BAB III
PERANCANGAN ALAT
Pada bab tiga ini akan dijelaskan mengenai perancangan dari perangkat keras dan
perangkat lunak yang digunakan pada alat ini. Dimulai dari uraian perangkat keras lalu
uraian perancangan perangkat lunak.
Perangkat keras yang digunakan pada alat ini terdiri dari Modul Pembangkit
Gelombang, Modul Pengaturan Duty Cycle, Modul Pengaturan Amplitudo, Modul
Pengaturan Tegangan Offset DC, Modul Pengaturan Atenuasi, Modul Switch Pemilihan
Gelombang, dan Arduino Uno. Sedangkan pada perancangan perangkat lunak akan
dijelaskan cara pemilihan gelombang dan pembacaan frekuensi untuk ditampilkan pada
modul 7-segmen.
3.1. Gambaran Sistem
Pada Gambar 3.1 menunjukan blok diagram sistem dari keseluruhan alat yang
dibuat.
Pada Gambar 3.1 terlihat jelas bahwa sistem ini memiliki tujuh bagian utama
rangkaian modul, yaitu Modul Pembangkit Gelombang, Modul Pengaturan Duty Cycle,
Modul Pengaturan Amplitudo, Modul Pengaturan Tegangan Offset DC, Modul Pengaturan
Atenuasi, Modul Switch Pemilihan Gelombang, dan Mikrokontroler Arduino Uno.
3.2. Gambaran Kerja Alat
Modul utama pada function generator ini adalah Modul Pembangkit Gelombang
menggunakan MAX038. Modul Pembangkit Gelombang merupakan pusat terjadinya
proses osilasi untuk menghasilkan gelombang tegangan. Hasil osilasi menghasilkan
gelombang tegangan segitiga. Dalam Modul Pembangkit Gelombang juga terdapat
pengubah gelombang tegangan segitiga menjadi gelombang tegangan kotak dan tegangan
sinus. Dimana untuk mengubah bentuk gelombang diperlukan Modul Switch Pemilihan
Gelombang untuk memberikan logika high dan low pada pin A0 dan A1 MAX038. Untuk
memudahkan kerja Modul Switch maka Modul Switch disambungkan pada mikrokontroler
untuk mengatur logika output. Frekuensi yang terbentuk dari proses osilasi ini mulai dari
0,1Hz ~ 2MHz dengan beberapa pilihan jangkauan frekuensi yang diatur dengan kapasitor.
Besarnya frekuensi juga dapat diatur dengan sebuah potensio.
Pada function generator terdapat pengaturan duty cycle dimana duty cycle dapat
diatur dari 15% sampai dengan 85%. Modul Duty Cycle disini berisi rangkaian penguat
inverting dan buffer untuk memberikan tegangan sebesar ± 2,3V pada pin DADJ atau Duty
Cycle Adjust MAX038[8].
Amplitudo dari Modul Pembangkit Gelombang adalah 2Vpp. Untuk menguatkan
amplitudo sampai 20Vpp maka diperlukan Modul Pengatur Amplitudo. Dimana pada
Modul Pengatur Amplitudo menggunakan rangkaian penguat inverting. Sedangkan untuk
mengatur tegangan offset DC disediakan sebuah toggle untuk mengaktifkan dan
menonaktifkan pengaturan tegangan offset DC. Modul Tegangan Offset DC dihubungkan
dengan Modul Pengaturan Amplitudo. Tegangan offset DC dapat bekerja minimal –2V dan
maksimal +2V.
Untuk mempermudah penggunaan maka besarnya frekuensi keluaran akan
tertampil pada 7-segmen. Sebelum tertampil pada 7-segmen, frekuensi tersebut
dimasukkan pada mikrokontroler dalam hal ini menggunakan Arduino Uno, kemudian
3.3. Perancangan Perangkat Lunak
Perancangan perangkat lunak yang dipakai di dalam alat ini terdiri dari Program
Pengaturan Switch Pemilihan Gelombang dan Program Penampil Frekuensi pada
7-segmen.
