Rangkaian Pembagi Tegangan

PENGKONDISI SINYAL:

 

Rangkaian pembagi tegangan digunakan untuk mengkonversi perubahan resistansi menjadi perubahan tegangan. Gambar 1 memperlihatkan sebuah rangkain pembagi tegangan sederhana. Tegangan pada keluarannya diberikan oleh :

dengan : VS = tegangan catu
R1, R2 = resistansi pembagi tegangan

Gambar 1. Rangkaian pembagi tegangan

 

Baik  R1 maupunR2 dapat berupa sensor, yang resistansinya berubah terhadap variabel yang diukur.

Dalam penggunaan rangkaian pembagi tegangan perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut :

  1. Perubahan VD terhadap R1  maupun  R2 tidaklah linier
  2. Impedansi keluaran efektif rangkaian adalah kombinasi paralel R1 dan  R2
  3. Karena arus mengalir melalui kedua resistor, maka rating daya resistor maupun sensor harus diperhatikan

Contoh 2.2  Rangkaian pembagi tegangan dalam Gambar 1 mempunyai R1 = 10,0 kilo ohm dan VS = 5,00 V. Misalkan R2 adalah sensor yang resistansinya berubah dari 4,00 sampai 12,0 kilo ohm terhadap suatu variabel dinamik. Berapa (a) Nilai VD minimum dan maksimum (b) Kisaran impedansi keluaran (c) Kisaran daya yang didisipasikan oleh  R2

Penyelesaian :
(a). Untuk R2 = 4kilo ohm :

Untuk  R2= 12 kilo ohm :

Jadi tegangan rangkaian pembagi tegangan tersebut berubah dari 1,43 V ke 2,73 V

(b). Kisaran impedansi keluaran diperoleh dari kombinasi paralel R1 dan R2 untuk nilai minimum dan maksimum R2, yaitu berkisar dari 2,86 kilo ohm ke  5,45 kilo ohm

(c). Daya yang didisipasikan oleh sensor dapat diperoleh dari , dengan V adalah tegangan lintas  R2. Jadi daya yang didisipasikan berkisar antara 0,51 dan 0,62 mW.

Sebelumnya << Download Artikel (doc) >> Selanjutnya

Prinsip Pengkondisian Sinyal

PENGKONDISI SINYAL:

 

Seringkali, pilihan mengenai karakteristik suatu sensor terhadap variabel masukan sangatlah terbatas, sehingga diperlukan adanya suatu pengkondisian sinyal. Pengkondisian sinyal ini berkaitan dengan operasi-operasi yang dikenakan pada sinyal guna mengkonversi sinyal tersebut ke bentuk yang sesuai dengan yang diperlukan untuk interface dengan elemen-elemen lain dalam sistem instrumentasi. Efek pengkondisian sinyal pada sinyal masukan sering dinyatakan dalam bentuk fungsi alih. Pengkondisi sinyal dapat dikelompokkan dalam beberapa jenis, seperti yang akan diuraikan berikut.

1.  Pengubahan Level Sinyal
Suatu cara yang paling sederhana untuk pengkondisian sinyal adalah dengan mengubah level sinyal, yaitu dengan melakukan penguatan ataupun peredaman. Salah satu faktor yang penting dalam pemilihan penguat adalah impedansi masukan yang ditawarkan kepada sensor (atau elemen lain yang berfungsi sebagai masukan). Dalam beberapa kasus, (misalnya akselerometer dan detektor optik), tanggapan frekuensi penguat juga merupakan suatu hal yang sangat penting.

2.  Linierisasi
Hubungan antara keluaran dengan masukan sensor seringkali tidak linier. Oleh karena itu diperlukan suatu rangkaian untuk linierisasi sinyal tersebut, seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 1. Tujuan linierisasi adalah untuk mendapatkan keluaran yang berubah secara linier terhadap variabel masukan meskipun keluaran sensornya tidak linier. Rangkaian linierisasi ini sulit dirancang, dan biasanya bekerja hanya dalam batas yang sempit. Cara linierisasi yang lebih modern adalah seara perangkat lunak, yaitu dengan membolehkan sinyal tak linier sebagai masukan ke komputer dan selanjutnya melakukan linierisasi dengan menggunakan perangkat lunak.

