhanakan manjadi
i
o
oo
o
o
i ea
be
dt
de
a
a.
misal
Ta
a
o
i = Tetapan waktu
Ka
b
o
o = Tetapan statis
menggunakan operator D
ioo KeeTDe )(
io KeeTD )1(
T
Tanggapan tangga (Step Response) untuk system orde pertama
Gambar 2.4
Fungsi tangga
1e = 0 untuk t = 0
1
Td
K
e
e
i
o
E
t t=0
e1
ER
Re o
1
10
2e = E untuk t 0
Untuk transformasi Laplace
S
EsE )(1
T 1Keedt
deo
o
T sEo(s) + Eo(s) =s
sEK
)(
(T s + 1)Eo(s) =s
sEK
)(
Eo (s) = )(.)1(
sETs
K
s
Eo(s) =
1sT
KT
s
KE(s)
=
Tss 1
11KE(s)
Transormasi inverse Laplace menghasilkan
...i
o
Ke
e( 1 – e -t / T )
dapat digambarkan proses system orde pertama terhadap masukkan fungsi step
adalah sebagai berikut:
Gambar 2.5
Response System orde pertama jika diberi masukkan step
Respon system orde terhadap masukkan Ramp
Masukkan ramp mempunyai persamaan :
mtei → LsEi )( mt
2)(
s
msEi
Amplitudo
t
Step Input
Output ke1
0,632
Kx
Xo
11
sehingga persamaan matematik siatem dengan input ramp menjadi :
2.
)1()(
s
m
T
KsE
s
=
s
T
Ts
T
sKm
1
12
eo (t) = Km (t – T + T e -t/T) untuk t 0
Error ( kesalahan ) dynamic antara input dan output adalah :
(t) = kmt – xo (t)
= Kmt – Km (t – T +T e-t/T )
=Km (1 – e-t/T )
Untuk t = maka error yang terjadi adalah
ss = KmT
sehingga dapat digambarkan sebagai berikut
Gambar 2. 6
Rspons system orde pertama jika diberi masukkan ramp
t
outputt
Steady state
ss = KmT
Ramp Input mt
Amplitudo
eo
12
MODUL IV
SISTEM INSTRUMENTASI ORDE 2
Tujuan Instruksional Umum :
Menjelaskan persamaan matematis system orde dua
Tujuan Instruksi Khusus :
a. Dapat memahami response dari system orde 2
b. Dapat memahami system orde 2 dengan input rampt
Buku Rujukan
1. Rangan Sarma : Instrumentasi Devices And Sistem
2. W. Bolton : Mechatronic
3. William D.Cooper : Electronic Instrumentasi And
Measurement Techniques
Sistem orde dua memenuhi persaman matematis sebagai berikut :
112
2
2 ebeadt
dea
dt
eda ooo
oo
dengan menggunakan transformasi laplace akan diperoleh :
)()()()( 12
2 sebseasseasesa iooooo
)()()( 12
2 sebseasasa iooo
semua dibagi dengan ao
)()()1( 122 sea
bses
a
as
a
ai
o
oo
oo
Jika dimisalkan
1. Ka
b
o
o
2. 2
2
2
1
no
on
a
a
a
a
13
3. 2
1
2 aa
a
o
Dari persamaan 2 dan 3 didapat
n
oa
a21
Sehingga
)()()12(2
2
sKesess
ion
n
12
1
)(2
2
sssKe
e
nn
i
o
12
)(
2
2
ss
Ks
e
e
nn
i
o
contoh system orde 2 pada system yang mengandung pegas, gesekkan dan
percepatan
)(2
2
tfkxdt
dxb
dt
xdm
masukkan berupa fungsi step untuk system orde 2 :
Gambar 4.1
0)( tei Untuk t 0
Estei )( Untuk t 0
L ei (t) =s
Es
Es
t
14
Dengan memasukkan ke fungsi transfer system orde 2 dengan masukkan step
didapat :
12
1)(
2
2
ss
s
EK
se
nn
s
o
nn
n
s
o
sssKE
se
2(
)(2
2
ada tiga kemungkinan response dari system orde 2 untuk masukkan berupa step input
tergantung dari harga antara lain :
a. Untuk 1 (Overdamped)
Dengan menggunakan transformasi balik (inverse transformasi laplace) akan
didapat
ttKE
en
s
o
)1exp(
12
1)( 2
2
1)1exp(12
1 22
tn
b. Untuk = 1 ( critically damped)
Persamaan menjadi
nn
n
s
o
sssKE
se
2(
)(2
2
2
2
)( n
n
ss
)()( 2nn s
c
s
B
s
A
sehingga
)(.)( 22
nnn sCssBsA
untuk s = n Didapat B = n
15
diferensiasi dari *
0 = 2 A (s +n) + B + C ((s + n)+ s))………..(**)
Untuk s = -n
0 = B + C (-n)
0 = -n – C -n
C = -1
Diferensiasi dari **
0 = 2 A + C(2)
A = -C = 1
Sehingga persamaan menjadi
)(
1
)(
)(1)(2
nn
n
s
o
sssKE
se
dan
ttn
s
o nn etetKE
e 1)(
)exp()1(1)( tttKE
enn
s
o
sedang kemungkinan ke tiga adalah
1 (under damped)
didapat hasil
))1sin((1
)exp(1)(
2
t
tt
KE
en
n
s
o
dimana
inv sin 21
Respon dari system orde 2 terhadap masukkan step dapat digambarkan sebagai
berikut :
16
Gambar 4.2
System orde 2 dengan input rampt :
Input rampt
ei (t) = mt
Ei(s) =2s
m
Solusi dari persamaan orde input rampt
a. 1
)1sinh
12
121)(coshexp(
2)
2()( 2
2
22
tttKmtt
KE
ennn
nni
o
b. =1
21)(exp(
2)
2()(
ttKmtt
KE
e nn
nni
o
c. 1
1sin(
1
)exp()
2()(
2t
tKmtt
KE
en
n
n
ni
o
dimana
12
122
2
invtg
xt
= 1,5
1,5
1,0
0,5
1 2 3 4 5
s
o
KE
e
= 3,0
= 1,0
= 0,1 = 0,7 STEP INPUT
17
Response dari system orde 2 untuk masukkan berbentuk rampt dapat
digambarkan sebagai
Gambar 4.3
= 0,4
0,6
0,8
1,0
1,5
nt 1 2 3 4 5
1
2
3
i
o
KE
e
18
MODUL V
SISTEM INSTRUMENTASI
TRANSDUCER
5.1 Definisi dan pengelompokkan Transducer
Transducer adalah suatu peralatan / alat yang dapat mengubah suatu besaran ke
besaran lain.
Dilihat dari pengubahan suatu besaran menjadi tegangan atau arus listrik terdapat
dua kelompok transducer yakni :
Tranducer fasif yakni transducer yang mengubah besaran menjadi tegangan atau
arus listrik memerlukan sumber dari luar.
Contoh :
Mengubah level (tinggi) fluida menjadi tegangan arus listrik menggunkan
transducer kapasitor.
Terminalkapasitor
Tinggi cairan
Gambar 5.1 kapasitor yang kesambung tangki
Perubahan medium kapasitor dapat mengakibatkan harga kapasitansi dari kapasitor
. Untuk kapasitor tabung berlaku persamaan
1
2
2
R
RLn
KeLC o
dimana
c = kapasitansi (Farad)
Ke= Konstanta dielektrik medium
L = tinggi kapasitor
o= permebilitas listrik udara/ vacuum
19
untuk mengubah besaran kapasitansi menjadi tegangan listrik memerlukan sumbe
rdari luar.
cXc
1
C
Ac R
Vc
RjXc
jXccV
Gambar 5.2
Dihitung dalam bentuk phasor
Contoh lain transformer Pasif
Transducer perpindahan menggunakan resistansi terubah
Sapu Perpindahan
E i
E o
Gambar 5.3
m)(bahan tanRe
)(m Luas A
(m) Panjang
)(Resistansi
2
sisis
R
AR
harga resistansi berbanding lurus dengan l sehingga jika panjang resistor perubah
maka resistansinya berubah. Denganmemberi sumber dari luar maka akan
didapatkan perpindahan berbanding lurus dengan tegangan keluaran.
20
totaltanReRt
aldan terminsapu antara Resistansi Rw
masukkan teganganE
keluaran
.E
i
O
sisis
teganganE
ERt
Rw
O
i
2. Transducer jenis pembangkit sendiri (Self generating type)
Adalah transducer yang menghasilkan suatu tegangan atau arus analog bila
diransang oleh suatu bentuk fisis enrgi tertentu, transducer pembangkit sendiri tidak
memerlukan daya luar.
Contoh :
Anoda
Katoda
a. Kontruksi
CahayaA
V
b. Rangkaian uji
Gambar 5.4
Dapat digambarkan karakteristik dari fotolistrik sebagai berikut:
0,8
0,6
0,4
0,45
10
15
20
Fluks =0,1 lumen
80 v 160 v
Arus anoda
A
Tegangananoda
Gambar 5.5
21
Perhatikan bahwa untuk tegangan diatas 20 volt arus keluaran hampir tidak
bergantung pada tegangan yang diberikan tetapi tergantung dari intensitas cahaya
yang masuk melalui tabung, arus keluaran biasanya dalam orde mikrometer
dengan demikian tabung cahaya dihubungkan ke penguat arus guna menghasilkan
suatu keluaran yang bermanfaat, transduser ini dapat mengubah intensitas cahaya
menjadi arus listrik. Arus listrik yang terjadi berbanding lurus dengan intensitas
cahaya yang masuk.
Alat pengubah intensitas cahaya menjadi arus listrik tanpa sumber dari luar .
Contoh lain transducer pembangkit energi sendiri :
Tachogenerator
Mengubah kecepatan putar atau kecepatan fluida menjadi ggl induksi (tegangan
listrik)
Prinsip kerjanya sebagai berikut:
Magnetpermanent
Rotating coil
NS
Gambar 5.6
Menurut prinsip Faraday
Jika penghantar mendapat fluks magnet yang tidak konstan akan menghasilkan ggl
induksi sebesar
sdB
ggle
dt
dNe
.
dt
d
dt
d
waktuhadapmagnet ter fluksPerubahan dt
d
lilitanJumlah N
induksi
[fluks magnet ] yang dihasilakan dari magnet permanent berharga kostan tetapi
karena lilitan diputar pada medan magnet maka lilitan penghantar (kumparan
penghantar) akan mendapat fluks yang berubah sesuai dengan posisi penghantar.
