PENGKONDISIAN SINYAL DIGITAL

PENGKONDISIAN SINYAL DIGITAL

3.1. PENDAHULUAN

Suatu pertanyaan yang timbul mengapa kita tertarik dalam mengembangkan pengkondisian sinyal digital. Survei menyeluruh terhadap aplikasi elektronik dalam industri memperlihatlan bahwa teknik konversi ke dalam digital mengalami pengingkatan. Ada banyak alasan untuk konversi ini, namun ada dua hal yang penting.

Pertama adalah reduksi terhadap ketidakpasian (uncertainty) ketika melakukan pengkodean informasi secara digital terhadap informasi analog. Jika suatu sistem menyediakan informasi analog, perhatian yang besar harus dilakukan untuk memperhitungkan pengaruh derau listrik, pergeseran (drift) bati suatu penguat, pengaruh pembebanan (loading effects), dan sejumlah permasalahan lain yang dekat dengan elektronika analog. Di dalam sinyal yang dikodekan secara digital, suatu kabel dapat memuat level tinggi atau rendah yang tidak benar-benar rentan terhadap permasalahan di atas berkaitan dengan pemrosesan analog. Akurasi sinyal digital ini dalam merepresentasikan informasi merupakan permasalahan tersendiri.

Alasan kedua untuk konversi ke dalam elektronika digital adalah keinginan perkembangan untuk mempergunakan komputer digital dalam proses industri. Secara normal, komputer memerlukan informasi yang dikodekan dalam bentuk digital sebelum dapat dipergunakan. Pertanyaan mengenai kebutuhan untuk pengkondisian sinyal digital menjadi sebuah pertanyaan mengapa komputer sangat banyak digunakan di dalam industri. Hal ini benar-benar hal kompleks dan banyaknya dapat ditulis berulang-ulang.

Dengan menyebutkan beberapa alasan yang akan dinyatakan, seperti yang akan

didiskusikan lebih lanjut yaitu. (1) kemudahan dengan menggunakan untuk

mengendalikan suatu sistem kontrol proses multivariabel, (2) melalui pemrograman

komputer, nonlinieritas di dalam output transduser dapat dilinierkan, (3) persamaan

kontrol yang rumit dapat diselesaikan untuk menentukan fungsi kontrol yang

diperlukan, dan (4) kemampuan untuk mengubah rangkaian pemroses digital yang

kompleks dalam bentuk mikro seperti integrated circuits (IC). Sungguh, dengan

pengembangan chip mikroporsesor, seluruh komputer dapat diimplementasikan pada

satu papan rangkaian tercetak (PCB). Teknologi ini tidak hanya mengurangi ukuran

fisik, namun juga dapat mengurangi konsumsi daya serta rata-rata kegagalan.

Dengan perkembangan penggunaan komputer dalam teknologi kontrol proses, sangatlah jelas bahwa ada individu dilatih untuk bekerja dalam bidang ini juga harus benar-benar tahu dalam teknologi elektronika digital. Pertanyaan mendasar adalah seberapa jauh persiapan yang diambil dapat mencakup studi mengenai hal kompleks yang terkait. Jawbannya adalah seorang ahli teknologi harus memahami elemen-elemen dan karakteristik dari loop kontrol proses. Dalam konteks ini, elektronika digital dipergunakan sebagai alat untuk mengimplementasikan fitur penting dari kontrol proses dan juga harus dipahami bagaimana piranti tersebut mempengaruhi karakteristik loop.

Anggap bahwa seseorang tidak perlu mengetahui secara mendetail bentuk fisik dari kabel yang dibentangkan untuk memahami aplikasi dari strain gages dalam rangka menggunakan piranti ini dengan baik pada proses kontrol. Hal yang sama pula, seseorang tidak perlu mengetahui desain internal dari gerbang-gerbang logika dan mikrokomputer untuk menggunakan piranti ini dalam kontrol proses. Dalam hal ini, sudut pandang dari bab ini sengaja dipilih untuk membantu pembaca yang memiliki latar belakang dalam teknologi digital untuk memahami aplikasinya dalam kontrol proses.

3.2. KONVERTER

Alat bantu digital yang paling penting untuk teknologi kontrol proses adalah yang menerjemahkan informasi digital ke bentuk analog dan juga sebaliknya. Sebagian besar pengukuran variabel-variabel dinamik dilakukan oleh piranti ini yang menerjemahkan informasi mengenai vaiabel ke bentuk sinyal listrik analog. Untuk menghubungkan sinyal ini dengan sebuahkomputer atau rangkaian logika digital, sangat perlu untuk terlebih dahulu melakukan konversi analog ke digital (A/D). Hal-hal mengenai konversi ini haris diketahui sehingga ada keunikan, hubungan khusus antara sinyal analog dan digital. Seringkali, situasi yang sebaliknya terjadi dimana sinyal digital diperlukan untuk menggerakkan sebuah piranti analog. Dalam hal ini, diperlukan sebuah konverter digital ke analog (D/A).

3.3.1 Komparator

Bentuk komunikasi yang paling mendasar antara wujud digital dan analog

adalah piranti (biasanya berupa IC) disebut komparator. Piranti ini, yang diperlihatkan

secara skematik dalam Gambar 3.4, secara sederhana membandingkan dua tegangan

pada kedua terminal inputnya. Bergantung pada tegangan man yang lebih besar, outputnya akan berupa sinyal digital 1 (high) atau 0 (low). Komparator ini digunakan secara luas untuk sinyal alarm ke komputer atau sistem pemroses digital. Elemen ini juga merupakan satu bagian dengan konverter analog ke digital dan digital ke analog yang akan didiskusikan nanti.