Penjelasan gambar diagram alir diatas :
Pada program utama dilakukan inisialisasi kemudian menunggu masukan dari switch selector gelombang. Apabila selektor gelombang aktif dan memberi logika
high pada selektor gelombang sinus maka akan diberikan logika output 1 high dan
output 2 high. Sedangkan apabila selector gelombang memberi logika high pada
selector gelombang kotak maka akan diberikan logika output 1 low dan output 2
low. Dan apabila selektor gelombang memberi logika high pada selektor
gelombang segitiga maka akan diberikan logika output 1 high dan output 2 low.
Logika selektor tersebut sama seperti pada Tabel 2.1.
Pada program interupsi eksternal akan aktif sebuah counter pulsa dimana akan menunggu masukan pulsa dari modul pembangkit gelombang.
Pada program interupsi timer dilakukan pengambilan nilai counter setelah nilai counter diambil maka counter di-reset sehingga dapat menantikan counter
selanjutnya. Sementara itu nilai counter yang diambil dikonversi agar tertampil
pada 7-segmen.
3.4. Perancangan Perangkat Keras
Perangkat keras yang digunakan didalam alat ini terdiri dari Modul Pembangkit
Gelombang, Modul Pengaturan Duty Cycle, Modul Pengaturan Amplitudo, Modul
Pengaturan Tegangan Offset, Modul Pengaturan Atenuasi, Modul Switch Pemilihan
Gelombang, dan Arduino Uno.
3.4.1.Modul Pembangkit Gelombang
Pada Modul Pembangkit Gelombang digunakan sebuah IC MAX038. MAX038
merupakan komponen yang dapat menghasilkan frekuensi tinggi yang presisi dengan
varian gelombang tegangan kotak, segitiga, dan sinus. Sedangkan untuk mengatur
jangkauan frekuensi yang diinginkan pada modul ini menggunakan variasi nilai Cf dan
untuk mengatur besar kecil frekuensi menggunakan potensio RIN[8].
Jangkauan frekuensi dapat dipilih dengan menaruh kapasitor (Cf) diantara pin
COSC dan pin GND. Osilasi pada pin tersebut dipicu dengan pengisian dan pengosongan
Cf. Agar dapat bekerja dengan maksimal pemilihan komponen disesuaikan dengan yang
Untuk mengetahui frekuensi keluaran maka dapat menggunakan rumus yang tertera
Cf = kapasitor yang terhubung pada pin COSC dan GND (F)
Maka untuk menghitung nilai Cf yang digunakan dapat menggunakan Persamaan
3.1.
Tabel 3.1. Range Frekuensi terhadap Nilai Kapasitor.
Frekuensi
Jangkauan frekuensi pada Tabel 3.1 berfungsi untuk menentukan batas rendah
frekuensi yang ingin digunakan. Kapasitor-kapasitor pada Tabel 3.1 disambungkan pada
sebuah rotary switch yang dapat diputar sesuai keinginan user untuk menentukan
jangkauan frekuensi mana yang diinginkan.
Tabel 3.2. Daftar Komponen pada Modul Pembangkit Gelombang.
3.4.2. Modul Pengaturan Duty Cycle
Pada MAX038 terdapat pengaturan duty cycle sehingga memudahkan dalam
perancangan. Duty cycle dapat diatur melalui pin DADJ (Duty Cycle Adjust Input) pada
MAX038. Tegangan pada pin DADJ mengatur duty cycle pada function generator ini. Pada
kondisi normal tegangan pada pin DADJ adalah 0V, pada kondisi ini keluaran dari function
generator menghasilkan duty cycle sebesar 50%[8].
Untuk memvariasikan duty cycle maka diperlukan sebuah rangkaian penguatan
inverting untuk mengatur tegangan pada pin DADJ. Menurut datasheet MAX038, untuk
mengatur duty cycle sebesar 15% sampai dengan 85% diperlukan tegangan sebesar -2,3V
sampai dengan +2,3V pada pin DADJ. Rangkaian penguat inverting tersebut mendapatkan
tegangan referensi sebesar 2,5V dari pin REF MAX038[8].
