FILTER BUTTERWORTH UNTUK SISTEM TELEMETRI DENGAN METODE MULTITONE TUGAS AKHIR - Filter butterworth untuk sistem telemetri dengan metode multitone - USD Repository

(1)

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Elektro

Disusun oleh:

SUPRIYADI

NIM : 035114025

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

(2)

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

To Obtain the Sarjana Teknik Degree

In Electrical Engineering Study Program

Written by:

SUPRIYADI

Student Number : 035114025

ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

FACULTY OF SAINS AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Motto

CURA, UT VALEAS!

(Unknown)

Persembahan:

Ku persembahkan karya kecilku ini untuk:

Tuhan Yesus Kristus, selamanya aku milik-Nya... dalam kasih-Nya aku berkarya.

Bapak dan Ibu tercinta, almarhum Andreas Yosef Langi dan Katharina Bedai,

atas cinta yang tak berbatas.

Saudara-Saudariku tercinta, Hendrikus Suyadi, Herkulanus Hanggi, Helena Rasmiati dan

Adrianus Handri.

Kedua keponakanku tersayang, Albertus Yudi Pratama dan Octaviani Cyntia.

Keluarga Besarku tercinta.

(8)

frekuensi dengan metode multitone yang merupakan alat ukur dengan tiga sensor pengukuran, yaitu sensor pertama untuk mengukur suhu udara, sensor kedua untuk mengukur tekanan udara dan sensor ketiga untuk mengukur kelembaban udara, dengan sistem komunikasi gelombang radio FM.

Filter Butterworth untuk sistem telemetri dengan metode multitone ini terdiri dari bagian-bagian filter dan rangkaian pembanding. Bagian filter terdiri

low pass filter (LPF) 20 kHz, LPF 7 kHz, band pass filter (BPF) 8-13 kHz dan

high pass filter (HPF) 14 kHz. LPF 20 kHz digunakan untuk memisahkan sinyal masukan dari frekuensi transmisi, dan keluarannya digunakan sebagai masukan untuk ketiga filter lainnya. LPF 7 kHz untuk melewatkan frekuensi yang mewakili data sensor pertama, BPF 8-13 kHz untuk melewatkan frekuensi yang mewakili data sensor kedua dan HPF 14 kHz untuk melewatkan frekuensi yang mewakili data sensor ketiga. Keluaran dari ketiga filter ini selanjutnya dilewatkan pada rangkaian pembanding untuk mengubah sinyal keluaran menjadi gelombang kotak. Gelombang kotak ini merupakan keluaran akhir dari sistem sehingga pada sistem selanjutnya dapat diidentifikasi sebagai data biner dengan logika low dan

high yang ditunjukkan oleh level tegangannya.

Dari hasil percobaan secara terpisah, masing-masing dari filter dan pembanding telah bekerja mendekati perancangan. Pada LPF 20 kHz didapatkan frekuensi cut-off sebesar 18503,5 Hz, LPF 7 kHz didapatkan frekuensi cut-off

sebesar 6852 Hz, BPF 8-13 kHz didapatkan frekuensi cut-off bawah sebesar 8408 Hz serta frekuensi cut-off atas sebesar 13176Hz dan HPF 14 kHz didapatkan frekuensi cut-off sebesar 13586 Hz. Sedangkan pembanding telah dapat menghasilkan keluaran berupa gelombang kotak tanpa mengubah frekuensinya. Tetapi saat diterapkan dalam sistem dengan masukan sinyal terjumlah, tidak didapatkan keluaran akhir seperti yang diinginkan. Hal ini disebabkan oleh penggunaan filter dengan orde rendah, sehingga sinyal keluaran filter masih terinterferensi oleh frekuensi lain diluar batas frekuensi cut-off filter.

(9)

first sensor measured atmospheric temperature, the second sensor measured atmospheric pressure and the third sensor measured atmospheric humidity in communication radio system.

Butterworth filter circuit consists of filter circuit and comparator circuit. Filter circuit consists of low pass filter (LPF) 20 kHz, LPF 7 kHz, band pass filter (BPF) 8-13 kHz and high pass filter (HPF) 14 kHz. LPF 20 kHz was used to separate input signal from receiving signal, and then the filter output was used to input signal for other filter. LPF 7 kHz used to pass the frequency which is represent first sensor data, BPF 8-13 kHz used to pass the frequency which is represent second sensor data and HPF 14 kHz used to pass the frequency which is represent third sensor data. And then, the output from each filter feed in comparator circuit to shape the output signal to be a square waves. This square waves is a final output from system and then, in the next system can be identification as a biner data with low and high logic as shown by voltage level.

From the experiments, each filter and comparator was works close to the design. At LPF 20 kHz, founded 18503.5 Hz cut-off frequency, at LPF 7 kHz founded 6852 Hz. At BPF founded 8408 Hz as low cut-off frequency and 13176 Hz as high cut-off frequency. At HPF 14 kHz founded 13586 Hz as cut-off frequency. The comparator was produce output signal of square waves without change the frequency. But, when it apllied in the system with adder result input signal, the final output did not worked well. This problem founded because it was used of low orde filter, and then output signal was still interfered by the other frequency outside of the cut-off filter frequency.

(10)

rahmat dan penyertaan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan judul “Filter Butterworth Untuk Sistem Telemetri Dengan Metode Multitone”.

Tugas akhir ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro di Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, sekaligus sebagai upaya untuk memperdalam dan memperkaya wawasan berpikir serta menambah wacana di bidang elektronika khususnya dan sains teknologi pada umumnya.

Pembuatan tugas akhir ini tidak terlepas dari bantuan dan bimbingan berbagai pihak, untuk itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1. B. Wuri Harini S.T., M.T., Ketua Jurusan Teknik Elektro yang telah memberikan perhatiannya selama kuliah di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. A. Bayu Primawan, S.T., M.Eng., selaku dosen pembimbing I yang telah memberikan bimbingan, masukan, waktu, dan perhatiannya selama penyusunan tugas akhir ini.

3. Martanto, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing II yang telah memberikan bimbingan, masukan, waktu, dan perhatiannya selama penyusunan tugas akhir ini.

(11)

6. Segenap karyawan sekretariat Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

7. Seluruh Staf Perpustakaan Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang sudah memberikan layanan dan bantuan selama proses pencarian referensi. 8. Ibu dan segenap keluarga besar tercinta yang selalu memberi doa,

dukungan dan semangat dalam menyelesaikan kuliah dan pengerjaan tugas akhir ini.

9. ”Himpunan Pelajar Mahasiswa Dayak Kapuas Hulu”, terima kasih atas semua bantuan dan kebersamaan yang indah selama ini.

10.Teman-teman TE: I Putu Eka, Andry Prihatin, Liberius Aries, Frederik Erik, Guntur Maulana, Bayu Rani, Tri Dese, Marselinus Roni, Ricky Nelson, SigitPurbayadi, Venantius Andika, Heru Wahyudi, Nendar Wibarasta, Sukur Widodo, Ratno, Yohanes Pemandi Ariadi. Tomo, Petrus Veni, Robert, Yulius, Nestor, Tono, Stefan, Budin, Andro, Ivan, Diro, Doni, Rikardus, terimakasih atas dukungan, bantuan dan kekompakannya. 11.Semua pihak yang telah membantu dan tidak dapat disebutkan satu persatu

sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. 12.sehingga skripsi ini dapat diselesaikan.