+ - a

b

1 V_a > V_b 0 V_a < V_b

Gambar 3.4 Sebuah komparator merubah keadaan logika output sesuai fungsi tegangan input analog

Sebuah komparator dapat tersusun dari sebuah opamp yang memberikan output terpotong untuk menghasilkan level yang diinginkan untuk kondisi logika (+5 dan 0 untuk TTL 1 dan 0). Komparator komersil didesain untuk memiliki level logika yang dperlukan pada bagian outputnya.

CONTOH 3.7

Sebuah sistem kontrol proses memiliki spesifikasi dimana temperatur tidak boleh melebihi 160C jika tekanan juga melebihi 10N/m

²

(Pa). Deasin sebuah sistem utuk mendeteksi kondisi ini, menggunakan transduser tekanan dan temperatur masing-masing dengan fungsi alih 2.2 mV/C dan 0.2 V/N/m

²

.

SOL US I

Kondisi alarm akan terjadi pada saat sinyal temperatur (2.2 mV/C)(160C) = 3.52 V bersamaan dengan sinyal tekanan (0.2 V/N/m

²

)(10 N/m

²

) = 2 volt. Rangkaian dari Gambar 3.5 memperlihatkan bagaimana alarm ini dapat diimplementasikan dengan komparator dan satu gerbang AND.

Temperatur

Tekanan

Komparator

Komparator

Alarm posisi 3.52 V high

2.0 V

Gambar 3.5 Diagram rangkaian untuk Dontoh 3.7.

3.3.2 Konverter Digital ke Analog (DAC)

Sebuah DAC menerima informasi digital dan mentransformasikannya ke dalam bentuk suatu tegangan ananlog. Informasi digital adalah dalam bentuk angka biner dengan jumlah digit yang pasti. Khususnya ketika dipergunakan sebagai penghubung dengan sebuah komputer, angka biner ini disebut word biner atau word komputer.

Digit-digit tersebut disebut bit word. Sehingga, sebuah word 8 bit akan memberikan sebuah angka biner yang memiliki delapan digit, seperti 10110110

2

. Konverter D/A mengonversi sebuah word digital ke dalam sebuah tegangan analog dengan memberikan skala output analog berharga nol ketika semua bit adalah nol dan sejumlah nilai maksmum ketika semua bit adalah satu. Hal ini dapat direpresentasikan secara matematis dengan memperlakukan angka biner sebagai angka pecahan. Dalam konteks ini, output dari konverter D/A dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan (3.1) yang memberikan skala dari sejumlah tegangan referensi.

V

x

= V

R

[b

1

2

^–1

+ b

2

2

^{– 2}

+ . . . + b

n

2

^{– n}

] (3-3) Dimana

V

x

= output tegangan analog V

_R

= tegangan referensi b

1

b

2 . . .

b

n

= word biner n-bit

Perlu diketahui bahwa minimum dari V

x

adalah nol, dan harga maksimum ditentukan oleh ukuran dari word biner, karena dengan semua bit yang diset berharga satu, ekivalen desimal mendekati harga V

R

sesuai dengan peningkatan jumah bit.

Sehingga sebuah word 4-bit memiliki harga maksimum

V

max

= V

R

[2

^–1

+ 2

^{– 2}

+ 2

^{– 3}

+ 2

^{– 4}

] = 09375 V

R

Sedangkan sebuah word 8-bit mamiliki harga maksimum

V

_max

= V

_R

[2

^–1

+ 2

^{– 2}

+ 2

^{– 3}

+ 2

^{– 4}

+ 2

^–5

+ 2

^{– 6}

+ 2

^{– 7}

+ 2

^{– 8}

] = 09961 V

_R

RESOLUSI KONVERSI

Resolusi konversi juga merupakan sebuah fungsi jumlah dari bit-bit yang ada

dalam word. Lebih banyak bit, lebih kecil perubahan di dalam output analog untuk

perubahan 1-bit di dalam word biner sehingga resolusi semakin besar. Perubahan terkecil yang mungkin terjadi secara sederhana dinyatakan oleh

V

x

= V

R

2

^{– n}

(3-4)

Dimana

V

x

= perubahan output terkecil V

R

= tegangan referensi

n = jumlah bit-bit di dalam word

sehingga, sebuah konverter D/A word 5-bit dengan tegangan revferensi 10 volt akan menghasilkan perubahan sebesar V

_x

= (10) (2

^{– 5}

) = 0.3125 volt per volt.

CONTOH 3.8

Tentukan berapa banyak bit yang harus dimiliki sebuah konverter D/A untuk memberikan peningkatan output sebesar kurang dari 0.04 volt. Tegangan referensi adalah 10 volt.

SOL US I

Salah satu cara untuk mendapatkan solusi ini adalah dengan secara kontinyu mencoba ukuran word hingga diperoleh resolusi yang jatuh kurang dari 0.04 volt per bit. Sebuah prosedur yang lebih analitik adalah membentuk persamaan

V = 0.04 = (10) (2

^{– y}

)

sembarang n yang lebih besar dari bagian integer dari eksponen 2 dalam persamaan ini akan memenuhi keperluan. Dengan mengambil logaritma

log (0.04) = log (10) (2

^{– y}

) log (0.04) = log (10) – y log 2

y = log 2

(0.04) log - (10) log

y = 7.966

sehingga, sebuah n = 8 akan memenuhi kriteria yang diinginkan. Hal ini dapat dibuktikan dengan Persamaan (3-4).

V

x

= (10) (2

^{– 8}

)

V

_x

= 0.0390625 volt

Konverter Digital ke Analog a₀

a₁ a₂ a₃ a₄

a_n-1 a_n

Tegangan output analog

V_x

Logika untuk memulai konversi

+V GND -V V_R

Gambar 3.6 Diagram yang memperlihatkan input dan output dari konverter digital ke analog (DAC) n

-bit.

