RANCANGBANGUN OSILATOR UNTUK PEMBANGKIT PULSA EDDY
CURRENT TESTING MENGGUNAKAN DIRECT DIGITAL SYNTHESIS
BERBASIS ARDUINO
Yadi Yunus, Budi Suhendro, Diana Anidza Fikri, Tasih Mulyono, Haerul Ahmadi Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir, Jalan Babarsari PO BOX 6101 YKBB Yogyakarta
email: [email protected]
ABSTRAK
RANCANGBANGUN OSILATOR UNTUK PEMBANGKIT PULSA EDDY CURRENT
TESTING MENGGUNAKAN DIRECT DIGITAL SYNTHESIS BERBASIS ARDUINO.
Penelitian ini bertujuan untuk membuat osilator untuk pembangkit pulsa Eddy Current
Testing menggunakan komponen mudah di pasaran sehingga lebih mudah dalam
operasional, perawatan, perbaikan serta harga lebih terjangkau. Pembangkitan pulsa tersebut menggunakan modul Direct Digital Synthesis (DDS) AD9850 dengan sistem kontrol Arduino Uno. Arduino Uno digunakan untuk memprogram nilai frekuensi yang akan disalurkan menuju modul DDS, kemudian modul DDS akan membangkitkan pulsa sesuai frekuensi yang telah diatur. Nilai frekuensi yang dibangkitkan akan ditampilkan pada LCD. Adapun sinyal input osilator yang dibuat berasal dari rotary switch dan potensiometer.
Rotary switch berfungsi sebagai digital input, sedangkan potensiometer sebagai analog input. Nilai frekuensi yang akan keluar merupakan hasil pembacaan analog input dikalikan
dengan nilai digital input. Hasil penelitian ini yaitu terdapat 2 buah keluaran osilator yaitu sebelum penguatan dan setelah penguatan amplitudo. Sebelum penguatan amplitudo, osilator mampu membangkitkan frekuensi dari 10 Hz-11 MHz dengan frekuensi cut off 11 MHz dan amplitudo sebesar 1,02 Vpp. Sedangkan ketika amplitudo telah dikuatkan, osilator mampu membangkitkan frekuensi 10 Hz-85 kHz dengan frekuensi cut off 85 kHz pada gain tertinggi serta memiliki amplitudo adjustable yaitu 1,04 Vpp-3,2 Vpp. Adapun sebelum penguatan amplitudo, gelombang sinus sempurna mampu dikeluarkan sampai frekuensi tertinggi yaitu 15 MHz, sedangkan setelah penguatan amplitudo, gelombang sinus sempurna yang mampu dikeluarkan hanya sampai pada frekuensi 1 MHz.
Kata Kunci: Eddy Current Testing (ECT), Osilator, Direct Digital Synthesis, Arduino ABSTRACT
DESIGN OF OSCILLATOR FOR PULSE GENERATOR EDDY CURRENT TESTING USES DIRECT DIGITAL SYNTHESIS BASED ON ARDUINO. This study aims to create an oscillator for pulse generator Eddy Current Testing using local components so that prices are more affordable.The pulse generation uses AD9850 Direct Digital Synthesis (DDS) module with the Arduino Uno as control system. Arduino Uno is used to program the frequency value that will be transferred to the DDS module, then the DDS module will generate pulses according to set value of frequency. The generated frequency value will be displayed on the LCD. The oscillator input signal is made from a rotary switch and potentiometer. Rotary switch functions as digital input, while potentiometer is analog input. The value of the frequency that will come out is the result of analog input reading multiplied by the value of the digital input. The results of this study are 2 pieces of oscillator output, namely before and after amplitude gain. Before amplitude gain, the oscillator is able to generate frequencies from 10 Hz-11 MHz with a cut-off frequency of 11MHz and an amplitude of 1,02 Vpp. While when amplitude has been amplified, the oscillator is able to generate a frequency of 10 Hz-85 kHz with a cut off frequency of Hz-85kHz at the highest gain and has an adjustable amplitude of 1,04 Vpp-3.2Vpp. As for amplitude gain, a perfect sine wave can be released to the highest frequency of 15Mhz, while after amplitude gain, a perfect sine wave capable of being released only reaches the 1MHz.