22
Maximum
Fluks maksimum
Gambar 5.7. (a) Penghantar mendapat fluks maximum (b)gambar penghantar
mendapat fluks sama dengan nol.
t
t
jika
sinmendapat
tsudut membentuk penghantar
m
Gambar 5.8
Dari persamaan di atas t= sudut yang ditempuh oleh penghantar yang berputar
dan adalah kecepatan sudut.
Dengan mensubstitusikan ke persamaan Maxwell didapat
tNe
tdt
dNe
m
m
cos
)sin(
dimana merupakan fungsi dari banyaknya putaran permenit sehingga secara
keluruhan hubungan antara tegangan keluaran dengan rotasi permenit mempunyai
hubungan :
23
permenit rotasi n
magnet fluks
konstanta c
keluaran tegangan
E
cnE
24
MODUL VI
INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA
OP-AMP
Tujuan Instruksional Umum
Agar mahasiswa dapat memahami tentang Op-amp
Tujuan Instruksional Khusus
Dapat menerangkan tentang sifat-sifat ideal Op-amp
Dapat menerangkan penguat menggunakan Op-amp
Buku Rujukan
Rangan Sarma : Instrumentasi Devices And Sistem
W. Bolton : Mechatronic
William D.Cooper : Electronic Instrumentasi And
Measurement Techniques
6.1. Pendahuluan
Penguat operasional atau op-amp (dari kata operational amplifier) adalah
penguat diferensial dengan dua masukan dan satu keluaran yang mempunyai
penguatan tegangan yang amat tinggi, yaitu dalam orde 105. dengan penguatan
yang amat tinggi ini, penguat operasional dengan rangkaian balikan lebih banyak
digunakan daripada dalam lingkar terbuka.
Pada masa kini op-amp dibuat dalam bentuk rangkaian terpadu atau IC
(Integrated Circuit), dimana dalam satu potong kristal silicon dengan luas kurang dari
1 mm2 terkadang rangkaian penguat lengkap terdiri dari banyak transistor, dioda,
resistor, dan kadang-kadang kapasitor. Kini kita dapat membeli suatu IC yang dalam
satu potongan kristal mengandung empat buah op-amp sekaligus.
Pemakaian op-amp amatlah luas meliputi bidang elektronika audio, pengatur
tegangan dc, tapis aktif, penyearah presisi, pengubah analog ke digital dan
pengubah digital ke analog, pengolah isyarat seperti cupliktahan , penguat pengunci,
pengintegral, kendali otomatik, computer analog, elektronik nuklir, dan lain-lain.
6.2. Sifat-sifat ideal op-amp
Op-amp biasanya dilakukan dengan gambar 6.1
25
Gambar 6.1
Tampak ada dua masukan, yaitu masukan pembalik (inv) dan masukan tak
membalik (non inv). Masukan diberi tanda minus dan masukan tidak membalik diberi
tanda (+). Jika isyarat masukan dihubungkan dengan masukan membalik, maka
pada daersh frekuensi tangah isyarat keluaran berlawanan fasa atau berlawanan
tanda dengan isyarat masukan.
Sebaliknya jika isyarat masukan dihubungkan dengan masukan tak membalik maka
isyarat keluaran sefasa atau mempunyai tanda yang sama dengan isyarat masukan.
Pada umumnya op-amp menghasilkan tegangan keluaran yang sebanding
dengan beda tegangan isyarat antara kedua masukannya. Op-amp semacam ini
dikenal sebagai op-amp biasa.
Disamping op-amp biasa ada pula op-amp yang menghasilkan tegangan
isyarat keluaran yang sebanding dengan beda arus masukan. Op-amp semacam ini
dikenal sebagai op-amp Norton. Satu contoh op-amp Norton adalah IC LM 3900
buatan National semikonduktor. Satu macam ini adalah op-amp yang menghasilkan
arus keluaran yang sebanding dengan beda tegangan isyarat antara kedua
masukannya. Op-amp semacam ini disebut penguat transkonduktansi operational
(Operational Transconcuctance Amplifier-OTA). Satu contoh OTA adalah IC 3080
buatan RCA. Pada bahasan ini hanya sebatas op-amp biasa.
Beberapa ideal sifat op-amp adalah:
a. Penguat lingkar terbuka tak berhingga atau Av,ib =
b. Hambatan keluaran lingkar terbuka adalah nol, atau Ro, ib = 0
c. Hambatan masukan lingkar terbuka tak berhingga atau Ri,ib =
d. Lebar pita tak berhingga, atau f = f2 – f1 =
e. Nisbah penolakan bersama (CMMR) =
Marilah kita tinjau op-amp yang popular digunakan yang dikenal dengan IC 741.
pada mula IC 741 dibuat oleh Fairchild Semiconductor dan bernama A 741. Akan
26
tetapi oleh karena amat popular hamper semua perusahaan membuatnya. Untuk 741
kita mempunyai data sebagai berikut Ri,lb = 2 M, CMMR = 90 dB, Av,lb = 2000009
pada frekuensi rendah), Ro,lb = 75, lebar pita untuk penguatan =1 adalah 1 MHz.
6.3. Penguat Menggunakan Op-amp
Jika kita menggunakan op-amp untuk penguat dengan penguatan yang tidak terlalu
besar, kita harus memasang balikan negative. Ini dilakukan dengan memasang
resistor antara keluaran dengan masukan membalik. Oleh karena penguatan tanpa
balikan (lingkar terbuka) amat besar maka penguatan lingkar tertutup (dengan
balikan) boleh dikata hanya bergantung pada rangkaian balikan saja, dan tak
bergantung pada nilai komponen yang digunakan dalam op-amp IC itu sendiri. Ini tak
berlaku pada frekuensi tinggi.
Ada tiga macam penguatan yaitu penguat pembalik, penguat tak membalik dan
penguat jumlah.
Penguat pembalik
Penguat pembalik sumber isyarat dihubungkan dengan masukan membalik seperti
pada gambar 6.2
Gambar 6.2 Penguat pembalik
Kita membahas penguatan lingkar tertutup (Av,lb) dengan pengertian balikan. Akan
tetapi disini akan ditempuh jalan lain lebih praktis pada gambar 6.3 pastikan bahwa
Gambar 6.3 Arus isyarat pada penguat pembalik
27
vo = Av,lb Vab
sedangkan
Co = Av,it vi
Tegangan puncak-puncak isyarat keluaran tak melebihi 2 Vcc, sebab bila ini terjadi
isyarat keluaran akan tergunting, akibatnya 0,
lbv
oab
A
vV , elah karena itu penguatan
lingkar terbuka tampak Vab 0 atau va vb, akan tetapi antara a dan b ada hambatan
masukan Ri yang amat besar, dalam keadaan ini dikatakan titik a dan b keadaan
hubungan singkat maya
Selanjutnya oleh karena titik b dihubungkan dengan tanah, titik a dikatakan berada
pada tanah maya. Adanya hambatan masukan Ri yang amat besar antara masukan
membalik dan tak membalik mengakibatkan arus yang mengalir kedalam masukan
membalik dan tak membalik amatilah kecil. Arus isyarat pada penguat membalik
ditunjukkan pad gambar 6.4
Gambar 6.4 Menentukan hambatan masukan penguat pembalik
Perhatikan bahwa titik a ada pada tanah maya, sehingga Va = 0. Nyatakanlah
vi – va = ii Ri akan tetapi Va = 0, sehingga vi = ii R1 dan 1Ri
vR
i
iin , Hambatan
keluaran amatlah kecil yaitu
lbv
ltv
lboltoA
ARR
,
,
,, )(
oleh karena titik a dan b ada dalam keadaan hubung singkat maya dan b pada
tanah, maka titik a ada pada tanah maya. Tegangan isyarat pada titik a mendekati
nol, akan tetapi titik terpisah dari tanah oleh hambatan masukan Rid yang amat
besar. Oleh karena adanya hambatan dalam antara masukan membalik dan
membalik amat besar maka
i2 0 sehingga i1 i3 .
28
kedua hal ini yaitu kedua masukan op-amp ada dalam hubung singkat maya dan
bahwa arus isyarat yang masuk dalam op-amp amat kecil sehingga dapat diabaikan,
merupakan dasar berfikir terhadap cara kerja op-amp.
Marilah kita kembali kepada penguat pembalik dari gambar 6.3 kita peroleh :
oc
ca
ba
aiii
vv
Rivv
ii
vv
vRiv
23
31
0
dari hubungan diatas kita peroleh vi = ii Ri dan vo = - i3 R2 = i1 R2 sehingga :
1
2
11
21,
R
R
Ri
Ri
v
vA
i
oltv
contoh 6.1
misalkan kita mempunyai rangkaian penguat pembalik seperti pada gambar 6.5
Gambar 6.5 Rangkaian untuk contoh soal
Hitunglah tegangan isyarat keluaran jika dihubungkan dengan sumber isyarat
tegangan keluaran terbuka 100 m Vpp dan hambatan keluaran 5 K
Jawab :
1210
120
1
2
K
K
R
R
v
v
i
o
atau
vo = - 12 vi
akan tetapi s
s
s
ltins
ltin
i vRR
Rv
RR
Rv
1
1
,
,
sehingga
mVppvvKK
Kvv ssio 8008
510
101212
29
dapatlah disimpulkan bahwa
ss
o
RR
R
v
v
1
2
penguat tak membalik
Gambar 6.6 Penguatan tak membalik
Op-amp dapat dipasang untuk membentuk penguat tak membalik seperti pada
gambar.
Perhatikan bahwa pada penguat tak membalik isyarat dihubungkan dengan masukan
tak membalik (+) pada Op-amp. Balikan melalui R2 dan R1 tetap dipasang pada
masukan membalik agar membentuk balikan negative. Penguat tak membalik
dilukiskan seperti gambar 6.6 dibawah ini
Gambar 6.7
Marilah kita tinjau lingkar tertutup penguat tak membalik dengan anggapan bahwa
lingkar terbuka Av,lb = . Perhatikan gambar oleh karena masukan membalik dan tak
membalik berada pada keadaan hubung singkat maya maka Vb = Vi.
Akan tetapi oab vRR
Rv
RR
RV
21
1
21
1
Nyatakanlah penguatan lingkar tertutup untuk penguat tak membalik adalah
1
2, 1
R
RA ltv
30
Hambatan masukan penguat tak membalik amat tinggi karena isyarat masukan
berhubungan langsung dengan masukan tak membalik secara teori
ltv
lbv
lbidifiltiA
ARRR
,
,
,,,
yang mempunyai nilai amat besar (6.4)
Hambatan keluaran Ro mempunyai nilai amat rendah.