KARAKTERISTIK DAC

Untuk aplikasi modern hampir semua DAC berupa rangkaian terintegrasi (IC), yang diperlihatkan sebagai kotak hitam memiliki karakteristik input dan output tertentu.

Dalam Gambar 3.6, kita lihat elemen penting dari DAC dengan input dan output yang diinginkan. Karakteristik yang berkaitan dapat diringkas oleh referensi dari gambar ini.

1. Input Digital. Secara khusus, jumlah bit dalam sebuah word biner paralel disebutkan di dalam lembar spesifikasi. Biasanya, level logika TTL dipergunakan kecuali dikatakan lain.

2. Catu Daya. Merupakan bipolar pada level ± 12 V hingga ± 18 V seperti yang dibutuhkan oleh amplifier internal.

3. Suplai Referensi. Diperlukan untuk menentukan jangkauan tegangan output dan resolusi dari konverter. Suplai ini harus stabil, memiliki riple yang kecl. Dalam beberapa unit, diberikan referensi internal.

4. Output. Sebuah tegangan yang merepresentasikan input digital. Tegangan ini berubah dengan step sama dengan perubahan bit input digital dengan step yang ditentukan oleh Persamaan (3-4). Output aktual dapat berupa bpolar jika konverter didesain untuk menginterpretasikan input digital negatif.

5. Offset. Karena DAC biasanya diimplementasikan dengan op-amp, maka

mungkin adanya tegangan output offset dengan sebuah input nol. Secara khusus,

koneksi akan diberikan untuk mendukung pengesetan ke harga nol dari output DAC dengan input word nol.

6. Mulai konversi. Sejunlah rangkaian DAC memberikan sebuah logika input yang mempertahankan konversi dari saat terjadinya hingga diterimanya sebuah perintah logika tertentu (1 atau 0). Dalam ini, word input digital diabaikan hingga diterimanya input logka tertentu.

Dalam sejumlah hal, sebuah buffer input diberikan untuk memegang (hold) word digital selama dilakukannya konversi hingga selesai, bahkan word ini sendiri dapat muncuk pada jalur input hanya dalam waktu singkat. Buffer-buffer ini biasanya berupa flip-flop (FF) yang yang dimasukkan di antara terminal-terminal input dari konverter dan jalur digital.

STRUKTUR DAC

Jelasnya, sebuah DAC dipergunakan sebagai kotak hitam (black box), dan tidak ada pengetahuan mengenai cara kerja internal diperlukan. Ada beberapa hal penting ntuk menunjukkan bagaimana konversi dapat diimplementasikan. Konversi yang paling sederhana mempergunakan sebuah suatu deretan op-amp ntuk input dengan tujuan dipilih penguatan yang memberikan suatu output sesuai dengan Persamaan (3-3).

Macam yang paling umum adalah mempergunakan sebuah jaringan ladder resistif untuk

menghasilkan fungsi transfer. Jaringan ini diperlihatkan dalam Gambar 3.7 dalam hal

konverter 4-bit. Dengan pilihan resistor R-2R, dapat diperlihatkan malaui analisis

jaringan dimana teganganoutput diberikan oleh Persamaan (3-4). Saklar merupakan

saklar analog elektronik.

b₄

- 2R +

2R

2R

2R

2R

R R R

R

b₃

b₂

b₁

Op Amp

Tegangan Output Analog

Gambar 3.7 Jaringan ladder merupakan suatu contoh untuk sebuah rangkaian umum untuk konverter D/A.

CONTOH 3.9

Sebuah katup kontrol memiliki variasi linier untuk bukaan sesuai dengan variasi tegangan input dari 0 – 10 volt. Sebuah mikrokomputer menghasilkan output 8-bit untuk mengendalikan pembukaan katup kontrol dengan mempergunakan sebuah DAC 8-bit ntuk menghasilkan tegangan katup. (a) Cari tegangan referensi yang diperlukan untuk mendapatkan suatu pembukaan katup penuh (10 volt); (b) Cari persentase pembukaan katup untuk perubahan 1-bit dalam word input.

SOL US I

(a) Kondisi bukaan katup penuh terjadi dengan inpt tegangan 10 volt. Jika sebuah referensi 10 volt dipergunakan, sebuah word digital penuh 11111111 tidak akan memberikan tepat 10 volt, sehingga kita akan mempergunakan sebuah referensi tegangan yang lebih besar. Sehingga kita dapatkan

V

_x

= V

_R

[b

₁

2

^–1

+ b

₂

2

^{– 2}

+ . . . + b

₈

2

^{– 8}

]

10 = V

R





 



   

256 . 1 . 4 . 1 2

1 (3-3)

V

R

=

9961 . 0

10 = 10.0039

(b) Persentase perubahan katup tiap step ditentukan pertama kali dari

V

x

= V

R

2

^{– 8}

V

x

= (10.0039) 256

1

V

_x

= 0.0392 V sehingga,

% = 10

00) (0.0392)(1

= 0.392 %

DAC SERIAL

Dalam sejumlah kasus, word digital merupakan tipe serial pada jalur input selain bit paralel. Dalam hal ini, diperlukan baik konverter serial maupun konverter serial ke paralel, dengan output bufer.