PENDAHULUAN
Pada dunia industri penggunaan teknologi Non Destructive Testing atau NDT sangat populer. NDT merupakan metode yang menjamin ketangguhan struktur dari suatu material tanpa merusak strukturnya secara fungsional [1]. Ada berbagai jenis teknologi NDT, salah satunya yaitu Eddy Current Testing atau ECT. ECT merupakan teknologi NDT yang bekerja berdasarkan pada induksi elektromagnetik [2]. ECT terdiri dari berbagai komponen elektronika antara lain osilator, amplifier, probe, jembatan wheatstone, signal conditioning &
processing, interface dan penampil. Sebelumnya telah dilakukan penelitian terhadap probe
lokal yaitu pembuatan probe bobbin differential ECT yang mampu memeriksa cacat pada tube berdiameter 1,5 inchi [3]. Dalam mewujudkan ECT komponen lokal maka dibuatlah salah satu penyusun alat ECT lainnya yaitu osilator menggunakan teknologi Direct Digital
Synthesis (DDS) berbasis Arduino. Osilator yang dibuat diharapkan memiliki harga yang
terjangkau, sebagai referensi jika terjadi kerusakan pada osilator ECT yang sudah ada dan memudahkan perbaikan ketika terjadi kerusakan.
METODE PENELITIAN Perancangan Sistem
Perancangan sistem berupa pembuatan blok diagram osilator dan perancangan alur program. Blok diagram osilator terdiri dari arduino, DDS, amplifier, LCD, Rotary switch dan potensiometer. Blok diagram osilator ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 Blok Diagram Osilator
Sistem pembangkitan pulsa yang terjadi pada DDS yaitu dikontrol pada sistem kontrol Arduino. Modul DDS yang telah dipicu oleh arduino maka DDS akan membangkitkan pulsa dengan mengeluarkan gelombang sinus analog dengan besaran frekuensi yang dapat diprogram oleh arduino. Penyekalaan frekuensi dilakukan oleh rotary switch, sedangkan pengaturan ADC ditentukan oleh perubahan potensiometer 1 sebagai ADC range. Adapun nilai amplitudo yang dikeluarkan oleh DDS masih sangat kecil dan tidak dapat diatur-atur sehingga perlu dikuatkan amplitudonya menggunakan amplifier. Rentang keluaran amplitudo oleh amplifier diatur menggunakan potensiometer 2 sebagai amplitude range. Prinsip kerja DDS secara khusus ditunjukkan pada kontruksi DDS Gambar 2.
tersebut yaitu phase accumulator merupakan counter modulus M yang menaikkan jumlah penyimpanannya setiap waktu. Phase accumulator juga menerima pulsa clock. Magnitudo dari kenaikan tersebut ditentukan oleh jumlah input biner (M) yang terkandung dalam register delta fase yang dijumlahkan dengan overflow dari counter. Informasi fase digital dari
phase accumulator kemudian diubah kedalam amplitudo digital yang sesuai oleh amplitude/sine converter algorithm. Terakhir D/A converter mengubah amplitudo digital
kedalam sinyal analog [4].
Adapun perancangan program berfungsi untuk memberikan perintah terhadap kontroler agar program berjalan sesuai yang diinginkan. Sistem akan membaca input yang diberikan oleh rotary switch dan potensiometer, kemudian DDS mengeluarkan frekuensi dan nantinya nilai frekuensi akan ditampilkan pada LCD. Alur program sistem ditunjukkan pada Gambar 3.
Pembuatan Sistem
Pembuatan sistem terdiri dari pembuatan
hardware system dan pembuatan software system.
Pembuatan hardware system mengacu pada blok diagram osilator yang telah dibuat. Pembuatan
hardware system terdiri dari pembuatan PCB, box
panel, penggabungan perangkat keras yang terdiri dari rangkaian elektronik dan box panel. Setelah itu, dilakukan pembuatan software system berdasarkan
flowchart program yang telah dibuat. Program yang
telah dibuat kemudian di-upload ke board arduino. Pengujian Sistem
Pengujian osilator sebelum penguatan amplitudo dan setelah penguatan amplitudo dilakukan untuk mengetahui nilai frekuensi cut off dan respon frekuensi pembangkitan pulsa osilator sebelum dilakukan penguatan dan setelah dilakukan penguatan ampltido. Pengujian nilai ADC dan frekuensi dilakukan untuk mengetahui kelinieritasan pembacaan nilai ADC terhadap frekuensi yang tertampil pada LCD, frekuensi osilator sebelum dan frekuensi setelah penguatan amplitudo yang tertampil pada osiloskop.
