Makalah Pengkondisi Sinyal

MAKALAH INSTRUMENTASI INDUSTRI RANGKAIAN PENGKONDISI SINYAL

Oleh : Ilham Agung Wicaksono

Kelas : 2A-D4 T. Elektronika

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI MALANG 2017

PENDAHULUAN

-

Latar Belakang

Pada saat ini sensor dan transduser merupakan komponen penting dalam praktik. Disadari atau tidak kita sebenarnya hampir setiap hari berhubungan dengan sensor dan tranduser ini. Telah banyak perkembangan yang telah dicapai pada bidang ini, baik dari segi teknologi maupun dari segi fungsi.Terkait dengan perkembangan teknologi yang begitu luar  biasa pada saat sa at ini, i ni, banyak sensor telah diproduksi dengan ukuran sangat kecil hingga orde nanometer sehingga menjadikan sensor sangat mudah digunakan dan dihemat energinya. Sensor dan transduser pada dasarnya dapat dipandang sebagai sebuah perangkat atau device  device  yang berfungsi mengubah suatu besaran mekanik menjadi besaran listrik, sehingga keluarannya dapat diolah dengan rangkaian listrik atau sistem digital. Namun, umumnya output suatu sensor tidak dapat langsung diproses ke mikrokontroller karena output dari sensor belum tentu sebuah tegangan karena input yang dibutuhkan mikrokontroller adalah sebuah tegangan. Berdasarkan hal di atas makalah dengan judul “Rangkaian Pengkondisi Sinyal ” ini dibuat. Dengan dibuatnya makalah ini diharapkan mahasiswa dapat memahami definisi, fungsi, prinsip kerja, cara kerja, karakteristik, komponen, serta merancang dan merangkai rangkaian pengkondisi sinyal.

-

-

Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang di atas, makalah ini disusun berdasarkan rumusan masalah sebagai berikut : 1. Bagaimanakah definsi dari pengondisi sinyal ? 2. Bagaimanakah fungsi dari pengkondisi sinyal ? 3. Bagaimanakah prinsip kerja, cara kerja serta karakteristik pengkondisi sinyal ? 4. Bagaimanakah komponen-komponen yang dibutuhkan dalam rangkaian  pengkondisi sinyal ?

Tujuan Berdasarkan rumusan masalah di atas, makalah ini disusun berdasarkan rumusan tujuan sebagai berikut : 1. Mahasiswa dapat mengetahui definisi dari rangkaian pengkondisi sinyal 2. Mahasiswa dapat mengetahui fungsi dari rangkaian pengkondisi sinyal 3. Mahasiswa dapat merancang rangkaian pengkondisi sinyal 4. Mahasiswa dapat merangkai rangkaian pengkondisi pengkondisi sinyal 5. Mahsiswa dapat menganalisa rangkaian pengkondisi sinyal 6. Mahasiswa dapat mengetahui prinsip kerja, cara kerja serta karakteristik  pengkondisi sinyal

Pengkondisian Sinyal.

Sensor diperlukan untuk konversi besaran mekanik menjadi besaran listrik. Namun  besaran output dari suatu sesor belum tentu sesuai dengan kebutuhan sistem kontrol, sehingga diperlukan sebuah rangkaian pengkondisi sinyal. Pengkondisi sinyal digunakan untuk mengubah sinyal listrik ke bentuk dan level yang sesuai dengan elemen-elemen yang lain dalam sistem instrumentasi atau kendali. Modul ini hanya fokus pada konversi analog, di mana output dikondisikan tetap dalam bentuk sinyal analog. 

Prinsip Pengkondisian Sinyal

Sebuah transduser mengukur suatu variabel dinamik dengan mengkonversinya ke dalam sinyal elektrik. Untuk mengembangkan transduser seperti ini, banyak dipengaruhi oleh kondisi alam sehingga hanya ada beberapa tipe yang dapat digunakan untuk mendapatkan hasil yang sesuai. Efek pengkondisi sinyal sering dinyatakan dengan fungsi alihnya (transfer function). Dengan istilah ini kita menghubungkan efek yang ditimbulkan dengan sinyal input. Jadi, sebuah amplifier sederhana mempunyai fungsi alih dari beberapa konstanta yang, ketika dikalikan dengan tegangan input, memberikan tegangan output.