Gambar 1. Linierisasi

3.  Konversi
Pengkondisian sinyal dalam hal ini digunakan untuk mengkonversi suatu jenis perubahan listrik ke jenis perubahan listrik yang lain. Konversi ini diperlukan misalnya dalam transmisi sinyal dan interface dengan sistem digital.
Transmisi Sinyal.  Untuk transmisi sinyal seringkali digunakan transmisi arus karena tidak dipengaruhi oleh perubahan beban. Standard level arus yang digunakan adalah 4 sampai 20 mA.
Interface Digital.  Penggunaan komputer dalam sistem instrumentasi akan memerlukan suatu konversi dari data analog ke data digital, yaitu yang dilakukan oleh ADC. Konversi ini biasanya memerlukan pengaturan level sinyal analog agar sesuai dengan masukan yang diperlukan oleh ADC.

4.  Filter  dan Penyesuai Impedansi
Dalam banyak kejadian, sinyal yang diperlukan sering bercampur dengan sinyal yang tidak diinginkan (noise). Untuk menyingkirkan sinyal yang tidak diinginkan tersebut dapat digunakan filter yang sesuai, yaitu low-pass filter (LPF), high-pass filter (HPF), notch filter, atau gabungan dari filter-filter tersebut.
Penyesuaian impedansi kadang diperlukan, yaitu apabila impedansi internal transduser atau impedansi saluran dapat menyebabkan terjadinya suatu kesalahan dalam pengukuran suatu variabel.

5. Konsep Pembebanan
Salah satu hal yang sangat penting dalam pengkondisian sinyal analog adalah adanya pengaruh pembebanan pada suatu rangkaian oleh rangkaian lain, yang dapat menyebabkan terjadinya ketidakpastian dalam amplituda tegangan. Gambar 2 memperlihatkan efek pembebanan pada sensor, yang dalam hal ini dinyatakan dalam rangkaian setara Thevenin.

Gambar 2. Rangkaian ekivalen Thevenin untuk memperlihatkan efek pembebanan pada sensor

Tegangan beban dalam Gambar 2 diberikan oleh Persamaan 1 :

dengan : Vy = tegangan beban
Vx = tegangan sensor dalam keadaan rangkaian terbuka
Rx = impedansi internal sensor
RL = impedansi beban

 

Contoh 1. 

Sebuah penguat mengeluarkan tegangan sepuluh kali tegangan terminal masukannya, dan mnempunyai resistansi masukan sebesar 10.000 ohm. Sebuah sensor mengeluarkan tegangan yang sebanding suhu dengan fungsi alih 20 mV/oC. Sensor tersebut mempunyai resistansi keluaran sebesar 5000 ohm. Apaila suhu yang diukur sebesar 50oC, berapakah tegangan keluaran penguat tersebut ?

Penyelesaian :
Suatu contoh penyelesaian yang naif diperlihatkan dalam Gambar 3a. Tegangan sensor dalam keadaan tanpa beban diperoleh dari fungsi alih :

Tegangan keluaran penguat :

(Salah !)

Penyelesaian yang benar diperlihatkan dalam Gambar 3b. Tegangan yang sebenarnya muncul pada terminal masukan penguat adalah :

dengan VT = 1,0 V.
Dengan demikian besarnya tegangan keluaran penguat adalah :

 

Gambar 3. (a) Pengabaian efek pembebenan dapat mengakibatkan kesalahan yang serius (b) Penyelesaian dengan memperhitungkan efek pembebanan

 

Sebelumnya << Download Artikel (doc) >> Selanjutnya

 

Tanggapan Waktu Sensor

Sensor & Transduser
Sensor Characteristics
- Sensor Transfer Function
- Full Scale Input and Output
- Akurasi
- Sensitivitas dan Linieritas
- Tanggapan Waktu Sensor
- Signifikansi dan Statistik





 

 

Reference: Sensor & Transducer Handbooks

 

 

 

Sebelumnya << Download Artikel (doc) >> Selanjutnya

 

Sensitivitas dan Linieritas

Sensor & Transduser
Sensor Characteristics
- Sensor Transfer Function
- Full Scale Input and Output
- Akurasi
- Sensitivitas dan Linieritas
- Tanggapan Waktu Sensor

 




 

 

 

Reference: Sensor & Transducer Handbooks

 

 

 

Sebelumnya << Download Artikel (doc) >> Selanjutnya 

 

 

 

Soal dan Penyelesaian 3

Rangkaian Pengkondisi Sinyal 2

 

1. Suatu pengukuran suhu dalam rentang antara 20oC sampai dengan 250oC menggunakan sensor yang mempunyai sensitivitas sebesar S=10mV/oC. Keluaran sensor akan diubah menjadi data digital menggunakan ADC 8 bit dengan tegangan referensi sebesar 5V.

a). Rancanglah rangkaian pengkondisi sinyal supaya diperoleh resolusi pengukuran suhu yang terbaik, dan berapa resolusi tersebut?
b). Tentukan fungsi alih rangkaian pengkondisi sinyal supaya diperoleh resolusi pengukuran suhu sebesar 1oC.
c). Berhubungan dengan soal (b), berapa nilai keluaran ADC dalam desimal bila suhu yang diukur bernilai 250oC, 100oC, dan 20oC?