Kita dapat membuat suatu bentuk khusus penguat tak membalik dengan membuat
agar
R1 = dan R2 = 0 lihat gambar 6.8
Gambar 6.8 Penguat tegangan
Oleh karena kedua masukan ada dalam keadaan hubung singkat maya maka vo = vi
atau penguatan lingkar tertutup sama dengan satu. Penguatan dalam bentuk ini
disebut pengikut tegangan, mengikuti nama pengikut emitor pada penguat transistor
diskret. Pengikut tegangan mempunyai penguatan sama dengan satu, impedansi
masukan amat tinggi, dan keluaran amat kecil. Jadi pengikut tegangan berfungsi
sebagai penyangga dengan penguatan sama dengan astu.
Penguat jumlah
Agar pengertian tanah maya menjadi lebih jelas lagi, kita bahas penguat jumlah
dengan rangkaian seperti pada gambar 6.9. oleh karena masukan membalik (-) ada
dalam keadaan hubung singkat maya dengan tak membalik (+), sedang masukan tak
membalik berhubungan dengan tanah, maka membalik berada pada tanah maya.
-
+
R1
R2
R1
i1
i2i3
i
Gambar 6.9 Rangkaian penguat jumlah
31
Dari gambar 6.9 terlihat arus i1 dari masukan v1 terus menuju titik a dan tak akan
masuk R2 dan R3. Begitu juga halnya dengan arus i2 dan v2, dan arus I3 dari
masukan v3. Jadi arus dari ketiga masukan ini tak saling mengganggu. Jumlah ketiga
arus masukan ini seolah-olah diteruskan ke R4oleh karena ia 0 sehingga
va – vo = i R4 = ( i1 + i2 + i3 ) R4
Oleh karena va = 0 tanah maya maka
vo = -i R4 = - ( i1 + i2 + i3 ) R4
3
3
3
33
2
2
1
22
1
1
1
11
R
v
R
vvi
R
v
R
vvi
R
v
R
vvi
a
a
a
Persamaan diatas menjadi
3
3
42
2
41
1
4
4
3
3
2
2
1
1
vR
Rv
R
Rv
R
Rv
RR
v
R
v
R
vv
o
o
Penguat jumlah ini sering digunakan untuk menjumlahkan atau mencampur berapa
isyarat suara tanpa saling mengganggu. Alat semacam ini dikenal sebagai audio
yang digunakan untuk mencampur isyarat musik dari instrument dan suara penyanyi
melalui mikropon.
32
MODUL VI
INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA
SIFAT DAN BESARAN OP-AMP
Tujuan intruksional umum
Agar mahasiswa dapat memahami sifa tdan besaran Op-amp
Tinjauan Instruksional khusus
1. Dapat menerangkan tentang ofset tegangan keluaran
2. Dapat menerangkan tentang tanggapan amplitude
3. Dapat menerangkan impedansi keluaran dan masukan
Buku Rujukan :
a. Rangan Sarma Instrumentation Devices and Sistem
b. W. Bolton Mechatronic
c. William D. Cooper Electronic Instrumentation and
Measurement Technique
Beberapa sifat dan besaran dasar op-amp
dalam pembahasan ini kita akan membahas beberapa sifat lain dari op-amp
misalnya arus panjar masukan, offset masukan dan keluaran, laju belok dan
tanggapan frekuensi.
7.1 Ofset tegangan keluaran
Offset pada tegangan keluaran atau disingkat offset keluaran (Vo,of), menyatakan
tegangan dc pada keluaran op-amp jika op-amp dalam keadaan lingkar tertutup tidak
diberi isyarat masukan (vi = 0 ) Suatu op-amp yang ideal ialah apabila tidak ada
isyarat masukan maka tegangan dc pada keluaran sama dengan nol, jika op-amp
bekerja dengan catu daya dwikutub(+Vcc dan –Vcc), jika tanpa isyarat masukan
tegangan dc pada keluaran tak sama dengan nol dikatakan op-amp mempunyai
ofset pada tegangan keluaran. adanya ofset membatasi kemampuan penguat untuk
menghasilkan isyarat keluaran yang besar tanpa cacat. Agar lebih jelas perhatikan
gambar 7.1
33
osooo VVV
Gambar 7.1 Penguat tak membalik dengan catu daya simetrik
Bila tidak ada ofset pada tegangan keluaran kita akan mampu memperoleh isyarat
keluaran dengan nilai puncak mendekati Vcc seperti dilukiskan pada gambar 7.2 a
Gambar 7.2 Pengaruh ofset pada isyarat keluaran (a) tanpa ofset Voo;
(b) dengan ofset Voo.
Jika ada ofset, isyarat keluaran akan menumpang di atas tegangan ofset sehingga
ofoccopmaks VVV , Penyebab terjadinya ofset pada tegangan keluaran ada
bermacam-macam. Di antaranya ialah karena kedua bagian penguat difrensial pada
masukan tidak tepat sama. Sehubungan dengan ini orang mendefenisikan ofset
tegangan masukan Vi,of sebagai tegangan maksimum yang diperlukan pada op-amp
dengan rangkaian terbuka agar tak ada ofset pada tegangan keluaran. Sebab lain
adalah arus panjar masukan pada basis kedua transistor penguat difrensial dalam
melihat hambatan yang berbeda pada masukan membalik dan tak membalik seperti
pada gambar 7.3 a.
ov
1bi
2biov
1bi
2bi
213 // RRR
Gambar 7.3 Pengaruh arus masukan
34
dilihat dari titik a resistor R1 dan R2 tampak paralel, sehingga jika pada masukan tak
membalik (+) kita beri hambatan R3 dengan R3=R1//R2, maka kedua masukan akan
melihat hambatan yang kurang lebih sama, sehingga ofset tegangan keluaran oleh
arus panjar masukan berkurang. Kedua arus panjar masukan, yaitu IB1 dan IB2
tidaklah sama besar. Selisih kedua arus panjar masukan ini disebut ofset arus
panjar, yang dinyatakan sebagai 21 BBio III . Ofset arus panjar ini akan
mengakibatkan tegangan keluaran ioofo IRV 2, . Hubungan ini menyatakan bahwa
besar nilai hambatan R2 dibatasi oleh ofset pada arus masukan. Sebagai contoh
ofset masukan Iio untuk 741 mempunyai nilai antara 12 nA hingga 500 nA. Jika untuk
penguat pada gambar kita gunakan R2 = 10 M kita dapat memproleh ofset tegangan
keluaran
Volt 52, RIV ioofo . Besar arus panjar masukan dan ofset pada arus masukan
amat penting pada penguat intrumentasi, pada pengintegral dan cuplik pada tanah.
Gambar 7.4 Potensiometer Rv digunakan untuk meniadakan ofset pada
keluarannya
Adanya ofset pada keluaran dapat diatasi dengan berbagai cara . bebarapa jenis
op-amp mempunyai kaki-kaki untuk membuat agar ofset keluaran menjadi nol.
Kedua kaki ini disebut kaki pelenyap ofset.
Pada penguat 741 pelenyap rangkaian ofset dipasang anatara kaki nomor 1 dan 5
seperti pada gambar. 7.4
Untuk op-amp yang tak mempunyai pengaturan ofset di dalamnya dapat digunakan
rangkaian seperti pada gambar 7.5
35
Gambar 7.5 Pengaturan ofset keluaran (a) Penguat pembalik (b) Penguat tak
membalik
Tanggapan Amplitudo
Pada umumnya op-amp mempunyai beberapa tahap penguatan di dalamnya
dengan menggunakan gandengan dc. Akibatnya op-amp tak punya kutub di daerah
frekuensi rendah dan mempunyai lebih dari dua kutub pada daerah frekuensi tinggi.
Agar op-amp dapat diberi berbagai nilai factor balikan tanpa mengakibatkan
ketidakmantapan (osilasi), maka op-amp harus menggunakan kompensasi frekuensi
. pada beberapa macam op-amp seperti misalnya 741, LM 324, RC 4739 dan XR
4196 kompensasi frekuensi sudah dipasang dalam IC . Op-amp tersebut dikatakan
mempunyai kompensasi dalam . Pada beberapa macam IC yang lain kita harus
menambahkan kapasitor dan resistor pada kaki-kaki tertentu untuk kompensasi
frekwensi. Op-amp ini dikatakan mempunyai kompensasi luar. Beberapa contoh
kompensasi luar adalah 748, 709, LM 301, LM 308, dan LF357.
Tanggapan amplitudo op-amp dengan kompensasi dalam seperti pada op-amp 741
dilukiskan pada gambar .7.6.
gbvA ,
110
0
20
40
60
80
100
dB
1 10 100 1 K 1 M 10 M F(log)10 K
Kemiringian -6 dB/oktaf
Gambar 7.6 Tanggapan amplitudo 741
36
Misalkan kita ingin menentukan tangapan amplitude penguat lingkar tertutup sebesar
AV. lt = 40 dB. Kita tarik garis ab pada AV = 40 dB. Bagan Bode untuk lingkar tertutup
diberikan oleh garis patah abc, dan tanggapan frekwensinya dilukiskan dengan garis
putus-putus (gambar 7.7). Dari gambar 7.7 tampak bahwa jika digunakan penyangga
dengan penguatan satu (0 dB), 741 dapat mempunyai frekwensi potong atas 1 M Hz.
Dengan kata lain dapat dikatakan, lebar pita pada penguatan satu kali adalah 1 MHz.
Op-amp LM 357 misalnya mempunyai lebar pita pada penguatan satu kali sebesar
20 MHz.
gbvA ,
110
0
20
40
60
80
100
dB
1 10 100 1 K 1 M 10 M F(log)10 K
Tanggapan gelung terbuka
a b
c
Gambar 7.7 Tanggapan amplitudo lingkar untuk penguatan Av,lt= 40dB
Untuk op-amp dengan kompensasi-luar tanggapan amplitudo lingkar terbuka
bergantung pada rangkaian kompensasi yang dipasang. Op-amp 748 mempunyai
rangkaian didalam IC yang tepat sama dengan 741, tetapi tanpa kompensasi kutub
dominant pada transistor keluarannya. Pada 748 kapasitor untuk kompensasi harus
dipasang diluar IC. Op-amp 709 menggunakan dua rangkaian kompensasi frekwensi
yaitu kompensasi masukan dan kompensasi keluaran.
pFCk 30
pFCk 5
pFCk 2
Gambar 7.8 Op-amp 748 beserta tanggapan amplitudonya; (a) diagram kaki
beserta rangkaian untuk ofset; (b) tanggapan amplitudo.