(12)

(13)

Lembar Persetujuan oleh Pembimbing ...iii

Lembar Pengesahan ...iv

Lembar Persetujuan Publikasi...v

Lembar Pernyataan keaslian karya...vi

Halaman Persembahan dan Motto Hidup ...vii

Intisari ...viii

Abstract ...ix

Kata Pengantar ...x

Daftar Isi ...xiii

Daftar Gambar...xvi

Daftar Tabel ...xviii

Daftar Lampiran ...xix

BAB I PENDAHULUAN... 1

1.1 Judul ... 1

1.2 Latar Belakang Masalah... 1

1.3 Tujuan Penelitian ... 2

1.4 Manfaat Penelitian ...3

1.5 Batasan Masalah ... 3

1.6 Metodologi Penelitian ... 4

1.7 Sistematika Penulisan ... 5

(14)

2.1.6 Peng-kaskade-an (Cascading)...23

2.2 Penguat Operasional (Operational Amplifier, Op-Amp) Sebagai Pembangun Dasar...24

2.2.1 Dasar-dasar Penguat Operasional ...24

2.2.2 Penguat Membalik (Inverting Amplifier) ...27

2.2.3 Penguat Tak Membalik (Non Inverting Amplifier) ...28

2.2.4 Pengikut Tegangan (Voltage Follower) ...29

BAB III PERANCANGAN...32

3.2 Rangkaian Pembanding (Comparator) ...46

3.3 Rangkaian Penyangga (Buffer) ...47

BAB IV PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN ...49

4.1 Low Pass Filter 20 kHz ...49

4.2 Low Pass Filter 7 kHz ...52

4.3 Band Pass Filter 8-13 kHz ...54

4.4 High Pass Filter 14 kHz ...56

4.5 Pembanding (Comparator) ...58

4.6 Pembahasan Kinerja Filter Dengan Frekuensi Masukan Yang Berbeda .59 4.7 Analisa Kinerja Sistem Dengan Masukan Sinyal Terjumlah...61

(15)

(16)

Gambar 2.2 Karakteristik ideal filter pelewat tinggi...9

Gambar 2.3 Karakteristik ideal filter pelewat jalur...9

Gambar 2.4 Karakteristik ideal filter penolak jalur ...10

Gambar 2.5 Kurva tanggapan Low Pass Filter...10

Gambar 2.6 Untai dasar Low Pass Filter...11

Gambar 2.7 Low Pass Filter orde ke-2 ...12

Gambar 2.8 Low Pass Filter orde ke-2 ...13

Gambar 2.9 Kurva tanggapan High Pass Filter...16

Gambar 2.10 Untai dasar High Pass Filter...16

Gambar 2.11 High Pass Filter orde ke-2 ...17

Gambar 2.12 High Pass Filter orde ke-2 ...17

Gambar 2.13 Tanggapan amplitudo relatif BPF secara umum ...20

Gambar 2.14 Tanggapan amplitudo BPF orde 2 dengan berbagai nilai Q ....22

Gambar 2.15 Diagram blok kaskade untuk filter orde tinggi...23

Gambar 2.16Simbol Op-Amp (dalam rangkaian)...25

Gambar 2.17 Catu daya bipolar sederhana ...25

Gambar 2.18 Non invertingcomparator dengan bias positif...26

Gambar 2.19 Invertingcomparator dengan bias positif ...27

Gambar 2.20 Rangkaian penguat inverting...28

Gambar 2.21 Rangkaian penguat non inverting...28

Gambar 2.22 Rangkaian pengikut tegangan ...29

Gambar 2.23 Rangkaian penguat inverting tanpa pengikut tegangan...30

Gambar 3.1 Diagram blok sistem telemetri secara umum ...32

Gambar 3.2 Diagram blok bagian penerima ...33

Gambar 3.3 Low Pass Filter 20 kHz...36

Gambar 3.4Low Pass Filter 7 kHz...38

Gambar 3.5Low Pass Filter 13 kHz...41

(17)

Gambar 3.10 Rangkaian Penyangga ...48

Gambar 4.1 Grafik Tanggapan Frekuensi LPF 20 kHz ...51

Gambar 4.2Grafik Tanggapan Frekuensi LPF 7 kHz ...53

Gambar 4.3Grafik Tanggapan Frekuensi BPF 8-13 kHz...56

Gambar 4.4Grafik Tanggapan Frekuensi HPF 14 kHz...58

Gambar 4.5(a) Sinyal terjumlah masukan sistem dengan Amplitudo 9 Vpp.62 Gambar 4.5(b) Sinyal terjumlah untuk masukan Sistem setelah pembagi tegangan dengan Amplitudo 3 Vpp...62

Gambar 4.6(a) Sinyal keluaran LPF 20 kHz dengan masukan sinyal terjumlah ...62

Gambar 4.6(b) Sinyal keluaran LPF 20 kHz setelah pembagi tegangan dengan masukan sinyal terjumlah ...63

Gambar 4.7(a) Sinyal keluaran LPF 7 kHz dengan masukan sinyal terjumlah, Amplitudo 4,8 Vpp ...64

Gambar 4.7(b) Keluaran akhir LPF 7 kHz setelah Rangkaian Pembanding dengan masukan sinyal terjumlah ...64

Gambar 4.8(a) Sinyal keluaran BPF 8-13 kHz dengan masukan sinyal terjumlah ...65

Gambar 4.8(b) Keluaran akhir BPF 8-13 kHz setelah Rangkaian Pembanding dengan masukan sinyal terjumlah ...65

Gambar 4.9(a) Sinyal keluaran HPF 14 kHz dengan masukan sinyal terjumlah ...65

Gambar 4.9(b) Keluaran akhir HPF 14 kHz setelah Rangkaian Pembanding dengan masukan sinyal terjumlah ...66

(18)

(19)

Lampiran 2 Foto Perangkat Keras Hasil Perancangan... L3 Lampiran 3 Tabel Data pengukuran LPF 20 kHz ... L5 Lampiran 4 Tabel Data pengukuran LPF 7 kHz ... L7 Lampiran 5 Tabel Data pengukuran BPF 8-13 kHz... L10 Lampiran 6 Tabel Data pengukuran HPF 14 kHz... L13 Lampiran 7 Tabel Hubungan Antara Data Sensor 1 (Suhu) Dengan

Frekuensi ... L15 Lampiran 8 Tabel Hubungan Antara Data Sensor 2 (Tekanan) Dengan

Frekuensi ... L17 Lampiran 9 Tabel Hubungan Antara Data Sensor 3 (Kelembaban) pada

suhu 250Cdengan Frekuensi... L19 Lampiran 10 Tabel Hubungan Antara Data Sensor 3 (Kelembaban) pada

suhu 350Cdengan Frekuensi... L20 Lampiran 11 Tabel Hubungan Antara Data Sensor 3 (Kelembaban) pada

suhu 450Cdengan Frekuensi... L21 Lampiran 12 Gambar Sinyal AFG (Audio Function Generator) sebagai

masukan Sistem dengan Amplitudo 9 Vpp dan Frekuensi 10008 Hz ... L23 Lampiran 13 Gambar Sinyal AFG (Audio Function Generator) sebagai

masukan LPF 20 kHz dengan Amplitudo 2,6 Vpp dan Frekuensi 10008 Hz ... L23 Lampiran 14 Gambar sinyalkeluaran LPF 20 kHz dengan Amplitudo 7,5