3.3.3 Konverter Analog ke Digital (ADC)

Meskipun ada beberapa transduser yang memberikan output sinyal digital secara langsung dan sdang dikembangkan, sebagian besar transduser tetap hanya mengkonversi variabel dinamik ke dalamsebuah sinyal lsitrik analog. Dengan peningkatan penggunaan logika digital dan komputer di dalam kontrol proses, sangat [erlu untuk mempergunakan sebuah DAC untukmenhasilkan sebuah output yang dikodekan secara digital. Fungsi transfer dari ADC dapat diekspresikan dengan cara yang sama denga Persamaan (3-3) dalam sejumlah tegangan analog yang diberikan sebagai nput, dan konverter mendapatkan sebuah bilangan biner yang jika disubstitusikan ke dalam Persamaan (3-3) memberikan input analog. Sehingga

V

x

= V

R

[b

1

2

^–1

+ b

2

2

^{– 2}

+ . . . + b

n

2

^{– n}

] (3-5) Dimana

V

x

= input tegangan analog V

_R

= tegangan referensi b

1

b

2 . . .

b

n

= output digital n-bit

Kita mempergunakan kesamaan pendekatan dalam ersamaan ini karena tegangan di sebelah kanan dapat berubah oleh ukuran step yang terbatas oleh Persamaan (3-4),

V = V

R

2

^{– n}

(3-4)

Hal ini berarti bahwa ada ketidakpastian dari V di dalam melakukan konversi dari

tegangan analog ke snyal digital. Ketidakpastian ini harus diambil ke dalam

perhitungan di dalam aplikasi desain. Jika permasalahan sesuai dengan pertimbangan menentukan suatu resolusi tertentu terhadap tegangan analog, maka ukuran word dan referensi harus dipilih ntuk mendapatkan resolusi ini dalam bilangan yang dikonversikan ke bilangan digital.

CONTOH 3.10

Temperatur akan diukur oleh sebuah transduser dengan output 0.02 volt/C. Tentukan referensi ADC yang diperlukan dan ukuran waord untuk mengukur 0 – 100C dengan resolusi 0.1C.

SOL US I

Pada temperatur maksimum 100C, tegangan output adalah.

(0.02 V/C) (100C) = 4 V sehingga dipergunakan referensi 2 V.

Sebuah perubahan 0.1C menghasilkan suatu perubahan tegangan (0.1C) (0.02 V/C)= 2 mV

sehingga kita memerlukan ukuran word 0.002 V = (2) (2

^{– y}

)

Memilih sebuah ukuran n dengan satu bagian integer dari y. Sehingga, menyelesaikannya dengan logaritma kita dapatkan

y = log 2

(0.002) log

- (2) log

y = 9.996  10

sehingga, sebuah word 10 bit diperlukan untuk resolusi ini. Sebuah word 10-bit memiliki resolusi

 V = (2) (2

^{– 10}

)

V

_x

= 0.00195 volt

yang lebih kecil dari resolusi minimum yang diperlukan yaitu 2 mV.

CONTOH 3.11

Cari word digital yang diperoleh dari input 3.217 volt untuk sebuah ADC 5-bit dengan referensi

5 volt.

SOL US I

Hubungan antara input dan output adalah

V

_x

= V

_R

[a

₁

2

^–1

+ a

₂

2

^{– 2}

+ a

₃

2

^{– 3}

+ a

₄

2

^{– 4}

+ a

₅

2

^{– 5}

] (3-5) Sehingga, kita akan mengkodekan sebuah bilangan pedahan yaitu V

x

/V

R

atau

a

₁

2

^–1

+ a

₂

2

^{– 2}

+ . . . + a

₅

2

^{– 5}

= 5 127 .

3 = 0.6254

Menggunakan metoda perkalian succesive yang dinyatakan dalam SubBab 3.2.2, kita peroleh

0.6254 (2) = 1.2508  a

1

= 1 0.2508 (2) = 0.5016  ^a

2

= 0 0.5016 (2) = 1.0032  a

3

= 1 0.0032 (2) = 0.0064  a

4

= 0 0.0064 (2) = 0.0128  a

5

= 0 Sehingga outputnya adalah 10100

2

.

STRUKTUR A/D

Hampir semua ADC yang tersedia dalam bentuk rakitan rangkaian terintegrasi (IC) yang dapat dianggap sebagai kotak hitam (black box). Untuk dapat benar-benar mengenal karakteristik dari piranti ii, sangatlah penting untuk memeriksa teknik standar yang dipergunakan untuk melakukan konversi. Ada dua metoda yang dipergunakan untuk melakukan konversi yang merepresentasikan pendekatan yang sangat berbeda untuk permasalahan konversi.

ADC PARALEL – FEEDBACK

Konverter A/D paralel-feedback menerapkan sistem umpan balik (feedback)

untuk melakukan konversi seperti diperlihatkan pada Gambar 3.8. Pada dasarnya,

sebuah komparator dipergunakan untuk membandingkan tegangan input V

x

terhadap

sebuah tegangan umpan balik V

P

yang berasal dari sebuah DAC seperti tampak dalam

gambar. Komparator menghasilkan sinyal yang menggerakkan sebuah jaringan logika

yang menaikkan output digital (dan juga input DAC) hingga komparator

mengindikasikan dua sinyal adalah sama sesuai resolusi dari konverter. Konverter

paralel-feedback yang paling populer adalah pendekatan successive. Pada piranti ini,

susunan rangkaian logika dibuat secara successive dan menguji setiap bit, dimulai

dengan bit paling penting (MSB) dari word. Kita memulainya dengan semua bit nol.

Dari sini, operasi pertama adalah dengan mengeset b

₁

= 1 dan menguji V

_F

= V

_R

2

^{– 1}

terhadap V

x

melalui komparator.

Jaringan pencacah logika

Konverter D/A -

+

Komparator V_x

V_F

V_R Supply

b₁ b₂ b_n

Output Digital Konversi selesai Konversi mulai

Gambar 3.8 Konverter A/D tipe pendekatan successive sangat umum digunakan dan melibatkan penggunaan konverter D/A.

Jika V

x

lebih besar, maka b

1

adalah satu; b

2

diset ke 1 dan dilakukan test bagi V

x

terhadap V

V

= V

R

(2

^{– 1}

+ 2

^{– 2}

), dan seterusnya.