Untuk mencari nilai duty cycle maka dapat menggunakan Persamaan 2.7. Keluaran
pertama dari LM324 pada Gambar 3.8 menghasilkan tegangan keluaran -2,5V sesuai
dengan rumus rangkaian penguatan inverting. Menurut Persamaan 2.8 maka didapatkan:
� =−100
100 × 2,5 =−2,5
Sementara untuk keluaran kedua dari LM324 yang merupakan rangkaian buffer
akan menghasilkan tegangan -2,3V sampai dengan +2,3V dimana besarnya tegangan diatur
dengan resistor variabel/ potensio sebesar 10 kΩ.
Tabel 3.3. Daftar Komponen pada Modul Pengaturan Duty Cycle.
Nama Komponen
Nilai Komponen
R1 100 kΩ
R2 100 kΩ
R3 330 Ω
R4 330 Ω
R7 Potensio 10 kΩ
C7 10 nF
3.4.3. Modul Pengaturan Amplitudo
Amplitudo merupakan salah satu faktor penting pada sebuah function generator.
Amplitudo merupakan nilai tertinggi dari suatu gelombang tegangan.
Untuk mengatur amplitudo maka diperlukan sebuah rangkaian penguat inverting
dengan tegangan catu daya ±15V dimana dapat menguatkan amplitudo gelombang
tegangan tersebut sampai dengan 20Vpp. Supaya modul pengaturan amplitudo dapat
bekerja pada semua jangkauan frekuensi, maka digunakan IC op-amp LM7171 karena
memiliki wide unity-gain bandwidth 200MHz .
Dengan menggunakan Persamaan 2.8, maka diperoleh:
− 20 =−�2 1 × 2
�2 = 10 Ω
dengan :
Vo = tegangan keluaran (V)
R2 = resistor umpan balik (Ω)
R1 = resistor masukan (1 kΩ)
Tabel 3.4. Daftar Komponen pada Modul Pengaturan Amplitudo.
Nama Komponen
Nilai Komponen
R1 1 kΩ
R2 Potensio 10 kΩ
3.4.4. Modul Pengaturan Tegangan Offset
Pengaturan tegangan offset merupakan salah satu spesifikasi pada function
generator ini. Pada penerapannya, terdapat sebuah toggle untuk mengaktifkan pengaturan
tegangan offset. Apabila toggle pada kondisi off dimana terdeteksi 0V maka gelombang
tegangan tidak akan ter-offset baik positif ataupun negatif. Namun apabila toggle dalam
kondisi on maka gelombang tegangan akan ter-offset antara –2V sampai dengan +2V. Gambar 3.11. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.10.
Untuk memvariasikan tegangan offset maka diperlukan rangkaian tambahan berupa
rangkaian penguat inverting dan rangkaian buffer menggunakan LM324. Pada rangkaian
penguat inverting terdapat sebuah resistor variabel/ potensio untuk mengatur nilai tegangan
offset-nya.
Keluaran dari Modul Pengaturan Tegangan Offset akan dihubungkan dengan Modul
Pengaturan Amplitudo untuk mendapatkan keluaran yang diinginkan oleh user.
Modul ini menggunakan tegangan catu daya sebesar ±5V, maka untuk mengatur
tegangan offset sebesar ±2V diperlukan dua buah rangkaian pelemahan inverting untuk
melemahkan tegangan menjadi –2V dan +2V. Untuk pemilihan nilai komponen dapat
menggunakan Persamaan 2.8. Sementara untuk memvariasikan tegangan dari –2V sampai
dengan +2V maka diperlukan rangkaian buffer dengan sebuah resistor variabel guna
mengatur offset yang diinginkan.
Dengan menggunakan Persamaan 2.8, maka dapat dicari nilai komponen yang
dibutuhkan untuk rangkaian pelemahan inverting.
� � = −�2
� �� = −�4
Vo min = tegangan keluaran minimum (-2V)
Vo max = tegangan keluaran minimum (2V)
R2 = resistor umpan balik (Ω)
R1 = resistor masukan (2 kΩ)
R3 = resistor umpan balik (Ω)
R4 = resistor masukan (2 kΩ)
Tabel 3.5. Daftar Komponen pada Modul Pengaturan Tegangan Offset.
