INSTRUMENTASI DAN PENGUKURAN

Kuliah ke7

Waktu2 x 50 menit

Topik 5. Pengkondisian Sinyal

Sub-topik5.3 Penguat Instrumentasi5.4 Konversi Analog5.5 Pencuplikan dan Konversi Data

5.3 PENGUAT INSTRUMENTASI

Penguat instrumentasi merupakan penguat (amplifier) diferensial yang memliki karakteristik: impedansi masukan yang tinggi, common-mode rejection ratio yang tinggi, masukan seimbang, dan penguatan dapat diatur (ditetapkan pemakai).

Gambar 5.4 Penguat diferensial.

Jika R1 = R2 dan R3 = R4 maka, .

Rangkaian yang lebih baik memakai tiga op-amp (operational amplifier). Tahap masukan berisi dua o-amp. Tahap kedua adalah penguat diferensial (gambar 5.5).

Contoh 5.2

Sebuah sensor suhu memerlukan penguatan 1000 kali untuk mendapatkan sinyal keluaran 0 - 5 V. Diketahui, R1 = R2 = R3 = 100 k. Tentukan nilai Re.

Penyelesaian

Penguatan total,

1

Re = 200

Gambar 5.5 Penguat instrumentasi dengan tiga buah op-amp.

5.4 PENGUBAH ANALOG KE ANALOG5.4.1 PENGUBAH TEGANGAN KE ARUS

Rangkaian dasar pengubah tegangan ke arus disajikan pada gambar berikut.

Gambar 5.6 Rangkaian pengubah tegangan ke arus.

Contoh 5.3

Sinyal tegangan 0 - 5 V akan diubah manjdi arus 0 - 20 mA. Tentukan R.

Penyelesaian

2

Io =

0,020 = 5/RR = 250

5.4.1 PENGUBAH ARUS KE TEGANGAN

Rangkaian dasar pengubah ke arus adalah sebagai berikut.

Gambar 5.7 Rangkaian pengubah arus ke tegangan.

Contoh 5.3

Sinyal arus 0 - 20 mA akan diubah menjadi sinyal tegangan 0 - 5 V. Tentukan nilai R.

Penyelesaianvo = Iin R5 = 0,020 RR = 250

5.5 PENCUPLIKAN DATA DAN KONVERSI5.5.1 PENCUPLIKAN DATA

Pencuplikan data (data sampling) adalah proses pengambilan data analog dengan interval waktu tertentu. Interval waktu cuplik disebut sampling time atau sampling interval. Jumlah pencuplikan dalam tiap satuan waktu disebut frekuensi cuplik (sampling frequency). Frekuensi cuplik paling sedikit sebesar dua kali frekuensi tertinggi sinyal masukan analog (fs f). Hal ini dimaksudkan agar sinyal asli dapat diperoleh kembali dengan cara menapis semua frekuensi di atas fs. Jika fs < f maka spektrum frekuensi saling tumpang tindih, sehingga sinyal asli tidak dapat diperoleh.

3

Gambar 5.8 Proses pencuplikan sinyal analog.

5.5.2 KONVERSI ANALOG KE DIGITAL

Piranti konversi analog ke digital atau digital to analog conversion (ADC) mengubah masukan sinyal tegangan menjadi data digital yang dapat bervariasi antara 0 dan n bit. Sebagai contoh, ADC 3-bit menghasilkan keluaran dari 000 hingga 111 yang dalam bilangan desimal adalah 0 hingga 7.

Gambar 5.9 Grafik konversi analog ke digital 3 bit.

4

Resolusi ADC didefinisikan sebagai jumlah keadaan (state) keluaran yang dinyatakan sebagai jumlah bit kode keluaran. Jika n adalah jumlah bit, maka jumlah keadaan keluaran sama dengan 2n. Maka untuk n = 3 bit, memiliki 8 keadaan; n = 12 bit memiliki 4096 keadaan. Antara keadaan selalu terjadi transisi angka sebanyak jumlah keadaan dikurangi satu (2n - 1). Sehingga ADC 3-bit memiliki 7 transisi.

Tiap keadaan terdapat rentang tegangan masukan yang dapat mengubah dari satu keadaan ke keadaan berikutnya. Nilai rentang ini disebut quantization size. Lebar ideal tiap tahap dinyatakan sebagai VLSB (LSB = least significant bit). Resolusi ADC dinyatakan dalam VLSB.

Resolusi = VLSB =

dengan FS adalah nilai skala penuh (full scale). Pada setiap tahap terdapat error yang

disebut quantization error yang besarnya antara - dan + .

5.5.3 KONVERSI DIGITAL KE ANALOG

Piranti konversi digital ke analog atau analog to digital (DAC) mengubah masukan sinyal digital menjadi tegangan diskret yang setara. Pada DAC tegangan analog yang dihasilkan tidak dapat bervariasi dari 0 ke FS. Tegangan maksimum keluaran DAC dalah,

Gambar 5.10 Grafik konversi digital ke analog.

5

Dengan kata lain tegangan keluar maksimum selalu lebih rendah sebesar tegangan tiap bit. Resolusi DAC juga dapat dinyatakan dalam Vo,max, yaitu,

Resolusi = VLSB =

Interval sampling yang pendek atau cepat akan menyebabkan komponen bising mudah masuk dan berpengaruh pada sinyal. Hal ini tidak diperlukan, bahkan mengganggu kinerja pengendalian.

5.5.4 INTERVAL WAKTU CUPLIK

Jika interval cuplik terlalu panjang, maka akan terjadi banyak kehilangan data sinyal. Dalam kondisi ekstrim, fenomena ini disebut aliasing.

Signal aliasing menunjukkan situasi pada saat dua sinyal tidak dapat dibedakan.

Sebagai ilustrasi, dalam gambar di bawah ini sinyal cuplikan diperlihatkan oleh garis putus-putus horisontal. Terlihat bahwa, meskipun sinyal asli berupa sinyal periodik sinusoida, hasil cuplikan adalah sinyal konstan, bukan periodik

Gambar 5.11 Sinya cuplikan akibat interval waktu cuplik terlalu panjang.

Sebagai acun terdapat aturan sederhana, rules-of-thumb, untuk memilih interval waktu cuplik untuk beberapa loop pengendalian sebagai berikut.

Flow loops 1sLevel loops 5sTemperature loops 30 s … 10 menit

Pemilihan interval cuplik didasarkan atas dinamika proses yang dikendalikan. Dari pengalaman, interval waktu cuplik sekitar 10% dari konstanta waktu dominan. Perlu mendapat perhatian, bawah interval cuplik menentukan kestabilan sistem pengendalian!SOAL-SOAL

6

1. Berapa frekuensi cuplik minimum untuk sinyal analog dengan frekuensi 1200 Hz.

2. Sebuah DAC 4-bit.(a) Tentukan VLSB.(b) Tegnagan keluaran (dalam FS) pada nilia digital 0101, 0111, 1011, 1111.

3. Tentukan quantization error dan persen FS untuk ADC berikut. Tegangan masuk maksimum 10 V.(a) Resolusi 4 bit, error 1/2 bit.(b) Resolusi 8 bit, error 1 bit.(c) Resolusi 10 bit, error 1/2 bit.(d) Resolusi 12 bit, error 1/2 bit.

7