17

BAB III

PERANCANGAN ALAT

Pada bab tiga ini akan dijelaskan mengenai perancangan dari perangkat keras dan

perangkat lunak yang digunakan pada alat ini. Dimulai dari uraian perangkat keras lalu

uraian perancangan perangkat lunak.

Perangkat keras yang digunakan pada alat ini terdiri dari Modul Pembangkit

Gelombang, Modul Pengaturan Duty Cycle, Modul Pengaturan Amplitudo, Modul

Pengaturan Tegangan Offset DC, Modul Pengaturan Atenuasi, Modul Switch Pemilihan

Gelombang, dan Arduino Uno. Sedangkan pada perancangan perangkat lunak akan

dijelaskan cara pemilihan gelombang dan pembacaan frekuensi untuk ditampilkan pada

modul 7-segmen.

3.1. Gambaran Sistem

Pada Gambar 3.1 menunjukan blok diagram sistem dari keseluruhan alat yang

dibuat.

Gambar 3.1. Blok Diagram Sistem Alat.

18

Pada Gambar 3.1 terlihat jelas bahwa sistem ini memiliki tujuh bagian utama

rangkaian modul, yaitu Modul Pembangkit Gelombang, Modul Pengaturan Duty Cycle,

Modul Pengaturan Amplitudo, Modul Pengaturan Tegangan Offset DC, Modul Pengaturan

Atenuasi, Modul Switch Pemilihan Gelombang, dan Mikrokontroler Arduino Uno.

3.2. Gambaran Kerja Alat

Modul utama pada function generator ini adalah Modul Pembangkit Gelombang

menggunakan MAX038. Modul Pembangkit Gelombang merupakan pusat terjadinya

proses osilasi untuk menghasilkan gelombang tegangan. Hasil osilasi menghasilkan

gelombang tegangan segitiga. Dalam Modul Pembangkit Gelombang juga terdapat

pengubah gelombang tegangan segitiga menjadi gelombang tegangan kotak dan tegangan

sinus. Dimana untuk mengubah bentuk gelombang diperlukan Modul Switch Pemilihan

Gelombang untuk memberikan logika high dan low pada pin A0 dan A1 MAX038. Untuk

memudahkan kerja Modul Switch maka Modul Switch disambungkan pada mikrokontroler

untuk mengatur logika output. Frekuensi yang terbentuk dari proses osilasi ini mulai dari

0,1Hz ~ 2MHz dengan beberapa pilihan jangkauan frekuensi yang diatur dengan kapasitor.

Besarnya frekuensi juga dapat diatur dengan sebuah potensio.

Pada function generator terdapat pengaturan duty cycle dimana duty cycle dapat

diatur dari 15% sampai dengan 85%. Modul Duty Cycle disini berisi rangkaian penguat

inverting dan buffer untuk memberikan tegangan sebesar ± 2,3V pada pin DADJ atau Duty

Cycle Adjust MAX038[8].

Amplitudo dari Modul Pembangkit Gelombang adalah 2Vpp. Untuk menguatkan

amplitudo sampai 20Vpp maka diperlukan Modul Pengatur Amplitudo. Dimana pada

Modul Pengatur Amplitudo menggunakan rangkaian penguat inverting. Sedangkan untuk

mengatur tegangan offset DC disediakan sebuah toggle untuk mengaktifkan dan

menonaktifkan pengaturan tegangan offset DC. Modul Tegangan Offset DC dihubungkan

dengan Modul Pengaturan Amplitudo. Tegangan offset DC dapat bekerja minimal –2V dan

maksimal +2V.

Untuk mempermudah penggunaan maka besarnya frekuensi keluaran akan

tertampil pada 7-segmen. Sebelum tertampil pada 7-segmen, frekuensi tersebut

dimasukkan pada mikrokontroler dalam hal ini menggunakan Arduino Uno, kemudian

dilakukan interrupt sehingga nilai besar frekuensinya dapat diketahui.

19

3.3. Perancangan Perangkat Lunak

Perancangan perangkat lunak yang dipakai di dalam alat ini terdiri dari Program

Pengaturan Switch Pemilihan Gelombang dan Program Penampil Frekuensi pada 7-

segmen.

Gambar 3.2. Diagram Alir Program Utama.

20

Gambar 3.4. Diagram Alir Program Interupsi Timer.

Gambar 3.3. Diagram Alir Program Interupsi Eksternal.