A. Perubahan Level Sinyal Metode paling sederhana dari pengkondisi sinyal adalah pengubahan level sinyal. Contoh yang paling umum adalah untuk penguatkan atau pelemahkan level tegangan. Secara umum, aplikasi kontrol proses dihasilkan dalam variasi sinyal frekuensi rendah secara lambat di mana amplifier respon d-c atau frekuensi rendah bisa dipakai. Suatu faktor penting dalam  pemilihan sebuah amplifier adalah impedansi input yang amplifier tawarkan kepada transduser (atau elemen-elemen lain yang menjadi input). B. Linierisasi Linierisasi bisa dihasilkan oleh sebuah amplifier yang gainnya sebuah fungsi level tegangan untuk melinierkan semua variasi tegangan input ke tegangan output. Misalnya, sering terjadi pada sebuah transduser di mana outputnya adalah eksponensial berkenaan dengan variabel dinamik. Pada Gambar 2.1 dapat dilihat sebuah contoh yang dimaksud di mana tegangan transduser diasumsikan eksponensial terhadap intensitas cahaya I. Bisa dituliskan sebagai

V  I  = V 0e-αt+ Dimana : VI V0 α I

: tegangan output pada intensitas I : tegangan intensitas nol : konstanta eksponensial : intensitas cahaya

....(1)

Untuk melinierkan sinyal ini digunakan amplifier yang outputnya bervariasi secara logaritma terhadap input V  A = K.ln(V  IN  ) 

....(2)

Di mana : VA : tegangan output amplifier K : konstanta kalibrasi VIN : tegangan input amplifier : V I [dalam Pers. (1)] Dengan substitusi Persamaan (1) ke Persamaan (2) di mana V IN= VI diperoleh V  A = K.ln(V 0 )  – αKI 

Gambar 2.1 Pengkondisi sinyal yang baik dapat m enghasilkan tegangan output yang  berubah secara linier terhadap intensitas cahaya. Output amplifier berubah secara linier dengan intensitas tetapi dengan offset K.lnV 0 dan faktor skala dari αK seperti diperlihatkan pada  Gambar 2. 1. Untuk mengeliminasi offset dan menyediakan kalibrasi yang diinginkan dari tegangan versus intensitas dapat digunakan  pengkondisi sinyal. C. Konversi Sering kali, pengkondisi sinyal digunakan untuk mengkonversi suatu tipe variasi elektrik kepada tipe lainnya. Sehingga, satu kelas besar dari transduser menyediakan  perubahan tahanan dalam variabe dinamik. Dalam kasus ini, perlu dibuat sebuah rangkaian untuk mengkonversi perubahan tahanan ini baik ke tegangan maupun arus.   Secara umum inidipenuhi oleh jembatan-jembatan bila perubahan sebagian tahanan adalah kecil dan/atau dengan amplifier-amplifier yang gainnya berubah terhadap tahanan.

D. Filter dan Penyesuai Impedansi Sering sinyal-sinyal gangguan dari daya yang besar muncul dalam lingkungan industri, seperti sinyal-sinyal frekuensi saluran standar 60 Hz dan 400 Hz. Transien start motor juga dapat mengakibatkan pulsa-pulsa dan sinyal-sinyal yang tidak diperlukan lainnya

dalam loop kontrol proses. Dalam banyak kasus, perlu digunakan high pass, low pass dan notch filter untuk mengurangi sinyal- sinyal yang tidak diinginkan dari loop. Filter seperti ini dapat dipenuhi oleh filter pasif yang hanya menggunakan resistor, kapasitor, induktor, atau filter aktif, menggunakan gain dan feedback. Penyesuai impedansi adalah sebuah elemen  penting dari pengkondisi sinyal ketika impedansi internal transduser atau impedansi saluran dapat mengakibatkan error dalam pengukuran variabel dinamik. Baik jaringan aktif maupun  pasif juga dipakai untuk menghasilkan penyesuain seperti ini. 