Vpp dan Frekuensi 10008 Hz... L23 Lampiran 15 Gambar sinyal keluaran LPF 20 kHz yang telah dibagi

tegangannya dengan Amplitudo 2,5 Vpp dan Frekuensi 10008 Hz ... L24 Lampiran 16 Gambar sinyal masukan LPF 7 kHz dengan Amplitudo 2,5

(20)

0,6 Vpp dan Frekuensi 4288 Hz... L25 Lampiran 19 Gambar sinyal keluaran HPF 14 kHz dengan Frekuensi 4288

Hz ... L25 Lampiran 20 Gambar sinyal masukan BPF 8-13 kHz dengan Amplitudo

2,5 Vpp dan Frekuensi 10558 Hz... L25 Lampiran 21 Gambar sinyal keluaran BPF 8-13 kHz dengan Amplitudo

9,4 Vpp dan Frekuensi 10558 Hz... L26 Lampiran 22 Gambar sinyal keluaran LPF 7 kHz dengan Amplitudo 1 Vpp

dan Frekuensi 10558 Hz ... L26 Lampiran 23 Gambar sinyal keluaran HPF 14 kHz dengan Amplitudo 1,9

Vpp dan Frekuensi 10558 Hz... L26 Lampiran 24 Gambar sinyal masukan HPF 14 kHz dengan Amplitudo 2,5

Vpp dan Frekuensi 17043 Hz... L27 Lampiran 25 Gambar sinyal keluaran HPF 14 kHz.dengan Amplitudo 4

Vpp dan Frekuensi 17043 Hz... L27 Lampiran 26 Gambar sinyal keluaran LPF 7 kHz.dengan Amplitudo 0,14

Vpp dan Frekuensi 17043 Hz... L27 Lampiran 27 Gambar sinyal keluaran BPF 8-13 kHz.dengan Amplitudo

2,4 Vpp dan Frekuensi 17043 Hz... L28 Lampiran 28 Gambar keluaran akhir LPF 7 kHz setelah Rangkaian

Pembanding dengan Amplitudo 4,4 Vpp dan Frekuensi 4288 Hz ... L28 Lampiran 29 Gambar keluaran akhir BPF 8-13 kHz setelah Rangkaian

Pembanding dengan Amplitudo 4,4 Vpp dan Frekuensi 4288 Hz ... L28 Lampiran 30 Gambar keluaran akhir HPF 14 kHz setelah Rangkaian

(21)

Lampiran 32 Gambar keluaran akhir LPF 7 kHz setelah Rangkaian Pembanding dengan Amplitudo 4,4 Vpp dan Frekuensi 10558 Hz ... L29 Lampiran 33 Gambar keluaran akhir HPF 14 kHz setelah Rangkaian

Pembanding dengan Amplitudo 4,4 Vpp dan Frekuensi

10558 Hz ... L30 Lampiran 34 Gambar keluaran akhir HPF 14 kHz setelah Rangkaian

Pembanding dengan Amplitudo 4,4 Vpp dan Frekuensi

17043 Hz ... L30 Lampiran 35 Gambar keluaran akhir LPF 7 kHz setelah Rangkaian

Pembanding dengan Frekuensi 17043 Hz... L30 Lampiran 36 Gambar keluaran akhir BPF 8-13 kHz setelah Rangkaian

Pembanding dengan Amplitudo 4,4 Vpp dan Frekuensi 17043 Hz ... L31 Lampiran 37 Sinyal masukan sistem gelombang kotak dengan Amplitudo

9 Vpp dan setelah diperkecil dengan Amplitudo 3 Vpp ... L31 Lampiran 38 Sinyal keluaran LPF 20 kHz pada frekuensi 10500 Hz

dengan Amplitudo 8,4 Vpp dan setelah diperkecil dengan Amplitudo 2,8 Vpp ... L31 Lampiran 39 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2,8

Vpp pada frekuensi 2000 Hz sebagai masukan LPF 7 kHz dan keluaran LPF 7 kHz dengan Amplitudo 8 Vpp ... L32 Lampiran 40 Sinyal keluaran komparator LPF 7 kHz pada frekuensi 2000

Hz ... L32 Lampiran 41 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2,8

(22)

Lampiran 43 Keluaran komparator BPF 8-13 kHz dan keluaran komparator HPF 14 kHz pada frekuensi 2000 Hz ... L33 Lampiran 44 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2,8

Vpp pada frekuensi 4000 Hz sebagai masukan LPF 7 kHz dan keluaran LPF 7 kHz dengan Amplitudo 8 Vpp... L33 Lampiran 45 Sinyal keluaran komparator LPF 7 kHz pada frekuensi 4000

Vpp pada frekuensi 4000 Hz sebagai masukan BPF 8-13 kHz dan keluaran BPF 8-13 kHz dengan Amplitudo 3,6 Vpp ... L34 Lampiran 47 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2,8

Vpp pada frekuensi 4000 Hz sebagai masukan HPF 14 kHz dan keluaran HPF 14 kHz dengan Amplitudo 1 Vpp ... L34 Lampiran 48 Keluaran komparator BPF 8-13 kHz dan keluaran

komparator HPF 14 kHz pada frekuensi 4000 Hz ... L35 Lampiran 49 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2,8

Vpp pada frekuensi 7000 Hz sebagai masukan LPF 7 kHz dan keluaran LPF 7 kHz dengan Amplitudo 5,2 Vpp... L35 Lampiran 50 Sinyal keluaran komparator LPF 7 kHz pada frekuensi 7000

Vpp pada frekuensi 7000 Hz sebagai masukan BPF 8-13 kHz dan keluaran BPF 8-13 kHz dengan Amplitudo 4,6 Vpp ... L36 Lampiran 52 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2,8

Vpp pada frekuensi 7000 Hz sebagai masukan HPF 14 kHz dan keluaran HPF 14 kHz dengan Amplitudo 0,8 Vpp ... L36 Lampiran 53 Keluaran komparator BPF 8-13 kHz dan keluaran

(23)

Lampiran 55 Sinyal keluaran komparator LPF 7 kHz pada frekuensi 7500 Hz ... L37 Lampiran 56 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2,8

Vpp pada frekuensi 7500 Hz sebagai masukan BPF 8-13 kHz dan keluaran BPF 8-13 kHz dengan Amplitudo 6 Vpp ... L37 Lampiran 57 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2,8

Vpp pada frekuensi 7500 Hz sebagai masukan HPF 14 kHz dan keluaran HPF 14 kHz dengan Amplitudo 0,8 Vpp ... L38 Lampiran 58 Keluaran komparator BPF 8-13 kHz dan keluaran

komparator HPF 14 kHz pada frekuensi 7500 Hz ... L38 Lampiran 59 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2,8

Vpp pada frekuensi 8000 Hz sebagai masukan BPF 8-13 kHz dan keluaran BPF 8-13 kHz dengan Amplitudo 7,4 Vpp ... L38 Lampiran 60 Sinyal keluaran komparator BPF 8-13 kHz pada frekuensi

8000 Hz ... L39 Lampiran 61 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2,8

Vpp pada frekuensi 8000 Hz sebagai masukan LPF 7 kHz dan keluaran LPF 7 kHz dengan Amplitudo 3,6 Vpp... L39 Lampiran 62 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2,8

Vpp pada frekuensi 8000 Hz sebagai masukan HPF 14 kHz dan keluaran HPF 14 kHz dengan Amplitudo 0,8 Vpp ... L39 Lampiran 63 Keluaran komparator LPF 7 kHz dan keluaran komparator