Penyelesaian:
a). Sistem tersebut dapat digambarkan dalam bentuk blog diagram sebagai berikut:

Tegangan keluaran sensor pada nilai-nilai suhu minimum dan maksimum:

 Untuk ADC dengan n = 8 bit dan tegangan referensi VR= 5V, membutuhkan tegangan masukan dalam rentang antara:

 

 

 

 

Resolusi pengukuran suhu terbaik dapat diperoleh bila ADC menerima masukan tegangan dalam rentang tersebut. Untuk itu diperlukan pengkonversian rentang tegangan keluaran sensor sedemikian rupa sehingga sesuai dengan rentang tegangan yang diperlukan oleh ADC. Pengkonversian rentang tegangan ini memerlukan suatu rangkaian pengkondisi sinyal. Perancangan rangkaian pengkondisi sinyal yang paling mudah adalah dengan menentukan fungsi alihnya terlebih dahulu. Fungsi alih rangkaian pengkondisi sinyal ini dapat dinyatakan sebagai sebuah persamaan linier sebagai berikut:

Implementasi Persamaan (3) ke dalam rangkaian elektronik memerlukan:

  • Sebuah penguat dengan penguatan sebesar 2,165 (untuk suku pertama ruas kanan Persamaan (3) )
  • Sebuah tegangan konstan sebesar 0,433 V (untuk suku kedua)
  • Sebuah penguat penjumlah untuk menjumlahkan suku pertama dan suku kedua.

Rangkaian yang diperlukan adalah sebagai berikut:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jika dibandingkan, alternatif 1 mempunyai keuntungan dibanding alternatif 2 karena nilai keluaran ADC dalam basis desimal selalu sama dengan nilai suhu yang diukur dalam rentang antara 0 sampai dengan 255oC. Hal ini berarti tidak memerlukan lagi pengkonversian dari nilai keluaran ADC ke nilai suhu yang diukur karena nilainya (yaitu angkanya dalam desimal) sudah sama.

Sebelumnya <<  Download Artikel (doc)

Soal dan Penyelesaian 2

2. Rangkaian Pengkondisi Sinyal 1

Dalam suatu pengukuran suhu digunakan sensor yang mempunyai sensitivitas sebesar S=10mV/oC. Suhu yang diukur berkisar antara 50oC sampai dengan 150 oC. Keluaran sensor akan diubah menjadi data digital menggunakan ADC  6 bit dengan tegangan referensi sebesar 5V.
a). Rancanglah rangkaian pengkondisi sinyal supaya diperoleh resolusi pengukuran suhu yang terbaik, dan berapa resolusi tersebut?
b). Rancanglah rangkaian pengkondisi sinyal supaya diperoleh resolusi pengukuran suhu sebesar 2oC
c). Berhubungan dengan soal (b), berapa nilai keluaran ADC dalam desimal bila suhu yang diukur bernilai 150oC?

Penyelesaian:
a). Sistem tersebut dapat digambarkan dalam bentuk blog diagram sebagai berikut:

Tegangan keluaran sensor pada nilai-nilai suhu minimum dan maksimum:

 

 

Untuk ADC 6 bit dengan tegangan referensi VR= 5V, membutuhkan tegangan masukan dalam rentang antara:

 

 

 

Resolusi pengukuran suhu terbaik dapat diperoleh bila ADC menerima masukan tegangan dalam rentang tersebut.  Untuk itu diperlukan pengkonversian rentang tegangan keluaran sensor sedemikian rupa sehingga sesuai dengan rentang tegangan yang diperlukan oleh ADC. Pengkonversian rentang tegangan ini memerlukan suatu rangkaian pengkondisi sinyal.

