RANCANG BANGUN SISTEM PEMBANGKIT PULSA SIMULASI DETEKTOR
NUKLIR
Nugroho Tri Sanyoto1Zumaro2, Sudiono3,
1) STTN – BATAN, Yogyakarta, Indonesia, [email protected] 2) STTN – BATAN, Yogyakarta, Indonesia, [email protected]
3) STTN – BATAN, Yogyakarta, Indonesia, [email protected] ABSTRAK
RANCANG BANGUN SISTEM PEMBANGKIT PULSA SIMULASI DETEKTOR NUKLIR. Telah di rancang Sistem Pembangkit Pulsa Simulasi Detektor Nuklir yang memiliki kesamaan, baik dari segi penggunaan dan manfaat dengan pembangkit pulsa standar yang sering di kenal sebagai ORTEC dan BNC. Pembuatan sistem pembangkit pulsa dalam penelitian ini terdiri dari beberapa modul utama dan pendukung, yakni modul Mikrokontroler, modul Digital to Analog Converter (DAC), modul Penguat Operasional Amplifier, dan LCD yang digunakan sebagai penampil program. Sistem pembangkit pulsa simulasi detektor nuklir yang di buat dengan menggunakan ATmega 32 menghasilkan keluaran DAC sebesar 4.18 volt, dengan penguatan maksimal 8,61 volt. Jangkauan frekuensi pada alat ini adalah 50 Hz – 1500 Hz, yang memiliki linieritas sebesar 0,9985. Nilai Rise Time yang di dapat sebesar 200ns – 400 ns dengan linieritas sebesar 0,9989. Angka pengukuran pada Decay Time di titik 300 µs sebesar 322,97 yang berarti memiliki angka kesalahan sebesar 7,65%. Dari hasil pengujian ketiga paramater tersebut dapat disimpulkan bahwa penelitian ini menghasilkan sistem pembangkit pulsa dengan jangkauan frekuensi antara 50Hz – 1500 Hz, rise time antara 200ns – 400 ns, dan decay time 300 µs.
Kata kunci : Pembangkit Pulsa, Simulasi Detektor Nuklir, ATmega 32, Frekuensi,
ABSTRACT
DESIGN ON NUCLEAR DETECTOR PULSE GENERATOR SIMULATION SYSTEM. Has been designed, which has the similarity both in the form usages and advantages comparing on the standard pulse generator system named ORTEC and BNC. This particular research on pulse generator system consists of several main and supporting modules, such as Microcontroller Modules, Digital to Analog Converter Modules, Operational Amplifier Modules, and LCD which has been used as the programs performer. This pulse generator simulation system of nuclear detector that use ATmega 32 has produced the output of DAC mentioned as 4.18 volt, with the maximum amount of output of amplifier is 8.61 volt. The range of frequency of this designed tool is 50 Hz up to 1500 Hz, by the value of linearity as 0.9985. The range of Rise Time is 200ns – 400 ns, by the value of linearity as 0.9989. The Decay Time value at the point of 300 µs mentioned as 322.97, which means that this value has the error as 7.65%. According to these three parameters result testing, can be identified that this research produced the pulse generator system with the range of frequency between 50 Hz – 1500 Hz, rise time in a window of 200ns – 400 ns, and received decay time as 300 µs.
Keywords: Pulse Generator, Nuclear Detector Simulation, ATmega 32, Frequency.
PENDAHULUAN
Sebagai perguruan tinggi yang menyelenggarakan pendidikan di bidang ilmu pengetahuan dan teknologi nuklir, STTN-Batan dilengkapi dengan fasilitas Laboratorium Instrumentasi Nuklir yang memiliki fungsi sebagai tempat bagi mahasiswa dan dosen untuk melakukan praktikum dan/ atau penelitian terkait instrumentasi nuklir. Untuk dapat menghasilkan pulsa simulasi detektor nuklir, laboratorium ini membutuhkan suatu instrumen yang mendukung. Instrumen tersebut harus memiliki kapasitas yang baik sehingga dapat digunakan oleh praktikan dalam mengamati perubahan pulsa. Instrumen ini juga dituntut untuk memiliki kemampuan dalam pengaturan frekuensi, rise time, decay
time, dan amplitudo, sehingga dapat
menghasilkan sinyal listrik yang mirip dengan pulsa yang dihasilkan oleh suatu detektor dalam proses analisis suatu sumber radiasi. Instrumen ini adalah pembangkit pulsa simulasi detektor nuklir.