37
Jika dipasang kapasitor kompensasi Ck = 30 pF, tampak tanggapan amplitudo turun
dengan kemiringan -6 dB/oktaf dari penguatan lebih dari 100 dB hingga kira-kira -10
dB. Pada keadaan ini 748 dapat digunakan sebagai penyangga dengan penguatan
satu kali. Untuk nilai kapasintasi Ck= 5 pF pada penguatan dibawah Av = 10 dB,
tanggapan amplitude turun dengan kemiringan lebih curam -6 dB/oktap. Pada
keadaan ini 748 tak dapat digunakan untuk penguatan lingkar tertutup kurang dari 10
dB, atau agar lebih pasti jangan digunakan untuk penguatan lebih dari 20 dB, atau
10 kali. Untuk Ck = 2 pF jangan gunakan 748 untuk penguatan kurang dari 40 dB
atau 100 kali.
Keuntungan op-amp dengan kompensasi luar ialah pada nilai penguatan tinggi kita
dapat mempunyai frekuensi potong atas yang lebih tinggi dari op-amp kompensasi
dalam.
Laju belok
Laju belok menyatakan sifat op-amp terhadap isyarat besar berupa isyarat persegi
atau denyut, yaitu untuk perubahan tegangan yang mendadak. Laju belok dinyatakan
dengan s
v
yang menyatakan berapa volt isyarat keluaran berubah dalam waktu 1
s , jik masukan diberi isyarat berbentuk tingkap. Op-amp untuk keperluan umum
biasanya mempunyai laju belok sekitar s
v
5,0 , seperti 741 , 709 301 dan
sebagainya. Op-amp LF 357 dengan lebar pita untuk penguatan satu sebesar 20 M
Hz mempunyai laju belok s
v
50 . Op-amp LH 0024 mempunyai laju belok 500
s
v
.
Untuk laju belok ayng lebih tinggi orang harus menggunakn op-amp hybrid yang
merupakan campuran IC dan diskret. Pengaruh laju belok pada bentuk isyarat
keluaran dilukiskan pada gambar 7.9
t
0V
Gambar 7.9 Pengaruh laju belok pada bentuk isyarat keluaran
38
Pad gambar 7.9 diatas laju belok dapat ditentukan dari t
vo
. Laju belok disebabkan
oelh pengisian dan pengosongan muatan kapsitor kompensasi. Makin kecil
kapasitor kompensasi luar makin tinggi laju belok . Jika kita bekerja dengan op-amp
kompensasi luar kita dapat mengatur nilai laju belok yang lebih tinggi dengan
menggunkan kapasitansi yang kecil, dengan kemantapan balikan yang
bersangkutan.
Impedansi masukan dan keluaran
Op-amp yang ideal mempunyai impedansi atu hambatan takberhingga dan
hambatan keluaran nol . op-amp IC yang paling popular yaitu 741 mempunyai
hambatan masukan kira-kira 1 M, dan hambatan keluaran 75 . Op-amp lain yang
banyak digunakan yaitu 709. mempunyai hambatan masukan kira-kira 150 K, dan
hambatan keluaran 200 . Op-amp IC LF 157 yang mempunyai tahap penguat
difensial menggunakan JFET, mempunyai impedansi masukan 1012 .
Impedansi masukan yang dinyatakan dalam lembaran data op-amp adalah untuk
keadaan lingkar terbuka. Ada dua pengertian tentang impedansi masukan, yaitu
masukan difrensial Rid
Dan impedansi masukan modus bersama Ric keduan impedansi ini dilukiskan pada
gambar 7.10
idR
icR
icR
Gambar 7.10 Impedansi masukan Pada IC op-amp
Untuk menentukan Ri penguat, kita pasang suatu sumber tegangan tetap vi, dan kita
hitung arus yang ditarik ii, maka i
iii
vR
39
R1
Vs
idR
icR
icR
R2
Vs
idii
ic
Gambar 7.11 Impedansi masukan pada penguat tak membalik
Dari gambar 7.11
dci iii
tetapi
ic
icR
vi
lbid
abd
R
vi
,
dan lbv
oab
A
vv
,
sehingga lbvlbid
od
AR
vi
,,
tetapi iltvo vAv ,
sehingga
ltv
lbvlbid
i
lbvlbid
iltvd
A
AR
v
AR
vAi
,
,,
,,
,
dapat dituliskan efid
id
R
vi
,
dengan lbid
ltv
lbvefid R
A
AR ,
,
,,
oleh karena dci iii
efid
i
ic
ii
R
v
R
vi
,
maka efid
i
ic
i
i
i
i R
v
R
v
v
i
R ,
1
atau
icefidi RRR //, dengan lbid
ltv
lbvefid R
A
AR ,
,
,,
40
lembaran data op-amp biasanya menyatakan impedansi masukan difrensial. Jadi
untuk 741 M 1idR dan untuk 709 adalah M 200idR impedansi masukan
modus bersama Ric biasanya jasuh lebih besar daripada Rid(lingkar terbuka) yang
mempunyai nilai hambatan tak terlalu besar, tetapi pada keadaan lingkar tertutup
mempunyai nilai efektif yang besar. Sebagai contoh marilah kita bahas impedansi
masukan penguat tak membalik seperti gambar 7.11
pada keadaan lingkar tertutup hambatan masukan penguat adalah
ic
icicefidi
R
RRRRRR
//R
//)////(
efid,
12,
efidR , adalah impedansi masukan difrensial dilihat dari difrensial a dan b, pada
keadaan lingkar terbuka lbidR ,efid,R . Nyata bahwa walaupun lbidR , mungkin
mempunyai nilai tak terlalu besar , tetapi keadaan lingkar tertutup tampak
mempunyai nilai efektif sebesar
lbid
ltv
lbvefid R
A
AR ,
,
,,
Pada op-amp dalam keadaan linkar tertutup mungkin icefid RR , sehingga
icefidin RRR //,
Impedansi keluaran
R1
Vs
idR
icR
R2
Vsic
vid
idohvbo VAV ,,
2i
oi
ii
Gambar 7.12 Menentukan Ro,lt
Impedansi keluaran op-amp dalam keadaan lingkar tertutup dapat mempunyai nilai
yang jauh lebih kecil daripada impedansi keluaran lingkar terbuka. Ini dapat kita
tunjukkan dengan uraian sebagai berikut. Untuk menentukan impedansi keluaran kita
pasang suatu sumber tegangan khayal vo, hingga arus io yang ditarik dari vo maka
ooo ivR
dari gambar
41
1
221
1
,
,
,
,1
21
2
21
1R
R
vv
RR
Rv
R
vA
R
vi
RR
vi
iii
ooid
lbo
idlbv
lbo
lbo
o
o
ltv
o
A
v
,
21,
,
,
RR
v
R
A
vxA
i o
lbo
ltv
olbv
o
lto
lbv
ltvlbo
o
io
RRR
A
AR
v
iR
,21
,
,,
111
atau
)//( 21
,
,
,, RRA
ARR
lbv
ltv
lbolto
lbv
ltv
lboltoA
ARR
,
,
,,
karena )( 21
,
,, RRA
AR
lbv
ltvlbo
42
MODUL VIII & IX
INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA
PENGGUNAAN OP-AMP UNTUK PENGUAT INSTRUMENTASI
DAN PENGUAT LOG DAN ANTILOG
Tujuan instruksional umum :
Agar mahasiswa dapat memahami tentang penguat instrumentasi
Tujuan instruksional khusus :
Dapat menjelaskan tentang rangkaian penguat instrumentasi
Dapat menjelaskan bagian- bagian rangkaian penguat instrumentasi
Dapat menjelaskan penurunan rumus rangkaian instrumentasi
Buku Rujukan :
a. Rangan Sarma Instrumentation Devices and Sistem
b. W. Bolton Mechatronic
c. William D. Cooper Electronic Instrumentation and
Measurement Technique
8.1 Penguat instrumentasi
Penguat instrumentasi adalah suatu penguat loop tertutup (closed loop) dengan
masukan difrensial, dan penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi nisbah
penolakan modus bersama (Common Mode Rejection Ratio –CMRR). Fungsi utama
penguat instrumentasi adalah untuk memperkuat tegangan yang tepat berasal dari
suatu sensor atau transducer secara akurat. Rangkaian ekuivalen penguat
instrumentasi adalah seperti gambar 8.1
1e
2e
difiR ,
Gambar 8.1 Rangkaian ekuivalen suatu penguat instrumentasi
43
Besaran RicM adalah hambatan atau impedansi atau impedansi masukan diferensial .
eo,o adalah tegangan keluaran tanpa beban (terbuka) dan Ro adalah hambatan atau
impedansi keluaran. Karena penguat instrumentasi adalah penguat loop terbuka.
Maka tak perlu dipasang rangkaian umpan balik untuk menggunakannya seperti
halnya penguat operasioanal (op-amp). Penguat instrumentasi yang bermutu tinggi
dibuat dalam bentuk hybrid yaitu campuran IC dan komponen diskrit. Satu contoh
penguat instrumentasi adalah penguat Burr-Brown 3620. spesifikasi penguat ini
adalah sebagai berikut ;
Drift rendah : cv/ 25
Bising rendah : 1 Vpp
CMRR tinggi 100 dB
Impedansi masukan tinggi : 300 M (difrensial) dan 1 G CM(common mode)
Kisaran penguatan : 1 hingga 10.000 .
Penguat instrumentasi dapat dibuat dengan menggunakan op-amp. Mutu penguat ini
bergantung pada mutu op-amp yang digunakan yang menyangkut offset masukan.,
impedansi masukan, drift pada tegangan keluaran, CMRR, PSRR dan sebagainya.
Disamping itu CMRR dan ketepatan penguatan op-amp amat bergantung kepada
presisi dari komponen pasif yang digunakan . marilah kita bahas dua rangkaian
penguat instrumentasi menggunakan op-amp.
Rangkaian yang lazim digunakan orang untuk membuat panguat instrumentasi
dengan op-amp adalah seperti pada gambar 8.2
Gambar 8.2 Suatu penguat instrumentasi
Kita dapat bagi rangkaian diatas menjadi dua bagian yaitu bagian terdiri dari OA1
dan OA2 dan bagian II terdiri dari OA3 marialh kita bahas bagian II lebih dahulu
bagian kita lukiskan lagi pada gambar 8.3
44
Gambar 8.3 Rangkaian penguat diferensial menggunakan op-amp
Oleh karena hambatan masukan difrensial dari op-amp amat tinggi maka dapat
dianggap I1=I4 =0 sehingga :
Ia =I a’ dan Ib =Ib’
Dengan menggunakan hukum Kirchoff kita peroleh :
bb
aoa
IRRe
IRRVe
)(0
)(
75
62
selanjutnya kita gunakan suatu sifat op-amp yang lain yaitu bahwa masukan
inverting dan non inverting ada dalam keadaan hubung singkat virtual oleh sebab ini:
76 RIRIV baO
dari ketiga persamaan ini kita peroleh ;
62
6
75
776 )(
RR
RVee
RR
RVRIRIV OabObaO
))(1(62
6
75
7
2
6abO e
RR
Re
RR
R
R
RV
agar tegangan Vo sebanding dengan selisih tegangan isyarat masukan maka hasrus
dibuat agar :
62
6
75
7
RR
R
RR
R
atau
6
2
7
5
R
R
R
R
sebaiknya digunakan R5 =R2 dan R7 = R6 maka :
))1(62
6
2
6abO ee
RR
R
R
RV
45
)(2
6baO ee
R
RV
jadi
2
6,
R
R
ee
VA
ba
Odifv
Penguatan common mode dapat kita peroleh bila kita gunakan
CMab eee
seperti gambar 8.4
R2
R5
-
+
R6
R7 Vo
Gambar 8.4 Penguat difrensial dengan menggunakan common mode.