Macam-macam rangkaian pengkondisi sinyal

1. Pembagi Tegangan

Rangkaian pembagi tegangan merupakan sebuah rangkaian dasar pengkondisi sinyal yang mengkonversi perubahan resistansi menjadi perubahan tegangan. Rangkaian ini memenuhi sebuah persamaan sebagai berikut : Vo=

2

xVI

1+2

Untuk menggunakan rangkaian ini sebagai pengkondisi sinyal, kita harus mengganti R1 dengan sebuah sensor yang outputnya berupa perubahan tahanan at au resistansi. Namun,  perlu diketahui rangkaian pengkondisi sinyal ini masih belum bisa digunakan untuk sensor dengan output dengan perubahan dalam mΩ. Karena tegangan output tidak akan berubah degan maksimal. Aplikasi dengan pengkondisi sinyal ini adalah sebagai pengkondisi sinyal sebuah sensor gas TGS 2620. Sensor ini merupakan sensor gas yang outputnya berupa  perubahan tahanan atau resitansi.

Apabila sensor gas mendeteksi adanya gas, maka akan te rjadi perubahan resistansi  pada sensor tersebut sehingga akan ada perubahan tegangan pula pada VRL. Apabila resistansi sensor gas semakin besar maka V RL maka akan semakin kecil, sebaliknya apabila resistansi sensor gas semakin kecil maka V RL akan semakin besar. 2. Jembatan Wheatstone Rangkaian jembatan digunakan sebagai sebuah alat pengukur perubahan tahanan yang akurat. Rangkaian seperti ini terutama berguna bila perubahan fraksional dalam impedansi sangat kecil. Rangkaian potensiometerik juga bisa digunakan untuk mengukur tegangan dengan akurasi yang baik dan impedansi sangat tinggi. Rangkaian ini merupakan  pengembangan dari rangkaian sebelumnya yaitu rang kaian pembagi tegangan. Rangkaian jembatan adalah rangkaian pasif yang digunakan untuk mengukur impedansi dengan teknik penyesuaian potensial. Dalam rangkaian ini, seperangkat impedansi yang telah diketahui secara akurat diatur nilaianya dalam hubungannya terhadap satu yang  belum diketahui sampai suatu kondisi yang ada di mana perbedaan potensial antara dua titik dalam rangkaian adalah nol, yaitu setimbang. Kondisi ini menetapkan sebuah persamaan yang digunakan untuk menemukan impedansi yang tidak diketahui berkenaan dengan nilainilai yang diketahui. Rangkaian jembatan yang paling sederhana dan paling umum adalah  jembatan dc Wheatstone seperti diperlihatkan pada Gambar 2.2. Rangkaian ini digunakan dalam aplikasi pengkondisi sinyal di mana transduser mengubah tahanan dengan perubahan variabel dinamik. Beberapa modifikasi dari jembatan dasar ini juga dipakai untuk aplikasi spesifik lainnya. Pada Gambar 2.2 obyek   yang diberi label D adalah detektor seimbang yang digunakan untuk   membandingkan potensial titik a dan b dari rangkaian. Dalam aplikasi paling modern detektor seimbang adalah amplifier diferensial impedansi input sangat tinggi. Dalam beberapa kasus, Galvanometer yang sensitif dengan impedansi yang relatif rendah bisa digunakan, khususnya untuk kalibrasi atau instrumen- instrumen  pengukuran tunggal. Untuk analisis awal kita, anggap impedansi detektor setimbang adalah tak hingga, yaitu rangkaian terbuka.

Gambar 2.2 Jembatan Wheatstone dc.

Dalam kasus ini beda potensial,  ∆V  antara titik  a dan b, adalah  ∆V = V a –  V b

....(3)

Dimana : Va : Beda Potensial antara a dan c Vb : Beda potensial antara b dan c  Nilai Va dan Vb dapat dirumuskan sebagai berikut : Va= 

3

 ;Vb=

1+3



4

 

2+4

....(3.1)

Apabila disubtitusikan persamaan 3 dengan 3.1 maka akan diperoleh persamaan sebagai  berikut :