21

22

Penjelasan gambar diagram alir diatas :

Pada program utama dilakukan inisialisasi kemudian menunggu masukan dari

switch selector gelombang. Apabila selektor gelombang aktif dan memberi logika

high pada selektor gelombang sinus maka akan diberikan logika output 1 high dan

output 2 high. Sedangkan apabila selector gelombang memberi logika high pada

selector gelombang kotak maka akan diberikan logika output 1 low dan output 2

low. Dan apabila selektor gelombang memberi logika high pada selektor

gelombang segitiga maka akan diberikan logika output 1 high dan output 2 low.

Logika selektor tersebut sama seperti pada Tabel 2.1.

Pada program interupsi eksternal akan aktif sebuah counter pulsa dimana akan

menunggu masukan pulsa dari modul pembangkit gelombang.

Pada program interupsi timer dilakukan pengambilan nilai counter setelah nilai

counter diambil maka counter di-reset sehingga dapat menantikan counter

selanjutnya. Sementara itu nilai counter yang diambil dikonversi agar tertampil

pada 7-segmen.

3.4. Perancangan Perangkat Keras

Perangkat keras yang digunakan didalam alat ini terdiri dari Modul Pembangkit

Gelombang, Modul Pengaturan Duty Cycle, Modul Pengaturan Amplitudo, Modul

Pengaturan Tegangan Offset, Modul Pengaturan Atenuasi, Modul Switch Pemilihan

Gelombang, dan Arduino Uno.

3.4.1.Modul Pembangkit Gelombang

Pada Modul Pembangkit Gelombang digunakan sebuah IC MAX038. MAX038

merupakan komponen yang dapat menghasilkan frekuensi tinggi yang presisi dengan

varian gelombang tegangan kotak, segitiga, dan sinus. Sedangkan untuk mengatur

jangkauan frekuensi yang diinginkan pada modul ini menggunakan variasi nilai Cf dan

untuk mengatur besar kecil frekuensi menggunakan potensio RIN[8].

Jangkauan frekuensi dapat dipilih dengan menaruh kapasitor (Cf) diantara pin

COSC dan pin GND. Osilasi pada pin tersebut dipicu dengan pengisian dan pengosongan

Cf. Agar dapat bekerja dengan maksimal pemilihan komponen disesuaikan dengan yang

dianjurkan pada datasheet[8].

23

Untuk mengetahui frekuensi keluaran maka dapat menggunakan rumus yang tertera

pada datasheet, yaitu:

𝑓𝑜 =2×2,5

𝑅𝐼𝑁 ×𝐶𝑓 (3.1)

dengan:

fo = frekuensi output (Hz)

RIN = resistor pada kaki IN (50 kΩ)

Cf = kapasitor yang terhubung pada pin COSC dan GND (F)

Maka untuk menghitung nilai Cf yang digunakan dapat menggunakan Persamaan

3.1.

Tabel 3.1. Range Frekuensi terhadap Nilai Kapasitor.

Frekuensi

(Hz)

Cf (farad)

0,1 1000 µ

1 100 µ

10 10 µ

100 1 µ

1 k 0,1 µ

10 k 10 n

100 k 1 n

990,09 k 101 p

1,79 M 56 p

Gambar 3.5. Operating Circuit pada Datasheet MAX038[8].

24

Jangkauan frekuensi pada Tabel 3.1 berfungsi untuk menentukan batas rendah

frekuensi yang ingin digunakan. Kapasitor-kapasitor pada Tabel 3.1 disambungkan pada

sebuah rotary switch yang dapat diputar sesuai keinginan user untuk menentukan

jangkauan frekuensi mana yang diinginkan.

Gambar 3.6. Rangkaian Modul Pembangkit Gelombang.

25

Tabel 3.2. Daftar Komponen pada Modul Pembangkit Gelombang.

Nama

Komponen

Nilai

Cf Lihat Tabel 3.1

RIN Potensio 50 kΩ

R1 10 kΩ

R2 50 Ω

R7 50 Ω

C1 1 µF

C2 1 µF

C3 1 µF

C14 1 nF

C15 1 nF

C16 1 nF

3.4.2. Modul Pengaturan Duty Cycle

Pada MAX038 terdapat pengaturan duty cycle sehingga memudahkan dalam

perancangan. Duty cycle dapat diatur melalui pin DADJ (Duty Cycle Adjust Input) pada

MAX038. Tegangan pada pin DADJ mengatur duty cycle pada function generator ini. Pada

kondisi normal tegangan pada pin DADJ adalah 0V, pada kondisi ini keluaran dari function

generator menghasilkan duty cycle sebesar 50%[8].