Persamaan menjadi
CMO eRR
R
RR
R
R
RV ))(1(
62
6
75
7
2
6
………………………………………(8.5)
seperti telah digunakan diatas jika digunakan R7=R6 dan R5=R2 kita peroleh
penguat difrensial akan tetapi dalam prakteknya tidak mungkin membuat dua
hambatan tepat sama. Resistor yang dijual ditoko mempunyai toelransi minimum 1
%.
Misalkan 162
6
75
7
RR
R
RR
R
Maka CMO eR
RV )1(
2
6
)1(2
6,
R
R
e
VA
CM
OCMv
dari persamaan diatas kita peroleh common mode Rejection ratio.
1)(
62
2
2
6
,
,
RR
R
R
R
A
ACMRR
CMv
difv
1)(
62
6
RR
RCMRR
tampak bila 01.0%1 dan 62 RR maka CMRR =60=30 dB
46
jadi agar diperoleh CMRR yang tinggi diperlukan komponen dengan presisi yang
tinggi pula .
Marilah kita kembali kepada gambar 8.2 dan kita lukiskan bagian I
PQV
Gambar 8.5 Bagian I rangkaian pada gambar 8.2
Oleh karena masukan inverting dan non inverting pada op-amp ada pada keadaan
hubung singkat virtual, maka tegangan pada titik A = ea dan pada titik B = eb.
disamping itu karena hambatan masukan difrensial pada op-amp mempunyai harga
sangat besar maka arus I 1= I2 = 0 akibatnya:
)( 431 RRRIVVV QPPQ
akan tetapi 3IReeVV baBA
sehingga 3R
eeI ba
sehinggs ))(1(3
41ba ee
R
RRV
Persamaan 8.8 menyatakan bahwa bila ea= eb=
eCM maka VPQ=0 sehingga Av,CM=0, yang berarti bahwa pada rangkaian Gambar 8.2
penurunan CMRR disebabkan oleh bagian II saja. Ini berarti bahwa dipandang dari
segi CMRR hanya R2,R6, R5 dan R7 yang harus mempunyai nilai yang presisi.
Penguatan dari seluruh rangkaian gambar 8.2 dapat diperoleh dengan
menggabungkan persamaan 8.5 dan 8.8 yaitu :
))(1(2
6
3
41,
R
R
R
RRA difv
suatu contoh rangkaian instrumentasi ditunjukkan pada gambar 8.6 yang digunakan
adalah tipe CA 3140 yaitu CMOS-input op-amp dengan Zin(CM)=1012 ,
CMRR=90dB, unity gain bandwith 7,5 MHz dan PSRR = 90dB. IC CA 3240 adalah
dua CA 3140 yaitu dalam satu IC ada dua op-amp seperti Ca 3140.
47
OA1
-
+
-
+
-
+
10 M
+15V
3
2
5K1
2n
100K100K 2n
OA1,0A2:CA324
3K9
100K1% 2n
OA2 2
6
510M
-15V
45K1
2n OA3:CA314
Vo2K
6
2
3
+15V
100K
OA3
81%
1%
1%
1%
100 K1%
4
7
V1
Gambar 8.6 Penguat difrensial presisi
Spesifikasi penguat diatas adalah respon frekuensi (-3 dB) dc hingga 1 Mhz; slew
rate =1,5 V/us, CMRR=86 dB. Penguatan = 35-60 dB.
Suatu rangkaian penguat instrumentasi lain ditunjukkan pada gambar 8.7
)1
21(
R
REb
Gambar 8.7 Suatu rangkaian penguat instrumentasi
Rangkaian diatas digunakan penguat instrumentasi buatan Burr Brown yaitu BB
3627, suatu penguat instrumentasi dengan drift amat rendah. Keuntungan
disbanding dengan rangkaian pertama adalah hanya diperlukan du op-amp dan
empat buah resistor. Resistor R5 tak perlu dipasang bila diinginkan penguatan
tegangan sama besar.
48
)1(3
4
R
R
Kita gunakan dua sifat op-amp yaitu bahwa masukan inverting dan non inverting ada
dalam keadaan hubung singkat virtual, dan bahwa hambatan difrensial antara kedua
masukan ini amat besar . sehingga arus yang masuk dapat diabaikan. Dari gamba
r8.7 kita peroleh :
52
3
1
21
4
21
/)(
/)1)((
/)(
REEI
RR
REEI
REEI
III
ba
ba
aoo
o
dari hubungan-hubungan di atas kita dapatkan:
)()1(5
4
3
4
31
42
5
4
3
4
R
R
R
R
RR
RRE
R
R
R
REE bao
bila dibuat agar 3142 RRRR yaitu dengan memilih 32 RR dan 14 RR maka
))(1(5
4
3
4bao EE
R
R
R
RE
21 IIIo
5
2
)(
R
EEI ab
)(
)(
51
2
51
3
2
1
3
R
EE
R
EREE
R
EE
R
EI
IR
EI
abaac
aba
a
b
baaac
ER
R
R
R
R
R
ER
RE
R
RE
R
REE
5
2
5
2
1
2a
5
2
1
2
1
2
)1(E
55
2
1
2
5
2
3
21
5
2
1
2
5
2
33
1
)1()1((1
))1()1((1
R
EE
R
R
R
RE
R
RE
R
III
R
R
R
RE
R
RE
RR
EEI
abab
o
abcb
49
)()1()1(
)()1()1(
5
1
5
2
1
2
3
4
5
2
3
4
5
4
5
2
1
2
5
2
3
4
4
ababb
abab
ObO
EER
R
R
R
R
R
R
RE
R
RE
R
RE
EER
R
R
R
R
RE
R
RE
R
R
IREV
)1()1(5
4
5
2
3
4
1
2
3
4
3
4
5
4
5
2
3
4
3
4
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
RE
R
R
R
R
R
R
R
RE ab
11(1
2
3
4
5
4
5
2
3
4
1
2
3
4
3
4
5
4
5
2
3
4
3
4 R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
14 RR 32 RR
)1)((5
4
5
2
3
4
3
4
R
R
R
R
R
R
R
REE ab
)21)((5
4
3
4
3
4
R
R
R
R
R
REE ab
)2100)((5
4
R
REE ab
atau )1(5
4
3
4,
R
R
R
RA diffV Bila R2 R4 tidak tepat sama dengan R1R3, sehingga
dapat dituliskan 131
24
RR
RR
dengan 1 maka untuk isyarat Ea=Eb=ECM
Eo= ( )ECM
Kita peroleh Common Mode Rejection yaitu :
/)1(5
4
3
4
,
,
R
R
R
R
A
ACMRR
CMv
difv
tampak bahwa R5 tidak mempengaruhi Av,CM sehingga dapat digunakan untuk
mengatur penguatan tanpa mengubah CMRR. Dengan menggunakan sebuah op-
amp dan beberapa buah transistor kita juga dapat membuat suatu penguat
instrumentasi yaitu seperti ditunjukkan pada gambar 8.8 rangkaian ini sering
dijumpai dalam instrumentasi dan juga di dalam rangkaian lain seperti IC analog
multiplier. Yaitu MC 1496 dan juga IC balanced modulator MC 1495. Pada gambar
diatas transistor Q1, Q2, Q3, dan Q4 sebaiknya terbuat dari IC yang berisi transistor
array seperti LM 314 atau CA 3049 .
50
Gambar 8.8 Penguat instrumentasi menggunakan transistor dan op-amp
62 RIVV Oa
akan tetapi Va=Vb sebab masukan op-amp ada dalam keadaan hubung singkat
virtual akibat kita peroleh :
6291 '' RIRIVo
bila digunakan 89 RR maka 821 )''( RIIVo
sekarang marilah kita pikirkan rangkaian transistor pada penguat di atas Dua
transistor Q1 dan Q2 membentuk penguat difrensial. Sedang transistor Q3 dan Q4
membentuk sumur arus tetap (constant current sink).yang menarik arus sama yaitu I
dari Q1 dan Q2. Kalau kita gunakan hokum kirchoff untuk arus –arus pada titik c dan
d kiat akan peroleh:
III o 1
OIII 2
sehingga OIII 212
Kembali pada titik a dan b . 27 occa IRVV
16 occb IRVV
Karena ba VV dan kita buat 67 RR maka 21 oo II yang berarti 2211 '' IIII
oIIIII 2'' 2112 selanjutnya dari persmaa di atas menjadi 82 RIV oO
11RIVV Odc
R6 = R7 = 1211 k.1%
R8 = R9 = 100 k.1%
R1 = R2 = 470
R3 = R4 = 2 k. 1%
R10 = 10
R5 = 1 k (pot)
51
akan tetapi )( 2QVEV BEbc
dan )( 1QVEV BEad
Bila Q1 dan Q2 dibuat agar mempunyai karekteristik sedekat mungkin sehingga
)()( 12 QVQV BEBE maka badc EEVV akibatnya 1111
)(
R
EE
R
VVI badcO
dan
persamaan di atas kita peroleh :
)(211
8bao EE
R
RV atau
11
8, 2
R
RA difv
Nyata bahwa penguatan dapa tdibuat variable dengan memasang potensiometer
untuk R11
.
52
MODUL X
SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA
PENGOLAHAN ISYARAT DIGITAL TO ANALOG CONVERTER
Tujuan Instruksional Umum :
Agar mahasiswa dapat memahami tentang Digital Analog converter
Tujuan Instruksional Khusus :
Dapat menjelaskan tentang pengubahan data analog
Dapat menjelaskan bagian- bagian rangkaian DAC
Dapat menjelaskan penurunan jenis-jenis DAC
Buku Rujukan :
Rangan Sarma Instrumentation Devices and Sistem
W. Bolton Mechatronic
William D. Cooper Electronic Instrumentation and
Measurement Technique
Pengubahan Data Analog
Bila kita ingin memproses dari transducer yang telah diperkuat ke dalam
microcontroller atau mikroprosesor diperlukan isyarat analog ke bentuk digital yang
hanya sesuai dengan besaran analog. Piranti yang digunakan untuk mengubah data
analog ke digital disebut ADC (Analog to Digital Converter ). Dan sebaliknya data dari
digital jika ingin dirubah ke besaran analog diperlukan alat yang disebut DAC (Digital to
Analog Converter).