HPF 14 kHz pada frekuensi 8000 Hz... L40 Lampiran 64 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2,8

(24)

Vpp pada frekuensi 13000 Hz sebagai masukan BPF 8-13 kHz dan keluaran BPF 8-13 kHz dengan Amplitudo 8,6 Vpp.... L42 Lampiran 70 Sinyal keluaran komparator BPF 8-13 kHz pada frekuensi

Vpp pada frekuensi 13500 Hz sebagai masukan BPF 8-13 kHz dan keluaran BPF 8-13 kHz dengan Amplitudo 7,6 Vpp.... L43 Lampiran 75 Sinyal keluaran komparator BPF 8-13 kHz pada frekuensi

(25)

Lampiran 78 Keluaran komparator LPF 7 kHz dan keluaran komparator HPF 14 kHz pada frekuensi 13500 Hz... L45 Lampiran 79 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2,8

Vpp pada frekuensi 14000 Hz sebagai masukan HPF 14 kHz dan keluaran HPF 14 kHz dengan Amplitudo 4,4 Vpp ... L45 Lampiran 80 Sinyal keluaran komparator HPF 14 kHz pada frekuensi

Vpp pada frekuensi 14000 Hz sebagai masukan BPF 8-13 kHz dan keluaran BPF 8-13 kHz dengan Amplitudo 6,8 Vpp.... L46 Lampiran 83 Keluaran komparator LPF 7 kHz dan keluaran komparator

BPF 8-13 kHz pada frekuensi 14000 Hz... L46 Lampiran 84 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2,5

Vpp pada frekuensi 17000 Hz sebagai masukan HPF 14 kHz dan keluaran HPF 14 kHz dengan Amplitudo 5 Vpp ... L47 Lampiran 85 Sinyal keluaran komparator HPF 14 kHz pada frekuensi

Vpp pada frekuensi 17000 Hz sebagai masukan BPF 8-13 kHz dan keluaran BPF 8-13 kHz dengan Amplitudo 3 Vpp... L48 Lampiran 88 Keluaran komparator LPF 7 kHz dan keluaran komparator

(26)

Lampiran 90 Sinyal keluaran komparator HPF 14 kHz pada frekuensi 20000 Hz ... L49 Lampiran 91 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2 Vpp

pada frekuensi 20000 Hz sebagai masukan LPF 7 kHz dan keluaran LPF 7 kHz dengan Amplitudo 0,1 Vpp... L49 Lampiran 92 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 2 Vpp

pada frekuensi 20000 Hz sebagai masukan BPF 8-13 kHz dan keluaran BPF 8-13 kHz dengan Amplitudo 1,4 Vpp ... L49 Lampiran 93 Keluaran komparator LPF 7 kHz dan keluaran komparator

Vpp pada frekuensi 20500 Hz sebagai masukan LPF 7 kHz dan keluaran LPF 7 kHz... L51 Lampiran 97 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 1,8

Vpp pada frekuensi 20500 Hz sebagai masukan BPF 8-13 kHz dan keluaran BPF 8-13 kHz dengan Amplitudo 1,2 Vpp.... L51 Lampiran 98 Keluaran komparator LPF 7 kHz dan keluaran komparator

(27)

Lampiran 102 Sinyal keluaran LPF 20 kHz yang diperkecil menjadi 1,8 Vpp pada frekuensi 21000 Hz sebagai masukan BPF 8-13 kHz dan keluaran BPF 8-13 kHz dengan Amplitudo 1 Vpp.... L53 Lampiran 103 Keluaran komparator LPF 7 kHz dan keluaran komparator

(28)

1.1 Judul

Filter Butterworth Untuk Sistem Telemetri Dengan Metode Multitone.

1.2 Latar Belakang Masalah.

Suatu informasi baik berupa data pengukuran atau hasil pengamatan dikirim dan diterima, kemudian diproses sangat membutuhkan sarana transmisi data yang cepat, akurat dan bisa dipindah – pindah. Sehingga untuk mengirim data dari tempat yang sulit dijangkau dapat dengan mudah diatasi. Pengiriman data dapat menggunakan berbagai media, yang salah satunya adalah dengan gelombang radio. Gelombang radio digunakan sebagai media transmisi karena bersifat fleksibel dan mempunyai rentang frekuensi yang cukup lebar. Selain itu juga mudah dipindahkan karena tidak terkait dengan jaringan kabel.

(29)

dan tapis pelewat bidang (BPF) [2]. Filter-filter ini digunakan untuk memberikan batasan-batasan frekuensi untuk setiap data sensor dan juga sebagai pembatas diantara setiap frekuensi data sensor sehingga tidak saling mengganggu (interferensi).

Berdasar dari latar belakang tersebut, maka penulis mencoba menerapkan aplikasi suatu sistem penapis (filtering) untuk memisahkan/membagi satu sinyal masukan menjadi tiga sinyal keluaran yang keluaran akhinya berupa suatu gelombang kotak sehingga pada akhirnya dapat diidentifikasi sebagai data biner (dengan logika low dan high). Dalam sistem akuisisi datanya, keluaran ini nantinya merupakan data yang akan menunjukan level atau keadaan sesungguhnya dari parameter yang diukur.

1.3 Tujuan Penelitian

(30)

1.4 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari pembuatan alat ini adalah :

1. Sebagai salah satu bagian dari keseluruhan sistem telemetri termodulasi frekuensi dengan metode multitone.

2. Sistem pengukuran yang dilakukan menjadi lebih praktis.

3. Sebagai dasar pengembangan untuk aplikasi lainnya yang lebih bervariasi.

1.5 Batasan Masalah

Agar permasalahan yang ada tidak berkembang menjadi luas, maka perlu adanya batasan terhadap permasalahan yang akan dibuat yaitu:

1. Sinyal masukan berupa gelombang kotak.

2. Rentang amplitudo sinyal masukan sistem adalah sebesar 3 - 5 Volt.

3. Hasil atau keluaran akhir dari sistem berupa gelombang kotak. 4. Rentang frekuensi untuk filter Low Pass Filter (LPF) penerima

sinyal termodulasi frekuensi adalah 2 kHz – 20 kHz.

5. Rentang frekuensi untuk filter Low Pass Filter (LPF) penerima sinyal dari sensor 1 adalah 2 kHz – 7 kHz.

6. Rentang frekuensi untuk filter Band Pass Filter (BPF) penerima sinyal dari sensor 2 adalah 8 kHz – 13 kHz.

(31)

1.6 Metode Penelitian

Dalam penyusunan Tugas Akhir ini dilakukan beberapa metodologi penelitian. Adapun metodologi penelitian yang dilakukan terdiri dari :

1. Studi pustaka, yaitu dengan mengumpulkan dan mempelajari berbagai informasi, baik dari buku, makalah maupun internet

mengenai hal-hal yang berkaitan dengan sistem telemetri secara umum dan Filter Butterworth secara khususnya sehingga informasi yang diperoleh dapat digunakan sebagai referensi pendukung dalam penyusunan laporan.

2. Merealisasikan pengetahuan yang diperoleh dalam bentuk perancangan hardware.

3. Melakukan pengujian terhadap hasil perancangan agar dapat diketahui hasil secara realistis.

4. Menganalisis hasil pengujian dan membandingkan dengan teori yang ada.

(32)

1.7 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan Tugas Akhir ini terbagi menjadi 5 bab yang

disusun sebagai berikut : BAB I. PENDAHULUAN

Bab ini berisi tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian, metodologi penelitian serta sistematika penulisan.