Yang apabila disederhanakan akan menjadi persamaan berikut : ....(3.2) Persamaan (2.8) tsb memperlihatkan bagaimana beda potensial melalui detektor adalah fungsi dari tegangan sumber dan nilai resistor. Karena tampilan yang berbeda dalam  pembilang Persamaan (2.8), jelas bahwa kombinasi khusus dari resistor dapat ditemukan yang akan menghasilkan perbedaan tegangan nol  melewati detektor, yaitu, setimbang. Apabila perbedaan tegangan setimbang maka akan diperoleh persamaan sebagai berikut :  R3 R2 = R1 R4 ....(3.3) Persamaan (3.3) mengindikasikan bahwa kapan saja sebuah jembatan Wheatstone dipasang dan resistor diatur untuk keseimbangan pada detektor, nilai-nilai resistor harus memenuhi  persamaan yang diindikasikan. Tidak masalah jika tegangan sumber berubah, kondisi seimbang dipertahankan. Persamaan (3.2) dan (3.3) menekankan aplikasi jembatan Wheatstone untuk aplikasi kontrol proses yang menggunakan detektor impedansi input tinggi. -

Kompensasi kabel

Kabel atau Lead Kompensator ditunjukkan pada Gambar 2.3, di sini kita lihat bahwa R 4, yang dianggap sebagai transduser, dipindahkan ke tempat yang jauh dengan kabel lead (1), (2), dan (3). Kabel (3) adalah lead daya dan tiadak berpengaruh pada kondisi seimbang  jembatan. Perhatikan bahwa jika kabel (2) mengubah tahanan karena pengaruh-pengaruh  palsu, ini mengenalkan perubahan tersebut kepada kaki R 4 dari jembatan. Kabel (1) terbuka terhadap lingkungan yang sama dan berubah dengan jumlah yang sama tetapi dalam kaki R 3  dari jembatan. Secara efektif, R 3  dan R 4  kedua-duanya diubah secara identik, sehungga Persamaan (3.3) memperlihatkan bahwa tidak terjadi perubahan dalam jembatan seimbang. Tipe kompensasi ini sering dipakai di mana rangkaian jembatan harus digunakan

dengan lead yang panjang ke elemen aktif dari jembatan.

Gambar 2.3 untuk aplikasi transduser jarak jauh sebuah sistem kompensasi digunakan untuk menghindari error dari tahanan lead.

- Aplikasi pengondisi sinyal ini adalah dengan mengganti R4 dengan sebuah sensor yang otuputnya berupa perubahan resistansi. Sebagai contoh akan disajikan sbuah rangkaian dengan sensor strain gauge

Apabila ada tekanan atau gaya pada sensor maka resistansi sensor akan berubah, sehingga akan mengakibatkan tegangan ketidaksetimbangan. Karena perubahan resistansi sensor dalam range mΩ maka perubahan tegangan adalah dalam mV. Oleh karena itu dibutuhkan pengondisi sinyal lagi untuk menguatkan perubahan tegangan sehingga bisa dibaca oleh mikrokontroller. Perubahan tegangan dapat dirumuskan sebagai berikut :

-

Jembatan Wheatstone untuk tegangan AC Konsep jembatan yang dijelaskan dalam bagian ini dapat dipakai untuk penyesuaian

impedansi

secara

umum

seperti

tahanan-tahanan.

Dalam

keadaan

ini,

jembatan

direpresentasikan seperti dalam Gambar   2.7 dan memakai sebuah eksitasi ac, biasanya sebuah sinyal tegangan gelombang sinus. Analisa tingkah laku jembatan pada dasarnya sama seperti pada cara sebelumnya tetapi tahanan diganti impedansi. Kemudian tegangan offset  jembatan direpresentasikan sebagai

Dimana : E Z1,Z2,Z3,Z4

: Tegangan eksitasi gelombang : Impedansi jembatan

Kondisi setimbang ditetapkan seperti sebelumnya dengan sebuah tegangan zero offset  ∆V=0 .

Dari Persamaan  di atas kondisi ini dijumpai jika impedansi memenuhi

hubungan :  Z 3 Z 2 = Z 1 Z 4

.....(3.4)

Gambar 2.7 Sebuah jembatan AC yang umum

Dalam beberapa kasus, sistem deteksi seimbang adalah amat sensitif terhadap  pergeseran fase sinyal. Dalam hal ini, perlu untuk membe rikan sebuah kondisi seimbang dari kedua sinyal inphase dan quadrature (keluaran fase 900) sebelum menggunakan persamaan (3.4) diatas.