Sebelum menjelaskan cara kerja ADC pada kuliah ini akan dibahas dulu cara
kerja DAC terdapat beberapa cara kerja DAC adalah:
Multiplying DAC;MDAC
Internal refrence DAC
Companding DAC
Dasar kerja dari pada semua DAC di atas adalah perubahan arus-arus yang disaklar
oleh masing-masing bit pada masukan digital diubah mejadi tegangan dengan
mengunakan suatu op-amp.
Contoh DAC-4 bit sederhana
53
totI
Gambar 10.1
)842
(R
V
R
V
R
V
R
VI refrefrefref
Tot
R
Vref)8
1
4
1
2
11(
)8
1
4
1
2
11(
22 ref
totR
o
VKIKV
)16
1
8
1
4
1
2
1( refo KVV
4321 2222( refo KVV
Tampak bahwa tegangan keluaran Vo adalah sebanding dengan Vref dikalikan dengan
nilai kode biner natural dari masukannya.
DAC dengan tegangan acuan Vref di luar rangkaian, artinya tidak ada di dalam IC
disebut multiplying (MDAC)
Soal :
Diket Vref = 5V R= 5k
D0, D1, D2,D3, masing-masing urutan bit rendah ke bit tinggi
54
Tabe 10.1
No. D3 D2 D1 D0 Arus keluaran Perbandingan
Maksimum
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 0 1 1
1 1 0 0
1 1 0 1
1 1 1 0
1 1 1 1
------ 0
.
.
.
1/15
Saklar arus
Gambar 10.2
55
Transistor di atas bisa dihidupkan (saturasi) apabila titik D0, D1, D2,D3, diberi tegangan
yang menghasilkan arus basis yang cukup membuat transistor saturasi sebaliknya jika
D0, D1, D2,D3, bertegangan nol maka transistor cut-off..
Pada masa kini orang telah membuat DAC dalam bentuk rangkaian terintegrasi (IC).
Beberapa tipe yang banyak digunakan adalah MC 1408 buatan Motorollah, DAC-08
membuat Precision Monolisthics dan AD 7522 buatan analog divices.
Ketiga DAC yang tersebut di atas adalah MDAC (multiplying DAC) dimana jaringan
tangga R-2R serta saklar arus sudah ada dalam IC, sedang Vref dan Op-amp ada
diluar.
Sebagai contoh diagram fungsional DAC 8 bit MC 1408 ditunjukkan pada GB. 10.3
adalah dari multiplying DAC, dan perlu menggunakan tegangan acuan di luar IC.
Saklar-saklar arus
Tangga R-2R Arus Bias
-
+
MSB
5 6 7 8 9 10 11 12
LSB1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A
oIRange1
control
2
Gnd
13Vcc
16compen
PenguatArus
Acuan
Pasangan sumberarus npn
Vref (+)14
Vref (-)15
EEV
(a)
4
56
oI
Gambar 10.3 (a) Diagram fungsional MC 1408 (b) Simbol MC 1408
Pengkodean pada logika masukan menggunakan kode biner natural. Suatu arus acuan
Iref = 2 mA akan menyebabkan arus keluaran skala penuh 2 mA. Arus keluaran ini
bersifat menyedot waktu mapan DAC ini adalah 300 ns dan menggunakan catu daya
+5 V dan -15 V. tegangan acuan dapat bipolar.Penggunaa DAC MC 1408 ditunjukkan
pada gambar 10.4 .
Arus keluarn pada skala penuh adalah sama dengan arus acua Iref yaitu mAR
Vref 2
. Oleh penguat operasional arus keluaran Io diubah menjadi tegangan keluaran :
penuh) (skala 10)5)(2( VkmAIoRVo F .
Pada DAC-08 saklar arus digunakan untuk menghasilkan dua arus keluaran yang
kompelmenter, yaitu Io dan oI . Waktu setting untuk DAC-08 adalah amat cepat , yaitu
85 ns. Arus acuan adalah dari 0,1 mA hingga 4 mA. Catu daya adalah 4,5 V hingga
18V. masukan logika dapat deprogram agar dapat bekerja untuk berbagai keluarga
logika (TTL,CMOS ECL dsb).
57
Penggunaan DAC-08 dalam rangkaian ditunjukkan pada gb 10.4
3,6K F1.0
10V
CMOS -10V
LCV 6,2K
(C)
Gambar 10.4
(a) Rancangan DAC-08 dalam rangkaian untuk menghasilkan tegangan keluaran
negatif. (b) Penyambungan VLC untuk CMOS 5 V (c) penyambungan VLC CMOS 10 V.
Pada gambar diatas impedansi masukan keluaran DAC adalah 5 k bila dinginkan
impedansi masukan keluaran yang rendah kita dapat memasang suatu buffer. Agar
masukan digital bekerja untuk tingkat tegangan TTL, kaki VLC harus dihubungkan
langsung dengan pertanahan. Untuk hubungan dengan tingkat logika CMOS VLC
dihubungkan dengan tanah melalui rangkaian seperti ditunjukkan pada gambar 10.4 b
dan c. hubungan antara logika digital pada masukan tegangan keluaran analog pada
gambar 10.5 ditunjukkan pada table 10.2.
58
Tabel 10.2
Gambar 10.5
Tabel 10.3
B1………………B8 EO(mV) OE (mV)
+FS 1 1 1 1 1 1 1 1 -9,940 +10,000
+FS-LSB 1 1 1 1 1 1 1 0 -9,840 +9,920
0 1 0 0 0 0 0 0 0 0,000 +0,080
-FS+LSB 0 0 0 0 0 0 0 1 +9,920 -9,840
-FS 0 0 0 0 0 0 0 0 +10,000 -9,940
B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 Io(mA) oI (mA) Eo(V) )(VoE
FS 1 1 1 1 1 1 1 1 1,992 0,000 -9,960 -0,000
FS-LB 1 1 1 1 1 1 1 0 1,984 0,008 -9,920 -0,040
½
FS+LB
1 0 0 0 0 0 0 1 1,008 0,984 -5,040 -4,960
½ FS 1 0 0 0 0 0 0 0 1,000 0,992 -5,000 -5,000
½ FS-
LB
0 1 1 1 1 1 1 1 0,992 1,000 -4,960 -5,040
0+LSB 0 0 0 0 0 0 0 1 0,008 1,984 -0,040 -9,920
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,000 1,992 -0,000 -9,960
(a)
59
LSB
DAC-08
oI
1,25K
1,25K
1 6 3 1 31
OI
-15V +15V
MSB
2
14
15
Vref
+2,5 V 15 12
+
-
Op-02
RL
5,0K
5,0K
oE
LR
(b) GND thdsimetrik akan keluaran
0,05% R R Bila L L dalamdan
Gambar 10.6
Tabel 10.4
B1…………………B2 Io (mA) oI (mA) Eo(V)
+FS 1 1 1 1 1 1 1 1 1.992 0,000 +9,960
+FS-LSB 1 1 1 1 1 1 1 0 1,984 0,008 +9,880
+0 1 0 0 0 0 0 0 0 1,000 0,992 +0,040
-0 0 1 1 1 1 1 1 1 0,992 1,000 -0,040
-FS+LSB 0 0 0 0 0 0 0 1 0,008 1,984 -9,880
-FS 0 0 0 0 0 0 0 0 0,000 1.992 -9,960
Gambar 10.5 Dua pemasangan DAC-08 untuk tegangan bipolar
a. Biner natural
b. Biner offset simetrik
Satu teknik untuk mengatur gain dan affset untuk DAC-08 ditunukkan pada gambar
10.6 .
60
oE
47
Gambar 10.7 Satu teknik untukmengatur gain dan offset
Dari rangkaian diatas tegangan keluaran FS dapat diatur demikian pula titik OV pada
tegangan keluaran .
Satu contoh lagi DAC adalah AD-7520 dan AD-7521 buatan analog devices . AD-7520
adalah DAC perkalian (MDAC) 8 bit sedangkan AD-7521 adalah 12 bit diagram
fungsional AD-7520 dan AD-752 adalah seperti gambar 10.7
back feedR
61
500
FBR
1OUTI
2OUTI
1VR
refV
FBR
1OUTI
2OUTI
refV
2OUTI
2'OUTI
2A
)'( 21 OUTOUT II
2'OUTI
Gambar 10 .8 Konverter D/A 8 bit AD-7520
(a) Diagram fungsinal
(b) Rangkaian untuk menghasilkan tegangan unipolar.
(c) Rangkaian untuk menghasilkan tegangan bipolar.
62
Tampak bahwa AD-7520 ddan AD-7521 hanya berisi jaringan tangga R-2R serta
saklar-saklar arus. Di dalam chip AD-7520 disediakan hambatan 10 K untuk
digunakan mengubah arus menjadi tegangan melalui op-amp.
Dioda pada pada gb10.7 b dan c adalah dioda schottky yang digunakan untuk
mencegah saklar mencantol (latcing). Tegangan acuan Vref dapat positif maupun
negatif.
Untuk mendapat tegangan bipolar dapat digunakan rangakan 10.7 (b) op-amp A2
digunakan sebagai cermin arus (current mirror) yang menyebabkan arus I’out2=Iout2
diambil dari Iout1, sehingga arus yang mengalir melalui RFB adalah sebesar
)( 21 outout II akibatnya
)( 21 outoutFB IIRVo
bila masukan digital B1…….B10 semua nol, maka Iout1=0 dan Iout2=IFS dan
Vo= + VoFS + Vref
63
MODUL XII & XIII
SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA
PENGOLAH ISYARAT (SINYAL)
Tujuan Instruksional Umum :
Agar mahasiswa dapat memahami tentang pengolahan isyarat analog menjadi
isyarat digital
Tujuan Instruksional Khusus :
Dapat menjelaskan tentang pengubahan data analog ke digital
Dapat menjelaskan cara kerja pengubahan analog ke digital secara elektronik
Buku Rujukan :
Rangan Sarma : Instrumentasi Devices And Sistem
W. Bolton : Mechatronic
William D.Cooper : Electronic Instrumentasi And
Measurement Techniques
Pada bagian ini kita akan membahas bagaimana isyarat analog menjadi digital yang
dapat diproses oleh computer. Jadi peristiwa yang akan kita bahas ini kebalikan dari
peristiwa sebelumnya. Yaitu pengubah digital ke analog (pengubah D/A). pada
pengubah D/A data dari memori dikeluarkan dan diubah menjadi analog. Pada
pengubah analog ke digital, data analog seperti misalnya tegangan DC yang
menyatakan suhu, tekanan, arah angina diubah menjadi isyarat digital yang dapat
disimpan dalam memori untuk diproses.
