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

Elektronika Kedokteran

 

Selamat datang di halaman download materi kuliah Elektronika Kedokteran.

Silakan download RPKPS dan materi kuliah di bawah ini:

1. RPKPS Elektronika Kedokteran 1

2. RPKPS Elektronika Kedokteran 2

3._Hukum Dasar Arus dalam Jaringan Biologis

4. Transduser dalam Instrumen Kedokteran

5. Penguat Biopotensial 1

6. Penguat Biopotensial 2

Video Animasi:

 

Terima kasih Anda telah berkunjung  dan mendownload materi-materi tersebut. Kami tunggu kunjungan Anda berikutnya…  :-)

PENGUAT BIOPOTENSIAL

 Aktivitas listrik dari sel-sel yang ada di dalam tubuh menimbulkan sinyal listrik yang disebut sinyal biopotensial. Untuk mengambil sinyal bipotensial digunakan ttransduser yang disebut elektrode. Elektrode ini berfungsi sebagai kopling dan interface antara sistem kelistrikan di dalam tubuh dan sistem kelistrikan di luar tubuh. Keluaran dari transduser sudah berupa tegangan listrik, tetapi levelnya masih relatif kecil sehingga biasanya belum bisa digunakan untuk menggerakkan bagian keluaran suatu instrumen medik. Untuk memperbesar sinyal biopotensial tersebut diperlukan suatu penguat yang memenuhi beberapa persyaratan, diantaranya:

  • Berupa penguat diferensial dengan CMRR yang tinggi
  • Mempunyai impedansi masukan yang besar
  • Penguatannya dapat diatur dengan mudah tanpa mempengaruhi nilai CMRR

 

Rangkaian Penguat Diferensial Dasar

Rangkaian penguat diferensial diperlihatkan dalam Gambar 1. Penguat diferensial dipilih karena kemampuannya dalam menyingkirkan sinyal mode common, sehingga dapat mengurangi pengaruh noise/interferensi yang menganggu sinyal EKG. Noise/interferensi yang menganggu sinyal EKG dapat dikurangi pengaruhnya dengan cara memasukkan noise tersebut ke dalam penguat diferensial dalam bentuk mode common, sementara sinyal EKG dimasukkan ke penguat dalam bentuk mode diferensial. Dengan demikian, sinyal EKG akan diperkuat dengan penguatan mode diferensial yang nilainya relatif besar, sementara itu noise akan diperkuat dengan penguatan mode common yang nilainya relatif kecil. Pada saat keluar dari penguat diferensial, sinyal EKG akan mempunyai nilai yang jauh lebih besar dibanding dengan noise, sehingga pengaruh noise tersebut akan dapat diabaikan.

Gambar-1.-Penguat-diferensial-dasar

Gambar 1. Penguat diferensial dasar

Hubungan antara tegangan keluaran dan tegangan masukan penguat diferensial dasar dapat diuraikan sebagai berikut. Dengan menganggap op-amp tersebut ideal, maka persamaan arus simpul pada terminal masukan negatif dapat dituliskan :

Persamaan 1Persamaan ini dapat diatur kembali menjadi:

Persamaan 2Tegangan pada simpul masukan positif sama dengan tegangan pada simpul masukan negatif yaitu νx, dapat diperoleh dengan menggunakan prinsip rangkaian pembagi tegangan sebagai berikut:

Substitusi persamaan (2) dengan persamaan (3) menghasilkan:

yang bila diselesaikan untuk mencari νo akan diperoleh:

Bila rangkaian penguat tersebut dalam keadaan setimbang, yaitu dengan membuat:

Maka diperoleh tegangan keluaran rangkaian penguat:

Persamaan (4) memperlihatkan bahwa penguat akan memperkuat sinyal mode diferensial (yaitu selisih tegangan pada masukannya) dengan penguatan sebesar R5/R6, dan memperkuat sinyal mode common (yaitu rata-rata tegangan pada masukannya) dengan penguatan yang kecil (idealnya sama dengan nol). Dengan demikian hanya sinyal mode diferensial saja yang muncul pada keluaran penguat, sedang sinyal mode common-nya telah disingkirkan.