3. Penguat Operasional Setelah op amp menjadi terkenal pada kerja individu dalam kontrol proses dan teknologi instrumentasi, banyak macam rangkaian dikembangkan dengan aplikasi langsung dalam bidang ini. Secara umum, lebih mudah untuk mengembangkan sebuah rangkaian sebuah rangkaian pengondisi sinyal menggunakan op amp dibandingkan komponenkomponen diskrit; dengan pengembangan biaya rendah, IC op amp, juga adalah suatu desain yang praktis. Mungkin salah satu kerugian besar adalah diperlukannya sumber daya bipolar untuk op amp. Bagian ini menghadirkan sejumlah rangkaian khusus dan karakteristik dasarnya bersama dengan trurunan dari respons rangkaian dengan asumsi op amp ideal. a. Penguat Inverting

Gambar 2.8 Penguat Inverting

Rangkaian untuk penguat ini idealnya ditunjukkan pada gambar di atas. Penting untuk memperhatikan bahwa impedansi input dari rangkaian ini pada dasarnya sama dengan R1, yaitu tahanan input. Kegunaan dari penguat ini umumnya untuk menguatkan tegangan yang  berasal dari sensor atau pengondisi sinyal yang mana outputya masih terlalu kecil untuk diterima mikrokontroller. Pada umumnya, tahanan ini tidak besar, dan karena itu impedansi input tidak besar. Pada pengembangannya input dari penguat ini dibuat banyak sehingga disebut juga sebagai  penguat penjumlah.

Gambar 2.9 Penguat Penjumlah

Tegangan dari penguat ini dapat dirumuskan sebagai berikut :

Penjumlahan dapat diberi skala dengan pemilihan tahanan yang tepat. Contohnya, jika kita membuat R1 = R2 = R3, maka outputnya adalah hanya jumlah (terbalik) dari V1 dan V2. Rata-rata dapat dicari dengan menjadikan R1 = R3 dan R2 = R1/2.  b. Penguat Non-Inverting Sebuah amplifier noninverting dapat dikonstruksi dari sebuah op amp seperti ditunjukkan dalam Gambar 3. Gain rangkaian ini dicari dengan menjumlahkan arus-arus pada summing point S, dan menggunakan kenyataan bahwa tegangan summing point adalah Vin sehingga tidak ada beda tegangan yang muncul melalui terminal-terminal input.

Gambar 3 Penguat Non-inverting

Tegangan output dari op-amp diatas dapat dirumuskan sebagai berikut :

...(3.5)

Persamaan (3.5) menunjukkan bahwa penguat non-inverting mempunyai gain yang tergantung pada rasio resistor umpan balik R2 dan resistor ground R1, tapi gain ini tidak  pernah dapat digunakan untuk pelemahan tegangan. Kita catat pula bahwa karena input diambil secara langsung ke input noninverting dari op amp, impedansi input adalah sangat tinggi karena secara efektif sama dengan impedansi input op amp. Hampir sama seperti penguta inverting rangkaian ini digunakan sebagai pengondisi sinyal untuk menguatkan tegangan yang masih belum bisa diterima oleh mikrokontroller. Bedanya dengan penguat inverting nilai penguatan dari penguat ini adalah  positif. c.

Penguat Diferensial

Sering kali, dalam instrumentasi yang dihubungkan dengan kontrol proses, diperlukan amplifikasi tegangan diferensial, misalnya untuk rangkaian jembatan. Sebuah ampifier diferensial dibuat dengan mengguanakan sebuah op amp seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.17a. Analisis rangkaian ini menunjukkan bahwa tegangan output diberikan oleh ...(3.6)