64
Ada beberapa macam cara yang digunakan orang untuk mengubah isyarat analog ke
isyarat digital. Pengubah analog menjadi digital (Analog to digital converter – ADC)
biasanya diartikan sebagai piranti yang mengubah tegangan masukan analog menjadi
isyarat digital parallel. Disamping ini ada piranti yang mengubah masukan analog
menjadi pulsa-pulsa digital seri periodic. Piranti ini disebut pengubah tegangan ke
frekuensi (Voltage to Frequency Converter – VFC).
Ada beberapa macam A/D yang digunakan orang pada masa ini. Yaitu pengubah A/D
Ramp, pengubah A/D dual slope, pengubah A/D Successive Approximation
(Aproksimasi berurutan) dan A/D parallel pengubah A/D flash.
12.1. Pengubah A/D ramp atau pengubah A/D pencacah.
Pengubah A/D pencacah (counter type ADC) atau sering dikenal sebagai pengubah A/D
ramp menggunakan feedback yang mengandung satu pengubah D/A dan pencacah.
System pengubah A/D ini ditunjukan pada gambar 12.1
65
Gambar 12.1
Begitu ada perintah mulai konversi maka pencacah dibuat reset, sehingga keluaran
pengubah D/A menjadi nol. Selanjutnya keluaran D/A dibandingkan masukan analog.
Selama Vin > VDAC keluaran komparator tetap tinggi sehingga pencacah terus bekerja.
Setelah pengeluaran D/A lebih tinggi dari masukan analog, maka keluaran komparator
menjadi rendah, dan pencacah dibuat berhenti mencacah. Keluaran pencacah
menyatakan kode digital amat panjang, yaitu 2n perioda clock. Untuk konversi 10 bit
diperlukan 28 = 1024 perioda clock. Keuntungan adalah rangkaian sederhana.
Suatu modifikasi dari pengubah A/D pencacah adalah yang disebut pengubah A/D
pelacakan (Tracking ADC), yang juga dikenal sebagai pengubah A/D servo. Pada
pengubah A/D ini digunakan pencacah naik turun (Up-Down Counter). Dengan
tambahan sedikit rangkaian logika ADC ini dapat mengikuti atau melacak masukan
analog yang berubah.
12.2 Pengubah A/D Integrasi
pengubah A/D Integrasi (Integrasi ADC) menggunakan integrator op-amp seperti
ditunjukan gambar
66
INTV
(a) Diagram blok
1t at2
bt2
(b) Diagram timming
Gambar 12.2
System ini mempunyai dua selang waktu, yaitu t1 dan t2. selang waktu t1
mempunyai panjang tertentu. Dalam selang waktu ini isyarat masukan dihubungkan
dengan saklar S1, yang membuat keluaran integrator VINT menjadi positif. Nilai tegangan
VINT yang dicapai pada akhir selang t1 bergantung pada nilai tegangan masukan Vin bila
Vin (t1) akan besar pula.
67
Dalam waktu t2 tegangan masukan Vin dilepas dan S1 dihubungkan dengan Vref
(positif) akibatnya tegangan keluaran VINT akan turun dengan kemiringan tertentu
(ditentukan oleh Rc
Vref). Bila VINT mencapai harga nol maka komparator akan berbalik
keadaan dan t2 akan berakhir.
Selang waktu t1 dan t2 adalah selang waktu yang dapat diukur dengan
menggunakan suatu pencacah dapat ditunjukkan bahwa
1
2
t
tVV refin
Bila Vref dan t1 tetap, maka Vin t2, selang waktu t2 dicacah dengan suatu
pencacah yang akan menghasilkan keluaran biner ataupun BCD. Keluaran ini adalah
keluaran digital untuk isyarat analog Vin.
Oleh karena ada dua kemiringan pada diagram pewaktuan, pengubah A/D
integrasi juga dikenal sebagai pengubah A/D kemiringan rangkap (dual slope).
Kekurangan pencacah A/D integrasi terletak pada waktu konversi yang sama,
yaitu pada orde 10 ms atau lebih. Pengubah A/D integrasi banyak digunakan pada
multimeter digital, dimana waktu konversi tidaklah terlalu mengganggu.
12.3 Pengubah A/D pendekatan berurutan
Pengubah A/D ini dikenal sebagai pengubah A/D pendekatan berurutan
(successive approximation) dan bekerja dengan prinsip umpan balik. Diagram blok dan
timing diagram pengubah A/D pendekatan berurutan. Ditentukan pada gambar
68
ViMasukananalog
Registerpendekatanstruktural
Komparator
PengubahD/A
KeluaranDigital
1MSBV
2MSBV
lSBV
MSBVV 1
2V
3V1iV
ADV /
lSBV
MSBV
1V
2iV2V
ADV /
Gambar 12.3 A/D pendekatan berurutan
(a) Diagram blok
(b) Diagram timing
Komparator digunakan untuk membandingkan keluaran D/A dengan masukan
analog Vin. Keluaran komparator digunakan untuk mencek register pendekatan
berurutan (Successive Approximation Register – SAR). Untuk register ini dapat
digunakan IC MSI
69
Seperti misalnya AM 2502 buatan Advance Micro Device. Cara kerja register ini adalah
sebagai berikut :
Setelah menerima pulsa mulai konversi, SAR akan mengeluarkan bit-bit untuk
diubah menjadi tegangan analog oleh suatu pengubah D/A. perhatikan gambar 12.b kiri
yang menunjukan diagram timing keluaran pengubah D/A. mula SAR akan mengaktifkan
MSB, yang akan menghasilkan suatu tegangan analog pada keluaran pengubah D/A.
tegangan ini dibandingkan dengan Vin. Bila V1 < Vin maka MSB dibiarkan tinggi(“1”), bila
V1 > Vin maka MSB dibuat “0”. Pada contoh kita V1 < Vin sehingga MSB dibuat “1”.
Selanjutnya bit no 2 diaktifkan dibuat 1 dan keluaran pengubah D/A yang baru
dibandingkan lagi dengan Vin . pada contoh V2 < Vin sehingga bit no 2 dibuat juga 1.
kemudian bit no 3 dibuat 1. terakhir bit no 4 (LSB) dibuat “1”. Akan tetapi V4 > Vin, maka
bit no 4 dibuat 0. keadaan akhir pada keluaran SAR adalah (1110)2 menyatakan
keluaran digital untuk Vin.
Bagaimana pengubah kerja pengubah A/D pada gambar 12.3b. pengubah A/D
pendekatan berurutan n-bit melakukan konversi dalam waktu (n+1) siklus Clock.
pengubah A/D termasuk pengubah A/D yang cepat, dapat melakukan dibawah 1s.
pengubah A/D pendekatan berurutan dapat dibuat sangat akurat, bergantung pada
tegangan acuan dan pengubah D/A yang digunakan pengubah A/D macam ini kini dapat
diperoleh dengan resolusi 12 bit dan waktu konversi 10 – 20 s.
kita juga dapat menggunakan mikrokomputer untuk bertindak sebagai register
pendekatan berurutan dengan menggunakan program. Disamping itu kita dapat
diperoleh pengubah A/D pendekatan berurutan monoklitik (IC) atau pun hybrid, yang
lengkap mengandung semua komponennya.
70
kita akan membahas D/A pendekatan yang berurutan perangkat lunak, serta
antara muka ADC ini bagian tersendiri. marilah kita singgung sedikit tentang pengubah
A/D atau A/D flash sekedar untuk pengetahuan umum.
12.4 Pengubah A/D Paralel
Pada pengubah A/D parallel semua tingkat kode analog pada tegangan masukan
konversi serentak dengan menggunakan banyak komparator.
2
3LSBVref
Gambar 12.4 Pengubah A/D Paralel
71
Untuk menghasilkan keluaran digital 8 Bit diperlukan 255 komparator, seperti pada
pengubah A/D monolitik TDC 1007 J buatan TRW-LSI product. pengubah A/D ini
mempunyai waktu konversi yang pendek yaitu 5 milisecond sehingga dapat digunakan
untuk melakukan konversi dengan frekuensi 45 MHz. ini berarti bahwa pengubah A/D
parallel dapat digunakan untuk mengubah isyarat analog yang berubah dengan
frekuensi 20 MHz. pengubah A/D dapat digunakan untuk memproses isyarat video pada
televisi. Karena semua kode analog di konversi dalam waktu satu siklus clock maka
pengubah A/D ini sering dikenal sebagai pengubah A/D kilat.
Spesifikasi Data
Ada beberapa parameter yang perlu di ketahui dalam pengubah A/D dan pengubah D/A
yang menyangkut penyimpangan-penyimpangan keluaran terhadap sifat-sifat idealnya.
Resolusi
Resolusi atau daya pisah adalah perubahan analog terkecil yang dapat dibedakan oleh
A/D atau dihasilkan oleh suatu pengubah D/A. resolusi adalah nilai analog daripada LSB
yaitu FS/2n untuk computer binar n bit.
Linieritas
Linieritas diartikan sebagai penyimpangan dari lurus yang ditarik antara kedua ujung
fungsi transfer suatu computer. Linieritas dapat dinyatakan sebagai presentase skala
penuh (FS) atau sebagian pecahan LSB. Linieritas suatu converter yang baik adalah
1/2 LSB . pengertian Linieritas beserta kesalahan penguatan (gain error) dan
kesalahan offset ditunjukkan pada gambar 2.5 dibawah ini.
72
(a) (b)
Gambar 12.5 fungsi respon converter data, (a) Ideal, (b) kesalahan-kesalahan
Liniertias Diferensial
Kesalahan Linieritas Diferensial adalah penyimpangan maksimum dari ukuran bit yang
sebenarnya dari nilai teorinya dalam daerah jangkau (range) converter.
suatu linieritas diferensial sebesar 1/2 LSB berarti bahwa ukurannya adalah 1 LSB 1/2
LSB. Kesalahan linieritas diferensial ditunjukan pada gambar 12.6
Gambar 12.6 Linieritas Diferensial dan monotonisitas
73
Monotonisitas
Monotonisitas berarti dihasilkan keluaran yang selalu bertambah bila diberi masukan
yang selalu bertambah. gambar 12.6 b menunjukkan keluaran yang tak monoton.
Kode Hilang (Missing Code)
Didalam pengubah A/D ini, terjadi bila keluaran melompat 1 digit.