Untuk alasan pelatihan mahasiswa, khususnya pada Program Studi Elektronika Instrumentasi, tentu pengadaan instrumen sejenis pembangkit pulsa simulasi detektor nuklir ini harus ditingkatkan. Ini akan menjadi
output yang siginifikan bagi keahlian mahasiswa dalam proses pemeliharaan instrumentasi. Disamping itu, dengan tuntutan peningkatan pengadaan instrumen yang sangat efektif dalam membantu tercapainya tujuan pembelajaran di STTN, mahasiswa akan semakin tertantang untuk berinovasi dan menghasilkan alat-alat serupa dengan lebih mudah dan sederhana.
Karya yang pernah dihasilkan oleh mahasiswa STTN adalah Pulser berbasis mikrokontroler [1]. Hasil ini tentu sangat memuaskan, karena selain membantu peningkatan pengadaan instrumen ini di STTN, juga mempermudah proses praktikum. Namun, dalam karya yang dihasilkan tersebut masih terdapat beberapa hal yang bisa lebih diperdalam untuk mendapatkan kualitas alat yang lebih baik. Oleh karena itu, dalam penelitian ini akan difokuskan untuk menyempurnakan karya yang sudah ada sehingga nilai alat ini akan semakin tinggi. Perbaikan yang akan dilaksanakan dalam penelitian ini adalah (i) mempersingkat rise
time dan decay time, serta (ii) memperlebar
jangkauan frekuensi. Hal ini dianggap perlu karena apabila tujuan penelitian ini tercapai, maka instrumen ini merupakan alat dengan kapasitas, kapabilitas dan keandalan yang tinggi.
DASAR TEORI Pembangkit Pulsa
Pada sistem detektor nuklir, pembangkit pulsa merupakan perangkat yang digunakan sebagai penampil sinyal keluaran yang di dapat, yakni berupa sinyal analog. Dalam penelitian ini, sistem pembangkit pulsa yang di buat adalah jenis simulasi yang akan dijadikan sebagai simulator dari detektor nuklir. Tedapat perusahaan instrumentasi yang sudah memproduksi pulser yaitu ORTEC dan BNC (Barkeley Nucleonics Corporation) yang menggunakan relay mercury yang sudah juga sulit di dapat di pasaran jika terjadi kerusakan untuk melakukan
maintenance. Adapun blok diagram dari
pembangkit pulsa detektor nuklir ditunjukkan oleh Gambar 1.
Gambar1 Blok Diagram Pembangkit Pulsa Simulasi Detektor Nuklir [1] Detektor Nuklir
Detektor sangat erat kaitannya dengan dua besaran yang sangat sering diukur dari suatu paparan radiasi, yakni energi radiasi dan jumlah radiasi. Dalam pengukuran aktivitas sumber radiasi, informasi tentang jumlah radiasi ini sangat diperlukan. Sementara informasi tentang energi radiasi diperlukan untuk menentukan jenis sumber radiasi. Pada dasarnya, detektor akan mengubah setiap radiasi yang diterimanya menjadi sebuah sinyal (pulsa) listrik yang dapat menentukan jumlah radiasi dengan cara mengukur jumlah pulsa listrik yang dihasilkan oleh detektor tersebut.
Mikrokontroler ATmega 32
Mikrokontroler ATmega 32 memiliki register akses cepat dengan komposisi 32
register x 8 bit. Jumlah register yang ada pada mikrokontroler ini digunakan sebagai indirect
address register pointer 16 bit dengan tujuan
peng-alamatan data space. Ini memungkinkan perhitungan alamat yang efisien.