Rangkaian ini mempunyai gain atau atenuasi variabel yang diberikan oleh rasio R2 dan R1 dan merespons diferensial dalam input tegangan sebagaimana diperlukan. Adalah sangat penting bahwa resistor dalam Gambar 2.17a yang diindikasikan mempunyai nilai yang sama secara hati-hati disesuaikan dengan tolakan yang pasti (assure rejetion) dari tegangan  bersama ke kedua input. Kerugian yang signifikan dari rangkaian ini adalah bahwa impedansi input pada masing-masing terminal input adalah tidak besar, menjadi R1 + R2 pada input V2 dan R1 pada input V1. Untuk memakai rangkaian ini saat diinginkan amplifikasi diferensial impedansi input yang tinggi, pengikut tegangan bisa dipakai sebelum masing-masing input seperti diperlihatkan pada Gambar 2.17b. Rangkaian ini memberikan gain yang sebaguna, amplifier diferensial impedansi input yang tinggi untuk penggunaan dalam sistem-sistem instrumentasi.

a.

 b.

Gambar 3.1 a. Penguat Diferensial b.Penguat Instrumentasi

d. Konverter Tegangan ke Arus Karena sinyal-sinyal dalam kontrol proses paling sering ditransmisikan sebagai arus, khususnya 4-20 mA, maka perlu untuk memakai sebuah konverter linier tegangan ke arus. Rangkaian seperti ini harus mampu memasukkan arus ke sejumlah beban yang berbeda tanpa mengubah karateristik-karateristik transfer tegangan ke arus.

Gambar 3.2 Konverter tegangan ke arus

Sebuah rangkaian op amp untuk memberikan fungsi ini diperlihatkan pada Gambar 3.2. Analisis rangkaian ini menunjukkan bahwa hubungan antara arus dan tegangan diberikan oleh ...(3.7)

asalkan tahanan-tahanan yang dipilih sehingga ...(3.8)

rangkaian dapat mengirimkan arus ke salah satu arah, sebagimana diperlukan oleh sebuah aplikasi khusus. Tahanan beban maksimum dan arus maksimum adalah berhubungan dan ditentukan oleh kondisi bahwa output amplifier adalah saturasi dalam tegangan. Analisis rangkaian ini menunjukkan bahwa saat tegangan output op amp mencapai saturasi tahanan  beban maksimum dan arus maksimum dihubungkan oleh :

...(3.9)

Perhatikan bahwa penyelidikan Persamaan (3.9) menunjukkan bahwa tahanan beban maksimum adalah selalu kurang dari VSAT/IM. Tahanan beban minimum adalah nol. e. Konverter Arus ke Tegangan Pada ujung penerima dari sistem trasnsmisi sinyal kontrol proses kitasering perlu untuk mengubah arus kembali ke tegangan. Ini paling mudah dilakukan dengan rangkaian yang diperlihatkan pada Gambar 2.19. Rangkaian ini menyediakan suatu tegangan output yang diberikan oleh ...(4.0) Vout = IR

asalkan tegangan saturasi op amp tidak tecapai. Resistor R pada terminal noninverting dipakai untuk memberikan stabilitas temperatur pada konfigurasi. Rangkaian ini digunakan untuk pengkondisi sinyal untuk sensor dengan output arus.

Gambar 3.3 Konverter arus ke tegangan

Aplikasi dari Pengkondisi sinyal menggunakan op-apm disajikan sebagai berikut :

Gambar diatas merupakan gabungan 2 pengondisi sinyal sebuah sensor NTC 10k. Pada blok merah yang ditunjukkan terdapat sebuah jembatan wheatstone yang dirangkai dengan sensor sedemikian rupa sehingga dapat menghasilkan perbedaan tegangan apabila terjadi perubahan suhu disekitar sensor. Oleh karena itu perbedaan tegangan tersebut dimasukkan ke 2 input  penguat jenis integrator sehingga memenuhi persamaan berikut :

Karena R 1≠R 3(pada rangkaian R8 dan R4) dan R 2≠R 4(pada rangkaian R8 dan R4). V 1 dan V2 merupakan tegangan dari kedua lengan jembatan wheatstone.