Jika V

_x

lebih kecil dari V

_R

2

^–1

, maka b

₁

direset ke nol; b

₂

diset ke 1 dan dilakukan test bagi V

x

terhadap V

R

2

^{– 2}

. Proses ini diulang hingga bit terendah (least significant bit) dari word. Operasi yang terjadi paling baik diilustrasikan melalui contoh.

CONTOH 3.12

Cari pendekatan successive output ADC untuk konverter 4-bit terhadap input 3.217 volt jika referensi adalah 5 volt.

SOL US I

Mengikuti prosedur secara garis besar, kita mendapatkan operasi berikut. Dengan V

x

= 3.217.

(1) Mengeset b

1

= 1 V

F

= 5(2

^{– 1}

) = 2.5 volt V

x

> 2.5 biarkan b

1

= 1

(2) Mengeset b

2

= 1 V

F

= 2.5 + 5(2

^{– 2}

) = 3.75 volt

V

_x

< 3.75 reset b

₂

= 0

(3) Mengeset b

₃

= 1 V

_F

= 5(2

^{– 3}

) = 3.125 volt V

x

> 3.125 biarkan b

1

= 1

(4) Mengeset b

4

= 1 V

F

= 3.125 + 5(2

^{– 4}

) = 3.4375 volt V

x

< 3.4375 mereset b

1

= 0

Melalui prosedur ini, kita dapatkan output merupakan sebuah word biner 1010

2

.

Selain input analog, output digital, catu daya, dan referensi input, sebagian besar konverter A/D memiliki sebuah input logika untuk memulai konversi (start conversion) dan sebuah output logika konversi selesai (finished conversion) seperti diperlihatkan pada Gambar 3.8.

A/D RAMP

Konverter A/D tipe ramp pada intinya membandingkan tegangan input terhadap tegangan ramp yang naik secara linier. Sebuah pencacah (counter) biner diaktifkan untuk mencacah step ramp sampai tegangan ramp sama dengan input. Ramp ini sendiri dihasilkan oleh sebuah rangkaian integrator op-amp, yang didiskusikan dalam SubBab 2.5.6.

Pencacah Digital

Jaringan logika -

+ - V_x

+ V_R

Komparator

Op amp

Mulai konversi Konversi selesai

b₁ b₂

b_n C

R

Gambar 3.9 Konverter A/D slope ganda mempergunakan integrator op-amp, komparator, dan rangkaian digital yang berkaitan.

A/D RAMP SLOPE GANDA

ADC ini merupakan tipe yang paling umum dari konverter ramp. Diagram yang

disederhanakan dari piranti ini diperlihatkan pada Gambar 3.9. Prinsip kerjanya

berdasar pada kemampuan sinyal input untuk menggerakkan integrator untuk waktu tetap T

₁

, sehingga menghasilkan sebuah output



 dt

RC 1 V

^x

V

₁

(3-6)

atau karena V

_x

adalah konstan,

T

x

RC 1 V

V

₁



₁

(3-7)

Setelah waktu T

1

, input integrator secara elektronis tersaklar pada suplai referensi yang bernilai negatif. Kemudian komparator melihat sebuah tegangan input yang berkurang dari V

₁

sebagai





 dt

RC 1 V

^R

V

V

_{2 1}

(3-8)

atau , karena V

R

adalah konstan dan V

1

diperoleh dari Persamaan (3-7),

t

R

T RC

RC 1 V

1 V

V

₂



_{1 x}

 (3-9)

sebuah pencacah diaktifkan pada waktu T

1

dan mencacah hingga komparator mengindikasikan V

2

= 0 pada waktu t

x

, Persamaan (3-9) mengindikasikan bahwa V

x

sebesar

R x

x

T

t V

V

1

 (3-10)

Sehingga, waktu pencacah t

x

adalah linier terhadap V

x

dan juga tidak bergantung pada

karakteristik integrator, yaitu R dan C. Prosedur ini diperlihatkan dalam diagram waktu

pada Gambar 3.10 konversi dimulai sinyal digital konversi mulai (start) dan selesai

(complete) jugadipergunakan dalam piranti ini, dan (dalam beberapa kasus) referensi

internal atau eksternal dapat dipergunakan.

V

Output integrator

Waktu

Mulai mencacah

Berhenti mencacah t_x

T₁

Gambar 3.10 Konverter A/D slope ganda mencacah waktu yang diperlukan untuk zero crossing

output integrator dari sebuah input yang diketahui.

CONTOH 3.13

Sebuah ADC slope ganda seperti diperlihatkan dalam Gambar 3.9 memiliki R = 1 k dan C = 0.01 F. referensi adalah 10 volt, dan waktu integrasi adalah 10 s. Cari waktu konversi untuk input 6.8 volt.

SOL US I

Kita cari tegangan setelah waktu integrasi 10 s sebagai

T

x

RC 1 V

V

₁



₁

01 μF) . 0 )(

1 (

μs)(6.8 V) V

₁

(10

 

k (3-7)

V

1

= 6.8 volt

Kemudian kita dapatkan waktu yang diperlukan untuk mengintegrasikan ke harga nol V

2

= 0 dalam

R x

RC t RC

T V V

V

₂



^{1 x}

 (3-9)

sehingga,

R x

t T V

V

_x



1

V 10

) V 8 . 6 μs )(

10

 ( t

x

t

_x

= 6.8 s

kemudian waktu konversi total adalah 10 s + 6.8 s = 16.8 s.

KARAKTERISTIK UMUM

Sejumlah besar fitur umum yang mungkin dimiliki oleh konverter A/D, yang penting dalam aplikasi:

1. Input. Biasanya berupa level tegangan analog. Level yang paling umum adalah 0 – 10 volt atau –10 hingga +10 jika dimungkinkan konversi bipolar. Dalam beberapa kasus, level ditentukan oleh sebuah referensi suplai eksternal.