BAB II. DASAR TEORI

Bab ini berisi penjelasan-penjelasan umum serta persamaan matematis yang berkaitan dengan sistem telemetri.

BAB III. RANCANGAN PENELITIAN

Bab ini berisi tentang rancangan sistem telemetri, yang meliputi diagram blok, penjelasan cara kerja secara singkat dan pemilihan komponen.

BAB IV. HASIL PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi hasil pengamatan dan pembahasan dari pengujian yang telah dilakukan.

BAB V. PENUTUP

(33)

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Filter

2.1.1. Definisi Filter

Filter atau tapis didefinisikan sebagai sebuah alat atau rangkaian atau substansi yang meneruskan atau meloloskan arus listrik pada frekuensi-frekuensi atau jangkauan frekuensi tertentu serta menahan (menghalangi) frekuensi-frekuensi lainnya. [3]

2.1.2. Klasifikasi Filter

Berdasarkankomponen pendukung, filter dapat diklasifikasikan menjadi 2 macam, yaitu : filter pasif dan filter aktif.

1. Filter Pasif

Filter pasif merupakan suatu rangkaian filter yang hanya terdiri dari inti

(34)

ukuran fisik induktor yang semakin besar untuk induktansi yang besar dan biaya

untuk pengadaan induktor relatif besar.

2. Filter aktif

Filter aktif merupakan suatu rangkaian filter yang terdiri dari kombinasi

resistor, kapasitor dan satu atau lebih komponen aktif, biasanya penguat

operasional dengan feedback. Kelebihan yang dimiliki yaitu : karena masukan

penguat operasional mampu menyediakan penguatan atau gain maka sinyal

masukan tidak akan segera mengalami pelemahan (atenuasi) selama rangkaian

meneruskan sinyal-sinyal dengan frekuensi yang dikehendaki, biaya pembuatan

filter murah sebab tidak menggunakan komponen induktor yang harganya

relatif mahal dan tidak selalu tersedia di pasaran, mudah disetel (tune) untuk

jangkauan frekuensi yang lebar tanpa mempengaruhi tanggapan rangkaian yang

telah ditentukan (sesuai dengan yang diinginkan), serta memiliki impedansi

masukan yang tinggi dan keluaran yang rendah sebagai akibat dari penggunaan

penguat operasional yang juga hampir menjamin tidak adanya interaksi antara

filter dengan sumber atau beban sinyal. Sedangkan kekurangannya, yaitu :

membutuhkan catu daya tersendiri, kurang handal dibanding komponen pasif,

perlu feedback sehingga ada kemungkinan tidak stabil dan batasan praktis

(35)

Jika berdasarkan jangkauan frekuensi yang dilewatkan (pass band) dan

jangkauan frekuensi yang ditolak(stop band), filter dapat diklasifikasikan menjadi

4 macam, yaitu : Tapis Pelewat Rendah (Low Pass Filter, LPF), Tapis Pelewat

Tinggi (High Pass Filter, HPF), Tapis Pelewat Jalur (Band Pass Filter, BPF) dan

Tapis Penolak Jalur (Band Rejected Filter, BRF). [4,5]

1. Filter Pelewat Rendah

Filter pelewat rendah memilih frekuensi-frekuensi rendah dan menolak

frekuensi-frekuensi tinggi. Karakteristik ideal filter pelewat rendah ditunjukkan

oleh gambar 2.1.

Tanggapan Amplitudo

f fc

1

Gambar 2.1 Karakteristik ideal filter pelewat rendah

2. Filter Pelewat Tinggi

Filter pelewat tinggi menolak frekuensi-frekuensi rendah dan melewatkan

frekuensi-frekuensi tinggi. Karakteristik ideal filter pelewat tinggi ditunjukkan

(36)

Tanggapan amplitudo

f fc

1

Gambar 2.2 Karakteristik ideal filter pelewat tinggi

f fo

1

3. Filter Pelewat Jalur

Filter pelewat jalur melewatkan frekuensi-frekuensi dalam pita tertentu,

sedangkan frekuensi-frekuensi diatas pita dan dibawah pita semuanya ditolak.

Karakteristik ideal filter pelewat jalur ditunjukkan oleh gambar 2.3.

Tanggapan amplitudo

Gambar 2.3 Karakteristik ideal filter pelewat jalur

4. Filter Penolak Jalur

Filter penolak jalur menolak frekuensi-frekuensi dalam pita tertentu dan

melewatkan frekuensi-frekuensi diatas dan dibawah pita frekuensi tersebut.

(37)

Tanggapan Amplitudo

f fc

1 1

Gambar 2.4 Karakteristik ideal filter penolak jalur

2.1.3. Low Pass Filter (LPF)

Kurva tanggapan frekuensi untuk tapis pelewat bawah atau Low Pass

Filter dapat diperlihatkan dalam gambar 2.5. Dalam gambar 2.5 ini dapat dilihat

bahwa orde yang lebih besar menghasilkan tingkat kecuraman yang lebih curam

dibandingkan dengan orde yang lebih kecil.

Gambar 2.5 Kurva tanggapan Low Pass Filter

Pada filter ini dalam praktek fc diambil pada titik tengah separuh daya sebesar

(38)

⎟

Peluruhan filter Op-Amp dapat dirancang agar memiliki karakteristik

yang berbeda. Kemiringan -20 dB/dekade berarti bahwa bila frekuensi meningkat

10 kali dari fc, tegangan akan berkurang sebesar 20 dB. Semakin besar rugi – rugi

dB/dekade berarti semakin terjal kemiringannya, ini mencerminkan batas

penyumbatan yang lebih tajam. Rangkaian sederhana untuk filter LPF diperlihatkan

dalam gambar 2.6.

Gambar 2.6 Untai dasar Low Pass Filter

Konfigurasi rangkaian gambar di atas adalah pengikut tegangan . Resistor

(39)

frekuensi Vin di bawah fc, XC kapasitor besar, sehingga sebagian besar Vin jatuh

ke kapasitor C, sedangkan bila diberi Vin yang lebih besar, maka Vout yang

dihasilkan juga besar. Penguatan akan maksimum pada frekuensi–frekuensi rendah,

sehingga sebagian besar Vin jatuh ke resistor R, akibatnya kapasitor C akan

memintas Vin ke ground, dengan Vin yang kecil maka Vout yang dihasilkannya

juga kecil. Penguatan akan di bawah harga maksimum pada frekuensi–frekuensi

yang lebih tinggi.

2.1.3.1. Low Pass Filtertipe Butterworth Orde ke-2

Low Pass Filter orde ke-2 dengan komponen sama ditunjukkan

seperti pada gambar 2.7.

(40)

Gambar 2.7 dapat juga digambarkan seperti dalam gambar 2.8 berikut ini:

Gambar 2.8Low Pass Filter orde ke-2

Dari gambar 2.8 dapat diperoleh besarnya magnitude tanggapan

frekuensi:

Untuk fungsi kuadrat LPF:

(41)

α = faktor redaman

Sehingga memberikan fc

2

Untuk mempermudah perhitungan dalam praktek, dan dengan prinsip

komponen sama, nilai R1 = R2 dan C1 = C2, sehingga rumusannya menjadi:

Sehingga tanggapan Butterworth untuk Low Pass Filter orde ke-2 dari

persamaan (2.3) dapat disederhanakan menjadi:

2

Dengan membandingkan persamaan (2.7) dan (2.2), maka diperoleh

hubungan antara Q, α, dan K:

(42)

707

Untuk penguat non-inverting berlaku:

A

Dari gambar 2.5 tanggapan frekuensi, pada saat frekuensi cut-off

penguatan atau gain turun -3 dB dari penguatan passband. Low Pass Filter

mempunyai nilai kecuraman -40 dB/dekade, yaitu untuk setiap 1 dekade

frekuensi, penguatan akan turun 40 dB dari penguatan pada frekuensi cut-off,

demikian juga untuk orde yang lebih tinggi penguatannya akan turun sebesar

nilai kecuramannya.