4. Filter Filter adalah suatu rangkaian yang berfuingsi untuk menyaring sinyal noise (derau) dan suatu pengukuran. Secara sederhana, filter dapat disusun atas sebuah resistor dan sebuah kapasitor. a. Low-pass RC Filter Rangkaian Low- pass RC filter ini menahan frekuensi tinggi dan melewatkan frekuensi rendah. Dengan kata lain frekuensi yang melampaui frekuensi kritis akan ditahan, sedangkan frekuensi dibawah frekuensi kritis dibiarkan lewat. Secara sederhana, rangkaian low - pass RCfilter dapat dilihat pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4 Filter RC Low-Pass

Frekuensi kritis adalah suatu frekuensi dimana perbandingan tegangan keluaran dan tegangan masukan kira-kira 0,707. Dalam hubungannya dengan R dan C, frekuensi kritis dirumuskan sebagai berikut :

...(4.1)

Dan perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan untuk sinyal masukan apapun dapat ditentukan secara grafis melalui pers amaan 4.2.

...(4.2)

 b. High-pass RC Filter High-pass RC Filter melewatkan frekuensi tinggi dan menahan frekuensi rendah. Secara skematis High-pass RC Filter tampak pada Gambar 3.5 .

Gambar 3.5 Filter RC High-Pass

Persamaan 4.3 memberikan hubungan perbandingan antara tegangan keluaran dan tegangan masukan sebagai fungsi frekuensi.

...(4.3)

c. Band-pass RC Filter Prinsip kerja Band-pass Filter adalah menahan frekuensi rendah dan tinggi bila keduanya melewati suatu batas frekuensi tertentu. Filter jenis ini dapat dibuat dan resistor dan kapasitor, tetapi penggunaan induktor dan / atau kapasitor dinilai memberikan hasil yang lebih efektif. Sebuah Band-pass RC Filter dapat disusun dan gabungan rangkaian high-pass filter dan low-pass filter tampak pada Gambar 3.6.

Gambar 3.6 Filter RC Band-Pass

Dan persamaan 6.4 memberikan hubungan antara tegangan keluaran dan tegangan masukan sebagai fungsi frekuensi.

d.

Band-reject Filter Band-reject filter   adalah filter yang menahan frekuensi pada rentang tertentu. Karena

filter jenis ini menahan frekuensi pada rentang yang cukup lebar. Respon terhadap penahanan suatu  band   frekuensi tertentu ditunjukkan pada Gambar 3.7. Sedangkan gambar rangkaian  RC-band reject filter  ditunjukkan pada Gambar 6.8.

Gambar 3.7 Daerah Respon Filter RC Band-Reject

Gambar 3.8 Filter RC Band-Reject

Aplikasi pengkondisi Sinyal dengan filter disajikan sebagai berikut.

Rangkaian pengkondisi sinyal berfungsi untuk mengolah sinyal dari transduser termokopel berupa tegangan yang cukup kecil menjadi tegangan yang lebih besar, sehingga

output dari rangkaian ini dapat dibaca oleh untai Analog Digital Converter  (ADC). Rangkaian signal conditioning  terbagi dalam 3 blok fungsi: a). Low pass Filter Termokopel yang terlalu panjang bisa menangkap sinyal liar layaknya sebuah antenna, karena output dari termokopel merupakan sinyal berfrekuensi rendah, perlu dipasang sebuah filter untuk menghilangkan sinyal frekuensi tinggi yang tidak lain adalah noise. R4, R5, C1, dan C2 adalah komponen penyusun low pass filter yang memiliki frekuensi cut off sekitar 3Hz. Diode zener D1 dan D3 digunakan untuk membatasi input yang masuk ke rangkaian. Resistor pull up 1MΩ berfungsi sebagai pengaman pada saat termokopel putus / tidak terhubung, karena saat termokopel tidak terhubung input rangkaian signal conditioning menjadi besar sehingga pemanas tidak akan menyala bila alat ini digunakan sebagai  pengendali suhu.  b). Penguat tingkat I Penguat Tingkat I adalah rangkaian non Inverting OP-AMP menggunakan IC OP 07. Kami memilih penguat jenis non inverting dengan pertimbangan penguat non Inverting memiliki impedansi masukan yang sangat tinggi dan impedansi keluaran yang rendah, selain itu sinyal input dari termokopel sebanding dengan kenaikan suhu. Didalam rangkaian ini terdapat 2 buah potensiometer. R3 sebagai Zero adjustment, berfungsi untuk mengatur besar kecilnya tegangan offset keluaran. Tegangan offset adalah tegangan yang timbul pada keluaran saat nilai inputannya nol. Tegangan ini digunakan untuk menentukan suhu terendah yang bisa dibaca alat ukur ini. R10 sebagai Gain Adjustment, berfungsi untuk mengatur besar  penguatan pada tingkat ini, dengan menganggap tegangan offset = 0V, besar penguatannya adalah seperti berikut:  penguatan saat potensiometer posisi minimal :