Untuk memvariasikan duty cycle maka diperlukan sebuah rangkaian penguatan

inverting untuk mengatur tegangan pada pin DADJ. Menurut datasheet MAX038, untuk

mengatur duty cycle sebesar 15% sampai dengan 85% diperlukan tegangan sebesar -2,3V

sampai dengan +2,3V pada pin DADJ. Rangkaian penguat inverting tersebut mendapatkan

tegangan referensi sebesar 2,5V dari pin REF MAX038[8].

Gambar 3.7. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.6.

26

Untuk mencari nilai duty cycle maka dapat menggunakan Persamaan 2.7. Keluaran

pertama dari LM324 pada Gambar 3.8 menghasilkan tegangan keluaran -2,5V sesuai

dengan rumus rangkaian penguatan inverting. Menurut Persamaan 2.8 maka didapatkan:

𝑉𝑜 = −100 𝑘

100 𝑘× 2,5 = −2,5𝑣𝑜𝑙𝑡

Sementara untuk keluaran kedua dari LM324 yang merupakan rangkaian buffer

akan menghasilkan tegangan -2,3V sampai dengan +2,3V dimana besarnya tegangan diatur

dengan resistor variabel/ potensio sebesar 10 kΩ.

Tabel 3.3. Daftar Komponen pada Modul Pengaturan Duty Cycle.

Nama

Komponen

Nilai

Komponen

R1 100 kΩ

R2 100 kΩ

R3 330 Ω

R4 330 Ω

R7 Potensio 10 kΩ

C7 10 nF

Gambar 3.8. Rangkaian Modul Pengaturan Duty Cycle.

27

3.4.3. Modul Pengaturan Amplitudo

Amplitudo merupakan salah satu faktor penting pada sebuah function generator.

Amplitudo merupakan nilai tertinggi dari suatu gelombang tegangan.

Untuk mengatur amplitudo maka diperlukan sebuah rangkaian penguat inverting

dengan tegangan catu daya ±15V dimana dapat menguatkan amplitudo gelombang

tegangan tersebut sampai dengan 20Vpp. Supaya modul pengaturan amplitudo dapat

bekerja pada semua jangkauan frekuensi, maka digunakan IC op-amp LM7171 karena

memiliki wide unity-gain bandwidth 200MHz .

Dengan menggunakan Persamaan 2.8, maka diperoleh:

− 20 = −𝑅21𝑘

× 2

𝑅2 = 10 𝑘Ω

dengan :

Vo = tegangan keluaran (V)

R2 = resistor umpan balik (Ω)

R1 = resistor masukan (1 kΩ)

Gambar 3.9. Realisasi dari Rangkaian pada

Gambar 3.8.

28

Tabel 3.4. Daftar Komponen pada Modul Pengaturan Amplitudo.

Nama

Komponen

Nilai

Komponen

R1 1 kΩ

R2 Potensio 10 kΩ

3.4.4. Modul Pengaturan Tegangan Offset

Pengaturan tegangan offset merupakan salah satu spesifikasi pada function

generator ini. Pada penerapannya, terdapat sebuah toggle untuk mengaktifkan pengaturan

tegangan offset. Apabila toggle pada kondisi off dimana terdeteksi 0V maka gelombang

tegangan tidak akan ter-offset baik positif ataupun negatif. Namun apabila toggle dalam

kondisi on maka gelombang tegangan akan ter-offset antara –2V sampai dengan +2V.

Gambar 3.11. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.10.

Gambar 3.10 Rangkaian Penguat Inverting Modul Pengatur Amplitudo.

29

Untuk memvariasikan tegangan offset maka diperlukan rangkaian tambahan berupa

rangkaian penguat inverting dan rangkaian buffer menggunakan LM324. Pada rangkaian

penguat inverting terdapat sebuah resistor variabel/ potensio untuk mengatur nilai tegangan

offset-nya.

Keluaran dari Modul Pengaturan Tegangan Offset akan dihubungkan dengan Modul

Pengaturan Amplitudo untuk mendapatkan keluaran yang diinginkan oleh user.

Modul ini menggunakan tegangan catu daya sebesar ±5V, maka untuk mengatur

tegangan offset sebesar ±2V diperlukan dua buah rangkaian pelemahan inverting untuk

melemahkan tegangan menjadi –2V dan +2V. Untuk pemilihan nilai komponen dapat

menggunakan Persamaan 2.8. Sementara untuk memvariasikan tegangan dari –2V sampai

dengan +2V maka diperlukan rangkaian buffer dengan sebuah resistor variabel guna

mengatur offset yang diinginkan.