Nama
3.4.5. Modul Pengaturan Atenuasi
Atenuasi memungkinkan terjadinya pelemahan sinyal yang diukur dalam satuan
dB. Pengaturan atenuasi pada function generator ini berfungsi untuk melemahkan
amplitudo sinyal tegangan tanpa mengubah bentuk gelombangnya. Pada prinsipnya
atenuasi menggunakan pembagi tegangan dengan media resistor.
Pada function generator ini, user dapat menetukan atenuasi dari -50dB sampai
Vin = tegangan masukan sebesar 2Vpp
Dengan Persamaan 3.2, maka tegangan keluaran dapat dihitung berdasarkan nilai
Untuk atenuasi –10dB
Pemilihan nilai resistor dapat menggunakan rumus pembagi tegangan dimana pada
rangkaian atenuasi ini terdapat enam buah resistor yang bernilai berbeda-beda. Berikut
perhitungan nilai resistor yang digunakan:
� = �5��
� � (3.3)
� � = �5 +�3+�2+�1+�4+�6 (3.4)
dengan:
Vout = tegangan keluaran sesuai dengan pengaturan atenuasi (Vpp)
Vin = tegangan masukan (2Vpp)
R5 = 1 kΩ
Dengan menggunakan Persamaan 3.3, maka diperoleh:
� � =
1000 × 2
6,32 × 10−3 = 316455,7 Ω
Setelah nilai Rtotal diketahui maka nilai resistor lain dapat dicari menggunakan
kombinasi Persamaan 3.3 dan 3.4.
Mencari nilai R3
Karena keterbatasan nilai resistor yang tersedia dipasaran maka resistor yang
Tabel 3.6. Daftar Komponen Modul Pengaturan Atenuasi.
Nama Komponen
Nilai Komponen
R1 22 kΩ
R2 6,8 kΩ
R3 2,2 kΩ
R4 68 kΩ
R5 1 kΩ
R6 280 kΩ
3.4.6. Modul Switch Pemilihan Gelombang
Pemilihan bentuk gelombang pada alat ini diatur oleh pin A0 dan A1 pada MAX038.
Untuk mengatur bentuk gelombangnya maka digunakan sebuah saklar putar tiga kondisi
untuk menentukan bentuk gelombang yang diinginkan. Saklar tersebut disambungkan pada
mikrokontroler untuk mengatur logika pada A0 dan A1.
3.4.2. Modul Mikrokontroler
Mikrokontroler adalah sebagai pusat sistem kendali dari pengaturan selektor
gelombang dan penampil frekuensi pada 7-segmen. Pada skripsi ini mikrokontroler yang
digunakan adalah Arduino Uno.
Konfigurasi penggunaan pin/port mikrokontroler Arduino Uno dapat dilihat pada
Tabel 3.7.
Gambar 3.18. Modul Arduino Uno.
Tabel 3.7 Konfigurasi Penggunaan Pin/ Port Arduino Uno.
Pin Port Keterangan
PIN 3 Input mode kotak
PIN 5 Input frekuensi
PIN 6 Input mode segitiga
PIN 8 Input mode sinus
Logika A0 dan A1 pada MAX038 seperti pada Tabel 2.1 ditentukan dengan perintah
switch yang diolah pada Arduino. Apabila switch selektor gelombang sinus (pin 8 Arduino)
bernilai high, maka pin 12 dan 13 Arduino bernilai high. Apabila switch selektor
gelombang kotak bernilai high, maka pin 12 dan 13 Arduino bernilai low. Sedangkan
apabila switch selektor gelombang segitiga bernilai high, maka pin 12 bernilai high dan pin
13 bernilai low.
Untuk menampilkan frekuensi pada 7-segmen maka sync output frekuensi
dimasukkan pada pin 5 arduino kemudian dilakukan pembacaan counter pulsa dari periode
gelombang tersebut. Sync output merupakan keluaran function generator yang berbentuk
pulsa dengan amplitudo 5Vpp. Frekuensi yang terbaca oleh Arduino kemudian dilakukan
proses konversi untuk ditampilkan pada modul 7-segmen pada Gambar 3.19.