2. Output. Sebuah word biner paralel atau serial yang merupakan hasil pengkodean input analog.

3. Referensi. Stabil, sumber dengan ripple kecil terhadap konversi.

4. Suplai Daya. Biasanya, sebuah suplai bipolar ±12 hingga ±18 V diperlukan untuk amplifier analog dan komparator dan sebuah suplai +5 V untuk rangkaian digital.

5. Input Sample and Hold. Error timbul jika tegangan inputberubah selama proses konversi. Untuk alasan ini, sebuah amplifier sample and hold selalu dipergunakan pada input untuk memberikan sebuah tegangan input tetap ntuk proses konversi.

6. Sinyal digital. Sebagian besar ADC memerlukan sebuah logika input tinggi pada jalur yang diberikan untukmenginisialisasi proses konversi. Ketika konversi selesai, ADC biasanya memberikan sebuah level tegangan tinggi pada jalur lainnya sebagai indikator untuk mengikuti perlengkapan status.

7. Waktu konversi. ADC harus berurutan melalui sebuah set operasi sebelum dapat menemukan output digital yang diinginkan. Untuk alasan ini, sebuah bagian penting dari spesifikasi adalah waktu yang diperlukan untuk konversi. Waktu adalah 10 – 100 s bergantung pada jumlah bit dan desain dari konverter.

CONTOH 3.14

Suatu pengukuran temperatur mempergunakan sebuah transduser dengan output 6.5 mV/C digunakan untuk mengukur 100C. Digunakan sebuah ADC 6-bit dengan referensi 10 volt. (a) buat sebuah rangkaian untuk menghubungkan transduser dan ADC; (b) Cari resolusi temperatur.

SOL US I

Untuk mengukur 100C ini berarti output transduser pada 100C adalah

(6.5 mV/C)(100C) = 0.65 volt

(a) Rangkaian interface harus memberikan sebuah penguatan (gain) sehingga pada 100C output ADC adalah 111111. Tegangan input yang akan menghasilkan output ini diperoleh dari

V

x

= V

R

[a

1

2

^–1

+ a

2

2

^{– 2}

+ … + a

6

2

^{– 6}

]

V

x

= 10 



 



   

64 . 1 . 4 . 1 2

1 (3-5)

V

_x

= 9.84375 V

Sehingga, penguatan yang dibutuhkan harus memenuhi tegangan ini ketika temperatur 100C.

Penguatan = 65 . 0 84375 . 9 = 15.14

Rangkaian op-amp dari Gambar 3.11 eken memberikan penguatan sebesar ini.

(b) Resolusi temperatur dapat dicari melaui arah mundur dari perubahan tegangan LSB dari ADC.

V = V

R

2

^{– n}

V = (10) (2

^{– 6}

) = 0.16525 V (3-4) dengan arah mundur melalui penguatan ini berkaitan dengan perubahan transduser

V

T

=

14 . 15

15625 .

0 = 0.01032 V

atau pada temperatur

T =

C V/

0065 . 0

V 01032 . 0

 = 1.59 C

- + 14.14 k

1 k

ADC

8 V Referensi

Output 6 bit 6 mV/^oC

Gambar 3.11 Gambar untuk contoh 3.14

.

3.3. SISTEM OUTPUT DAN AKUISISI DATA

Sebuah komputer digital dapat melakukan sejumlah besar perhitungan dalam hitungan detik, karena waktu tipikal yang diperlukan untuk mengeksekusi satu instruksi dapat hanya beberapa mikrodetik. Sebagai contoh, sebuah mikroprosesor dapat menjumlakan dua bilangan biner 8-bit dalam waktu 2 s. sebaliknya, sebagian besar instalasi kontrol proses melibatkan variasi variabel proses dengan skala waktu hitungan menit. Untuk alasan ini dan alasan lainnya yang dibicarakan dalam Bab 10, penggunaan efisien dari komputer dalam kontrol proses dimaksudkan agar sebuah komputer tunggal dapat mengendalikan sejumlah variabel. Untuk melakukan hal ini, secara periodik komputer akan mengambil sampel harga dari masing-masing variabel, mengevaluasi harga tersebut sesuai denganoperasi kontrol terprogram, dan mengeluarkan output sebuah sinyal pengontrol yang sesuai untuk elemen kontrol final. Di bawah kontrol program, komputer memilih variabel terkontrol lainnya, mengambil sampel, mengevaluasi, dan menghasilkan output, dan begitu seterusnya untuk sema loop di bawah kontrol tersebut. Mengambil sebuah sampel angka dari dnia nyata ke dalam komputer tidaklah mudah. Hal ini membutuhkan sebuah kombinasi hardware dan software (program) untuk memungkinkan bagi komputer membaca bilangan yang merepresentasikan sejumlah variabel proses, seperti temperatur, tekanan, dan lain-lain.

Keseluruhan proses melakukan hal ini, dan mengembalikannya sebagai output,

semuanya ini disebut interface. Sekarang, seseorang daat mengambil sebuah ADC dan

beberapa amplifier yang perlu dan menulis sebuah program yang diperlukan untuk

bekerja bersama-sama dengan sebuah interface untuk sejumlah komuter untuk sebuah

aplikasi proses. jika komputer dipergunakan untukmengendalikan beberapa loop, kita

akan memerlukan sistem tersebut untuk masing-masing variabel sebagai input. Selain

itu, untuk mengambil input kita dapat mempergunakan sebauh sistem akuisisi data

(Data Acquisition System – DAS) yang memungkinkan lebih dari satu variabel untuk

diambil sampelnya dari beberapa sumber untuk dimasukkan ke dalam komputer dengan

pemrograman yang sesuai. Begitu juga, sebuah modul output data (Data Output

Module – DOM) memungkinkan komputer untuk mengeluarkan sinyal output untuk

lebih dari satu sumber di bawah kontrol program.