Perancangan rangkaian pengkondisi sinyal yang paling mudah adalah dengan menentukan fungsi alihnya terlebih dahulu. Fungsi alih rangkaian pengkondisi sinyal ini dapat dinyatakan sebagai sebuah persamaan linier sebagai berikut:

 

dengan:

Vi = tegangan masukan ADC (yang sama dengan tegangan keluaran rangkaian  pengkondisi sinyal)
VT = tegangan keluaran sensor (yang sama dengan tegangan masukan rangkaian pengkondisi sinyal)
A = slope (penguatan)
B = konstanta (tegangan offset)

Nilai A dan B dapat diperoleh dengan memasukkan nilai-nilai maksimum dan minimum pada keluaran sensor dan masukan ADC ke persamaan fungsi alih sehingga diperoleh:

 

 

 

 

Penyelesaian secara serentak pada Persamaan (1) dan (2) menghasilkan nilai-nilai:

 

 

 

Implementasi Persamaan (3) ke dalam rangkaian elektronik memerlukan:

  • sebuah penguat (untuk suku pertama ruas kanan Persamaan (3) )
  • sebuah tegangan konstan sebesar 2,4609375 V (untuk suku kedua)
  • sebuah penguat penjumlah untuk menjumlahkan suku pertama dan suku kedua.

Rangkaian yang diperlukan adalah sebagai berikut:


Resolusi tegangan pada masukan ADC:

 

 

Resolusi tegangan pada masukan rangkaian pengkondisi sinyal:

 

 

Resolusi pada masukan sensor (sama dengan resolusi pengukuran suhu):

 

 

Resolusi tersebut dapat juga dihitung dengan cara sebagai berikut:

 

 

b). Resolusi suhu 2oC menghasilkan resolusi tegangan pada keluaran sensor sebesar:

 

 

 

Besarnya penguatan rangkaian pengkondisi sinyal:

 

 

 

 

 

Rangkaian pengkondisi sinyalnya serupa dengan dalam soal (a), tetapi dengan nilai-nilai resistansi dan tegangan offset yang disesuaikan dengan fungsi alih Persamaan (4).

 

c).  Dari fungsi alih Persamaan (4):

 

Sebelumnya << Download Artikel (doc) >> Selanjutnya

Soal dan Penyelesaian 1

1. Passive Low Pass Filter

Suatu sinyal pengukuran yang mempunyai frekuensi 400 Hz mengandung noise dengan frekuensi 0,5 MHz. Diinginkan untuk meredam noise tersebut dengan menggunakan filter.

(a). Rancanglah sebuah filter RC yang meredam noise tersebut sedemikian rupa sehingga setelah keluar dari filter, noise yang tersisa tinggal 3%.
(b). Berapa persen besarnya sinyal pengukuran (frekuensi 400 Hz) tersebut setelah keluar dari filter?

Penyelesaian:
(a). Frekuensi sinyal: fs = 400 Hz
Frekuensi noise: fn = 0,5 MHz
Karena fs < fn maka digunakan low pass filter, dengan persamaan fungsi alih:

 

 

 

 

 

 

 

Rangkaian low pass filter:

Misalkan C = 0,01 μF, maka:

 

 

 

(b). Besar sinyal pengukuran saat keluar dari filter:

 

 

 

Jadi saat keluar dari filter, besar sinyal pengukuran = 99,99%.
Download Artikel (doc)  >> Selanjutnya

Physionet, Resource Penyedia Sinyal Biomedik

Anda ingin melakukan penelitian di bidang teknik biomedik tapi tidak mempunyai data atau sinyal biomedik? Jangan khawatir. Ada sebuah situs, yaitu Physionet, yang menyediakan berbagai rekaman sinyal biomedik dalam bentuk data digital yang dapat Anda download secara gratis.

PhysioNet  adalah sebuah situs sumber daya (Resource) yang bermanfaat bagi penelitian dan pendidikan. Setidaknya ada tiga hal yang ditawarkan oleh Physionet, yang ketiga-tiganya dapat diakses secara gratis, yaitu:

PhysioBank: menyediakan koleksi rekaman sinyal-sinyal fisiologis. PhysioBank merupakan arsip besar dan sedang berkembang yang berisi rekaman digital sinyal fisiologis, time series, dan data terkait untuk digunakan oleh komunitas riset biomedis.

PhysioBank saat ini mencakup lebih dari 50 koleksi cardiopulmonary, saraf, dan sinyal biomedis lainnya dari subyek sehat dan pasien dengan berbagai kondisi dengan implikasi yang besar pada kesehatan masyarakat, termasuk kematian jantung mendadak (sudden cardiac death – SCD), gagal jantung kongestif (congestive heart failure – CHF), epilepsi, gangguan gait, sleep apnea, dan penuaan. Koleksi ini termasuk data dari berbagai studi, yaitu yang dikembangkan dan disumbangkan oleh para anggota komunitas riset.