Digital to Analog Converter
IC monolitik yang diperkenalkan pada tahun 1975, DAC (digital to Analog Converter) yang diproduksi dalam IC monolitik adalah seri DAC 0808. Perangkat yang merupakan seri DAC 8 bit ini masih harus memerlukan beberapa komponen eksternal dalam pengaplikasiannya. Komponen eksternal yang dimaksud adalah beberapa resistor, kapasitor dan tegangan referensi. Walaupun telah ditemukan pada awal tahun 1970 an namun IC ini masih dimanfaatkan secara luas hingga sekarang karena ekonomis, waktu
sampling cepat (150 ns), konsumsi daya rendah
senilai 33 mW [2]. Penguat Operasional
Sebagai perangkat yang serbaguna dan efisien, peguat operasional dapat diaplikasikan dalam cakupan industri elektronik yang luas memenuhi kebutuhan untuk pengondisi sinyal, fungsi transfer spesial, instrumentasi analog, komputasi analog, dan desain sistem spesial. Penguat operasional ini pada awalnya digunakan dalam komputasi untuk menjelaskan penguat yang bekerja untuk berbagai operasi matematis. Setelah adanya penemuan bahwa aplikasi umpan balik negatif pada penguat DC yang mempunyai penguatan yang besar dapat menghasilkan rangkaian dengan karakteristik penguatan yang bergantung pada feedback yang digunakan. Basic Compiler - AVR
Perangkat lunak (software) basic compiler
AVR atau bascom AVR dapat digunakan untuk
melakukan kompilasi bahasa basic yang khusus diterapkan dalam mikrokontroler keluarga AVR. Bascom AVR tidak hanya berfungsi sebagai
compiler bahasa basic, namun merupakan suatu
lingkungan pengembangan terpadu atau integrated
development environment (IDE) yang berjalan
dalam sistem windows. [3] METODE PENELITIAN
Informasi alat dan bahan yang dibutuhkan dalam pembuatan sistem pembangkit pulsa simulasi detektor nuklir ini dikelompokkan berdasarkan data dan teori yang sesuai menurut kebutuhan dan fungsi dari setiap komponen yang
digunakan tersebut. Begitu pula dengan tahapan pembuatan perangkat lunak (software) pada mikrokontroler. Program tersebut diatur sedemikian rupa sehingga dapat mengeluarkan kondisi pada port sebagaimana yang disesuaikan dengan kode digital yang berbentuk pulsa eksponensial.
Data-data digital pembentuk sinyal eksponensial sebagai keluaran tersebut dirangkai pada mikrokontroler sesuai dengan kode pada program flash, yang memungkinkan DAC untuk melakukan proses perubahan sinyal menjadi tegangan dalam bentuk analog. DAC ini digerakkan oleh tegangan sebesar 5 volt. Fungsi penguat pembalik dalam rangkaian sistem pembangkit pulsa ini adalah untuk membalik pulsa yang didapat dari DAC, sedangkan peranan penguat non-inverting difungsikan untuk melanjutkan pulsa yang dikeluarkan oleh DAC. Sehingga, tegangan keluaran yang didapat dari penguat ini kemudian di atur besarannya dengan menggunakan rangkaian pengatur amplitudo, yakni berkisar antara 1 – 10 volt. Rangkaian Mikrokontroler
Mikrokontroler ATmega 32 yang digunakan pada penelitian ini didukung oleh rangkaian minimum sistem yang dapat melaksanakan fungsi sebagai pusat kendali dari sistem yang dibuat secara keseluruhan. Program yang ditanamkan pada IC mikrokontroler akan mengerjakan serangkaian perintah yang telah dibuat. Rangkaian mikrokontroler ini dihubungkan ke LCD 16x2 dan tombol yang difungsikan sebagai user interface, yang berjumlah 6 buah terdiri atas reset, start, pengaturan frekuensi, rise time, dan decay time. Gambar 2. merupakan rangkaian IC mikrokontroler yang siap di beri program.