2.1.4. High Pass Filter

High pass filter atau tapis pelolos atas mempunyai fungsi yang

berkebalikan dengan LPF. Tapis ini akan meredam semua frekuensi dibawah

(43)

Gambar 2.9 Kurva tanggapan High Pass Filter

Pada filter ini dalam praktek fc diambil pada titik tengah separuh daya sebesar

0,707 tegangan maksimum. Rangkaian sederhana untuk filter HPF diperlihatkan

dalam gambar 2.10.

(44)

2.1.4.1. High Pass Filter tipe Butterworth Orde ke-2

HPF orde ke-2 dengan komponen sama dapat ditunjukkan seperti

gambar 2.10.

Gambar 2.11High Pass Filter orde ke-2

Gambar 2.11 dapat juga digambarkan seperti dalam gambar 2.12 berikut ini:

(45)

Dari gambar 2.12, dapat diperoleh besarnya magnitude tanggapan

frekuensi:

Untuk fungsi kuadrat HPF:

2

Maka diperoleh persamaan:

(46)

2.1.5. Band Pass Filter

Seperti telah dijelaskan sebelumnya, Tapis Pelewat Jalur (Band Pass

Filter, BPF) melewatkan frekuensi-frekuensi dalam pita tertentu, sedangkan

frekuensi-frekuensi diatas pita dan dibawah pita semuanya ditolak. BPF yang

paling umum digunakan adalah BPF orde ke-2. Adapun fungsi alih (transfer

function) untuk BPF orde ke-2 dalam keadaan tunak (steady state) ditunjukkan oleh

persamaan berikut :

⎟⎟

M = merupakan penguatan maksimum dalam bidang frekuensi

f0 = frekuensi pusat geometris (geometric center frequency).

Q = faktor kualitas.

Untuk tanggapan amplitudo M(ω), sesuai dengan persamaan (2.19) dapat

ditulis sebagai :

(47)

Tanggapan amplitudo relatif (dalam decibel), MdB(ω) dapat diperoleh

dengan membagi persamaan (2.20) dengan M0, sehingga diperoleh

:

Jika digambarkan dalam bentuk grafik, tanggapan amplitudo relatif BPF

secara umum dengan skala linear adalah seperti ditunjukkan oleh gambar 2.13 :

Tanggapan

(48)

Berdasarkan gambar 2.13, ketajaman pada sisi frekuensi tinggi (f2) lebih

landai dari pada frekuensi rendah (f1). Jika f1 dan f2 menyatakan frekuensi pada sisi

bawah dan atas yang mempunyai tanggapan 1/ 2 kali tanggapan maksimum

(-3,01 dB), maka bandwidth B adalah :

B = f2 – f1 (2.23)

Frekuensi f1 dan f2 mempunyai simetri geometris di sekitar frekuensi

pusat fo. Sifat ini akan memenuhi persamaan berikut :

2 1.f f

f_o = (2.24)

Parameter Qberhubungan dengan frekuensi pusat dan bandwidth sebagai :

B f

Q= 0 _(2.25)

Jika Q meningkat, maka filter semakin selektif, artinya bandwidth yang

dibatasi oleh atenuasi 3 dB semakin sempit untuk frekuensi pusat tertentu. Untuk

nilai Q yang lebih tinggi, frekuensi f1 dan f2 akan mempunyai jarak yang semakin

sama pada kedua sisi fo, dan semakin simetris secara aritmatis. Untuk kurva

tanggapan amplitudo BPF orde ke-2 dengan berbagai nilai Q, tampak pada gambar

(49)

Gambar 2.14 Tanggapan amplitudo BPF orde 2 dengan berbagai nilai Q

Skala horisontal adalah frekuensi ternormalisasi f/fo (dari 0,1fo sampai 10fo) dalam

bentuk logaritmis. Kurva tanggapan adalah simetris pada skala logaritmis ini. Jika

pada skala linear, maka akan terlihat seperti pada gambar 2.13. Pada nilai Q yang

rendah, penurunan kurva sangat lambat. Penurunan akan semakin cepat untuk nilai Q

yang lebih tinggi. Frekuensi pusat geometris merupakan parameter yang sangat

(50)

2.1.6. Peng-kaskade-an (Cascading)

Penapis aktif dengan orde lebih dari dua dapat dibuat dengan cara

menghubungkan secara (cascade) penapis orde pertama dan kedua, jika ada penapis

orde kedua yang dikaskadekan maka bagian bagian penapis orde kedua tersebut

tidak sama, hal ini dapat dilihat pada gambar 2.15.

Orde 1 Orde 2 Orde 3

Orde 2 Orde 2 Orde 4

Orde 1 Orde 2 Orde 2 Orde 5

Orde 2 Orde 2 Orde 2 Orde 6

Gambar 2.15 Diagram blok kaskade untuk filter orde tinggi

Untuk meng-kaskade-kan bagian-bagian secara benar, maka besarnya

(51)

Tabel 2.1 Nilai Faktor Redaman Untuk Tanggapan Filter Butterworth

Orde Kutub Kecuraman

(dB / Octav)

2.1. Penguat Operasional (Operational Amplifier, Op-Amp) Sebagai

Pembangun Dasar

2.2.1. Dasar-Dasar Penguat Operasional

Istilah penguat operasional atau Op-Amp awalnya dikenal dalam bidang

elektronika analog dan biasanya digunakan untuk operasi-operasi aritmatika seperti

penjumlahan, integrasi, dan lain lain. Op-Amp sebenarnya merupakan sebuah

penguat tegangan DC diferensial. Adapun simbol Op-Amp dalam suatu rangkaian

(52)

Gambar 2.16 Simbol Op-Amp (dalam rangkaian)

Karakteristik ideal yang dimiliki Op-Amp, yaitu : lebar pita yang tak

berhingga (infinite bandwidth), impedansi masukan yang tak berhingga (infinite

input impedance), dan impedansi keluaran sama dengan nol (zero output

impedance). Dari gambar 2.16 terlihat bahwa Op-Amp memiliki dua masukan,

yaitu masukam positif (V+) dan masukan negatif (V-). Biasanya Op-amp diberi catu

daya dengan polaritas ganda atau bipolar dalam jangkauan ± 5 volt hingga ± 15

volt. Untuk keperluan eksperimen yang murah, dapat dibuat catu daya bipolar

sederhana seperti ditunjukkan pada gambar 2.17.

(53)

Seperti telah disebutkan sebelumnya, Op-Amp memiliki dua masukan.

Perbedaan antara keduanya adalah sebagai berikut :

1. Jika sinyal melalui masukan positif (+), maka keluaran yang dihasilkan adalah

sefase dengan masukan. Atau dapat dikatakan, jika masukan positif maka

keluaran yang dihasilkan juga positif.

2. Jika sinyal melalui masukan negatif (-), maka keluaran yang dihasilkan adalah

berbeda fase 180º atau setengah siklus. Atau dapat dikatakan, jika sinyal

masukan positif maka keluaran yang dihasilkan menjadi negatif.