Sistem Akuisisi Data (DAS)

Ada banyak tipe yang berbeda dari sistem akuisisi data, namun sangatlah mungkin untuk generalisasi elemen paling pentingnya seperti diperlihaktan pada Gambar 3.12. Paragraf di bawah menyajikan deskripsi umum dari masing-masing blok dari DAS. Perlu diketahui bahwa hampir semua sistem akuisisi data tersedia dalam bentuk modul kecil yang berisi rangkaian-rangkaian yang diperlihatkan dalam Gambar 3.12. Pada umumnya, modul menerima sejumlah input analog, yang disebut kanal (channel), baik sebagai sinyal tegangan differensial (dua kawat – two wire) maupun sinyal tegangan tunggal (terhadap ground). Secara khusus, sebuah sistem dapat memiliki delapan kanal input differensial atau enam belas kanal input tunggal.

Kemudian komputer dapat memilih salah satu dari kanal-kanal tersebut dibawah kontrol program untuk input data di dalam kanal.

Dekoder Alamat

Pengunci

output ADC

Multiplekser Analog

V_ref Amplifier Jalur

kontrol Jalur data komputer

Jalur data komputer

Kanal input analog

Gambar 3.12 Sistem akuisisi data

DEKODER ALAMAT

Bagian dari DAS ini menerima sebuah input dari komputer melalui jalur alamat

(16 bit untuk mikroprosesor 8-bit) yang berfungsi memilih sebuah kanal analog tertentu

yang akan diambil sampelnya. Modul iniseringkali didesain sedemikian rupa sehingga

gabungan dari kanal tertentu dan sebuah word alamat komputer dapat dipilih oleh

pemakai (user). Dalam beberapa hal, hal ini dilakukan dengan membuat alamat kanal

modul muncul pada komputer sesuai dengan alamat lokasi memori, hal ini terkadang

dipilih sejmlah kanal input analog. Dengan kata lain, pemilihan kanal input adalah ekivalen dengan pembacaan isi dari sebuah lokasi memori. Dalam sistem yang lain, sebuah kode biner dikirim dari komputer melalui piranti khusus input/ output untuk memilih sebuah kanal analog dan memasukkan data melalui kanal tersebut. Dalam hal ini, pemilihan kanal dilakukan oleh sesuatu yang disebut piranti pemilih kode (device select code).

MULTIPLEKSER ANALOG

Elemen DAS ini pada dasarnya sebuah saklar yang mengambil sinyal alamat yang dikodekan dan memilih data pada kanal yang terpilih dengan penutupan sebuah saklar yang terhubung pada jalur input analog.

Seperti diperlihatkan pada Gambar 3.13 untuk sebuah sistem akhiran tunggal, multiplekser menerima sebuah input dari dekoder alamat dan mempergunakannya untuk menutup saklar yang sesuai memasukkan sinyal kanal yang akan dilewatkan pada tahap berikutnya dari DAS. Gambar 3.13 memperlihatkan kanal 2 yang telah dipilih, yang mungkin telah dipilih oleh sebuah 10 pada jalur input. Dengan cara yang sama, 00 akan memilih kanal 0, 01 kanal 1, 10 kanal 2, dan 11 kanal 3. sehingga, dekoder alamat harus mengkonversi jalur alamat komputer pada salah satu dari empat kemungkinan tersebut ketika DAS telah dialamatkan oleh komputer. Elemen saklar aktual biasanya berupa Transisto Efek Medan (FETs) yang berada pada posisi resistansi “on”beberapa ratus ohm dan sebuah resistansi “off” ratusan hingga ribuan megaohm.

Pemilih saklar Dari

dekoder alamat

Output analog Kanal analog

0 1 2 3

Gambar 3.13 Multiplekser analog empat kanal

AMPLIFIER

Hampir semua sistem akuisisi data meliputi sebuah bati penguatan yang memungkinkan pengguna (uaser) untuk mengkompensasi level sinyal input. Gabungan ADC umumnya didesain untuk beroperasi dari sebuah jangkauan input unipolar definit atau bipolar sehinggalevel input harus disetel pada daerah ini. Sehingga jika input sinyal ADC harus berada pada jangkauan 0 hingga 5 volt, penguatan dengan suatu bati menjamin bahwa input berada dalam daerah ini. Jika ada perbedaan besar antara bermacam level sinyal input, sejumlah pengkondisian snyal mungkin diperlukan sinyal diberikan pada DAS.

ADC

Tentu saja, sebuah bagian penting dari DAS adalah konverter analog ke dgital.

Konverter ini akan menerima tegangan dengan rentang jangkauan tertenu seperti yang diberikan oleh pengkondisian sinyal yang mendahuluinya. Konverter biasanya dapat dikonfigurasi untuk menerima input unipolar atau bipolar. Hal-hal seperti penyetelan offset dan penyetelan skala penuh harus dilakukan.

Modul Output Data (DOM)

Paragraf sebelumnya mendeskripsikan sistem yang dipergunakanuntikmemasukkan data ke komputer. Umumnya, hal ini adalah sebuah variabel kontrol proses yang terkontrol. Baik dalam kontrol pengawasan (supervisory control) atau kontrol digital langsung (direct digital control), juga diperlukan untuk memberikan sebuah mekanisme dimana komputer dapat menghasilkan output sebuah sinyal baik sebagai penyetelan setpoint atau kepada elemen kontrol akhir. Antarmuka (interface) jenis ini dibuat untuk sistem beberapa kanal oleh Modul Output Data (Data Output Module – DOM). Blok umum dari piranti ini diberikan dalam Gambar 3.14.