Kesalahan Kuantitas (Quantizing Error)
Kesalahan ini adalah ketakpastian dasar yang berhubungan dengan digitisasi suatu
isyarat analog oleh adanya resolusi (daya pisah) yang terbatas pada suatu pengubah
A/D. Suatu converter ideal mempunyai kesalahan kuantisasi sebesar ½ LSB.
Akurasi Relatif
Akurasi relative menyatakan berapa % FS kesalahan pada keluaran bila tak ada
kesalahan offset dan penguatan. Akurasi relative berhubungan dengan linieritas.
Kesalahan Offset
Kesalahan yang terjadi bila fungsi transfer tak melalui titik asal (origin).
Kesalahan Penguatan
Beda kemiringan antara fungsi transfer ideal dan fungsi transfer yang sebenarnya .
Laju Kelok dan Waktu Mapan
Laju perubahan keluaran suatu pengubah D/A ditentukan oleh laju belok (Slew Rate),
yaitu kemampuan keluaran pengubah D/A untuk merubah dalam suatu selang waktu.
74
Laju belok dinyatakan dalam V/s untuk mengubah D/A dengan keluaran tegangan atau
mA/s untuk mengubah D/A dengan keluaran arus.
Laju belok memberikan gambaran kasar kecepatan pengubah D/A, kecepatan
pengubah D/A harus memperhitungkan waktu yang diperlukan agar isyarat keluaran
menjadi tetap dalam daerah ketepatan yang diinginkan. pengertian laju belok dan waktu
mapan (setting time) ditunjukkan pada gambar 12.
t
V
t
VrateslewBelokLaju
)(
Gambar 12.7 Pengukuran Laju belok dan waktu mapan
75
MODUL XIV
SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA
JENIS-JENIS PENGUBAH ISYARAT ANALOG KE DIGITAL
Tujuan Instruksional Umum :
Agar mahasiswa dapat memahami tentang pengolahan jenis-jenis isyarat
analog menjadi isyarat digital.
Tujuan Instruksional Khusus :
Dapat menyebutkan jenis-jenis pengubah isyarat analog menjadi isyarat
digital.
Dapat menjelaskan bagian-bagian dan cara kerja pengubah analog ke digital
Buku Rujukan :
Rangan Sarma Instrumentation Devices and Sistem
W. Bolton Mechatronic
William D. Cooper Electronic Instrumentation and
Measurement Technique
14.1 Pemakaian Pengubah A/D Pendekatan Berturutan
Kita akan membahas salah satu pengubah A/D yang sering digunakan, yaitu
pengubah pendekatan berurutan (Successive Aproximation SA). Ad-Sa mempunyai
waktu konversi yang cukup pendek, yaitu dari 1 s hingga 100 s. Ada tiga bentuk
pengubah A/D ini, yaitu mengunakan Register pendekatan berurutan (Successive
Aproximation SAR). Dan pengubah D/A dalam satu chip, dan yang menggunakan
perangkat lunak sebagai ganti SAR. Yang terakhir ini mempunyai waktu konversi yang
panjang, akan tetapi dapat dilaksanakan tanpa SAR perangkat keras.
Pengubah AD-SA dengan mengubah D./A dan SAR
76
oD
oCQ
oI
Gambar 14.1 Susunan dasar pengubah A/D pendekatan berurutan
Komponen kunci dari suatu AD-SA adalah SAR, yaitu suatu register khusus dirancang
untuk mengubah AD-SA . Satu seri SAR yang amat popular adalah AM 2502, AM 2504
buatan Advance Micro devices. IC ini dirancang menggunakan TTL , dan dibuat
untuk 8 bit ( AM 25.2 dan AM 2503) serta 12 bit (AM 2504). Ada pula SAR yang dibuat
dengan teknologi CMOS, yaitu Motorola MC 14549 dan Motorola 14559, serta MM
74c905 buatan National Semiconductor.
AM 2502 (8 bit) dapat digandeng dengan AM 2502 yang lain agar dapat beroperasi
untuk jumlah bit lebih besar dari 8 bit. Semua SAR seri 2500 mempunyai kaki untuk
menerima pulsa mulai konversi (START), dan kaki yang menghasilkan tingkat logika
yang menyatakan selesai konversi.
Gambar 14.2 menunjukkan pengubah A/D-SA dengan menggunakan DAC-08 dan
SAR AM 2502 membentuk pengubah A/D 8 bit biner dengan waktu konversi 4 s.
77
S CC OD
OIOI
OI
Gambar 14.2 Pengubah A/D menggunakan DAC-08 dan AM 2502
Pada rangkaian ini keluaran pengubah D/A, yaitu arus Io, tak diubah menjadi
tegangan melalui op-amp oleh karena op-amp akan menambah waktu mapan. Pada
rangkaian DAC-08 yang digunakan mempunyai waktu mapan 85ns . Op-amp akan
menambahi waktu mapan sebesar 1000 ns.
Tengangan pada masukan komparator CMP-01 adalah Lo
in
inLoin RI
R
VRIi )()( .
Kecepatan respons komparator ditentukan oleh beda tegangan antara masukan
inverting dan non-inverting. Beda tegangan ini disebut pacu lebih. Pacu lebih ini
mempunyai nilai
2,3)39)(850(22
1)//(
2
1)//(
8 A
x
FSRRLSBxRR LinLin mV.
Dari karakteristik CMP-01 pacu lebih sebesar ini akan memberikan waktu respon 100
ns (Gambar 13.35)
78
Gambar 14.3 Waktu respons CMP-01 untuk berbagai pacu lebih
Untuk menentukan waktu mapan pengubah D/A kita perlu tahu beberapa informasi
yang dapat diperoleh dari lembaran data. Untuk beban diatas 500 , untuk DAC-01
rangkaian RC luar merupakan faktor penentu bagi waktu mapan : Misalkan kapasitansi
keluaran adalah 25pF, maka dengan R = Rin / / RL =850 , RC 0 = 20 ns. Untuk
memperoleh ketelitian 2
1LBS kita harus menunggu 6.2 x RC = 130 ns. Disamping
waktu mapam untuk komparator (100 ns) dan waktu mapan pengubah D/A (130 ns)
harus ditambahkan waktu penundaan SAR (20 ns). Jadi seluruhnya diperlukan waktu
255 ns. Ini berarti frekuensi clock maksimum adalah 3,9 MHZ. Waktu konversi
minimum adalah (n+1) 255 ns = 9 x 255 ns = 2,4 s . Dalam hal kita tak memerlukan
waktu konversi minimum, frekuensi clock dapat ditentukan dari :
1
1
n
rsiwaktukonveclockf
Tclock
Pada gambar 13.33 resistor R2 = 2.4 M akan memberikan arus offset sebesar 3,9
A (2
1LBS dari IFS = 2 mA). Dengan menggunakan R2 maka masukkan pengubahan
A/D dapat diberi bias 2
1 LBS dari nol untuk kalibrasi. Pengaturan gain (atau FS) dapat
dilakukan dengan mengubah arus acuan pengubahan D/A atau Rin . Rin dan Rif
hendaknya bersifat bila mungkin dari satu jaringan bersama.
79
Operasi bipolar dapat diperoleh dengan memasang Roffset pada Vref seperti ditunjukan
pada gambar 14.3 Roffset hendaknya memberi arus sebesar 2
1IFS pada titik jumlahan.
Resistor ini juga harus bersifat melacak terhadap Rin dan Rref.
Pengubahan AD SA Integral
Kita telah membahas sistem pengubah A/D SA yang menggunakan pengubahan D/A,
SAR dan komparator. Berbagai perusahaan telah membuat pengubahan A/D SA yang
lengkap dalam satu kemasan, siap untuk beroperasi. Pengubahan A/D seperti ini
disebut pengubah A/D integral. Hampir semua piranti ini dapat dihubungkan dengan
masukan analog yang baku (standard), dan mempunyai keluaran seri dan paralel.
Ada berbagai resolusi maksimum, yaitu dari 8 hingga 12 bit, dan hampir semua dapat
dibuat agar bekerja dibawah resolusi maksimumnya. Sebagian contoh pengubahan
A/D 8 bit (maksimum) dapat dibuat agar bekerja dengan resolusi di bawah 8 bit, misal
6 bit. Hampir semua mempunyai clock dalam, walaupun ada pula yang juga dapat
beroperasi engan clock luar. Diantara beberapa perusahaan yang membuka
pengubahan A/D SA adalah Analog Devicer, Detel, Burr-Brown, Intersil, Motorola.
Marilah kita pelajari satu contoh pengubahan A/D SA integral, yaitu ADC 82, yaitu
pengubahan A/D 8 bit buat rata-rata Burr-Brown (Gambar 14.4)
1
10
MSB
80
V
V
V
50
100
200
V
V
V
5,2
5
10
Gambar 14.4 ADC dan diagram hubungannya
.ADC 82 ini dapat mengubah tegangang masukan unipolar maupun bipolar dengan
kecepatan konversi 2,8 s, menggunakan clock dalam. Pada keluaran berupa
tegangan digital paralel dengan tingkat TTl. Juga disediakan keluaran MSB untuk
keluaran bipolar komplemen.
Pada Gambar 14.5 ADC 82 dihubungkan untuk jangka unipolar OV hingga +10V.
Untuk menggunakan clock – IN. Konversi akan dimulai dengan menaikkan Convert
Command (dimulai konversi ) Konversi akan dimulai pada tepi jatuh (negatif) dari pada
pulsa Convert Command. Ini ditunjukan pada gambar ADC 82 (gambar 14.5 )
Gambar 14.5 Diagram Pewaktuan ADC 82
81
Pada gambar 14.5 ADC 82 melakukan konversi hanya bila mendapat perintah melalui
kaki 23 dengan suatu pulsa. Konversi dilakukan dengan menggunakan clock dalam.
Kita dapat menbuat agar konversi dilakukan secara kontinu menggunakan clock dalam
dengan rangkaian seperti pada gambar 14.6 Pada rangkaian ini keluaran status atau
akhir konversi digunakan untuk menggerbang suatu multivibrator astabil.
650
Gambar 14.6 Menggunakan ADC 82 dengan clock dalam untuk konversi kontinu
ADC 82 juga dapat menggunakan clock luar untuk operasi kantinu. Kaki clock keluar
dan kaki perintah konversi dibiarkan terbuka, sedangkan clock luar dihubungkan
dengan kaki clock masuk.
Untuk operasi konversi atas perintah dengan clock luar diperlukan “untai” seperti pada
gambar 14.7
Gambar 14.7 Untai untuk membuat ADC 82 melakukan konversi atas perintah dengan
clock luar
Dengan untaian di atas konversi akan terjadi bila keluaran STATUS ada pada
keadaan tinggi dan perintah konversi rendah. Selama perintah konversi ada pada
keadaan tinggi clock luar tak dapat masuk ADC 82.