Dengan menggunakan Persamaan 2.8, maka dapat dicari nilai komponen yang

dibutuhkan untuk rangkaian pelemahan inverting.

𝑉𝑜𝑚𝑖𝑛 = −𝑅2𝑅1

× 𝑉𝑖𝑛+

−2 = −2 𝑘

𝑅1× 5

𝑅1 = 5 𝑘Ω

Gambar 3.12. Rangkaian Modul Pengaturan Tegangan Offset.

30

𝑉𝑜𝑚𝑎𝑥 = −𝑅4𝑅3

× 𝑉𝑖𝑛−

2 = −2 𝑘

𝑅3× −5

𝑅3 = 5 𝑘Ω

dengan :

Vo min = tegangan keluaran minimum (-2V)

Vo max = tegangan keluaran minimum (2V)

R2 = resistor umpan balik (Ω)

R1 = resistor masukan (2 kΩ)

R3 = resistor umpan balik (Ω)

R4 = resistor masukan (2 kΩ)

Tabel 3.5. Daftar Komponen pada Modul Pengaturan Tegangan Offset.

Nama

Komponen

Nilai

Komponen

R1 5 kΩ

R2 2 kΩ

R3 5 kΩ

R4 2 kΩ

R5 Potensio 10 kΩ

R6 500 Ω

R7 500 Ω

R8 8,2 kΩ

Gambar 3.13. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.12.

31

3.4.5. Modul Pengaturan Atenuasi

Atenuasi memungkinkan terjadinya pelemahan sinyal yang diukur dalam satuan

dB. Pengaturan atenuasi pada function generator ini berfungsi untuk melemahkan

amplitudo sinyal tegangan tanpa mengubah bentuk gelombangnya. Pada prinsipnya

atenuasi menggunakan pembagi tegangan dengan media resistor.

Pada function generator ini, user dapat menetukan atenuasi dari -50dB sampai

dengan 0dB dengan step antara 10dB. Untuk mencari nilai atenuasi dapat menggunakan

persamaan:

𝑑𝐵𝑣 = 20𝑙𝑜𝑔10𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑖𝑛 (3.2)

dengan:

dBv = atenuasi (dB)

Vout = tegangan keluaran (Vpp)

Vin = tegangan masukan sebesar 2Vpp

Dengan Persamaan 3.2, maka tegangan keluaran dapat dihitung berdasarkan nilai

atenuasi yang diinginkan.

Untuk atenuasi –50dB

−50 = 20𝑙𝑜𝑔10𝑉𝑜𝑢𝑡

2

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 3,16 × 10−3 × 2 = 6,32 × 10−3 𝑉𝑝𝑝

Untuk atenuasi –40dB

−40 = 20𝑙𝑜𝑔10𝑉𝑜𝑢𝑡

2

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 0,01 × 2 = 0,02 𝑉𝑝𝑝

Untuk atenuasi –30dB

−30 = 20𝑙𝑜𝑔10𝑉𝑜𝑢𝑡

2

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 0,0316 × 2 = 0,0632 𝑉𝑝𝑝

Untuk atenuasi –20dB

−20 = 20𝑙𝑜𝑔10𝑉𝑜𝑢𝑡

2

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 0,1 × 2 = 0,2 𝑉𝑝𝑝

32

Untuk atenuasi –10dB

−10 = 20𝑙𝑜𝑔10𝑉𝑜𝑢𝑡

2

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 0,315 × 2 = 0,630 𝑉𝑝𝑝

Untuk atenuasi 0dB

0 = 20𝑙𝑜𝑔10𝑉𝑜𝑢𝑡

2

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 1 × 2 = 2 𝑉𝑝𝑝

Pemilihan nilai resistor dapat menggunakan rumus pembagi tegangan dimana pada

rangkaian atenuasi ini terdapat enam buah resistor yang bernilai berbeda-beda. Berikut

perhitungan nilai resistor yang digunakan:

𝑉𝑜𝑢𝑡 =𝑅5 ×𝑉𝑖𝑛

𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (3.3)

𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑅5 + 𝑅3 + 𝑅2 + 𝑅1 + 𝑅4 + 𝑅6 (3.4)

dengan:

Vout = tegangan keluaran sesuai dengan pengaturan atenuasi (Vpp)

Vin = tegangan masukan (2Vpp)

R5 = 1 kΩ

Dengan menggunakan Persamaan 3.3, maka diperoleh:

Gambar 3.14. Rangkaian Modul Pengaturan Atenuasi.

