Sistem Instrumentasi

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


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

on

nn

o 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

111

KE(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

)()( 2 nn 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

ttns

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


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 ss

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


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


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

ii

i

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

ic

R

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 lbidltv

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 lbidltv

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,

,, RR

A

AR

lbv

ltvlbo

42

MODUL VIII & IX


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


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


PENGOLAHAN ISYARAT DIGITAL TO ANALOG CONVERTER


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


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 refrefrefrefTot

R

Vref)8

1

4

1

2

11(

)8

1

4

1

2

11(

22 reftot

Ro

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

B1B8 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

FS+LB

1 0 0 0 0 0 0 1 1,008 0,984 -5,040 -4,960

FS 1 0 0 0 0 0 0 0 1,000 0,992 -5,000 -5,000

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

B1B2 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 Iout2=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


PENGOLAH ISYARAT (SINYAL)


Agar mahasiswa dapat memahami tentang pengolahan isyarat analog menjadi

isyarat digital


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


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 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


JENIS-JENIS PENGUBAH ISYARAT ANALOG KE DIGITAL


Agar mahasiswa dapat memahami tentang pengolahan jenis-jenis isyarat

analog menjadi isyarat digital.


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


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

Documents

Sistem Instrumentasi