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

 

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