Agar status keluarannya mengindikasikan mana diantara kedua tegangan

masukan yang lebih besar, maka suatu Op-Amp dapat digunakan sebagai

comparator. Dengan menerapkan bias DC pada masukan Op-Amp, level transisi

dapat diset pada level tegangan yang diinginkan. Hal ini tergantung pula pada

polaritas bias dan pada terminal Op-Amp yang diberi bias. Non inverting

comparator dengan bias positif ditunjukkan oleh gambar gambar 2.18.

-Vsat

Vsat Vi Vo

Vref

(54)

Dari gambar 2.18 terlihat bahwa saat Vi < Vref maka Vo = -Vsat,

sedangkan saat Vi > Vref maka Vo = Vsat. Inverting comparator dengan bias

positif ditunjukkan oleh gambar 2.19.

Vsat

-Vsat Vref Vo

Vi

Gambar 2.19Invertingcomparator dengan bias positif

Dari gambar 2.19 terlihat bahwa saat Vi < Vref maka Vo = Vsat,

sedangkan saat Vi > Vref maka Vo = -Vsat. Selanjutnya pada

pembahasan-pembahasan berikutnya, rangkaian Op-Amp yang digunakan dalam filter aktif

selalu berbentuk atau menggunakan umpan balik eksternal yang berguna untuk

menstabilkan karakteristik Op-Amp itu sendiri.

2.2.2. Penguat Membalik (Inverting Amplifier)

Rangkaian penguat inverting ditunjukkan pada gambar 2.20, dengan Ra

(55)

Gambar 2.20 Rangkaian penguat inverting

Penguatan tegangan atau perbandingan tegangan keluaran terhadap

tegangan masukan dapat dituliskan sebagai :

a b

i o

R R V

V

−

= (2.27)

Dengan demikian, penguatan tegangan bisa kurang dari 1, sama dengan 1

(unity) atau lebih dari 1. Biasanya Ra = 1 kΩ, karena impedansi masukan penguat

inverting tersebut sama dengan Ra. [10]

2.2.3. Penguat Tidak Membalik (Non Inverting Amplifier)

Rangkaian penguat non inverting ditunjukkan oleh gambar 2.21.

(56)

Persamaan untuk menentukan penguatan tegangan adalah :

a b

i o

R R V

V

+

=1 (2.28)

Berbeda dengan penguat inverting, pada penguat non inverting penguatan tegangan

selalu lebih besar dari 1. Perbedaan ini terlihat pada persamaan (2.27) dan (2.28).

2.2.4. Pengikut Tegangan (Voltage Follower)

Pengikut tegangan kadang-kadang disebut sebagai penyangga atau buffer

dan memiliki fungsi yang sama seperti pengikut emiter (emitter follower). Ciri-ciri

yang dimiliki, yaitu : impedansi masukan yang sangat tinggi (lebih dari 100KΩ)

dan impedansi keluaran yang sangat rendah (kurang dari 75Ω). Gambar 2.22

menunjukkan rangkaian pengikut tegangan.

Gambar 2.22 Rangkaian pengikut tegangan

Jika dibandingkan dengan rangkaian penguat non inverting (gambar 2.21),

pada rangkaian pengikut tegangan, Ra = ∞ dan Rb = 0. Dengan demikian, penguatan

(57)

1 =

i o

V V

(2.29)

Sehingga dapat diketahui bahwa sinyal keluaran sama persis (identik)

dengan sinyal masukan atau keluaran mengikuti masukan. Fungsi utama dari

rangkaian ini adalah sebagai penyangga atau mengisolasi beban dari sumber.

Sebagai contoh, gambar 2.23 menunjukkan suatu penguat inverting tanpa

pengikut tegangan, yang mana terlihat bahwa sumber isyarat dihubungkan ke

masukan inverting.

Gambar 2.23 Rangkaian penguat inverting tanpa pengikut tegangan

Berdasarkan gambar 2.23, apabila sumber impedansi tinggi dihubungkan

ke sebuah penguat inverting, penguatan tegangan dari Vout ke Egen tidak ditentukan

oleh Rf dan Ri, seperti pada persamaan yang umum untuk penguat inverting.

Penguatan yang sesungguhnya harus meliputi Rint, sehingga persamaan untuk

(58)

int

Hal tersebut memperlihatkan bahwa Egen terbagi antara Rint dan Ri sehingga

tegangan masukan Ein menjadi kecil.

gen

Untuk mengatasi hal tersebut, sangat diperlukan penggunaan pengikut

tegangan sebagai penyangga sebelum dihubungkan ke masukan Op-Amp. Pengikut

tegangan digunakan apabila tahanan masukan (Rint) dari suatu rangkaian

pembangkit sangat besar sehingga arus yang dialirkan dari sebuah sumber

(59)

Sistem telemetri ini terdiri dari dua bagian besar yaitu bagian pemancar dan penerima seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.1.

Blok B

Bagian Penerima

Blok A

Bagian Pemancar

Gambar 3.1 Diagram blok sistem telemetri secara umum

(60)

Diagram blok bagian penerima ditunjukkan oleh gambar 3.2 berikut ini:

Penerima

LPF fc = 20 kHz

LPF fc = 7 kHz

BPF 8 kHz – 13 kHz

HPF fc = 14 kHz

Komparator Komparator Komparator

MIKROKONTROLER Demodulator

Pembagi Tegangan dan Penyangga

(61)

3.1. Filter

Aktif

3.1.1. Low Pass Filter dengan fc = 20 kHz

Rangkaian Low Pass Filter atau tapis pelewat rendah yang dirancang pada

sistem ini adalah rangkaian tapis pelewat rendah Butterworth orde ke-4. Untuk

mendapatkan rangkaian tapis orde ke-4 adalah dengan cara menggabungkan

(kaskade) dua rangkaian tapis orde ke-2 dengan prinsip “komponen sama” (equal

component). Rangkaian ini dirancang untuk memisahkan sinyal keluaran dari

penerima FM sehingga sinyal-sinyal tersebut terpisah dalam frekuensi tertentu

untuk membedakan frekuensi yang akan digunakan untuk sistem pengukuran.

Rangkaian ini dirancang dengan frekuensi cutoff = 20 KHz sehingga dapat

ditentukan nilai dari R

1 = R2 dan C1 = C2 berdasarkan persamaan (2.6) adalah:

Dari tabel 2.1, dapat ditentukan:

Faktor redaman (α) untuk besarnya nilai R

A dan RB adalah:

1. Bagian pertama

(62)

A

Sehingga diperoleh hasil perancangan untuk Low Pass Filter orde ke-4

(63)

Gambar 3.3Low Pass Filter 20 kHz

3.1.2. Low Pass Filter dengan fc = 7 kHz

Rangkaian Low Pass Filter atau tapis pelewat rendah yang dirancang pada

sistem ini adalah rangkaian tapis pelewat rendah Butterworth orde ke-4. Tapis

pelewat rendah ini dirancang untuk meloloskan frekuensi yang mewakili data

terukur dari sensor 1. Rangkaian ini dirancang dengan frekuensi cut-off = 7 KHz,

sehingga dapat ditentukan nilai dari R

(64)

Digunakan R = 6,8 kΩ.