Disamping memiliki keunggulan dalam menyingkirkan sinyal mode common, di sisi lain, penguat diferensial dasar memiliki kekurangan yaitu impedansi masukannya relatif kecil dan nilai penguatannya sulit diubah tanpa mempengaruhi kemampuannya dalam menyingkirkan sinyal mode common.

Impedansi masukan yang tinggi diperlukan untuk mengurangi pengaruh ketidak-seimbangan dalam rangkaian elektrode, karena ketidak-seimbangan ini akan dapat membuat noise masuk ke penguat dalam bentuk mode diferensial sehingga diperkuat dengan penguatan diferensial yang nilainya relatif besar. Untuk mengatasi hal ini maka di depan penguat diferensial dasar ditambahkan sebuah rangkaian penguat penyangga.

Rangkaian Penguat Penyangga

Rangkaian penguat penyangga yang digunakan harus mempunyai impedansi masukan yang besar dan merupakan penguat diferensial juga. Supaya memiliki impedansi masukan yang besar maka digunakan penguat non-inverting, dan supaya bersifat diferensial maka digunakan dua buah penguat non-inverting yang digabung menjadi satu, seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.

Gambar-2.-Rangkaian-penguat-penyangga-untuk-penguat-diferensial

Gambar 2. Rangkaian penguat penyangga untuk penguat diferensial

Analisis rangkaian penguat penyangga dapat diuraikan sebagai berikut. Dengan menganggap op-amp tersebut ideal, maka persamaan arus pada simpul masukan negatif op-amp yang atas dapat dituliskan:

yang bila diatur akan diperoleh persamaan:
Dengan cara yang serupa, maka untuk rangkaian op-amp yang bawah akan diperoleh:

Persamaan (5) dan (6) merupakan tegangan keluaran pada tiap-tiap terminal keluaran op-amp penguat penyangga.

Dengan menggabungkan rangkaian penguat diferensial dasar dan rangkaian penguat penyangga maka akan diperoleh sebuah penguat diferensial yang mempunyai impedansi masukan yang sangat besar dan nilai penguatannya dapat diubah dengan mudah tanpa mempengaruhi kemampunannya dalam menyingkirkan sinyal mode common. Gabungan kedua rangkaian penguat ini sering disebut sebagai penguat instrumentasi yang rangkaiannya diperlihatkan dalam Gambar 3.

Gambar-3.-Gabungan-penguat-diferensial-dasar-dan-penguat-penyangga-yang-menghasilkan-penguat-instrumentasi

Gambar 3. Gabungan penguat diferensial dasar dan penguat penyangga yang menghasilkan penguat instrumentasi

Analisis rangkaian penguat instrumentasi dalam Gambar 3  dapat dilakukan sebagai berikut. Tegangan keluaran penguat tersebut dapat diperoleh dari substitusi Persamaan (4) dengan Persamaan (5) dan (6), yang menghasilkan:

yang dapat diatur kembali menjadi:

Dua resistansi R1 yang terhubung seri tersebut daJpat digantikan dengan sebuah resistansi tunggal, misalnya menjadi RG, dengan: RG=2R1 atau: R1=RG/2 sehingga Persamaan (7) dapat dituliskan kembali menjadi:

Dari Persamaan (7a) terlihat bahwa tegangan keluaran penguat instrumentasi merupakan hasil penguatan terhadap selisih tegangan pada masukan penguat penyangga, dan nilai penguatan dapat diubah dengan mengubah perbandingan antara 2R2 dan RG.

Handbooks:

Biomedical Device Technology: Principles And Design   Biomedical Instrumentation: Technology and Applications  Biomedical Ethics  Analysis and Application of Analog Electronic Circuits to Biomedical Instrumentation, Second Edition (Biomedical Engineering)   Virtual Bio-Instrumentation: Biomedical, Clinical, and Healthcare Applications in LabVIEW