Tujuan mum dari dekoder alamat adalah sama dengan DAS, yaitu memungkinkan komputer untuk memilih sebuah kanal output tertentu. Dalam hal ini, komputer

“menuliskan” informasi ke dalam sebuah lokasi memori atau alamat output yang

dikonversikan ke sebuah tegangan analog oleh DAC. Kita mempergunakan sebuah

demultiplekser yang dapat mensaklar output dari DAC ke dalam salah satu dari word

data output yang berada dalam jalur data untuk beberapa mikrodetik. Pengunci (latch)

menahan (hold) data ini cukup lama untuk konversi dan aplikasi dalam loop kontrol proses.

Dekoder Alamat

Pengunci

input DAC

Multiplekser Analog

V_ref Jalur

kontrol Jalur data komputer

Jalur data komputer

Kanal output analog

Gambar 3.14 Modul data output

Catatan Aplikasi

Ada banyak faktor yang harus dipertimbangkan ketika sebah DAS atau DOM dipergunakan. Paragraf berikut mendiskusikan beberapa faktor ini.

SAMPLE AND HOLD

Ketika mempergunakan DAS, harus dilakukan perhitungan kaarena sebenarnya sinyal pada kanal input dapat berubah-ubah dengan cepat. Jika perubahan cukup cepat sehingga sinyal bervariasi selama waktu konversi, sebuah sample and hold arus dipergunakan pada kanal tersebut untuk memegang (hold) nilai input selama konversi.

Hal ini menambah kompleksitas dari software karena harus dilakukan perhitungan untuk perintah modul sample and hold.

KOMPATIBILITAS DENGAN KOMPUTER

Dalam beberapa hal, sebuah modul data didesain untuk bekerja hanya dengan satu model atau tipe komputer. Hal ini terbukti ketika digunakannya komputer berbasis mikroprosesor memiliki arsitektur yang benar-benar bervariasi antara rumpun (family).

Oleh karena itu perlu untuk memilih sebuah modul data (DAS atau DOM) yang

kompatibel dengan karakteristik input/output dari komputer.

PEMROGRAMAN HARDWARE

Sebagian besar kodul data menawarkan sejumlah pilihan untuk penggunaan operasi input/output. Pilihan ini meliputi operasi unipolar/bipolar, pemilihan alamat, bati penguatan, operasi differensial/akhiran tunggal, dan lain-lain. Secara khusus pilihan-pilihan tersebut dipilih oleh penghubung (jumper) kabel antara kaki-kaki modul atau dengan pemasangan resistor seperti yang dispesifikasikan dalam lembar spesifikasi modul.

PEMROGRAMAN SOFTWARE

Aspek lainya yang penting dalam antarmuka input/output adalah rutin software yang akan mempergunakan modul data.rutin-rutin tersebut harus kompatibel dengan pemrograman hardware dan karakteristik lain dari modul. Sebagai contoh, program mungkin melibatkan delay yang menunggu ADC menyelesaikan konversi. Aspek ini didiskusikan lebih lanjut dalam Bab 10.

WAKTU RESPON KESELURUHAN

Sebuah sistem akuisisi data tidak melakukan konversi digital secara langsung terhadap data yang muncul pada kanal yang terpilih ketika pemilihan terjadi. Namun, ada delay ketika multiplekser mengakses kanal sistem, ketika amplifier mendapatkan harga dri kanal, dan ketika ADC melakukan operasi konversi yang dijelaskan dalam subbab mengenai operasi ADC. Waktu yang diperlukan dapat berjalan dari puluhan mikrodetik hingga ratusan mikrodetik, tergantung pada jumlah bit yang dikonversi, bati penguatan dan kecepatan pensaklaran sinyal.

RINGKASAN

Bab ini menjelaskan latar belakang elektronika digital untuk membuat pembaca mempunyai pengetahuan terhadap elemen-elemen dari pemrosesan sinyal digital dan dapat mempraktekkan analisis sederhana dan mendesain seperti halnya pada kontrol proses.

1. penggunaan word digital memungkinkan pengkodean informasi analog ke

dalam sebuah format digital.

2. sangatlah mungkin untuk mengkodekan bilangan desimal pecahan ke dalam bentuk biner dan begitu sebaliknya dengan mempergunakan

N

₁₀

= b

₁

2

^-1

+ b

₂

2

^-2

+ . . . + b

_m

2

^-m

(3-1) 3. teknik aljabar Boolean dapat diaplikasikan pada pengembangan alarm proses

dan fungsi-fungsi kontrol dasar.

4. gerbang-gerbang elektronika digital dan komparator membantu implementasi dari persamaan Boolean proses.

5. DAC dipergunakan untuk mengkonversi word digital ke dalam bilangan analog dengan mempergunakan representasi bilangan pecahan. Dengan resolusi

V

x

= V

_R

2

^{– n}

(3-4)

6. sebuah ADC tipe pendekatan succesive menentukan word digital output untuk sebuah tegangan input analog dalam sejumlah step, sama seperti bit- bit dalam word.

7. ADC slope ganda mengkonversi informasi analog ke digital oleh sebuah kombinasi perhitungan waktu dan integrasi.

8. Sistem Akuisisi Data (DAS) adalah sebuah piranti modular yang menghubungkan sejumlah sinyal analog ke sebuah komputer. Pendekodean alamat sinyal, pemultipleksan, dan operasi ADC terdapat di dalam piranti ini.

9. Modul Data Output (DOM) menyediakan semua kebutuhan perangkat keras

bagi sebuah komputer untuk menghasilkan output sinyal analog, termasuk

pengalamatan konversi D/A dan pemultipleksan..