Gambar 2 Rangkaian Mikrokontroler Terdapat 4 (empat) port di dalam ATmega 32, yakni Port A, Port B, Port C, dan
Port D. Masing-masing port memiliki fungsi
yang berbeda pada rangkaian sistem pembangkit pulsa simulasi detektor nuklir ini. Port B _______________________ ________________________________________________ _____________________
dihubungkan dengan LCD 16x2 dengan konfigurasi 4 bit. Port D dihubungkan dengan tombol – tombol, yaitu pin 0, pin 1, pin 2, dan pin 3. Pin 9 dihubungkan ke ground dengan tujuan pada saat tombol reset ditekan maka pin 9 mikrokontroler akan berada pada logic rendah. Rangkaian DAC
Dengan keunggulan yang lebih ekonomis dan penggunaan yang cukup sederhana, IC DAC 0808 banyak ditemukan di pasaran elektronika. DAC jenis ini memiliki 8 pin masukan yang setara dengan 8 bit. Masukan DAC ini merupakan port keluaran pada ATmega 32, dimana setiap angka digital yang dikeluarkan oleh IC ATMega ini ditranformasikan menjadi sinyal analog oelh IC DAC 0808 ini. Rangkaian DAC dapat dilihat pada Gambar 3. berikut :
Gambar 3. Rangkaian DAC Rangkaian Penguat Tegangan
Fungsi rangkaian Op Amp ini adalah untuk menguatkan tegangan keluaran dari DAC yang akan menghasilkan tampilan yang sesuai dengan perencanaan. Tegangan keluaran maksimal dari DAC sebesar 5V. Sesuai dengan fungsinya, penguat dibagi menjadi 2, yakin penguat inverting dan penguat non-inverting, dimana keluaran dari penguat ini dapat di tentukan dengan pemilihan pada saklar SW1. Berikut tampilan rangkaian penguat seperti ditunjukkan oleh Gambar 4.
Gambar 4 Rangkaian Penguat
Pada Gambar 4. tersebut ditunjukkan mengenai rangkaian penguat invering dan penguat
non-inverting, dimana penguat inverting yang
mempunyai jumlah penguatan sebesar 2 x. Penguatan ini didasarkan pada nilai resistor (R5) dan (R6). Pemilihan bentuk sinyal merupakan hubungan antara tegangan keluaran yang didapat dari penguat inverting dan penguat
non-inverting.
PENGUJIAN DAN PEMBAHSAN
Pengujian tiap rangkaian pada pulserMikrokontroler ATmega 32 merupakan salah satu komponen penting dalam penelitian sistem pembangkit pulsa simulasi detektor nuklir ini. Komponen ini kemudian memberikan data masukan ke komponen Digital to Analog
Converter (DAC). Data yang masuk ke DAC ini
akan diperkuat oleh rangkaian operasional amplifier untuk menghasilkan tinggi pulsa seperti yang diharapkan. Komponen ATmega 32 ini di dukung oleh rangkaian minimum system yang dapat digunakan sebagai pusat kendali dari keseluruhan sistem rangkaian. Rangkaian pada Gambar 5. merupakan modul mikrokontroler ATmega 32. Pada rangkaian ini nanti akan ditanamkan program dan LCD sebagai penampilnya.
Gambar 5. Modul Mikrokontroler ATMega 32 Gambar 5. merupakan modul mikrokontroler sebagai penghasil bentuk pulsa dan pengatur frekuensi , rise time serta decay
time. Mikrokontroler ini menggunakan IC
ATmega 32 yang dilengkapi dengan komponen pendukung lainnya. Namun sebelumnya, bentuk pulsa yang dikeluarkan dari ATmega 32 ini berbeda dengan bentukan pulsa pada keluaran akhir.