33

𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =1000 × 2

6,32 × 10−3= 316455,7 Ω

Setelah nilai Rtotal diketahui maka nilai resistor lain dapat dicari menggunakan

kombinasi Persamaan 3.3 dan 3.4.

Mencari nilai R3

𝑅3 + 𝑅5 =𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 × 𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑖𝑛

𝑅3 =316455,7 × 0,02

2− 1000 = 2164,56 Ω

Mencari nilai R2

𝑅2 + 𝑅3 + 𝑅5 =𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 × 𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑖𝑛

𝑅2 =316455,7 × 0,0632

2 − 3164,56 = 6835,44 Ω

Mencari nilai R1

𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 + 𝑅5 = 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 × 𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑖𝑛

𝑅1 =316455,7 × 0,2

2 − 10000 = 21645,57 Ω

Mencari nilai R4

𝑅4 + 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 + 𝑅5 =𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 × 𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑖𝑛

𝑅4 =316455,7 × 0,63

2 − 31645,57 = 68037,98 Ω

Mencari nilai R6

𝑅6 = 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑅4 − 𝑅1 − 𝑅2 − 𝑅3 − 𝑅5

𝑅6 = 316455,7 − 79683,55 = 236772,15 Ω

Karena keterbatasan nilai resistor yang tersedia dipasaran maka resistor yang

dipergunakan bernilai mendekati nilai perhitungan.

34

Tabel 3.6. Daftar Komponen Modul Pengaturan Atenuasi.

Nama

Komponen

Nilai

Komponen

R1 22 kΩ

R2 6,8 kΩ

R3 2,2 kΩ

R4 68 kΩ

R5 1 kΩ

R6 280 kΩ

3.4.6. Modul Switch Pemilihan Gelombang

Pemilihan bentuk gelombang pada alat ini diatur oleh pin A0 dan A1 pada MAX038.

Untuk mengatur bentuk gelombangnya maka digunakan sebuah saklar putar tiga kondisi

untuk menentukan bentuk gelombang yang diinginkan. Saklar tersebut disambungkan pada

mikrokontroler untuk mengatur logika pada A0 dan A1.

Gambar 3.16. Rangkaian Modul Switch Gelombang.

Gambar 3.15. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.14.

35

3.4.2. Modul Mikrokontroler

Mikrokontroler adalah sebagai pusat sistem kendali dari pengaturan selektor

gelombang dan penampil frekuensi pada 7-segmen. Pada skripsi ini mikrokontroler yang

digunakan adalah Arduino Uno.

Konfigurasi penggunaan pin/port mikrokontroler Arduino Uno dapat dilihat pada

Tabel 3.7.

Gambar 3.18. Modul Arduino Uno.

Gambar 3.17. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.16.

36

Tabel 3.7 Konfigurasi Penggunaan Pin/ Port Arduino Uno.

Pin Port Keterangan

PIN 3 Input mode kotak

PIN 5 Input frekuensi

PIN 6 Input mode segitiga

PIN 8 Input mode sinus

PIN 9 Clock 7-segmen

PIN 10 Latch 7-segmen

PIN 11 Data 7-segmen

PIN 12 Output A0

PIN 13 Output A1

Logika A0 dan A1 pada MAX038 seperti pada Tabel 2.1 ditentukan dengan perintah

switch yang diolah pada Arduino. Apabila switch selektor gelombang sinus (pin 8 Arduino)

bernilai high, maka pin 12 dan 13 Arduino bernilai high. Apabila switch selektor

gelombang kotak bernilai high, maka pin 12 dan 13 Arduino bernilai low. Sedangkan

apabila switch selektor gelombang segitiga bernilai high, maka pin 12 bernilai high dan pin

13 bernilai low.

Untuk menampilkan frekuensi pada 7-segmen maka sync output frekuensi

dimasukkan pada pin 5 arduino kemudian dilakukan pembacaan counter pulsa dari periode

gelombang tersebut. Sync output merupakan keluaran function generator yang berbentuk

pulsa dengan amplitudo 5Vpp. Frekuensi yang terbaca oleh Arduino kemudian dilakukan

proses konversi untuk ditampilkan pada modul 7-segmen pada Gambar 3.19.

Gambar 3.19. Modul 7-segmen.

37

Gambar 3.20. Function Generator Yang Dibuat.