PhysioToolkit: menyediakan perangkat lunak open-source yang berkaitan dengan koleksi sinyal dalam PhysioBank. PhysioToolkit merupakan perpustakaan besar dan sedang berkembang, yang berisi perangkat lunak untuk pemrosesan dan analisis sinyal fisiologis, deteksi peristiwa fisiologis yang signifikan baik menggunakan teknik klasik maupun metode baru berdasarkan fisika statistik dan dinamika nonlinier, layar interaktif dan karakterisasi sinyal, pembuatan database baru, simulasi sinyal fisiologis dan sinyal lainnya, evaluasi kuantitatif dan perbandingan metode analisis, dan analisis proses nonequilibrium dan nonstasioner.

Sebuah tema pemersatu dari banyak proyek-proyek penelitian yang berkontribusi pada perangkat lunak untuk PhysioToolkit adalah ekstraksi informasi yang tersembunyi dalam sinyal biomedis, informasi yang mungkin memiliki nilai diagnostik atau prognostik dalam bidang kedokteran, atau sesuatu yang mempunyai kemampuan untuk memberikan penjelasan atau prediksi dalam penelitian dasar. Semua perangkat lunak PhysioToolkit tersedia dalam bentuk source di bawah GNU General Public License (GPL).

PhysioNetWork: menyediakan workspaces bagi anggota komunitas Physionet untuk mengerjakan proyek terbaru mereka, yang bila sudah selesai akan dibagikan secara gratis dalam PhysioBank dan PhysioToolkit.

PhysioNet tidak hanya digunakan sebagai nama Resource, tetapi sekaligus juga sebagai alamat situsnya, yaitu physionet.org. PhysioNet merupakan Resource dan mekanisme untuk penyebaran secara gratis dan terbuka, dan pertukaran rekaman sinyal biomedis dan perangkat lunak open-source untuk menganalisis sinyal tersebut, dengan menyediakan fasilitas untuk bekerja sama dalam analisis data, dan evaluasi algoritma baru yang diusulkan.

Selain menyediakan akses data gratis ke PhysioBank dan perangkat lunak ke PhysioToolkit, PhysioNet juga menawarkan layanan dan pelatihan melalui  tutorial on-line untuk membantu pengguna saat masuk dan tutorial untuk tingkat yang lebih tinggi (advanced levels). Dalam kerjasama dengan konferensi tahunan Computing in Cardiology, PhysioNet menyelenggarakan serangkaian tantangan, di mana para peneliti dan mahasiswa mengatasi masalah yang belum terpecahkan di bidang klinis atau ilmiah dasar dengan menggunakan data dan perangkat lunak yang disediakan oleh PhysioNet.

Perangkat lunak WAVE

Banyak bidang klinis praktis  dan penelitian saling berbagi sesuatu untuk digunakan bersama, misalnya mengenai visualisasi dan analisis sinyal fisiologis. Contoh sinyal fisiologis ini misalnya sinyal elektrokardiogram (EKG), respirasi, tekanan darah, elektroencefalogram (EEG), elektrookulograms (EOG), dan elektromyograms (EMG).  Sinyal tersebut biasanya dapat diperoleh selama prosedur klinis atau percobaan, untuk jangka waktu mulai dari beberapa detik sampai berjam-jam. Seringkali sinyal-sinyal ini harus dipantau dan dianalisis secara real time. Dalam kasus lain, sinyal dapat pula direkam untuk dianalisis nanti di waktu akan datang.

WAVE adalah sebuah program komputer yang membantu Anda (dokter atau peneliti), untuk menganalisis sinyal rekaman digital. Dengan menggunakan WAVE, Anda dapat melihat  bagian manapun dari sinyal yang Anda diinginkan, seolah-olah Anda sedang browsing melalui rekaman grafik. WAVE juga dapat mencetak kertas grafik rekaman  dari setiap bagian dari sinyal. Anda dapat membubuhi keterangan (label) semua fitur dari sinyal yang Anda pilih. Anda dapat memilih setiap subset dari sinyal, dan setiap interval waktu, untuk dianalisis oleh  Program eksternal di bawah kendali WAVE. Jika program analisis menghasilkan sinyal penjelasan (annotations), maka Anda dapat melihat dan memperbaikinya. Buku panduan penggunaan WAVE dan panduan lainnya yang terkait dapat Anda download melalui link di bawah ini.

WAVE  User Guide (WUG) (pdf)

WAVE Application Guide (WAG) (pdf)

WAVE  Programmer Guide (WPG) (pdf)

A Cardiovascular Simulator for Research User’s Manual and Software Guide (pdf)

Plotting Utility (plt) (pdf)