Pengujian Pada DAC
Modul ini merupakan perangkat yang secara umum memiliki fungsi untuk mengubah sinyal masukan berbentuk digital menjadi keluaran dalam bentuk analog. Besaran keluaran
ini biasanya sebanding dengan nilai digital yang masuk ke DAC. Peranan DAC ini adalah menerima informasi digital dan melakukan transformasi kedalam bentuk tagangan analog. Keluaran DAC sebesar 4,18 volt, yang disebabkan karena pembangkit pulsa pada umumnya memiliki keluaran dalam rentang 1-10 volt. Oleh karena itu diperlukan penguatan sebesar 2 kali. Pengukuran keluaran maksimal DAC dilakukan dengan menggunakan test point 1 pada rangkaian Gambar 6. Keluaran ini di ukur pada titik dimana keluaran belum menuju penguatan. Gambar 6. menunjukkan hasil keluaran maksimal pada DAC.
Gambar 6. Output maksimal DAC
Pada Gambar 6. di dapat informasi bahwa keluaran DAC maksimal sebesar 4,18 volt, sehingga dikategorikan sesuai dengan yang diharapkan. Hal ini dikarenakan jika tegangan maksimal 4,18 volt, apabila dilakukan penguatan sebesar 2 kalinya, maka akan didapat nilai sebesar 8,36 volt yang merupakan nilai kisaran amplitudo dari sistem pembangkit pulsa ini.
Pengujian pada keluran Penguat Inverting dan Non-Inverting
Penguat yang digunakan dalam penelitian ini adalah penguat inverting dan penguat
non-inverting, yang digunakan untuk melakukan
penguatan sebesar 2 kalinya sehingga keluaran dari DAC yang semula sebesar 5 volt menjadi 10 volt. Kedua penguat ini menggunakan jenis IC yang sama, yakni LF 356. Hal ini dikarenakan IC ini adalah jenis yang paling sering digunakan dalam rangkaian elektronika nuklir. Selain itu, pulsa yang dihasilkan bersifat lebih halus. Resistor yang digunakan dalam penguatan inverting ini menggunakan resistor dengan nilai 5 kΩ dan 10 kΩ.
Pengujian Pada keluaran
Modul ini merupakan perangkat yang secara umum memiliki Tabel 1. Knop/ dial yang diatur Nilai skala yang tertampil pada osiloskop PK (%) Alat yang dibuat Frekuensi 50 Hz 1500 Hz 50 Hz 1500 Hz 0% 0 % Rise Time 200ns 300ns 400ns 227,19 ns 321,32 µs 405,41 µs 13,5 % 7,1 % 1,3 % Decay time 300 µs 322,97 µs 7,65 %
Pengujian kelinieran frekuensi dan rise time alat
Keluaran dari pembangkit pulsa disambungkan dengan input pada osiloskop yang kemudian keluaran dari osiloskop disambungkan ke komputer. Pengujian yang dilakukan yakni dalam bentuk eksponensial frekuensi, rise time,
dan decay time.
A. Pengujian Kelinieran Frekuensi pembangkit pulsa yang Dibuat
Hasil pengujian untuk frekuensi dapat dilihat pada tabel 1 yaitu perbandingan antara
dial yang diinginkan pada frekuensi tertentu
dengan output pada osiloskop. Pengukuran dilakukan dari frekuensi 400 Hz hingga 1500 Hz. Perhitungan persen kesalahan dapat dilihat pada rumus dibawah ini dan Tabel 4.5 merupakan tabel pengukuran frekuensi beserta persentasi kesalahan.