Pengujian pembacaan frekuensi dilakukan untuk mengetahui kesalahan error dari keluaran frekuensi osilator, baik frekuensi osilator sebelum penguatan amplitudo maupun setelah penguatan amplitudo. Pengujian kestabilan frekuensi dilakukan untuk mengetahui tingkat kestabilan frekuensi yang dihasilkan oleh osilator baik sebelum dilakukan penguatan amplitudo maupun setelah dilakukan penguatan amplitudo.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Fisik Osilator
Berdasarkan hasil perancangan telah dibuat sebuah alat osilator yang mampu membangkitkan frekuensi sampai 11 MHz dengan amplitudo 1,02 Vpp dan mengeluarkan bentuk gelombang sinus. Ketika osilator tersebut diberi penguatan, osilator hanya mampu membangkitkan frekuensi sampai pada 85 kHz dengan amplitudo 1,04 Vpp – 3,2 Vpp dan mengeluarkan bentuk gelombang sinus. Adapun bentuk fisik osilator seperti pada Gambar 4.
Gambar 3 Alur Program Sistem
Gambar 4.a Tampilan luar Gambar 4.b Tampak bagian dalam Hasil Pengujian Osilator Sebelum Penguatan Amplitudo
Adapun hasil pengujian osilator sebelum penguatan amplitudo ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1 Data Frekuensi dan amplitudo output oscillator sebelum dikuatkan
Frekuensi
LCD (Hz)
Amplitudo
Output (Vpp)
Bentuk
Gelombang
10
1,02
Sinus
100
1,02
Sinus
1000
1,02
Sinus
10000
1,02
Sinus
100000
1,02
Sinus
1000000
1,02
Sinus
2000000
1,02
Sinus
3000000
1,02
Sinus
4000000
1,02
Sinus
5000000
1,00
Sinus
6000000
0,96
Sinus
7000000
0,92
Sinus
8000000
0,88
Sinus
9000000
0,72
Sinus
10000000
0,72
Sinus
11000000
0,72
Sinus
12000000
0,68
Sinus
13000000
0,68
Sinus
14000000
0,66
Sinus
15000000
0,60
Sinus
Osilator yang telah dibuat mampu membangkitkan frekuensi dari 10 Hz-11 MHz. Kemudian nilai frekuensi cut off nya ketika amplitudo 0,707 Avmid (0,707 dari amplitudo maksimum) [5]. Nilai frekuensi cut off dapat diketahui dengan menghitung nilai amplitudo cut off. Adapun perhitungan untuk mengetahui nilai amplitudo cut off yaitu harus diketahui nilai amplitudo maksimum. Adapun rumusnya yaitu sebagai berikut:
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000100000000
A
m
pl
it
udo
(
V
pp)
Frekuensi (Hz)
Avmid merupakan nilai gain maksimum. Berhubung pada pengujian ini belum dilakukan penguatan maka nilai gain tersebut diganti dengan nilai amplitudo output dari DDS. Sehingga gain cut off menjadi amplitudo cut off dan Avmid menjadi nilai amplitudo maksimum. Sehingga dari data yang telah diperoleh dapat dihitung nilai amplitudo cut off nya yaitu
Amplitudo cut off = 0,707×1,02 Vpp = 0,72 Vpp
Hasil amplitudo cut off 0,72 Vpp dapat dilihat pada Tabel 1. Kemudian diketahui bahwa nilai frekuensi cut off yaitu 11 MHz. Selain menggunakan tabel, untuk memperjelas posisi frekuensi cut off atau kurva respon frekuensi osilator sebelum penguatan ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5 Kurva Respon Frekuensi Osilator Sebelum Penguatan Amplitudo Adapun bentuk gelombang yang dikeluarkan oleh rangkaian osilator sebelum penguatan amplitudo yaitu sinus seperti ditunjukkan pada Gambar 6.