 penguatan saat potensiometer posisi maksimal :

c). penguat tingkat II Penguat tingkat II juga menggunakan penguat Non Inverting sama seperti menguat tingkat I. Op Amp yang digunakan adalah LF 353 Pada penguat ini nilai gain adalah tetap yaitu sebesar :

Selanjutnya bila rangkaian di analisis secara keseluruhan, rangkaian signal conditioning memiliki penguatan sebesar: Penguatan saat potensiometer posisi minimal :

Penguatan saat potensiometer posisi maksimal :

Besarnya penguatan rangkaian signal conditioning adalah 210  –   279 kali. Sedangkan tegangan outputnya sebesar:

5. Konversi Frekuensi ke Tegangan IC LM2917 merupakan chip IC yang di desain khusus sebagai  Frequency to Voltage Converter atau pengubah Frekuensi menjadi Tegangan. Dalam penggunaanya untuk aplikasi Frequency to Voltage Converter IC LM2917 ini memerlukan sedikit komponen eksternal. Ada beberapa contoh aplikasi Frequency to Voltage Converter dari IC LM2917 ini yang disertakan dalam datahseet IC LM2917 tersebut. Dalam artikel ini rangkaianFrequency to Voltage Converter diambil juga dari datasheet IC LM2917. Kelebihan dari single chip Frequency to Voltage Converter LM2917 ini adalah mampu memberikan output o volt seketika pada waktu frekuensi berubah 0 Hz. Perumussan tegangan keluaran adalah sebagau  berikut VOUT = f IN x VCC x R 1 x C1 Kemudian single chip Frequency to Voltage Converter LM2917 ini hanya membutuhkan konfigurasi RC saja dalam doubling frequncy. Dan memiliki zener regulator internal untuk menghasilkan akurasi dan stabilitas dalam proses konversi frekuensi ke tegangan.

Gambar 3.8 Konverter Frekuensi ke tegangan



Kesimpulan

Rangkaian pengkondisi sinyal merupakan suatu rangkaian yang dibutuhkan untuk menguatkan atau mengubah suatu besaran yang merupakan output suatu sensor yang belum  bisa diterima sebagai input mikrokontroller. Rangkaian pembagi tegangan merupakan rangkaian pengkondisi sinyal dasar yang mengkonversi dari perubahan tahanan menjadi perubahan tegangan. Namun, dalam aplikasinya rangkaian ini hanya berlaku untuk sensor yang perubahan tahanannya dalam range Ω  saja. Untuk pengembangan rangkaian ini terdapat jembatan wheatstone yang juga  bekerja dengan prinsip pembagi tegangan, berbeda dengan rangkaian pembagi tegangan standar, ragkaian ini mampu mendeteksi perubahan resistansi dalam range m Ω, sehingga  perubahan tegangan dalam mV juga terdeteksi. Rangkaian ini tersedia untuk rangkaian AC dan DC. Rangkaian penguat biasanya digunakan untuk menguatkan tegangan atau sinyal yang  belum bisa diterima oleh mikrokontroller. Biasanya rangkaian ini dikombinasikan dengan rangkaian jembatan dan menerima input dari Jembatan tersebut. Untuk Filter rangkaian ini digunakan untuk pembatas frekuensi yang digunakan oelh sensor sehingga tidak mengganggu kinerja sensor. Umumnya rangkaian filter ini sudah terintegrasi dengan penguat. Untuk konverter frekuensi ke tegangan pada penjelasan disajikan sebuah IC LM2917. Apabila dilihat pada konstruksi dasarnya dapat dilihat bahwa IC ini dibangun dengan sebuah Op-amp yang difungsikan sebagai komparator yang dirangkai seemikian rupa dengan R dan C sehingga dapat menghasilkan tengangan yang sebansding dengan frekuensi.