PK = [ 𝐷𝑖𝑎𝑙 𝑎𝑙𝑎𝑡 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑒𝑟−𝑠𝑘𝑎𝑙𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑒𝑟𝑡𝑎𝑚𝑝𝑖𝑙 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑜𝑠𝑖𝑙𝑜𝑠𝑘𝑜𝑝𝑠𝑘𝑎𝑙𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑒𝑟𝑡𝑎𝑚𝑝𝑖𝑙 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑜𝑠𝑖𝑙𝑜𝑠𝑘𝑜𝑝 ] x 100%
Tabel 1. Pengukuran frekuensi No Osiloskop (Hz) Alat (Hz) PK (%) 1 50 50,00 0,00 2 100 101,60 1,60 3 150 150,40 0,27 4 200 201,10 0,55 5 250 250,00 0,00 6 300 303,30 1,10 7 350 350,70 0,20 8 400 400,00 0,00 9 450 456,00 1,33 10 500 500,00 0,00 11 550 552,20 0,40 12 600 606,60 1,10 13 650 649,10 0,14 14 700 704,80 0,69 15 750 755,10 0,68 16 800 804,30 0,54 17 850 850,60 0,07 18 900 902,40 0,27 19 950 948,70 0,14 20 1000 1000,00 0,00 21 1050 1000,00 4,76 22 1100 1100,00 0,00 23 1150 1100,00 4,35 24 1200 1200,00 0,00 25 1250 1200,00 4,00 26 1300 1300,00 0,00 27 1350 1300,00 3,70 28 1400 1400,00 0,00 29 1450 1400,00 3,45 30 1500 1500,00 0,00
Dari Tabel 1. diatas dapat dibuat hubungan antara nilai frekuensi pada dial alat yang dibuat dengan nilai yang terukur pada osiloskop. Hal ini akan membantu dalam proses penentuan alur linier dari frekuensi yang di ukur pada jangkauan 50 Hz – 1500 Hz. Alur linier yang dihasilkan merepresentasikan pola penyebaran pembacaan frekuensi pada alat. Dari pengukuran tersebut, di dapat garis persamaan yang merupakan pendekatan garis linier pada semua titik. Pendekatan garis linier yang didapat menunjukkan hasil yang dapat di simpulkan dalam sebuah persamaan, yakni y = 0,9775x + 10,321 dengan R2 sebesar 0,9985.
B. Pengujian Rise Time
Rise time merupakan waktu naik dari
suatu pulsa, yang merupakan hal yang sangat diperlukan dalam pembuatan pembangkit pulsa berbentuk eksponensial. Penghitungan Rise time adalah mulai dari 10 % hingga 90 %. Pada penelitian ini, rise time yang di ukur yakni dari 200ns hingga 400 ns. Berikut grafik linieritas dari rise time yang ditunjukkan oleh Gambar 7.
Gambar7. Grafik pengujian rise time dial alat terhadap nilai yang terukur pada osiloskop. Dari Gambar7. di dapat fungsi linieritas dari rise time yang di dapat adalah y = 0,8911x + 5,643 dan R2 = 0,9989.
KESIMPULAN
Sistem pembangkit pulsa simulasi detektor nuklir yang di buat dengan menggunakan ATmega 32 menghasilkan keluaran DAC sebesar 4.18 volt, dengan penguatan maksimal 8,61 volt. Jangkauan frekuensi pada alat ini adalah 50 Hz – 1500 Hz, yang memiliki linieritas sebesar 0,9985. Nilai Rise Time yang di dapat sebesar 200 ns – 400 ns dengan linieritas sebesar 0,9989. Angka pengukuran pada Decay
Time di titik 300 µs sebesar 322,97 yang berarti
memiliki angka kesalahan sebesar 7,65%. DAFTAR PUSTAKA
[1] Kusuma, M.I. 2014. Rancang Bangun
Pulser Berbasis Mikrokontroler.
Tugas Akhir STTN-BATAN. Yogyakarta
[2] DAC 0808. 1999. Datasheet DAC 0808. National Semiconductor
[3] Muhtadan.. 2010. Pemrograman Micro
Controller AVR dengan BASCOM AVR. Aditya Medika. Yogyakarta
TANYA JAWAB Pertanyaan
Sumber radiasi apa yang dapat dideteksi? Jawaban
Sumber radiasi yang diharapkan dapat dideteksi adalah beta dan gamma.