Hasil Pengujian Osilator Setelah Penguatan Amplitudo
Pengujian osilator setelah penguatan amplitudo dilakukan dengan 10 kali variasi gain yaitu 1,02; 1,23; 1,47; 1,72; 1,96; 2,21; 2,45; 2,70; 2,94; dan 3,14. Berdasarkan Persamaan 1 didapatkan nilai frekuensi cut off terhadap 10 variasi gain. Adapun nilai cut off hasil pengujian ditunjukkan pada Tabel 2. Gambar 6 Gelombang output oscilator
Tabel 2 Hasil Pengujian Frekuensi Cut off Osilator Setelah Penguatan Amplitudo Variasi
ke- Gain
Frek Cut Off terukur (Hz) 1 1,02 250000 2 1,23 220000 3 1,47 180000 4 1,72 150000 5 1,96 130000 6 2,21 120000
278 R² = 1 y = 0.1x - 0.0065 0 500 1000 1500 0 5000 10000 15000 A DC p a d a L CD Frekuensi pada LCD(Hz)
Gambar 7.a Grafik Pengujian ADC dan Frekuensi pada LCD
Gambar 7.b Grafik Pengujian ADC pada LCD dan Frekuensi Sebelum Penguatan Amplitudo
R² = 1 y = 0.1x + 0.001 0 500 1000 1500 0.00 5000.00 10000.00 15000.00 ADC p a d a L CD
Frekuensi Setelah Penguatan Amplitudo pada Osiloskop (Hz)
Gambar 7.c Grafik Pengujian ADC pada LCD dan Frekuensi Setelah Penguatan Amplitudo
pada Osiloskop
7 2,45 110000
8 2,70 100000
9 2,94 90000
10 3,14 85000
Tabel 2 menunjukkan bahwa setelah dilakukan penguatan amplitudo terjadi penurunan nilai frekuensi cut off. Hal tersebut disebabkan oleh nilai gain bandwitdh product atau GBWP IC LM342N yaitu 1 MHz [6], sedangkan nilai GBWP sebelum dilakukan penguatan atau dari keluaran DDS yaitu 40 MHz. Selain itu, saat gain 1 harusnya amplitudo 1MHz, namun pada kenyataannya yaitu 250kHz. Hal tersebut disebabkan oleh nilai slew rate input yang lebih besar daripada nilai slew rate op-amp sehingga menyebabkan penyempitan bandwidth. Hasil Pengujian Nilai ADC dan
Frekuensi
Pengujian nilai ADC dan frekuensi terdiri dari 3 pengujian yaitu pengujian ADC dan frekuensi pada LCD, pengujian ADC pada LCD dan frekuensi sebelum penguatan amplitudo pada osiloskop serta pengujian ADC pada LCD dan frekuensi setelah penguatan amplitudo pada osiloskop. Hasil pengujian ADC terhadap frekuensi ditunjukkan pada Gambar 7. Hasil pengujian ADC terhadap frekuensi yang tertampil pada LCD ditunjukkan pada Gambar 7.a. Hasil pengujian ADC pada LCD dan frekuensi sebelum penguatan amplitudo pada osiloskop ditunjukkan pada Gambar 7.b
Hasil pengujian ADC pada LCD dan Frekuensi Setelah Penguatan Amplitudo pada Osiloskop. Frekuensi Setelah Penguatan Amplitudo pada Osiloskop
Hasil ketiga grafik pada Gambar 5 menunjukkan bahwa nilai ADC dan nilai frekuensi memiliki linieritas sempurna karena memiliki nilai R square sama dengan 1. Linieritas sempurna berarti setiap kenaikan ADC akan menyebabkan naiknya nilai frekuensi.
Hasil Pengujian Pembacaan Frekuensi
Pengujian pembacaan frekuensi terdiri dari pengujian pembacaan frekuensi pada LCD terhadap frekuensi sebelum penguatan dan pengujian pembacaan frekuensi pada LCD terhadap frekuensi setelah penguatan amplitudo yang tertampil pada osiloskop.
Hasil pengujian pembacaan frekuensi yang tertampil pada LCD dan frekuensi sebelum penguatan amplitudo
Tabel 3 Pengujian Frekuensi pada LCD dan Frekuensi Sebelum Penguatan Amplitudo pada Osiloskop
Frekuensi pada
LCD (Hz)
Frekuensi sebelum penguatan
amplitudo pada Osiloskop (Hz)
Error (%)
10
9,98
0,20
100
99,97
0,03
1000
999,95
0,01
10000
9999,69
0,00
100000
100000,00
0,00
1000000
1000000,00
0,00
10000000
10000000,00
0,00
15000000
15000000,00
0,00
Error rata-rata
0,04
Tabel 3 menunjukkan bahwasanya error rata-rata terhadap pembacaan frekuensi pada LCD dan frekuensi sebelum penguatan amplitudo pada osiloskop sangat kecil sekali yaitu dengan rata-rata 0,04%. Hasil pengujian frekuensi pada LCD dan frekuensi setelah penguatan amplitudo pada osiloskop ditampilkan pada Tabel 4.
Tabel 4 Pengujian Frekuensi pada LCD dan Frekuensi Setelah Penguatan Amplitudo pada Osiloskop
Frekuensi pada LCD (Hz)
Frekuensi setelah penguatan
amplitudo pada Osiloskop (Hz) Error (%)
10 9,98 0,20 100 99,97 0,03 1000 999,95 0,01 10000 9999,69 0,00 100000 100000,00 0,00 1000000 1000000,00 0,00 10000000 - - 15000000 - - Error rata-rata 0,04
Tabel 4 menunjukkan bahwasa error rata-rata terhadap pembacaan frekuensi yang tertampil pada LCD dan frekuensi osilator setelah penguatan amplitudo yang tertampil osiloskop sangat kecil sekali yaitu dengan 0,04% untuk frekuensi 10Hz sampai 1MHz. Sedangkan frekuesi 10 MHz dan 15 MHz frekuensi tidak dapat diukur karena terjadi noise yang sangat besar pada gelombang yang dibangkitkan.
KESIMPULAN
Berdasarkan dari perancangan, pembuatan dan pengujian dapat ditarik kesimpulan yaitu: 1. Berhasil dibuat osilator menggunakan teknologi DDS berbasis Arduino untuk
dimanfaatkan sebagai pembangkit pulsa ECT. Osilator tersebut mempunyai 2 output yaitu output sebelum penguatan amplitudo (output DDS) dan output setelah penguatan amplitudo (output op-amp).
2. Osilator sebelum penguatan amplitudo mampu membangkitkan gelombang sinus pada frekuensi 10 Hz − 11 MHz dengan amplitudo 1,02 Vpp. Sedangkan osilator setelah
penguatan amplitudo mampu membangkitkan gelombang sinus pada frekuensi 10 Hz-85 kHz dengan amplitudo 1,04 Vpp − 3,2 Vpp
3. Error rata-rata frekuensi osilator sebelum penguatan amplitudo yaitu 0,04% pada frekuensi 10 Hz − 15 MHz. Sedangkan error rata-rata frekuensi osilator setelah penguatan amplitudo yaitu 0,04% pada frekuensi 10 Hz − 1 MHz.
4. Osilator sebelum penguatan amplitudo dan setelah penguatan amplitudo memiliki tingkat kestabilan frekuensi yang tinggi dengan standar deviasi mendekati nol. Adapun Osilator sebelum penguatan amplitudo stabil pada frekuensi 10 Hz − 15 MHz. Sedangkan osilator setelah penguatan amplitudo memiliki stabil pada frekuensi 10 Hz − 1 MHz.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Ramos, H.G., Ribeiro, A.L., Rocha, T.J. 2016. Evaluation of transient eddy current
oscillations response for thickness measurement of stainless steel plate. Portugal:
Universidade de Lisbon.
[2] Zhou, H.T., Hou, K., Pan, H.L., Chen, J.J., Wang, Q.M. 2015. Study on the
Optimization of Eddy Current Testing Coil and the Defect Detection Sensitivity.
Procedia Engineering 130, 1649–1657.
[3] Putri, A.S. 2018. Rancang Bangun Probe Bobbin Differential Untuk Pemeriksaan Tube
1,5 Inchi pada Eddy Current Testing. Yogyakarta: Sekolah Tinggi Teknologi
Nuklir-BATAN.
[4] Devices, A. 1999. Complete DDS Synthesizer AD9850.
[5] Surjono, H.D. 2009. Elektronika Lanjut. Jember: Cerdas Ulet Kreatif.
[6] Instruments, Texas. 2015. LMx24-N, LM2902-N Low Power, Quad-Operational
Amplifier.
DISKUSI/TANYA JAWAB :
1. PERTANYAAN (Ari Nugroho -PKSEN BATAN):
Apakah alat ini dikalibrasi ? instansi mana yang mengkalibrasi ? JAWABAN :
![Gambar 2 Kontruksi DDS [4]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/4415121.3212570/2.892.217.609.485.667/gambar-kontruksi-dds.webp)