A dan RB adalah:

(65)

Gambar 3.4 Low Pass Filter 7 kHz

3.1.3. Band Pass Filter dengan fL = 8 kHz dan fH = 13 kHz

Rangkaian Band Pass Filter atau tapis pelewat jalur yang dirancang pada

sistem ini terdiri dari rangkaian tapis pelewat atas (HPF) Butterworth orde ke-4

dengan frekuensi cut-off 8 kHz yang di kaskade dengan tapis pelewat rendah

(LPF) Butterworth orde ke-4 dengan frekuensi cut-off 13 kHz sehingga

didapatkan suatu rangkaian Band Pass Filter (BPF) orde ke-4 dengan frekuensi

cut-off bawah (fL) sebesar 8 kHz dan frekuensi cut-off atas (fH) sebesar 13 kHz.

Tapis pelewat jalur ini dirancang untuk meloloskan frekuensi yang mewakili data

terukur dari sensor 2. Dengan nilai fL dan fH, dapat diketahui lebar bandwidth (B),

frekuensi pusat (fO) dan faktor kualitas (Q) sesuai dengan persamaan 2.23, 2.24

(66)

B = f2 – f1

Rangkaian ini dirancang dengan frekuensi cut-off = 13 KHz, sehingga

dapat ditentukan nilai dari R

1 = R2 dan C1 = C2 berdasarkan persamaan (2.6)

(67)

1. Bagian pertama

(68)

Gambar 3.5 Low Pass Filter 13 kHz

3.1.3.2. High Pass Filter dengan fc = 8 kHz

Rangkaian ini dirancang dengan frekuensi cut-off = 8 KHz, sehingga

dapat ditentukan nilai dari R

1 = R2 dan C1 = C2 berdasarkan persamaan (2.6)

(69)

1. Bagian pertama

Sehingga diperoleh hasil perancangan untuk High Pass Filter orde

(70)

\

Gambar 3.6 High Pass Filter 8 kHz

Dari perhitungan perancangan LPF dan HPF orde ke-4, maka dengan

meng-kaskade-kan kedua tapis tersebut didapat suatu rangkaian Band Pass

Filter (BPF) Butterworth orde ke-4 dengan frekuensi cut-off bawah (fL) = 8 kHz

(71)

Gambar 3.7 Band Pass Filter 8 - 13 kHz

3.1.4. High Pass Filter dengan fc = 14 kHz

Rangkaian High Pass Filter atau tapis pelewat atas yang dirancang pada

sistem ini adalah rangkaian tapis pelewat atas Butterworth orde ke-4. Tapis

pelewat atas ini dirancang untuk meloloskan frekuensi yang mewakili data

terukur dari sensor 3. Rangkaian ini dirancang dengan frekuensi cut-off = 14 KHz,

sehingga dapat ditentukan nilai dari R

1 = R2 dan C1 = C2 berdasarkan persamaan

(72)

RC

A dan RB seperti halnya pada

perancangan Low Pass Filter sebagai berikut:

(73)

A B

R R

= 1,2346

Diambil nilai R

A = 1 kΩ maka RB = 1,234 kΩ.

Digunakan RB = 1,2 kΩ.

seperti ditunjukkan oleh gambar 3.8.

Gambar 3.8 High Pass Filter 14 kHz

3.2. Rangkaian Pembanding (Comparator)

Perancangan rangkaian pembanding ini menggunakan Op-Amp dengan seri

LM741 sebagai pembanding dan dioda seri 1N4001 seperti terdapat dalam gambar

3.9. Rangkaian pembanding akan membandingkan tegangan masukan dengan

tegangan acuan. Bila tegangan masukan lebih kecil dari tegangan acuan, maka

(74)

tegangan saturasi Op-Amp yang digunakan adalah -5 Volt. Sedangkan bila tegangan

masukan lebih tinggi dari tegangan acuan, maka pembanding akan memberikan

keluaran sebesar batas saturasi positif, dalam hal ini tegangan saturasi Op-Amp yang

digunakan adalah +5 Volt. Tegangan acuan yang digunakan disini adalah 0 Volt.

Sementara dioda berfungsi untuk menghilangkan fase negatif dari keluaran rangkaian

pembanding, sehingga hasil keluaran akhir yang didapatkan adalah suatu sinyal

gelombang kotak dengan batas atas = 5 Volt dan batas bawah = 0 Volt.

Gambar 3.9 Rangkaian Pembanding(Comparator)

3.3. Rangkaian Penyangga (Buffer)

Perancangan buffer menggunakan Op-Amp dengan seri LM741, seperti

pada gambar 3.10. Sesuai dengan dasar teori, tegangan keluaran pada buffer

sama dengan tegangan masukan, dengan demikian penguatan tegangan yang

dihasilkan sama dengan 1. Penyangga digunakan karena memiliki impedansi

masukan yang tinggi dan impedansi keluaran yang rendah, maka arus yang

(75)

dihubungkan dengan rangkaian lain, tegangan yang dihasilkan tidak mengalami

penurunan.

(76)

Pada bab ini akan ditunjukkan hasil pengamatan dan pembahasan dari Filter Butterworth Untuk Sistem Telemetri Termodulasi Frekuensi Dengan Metode Multitone. Pengujian alat dilakukan dengan cara mengamati masukan dan keluaran pada setiap bagian dari sistem yang ada.

4.1 LOW PASS FILTER 20 kHz

Pada bagian low pass filter yang pertama, yaitu low pass filter dengan frekuensi cut-off 20 kHz, frekuensi – frekuensi yang diterima oleh penerima FM

(77)

= 0,707×3 Vpp = 2,12 Vpp

Letak frekuensi pada saat penguatan sebesar 2,12 Vpp berada pada 18503,5 Hz, jadi terdapat selisih sebesar 1496,5 Hz antara frekuensi cut-off perancangan (20 kHz) dengan hasil pengukuran (18503,5 Hz). Kesalahan yang terjadi pada perancangan dapat dihitung dengan rumus:

Galat frekuensi cut-off = ( − )×100%

Sehingga didapatkan besarnya nilai kesalahan sebagai berikut:

Galat frekuensi cut-off = 100%

(78)

LPF 20 kHz

Gambar 4.1 Grafik Tanggapan Frekuensi LPF 20 kHz.

(79)

4.2 LOW PASS FILTER 7 kHz

Pada bagian low pass filter yang kedua, yaitu low pass filter dengan frekuensi

cut-off 7 kHz, filter ini digunakan untuk meredam frekuensi diatas 7 kHz agar daerah frekuensi yang digunakan untuk sensor 1 tidak terganggu oleh frekuensi lainnya. Sinyal masukan dan keluaran dari LPF 7 kHz dapat dilihat pada gambar Lampiran B2.1 dan gambar Lampiran B2.2. Sebagai perbandingan, juga dilampirkan gambar sinyal keluaran kedua filter lainnya dengan amplitudo dan frekuensi masukan yang sama pada gambar Lampiran B2.3 dan gambar Lampiran B2.4. Dengan memberi masukan sebesar 2,5 Vpp, maka dapat dihitung penguatan tegangan yang diperoleh seperti dalam tabel Lampiran A2. Dari tabel Lampiran A2 juga dapat diperoleh hubungan antara frekuensi dan penguatan dalam dB dalam bentuk grafik sebagaimana ditunjukkan oleh gambar 4.2. Berdasarkan tabel Lampiran A2 dapat ditunjukkan bahwa frekuensi cut-off dari LPF adalah pada saat penguatan tegangannya turun sebesar 0,707 dari penguatan maksimum.

= 0,707×2,64 Vpp = 1,8 Vpp

(80)

Berdasarkan hasil perhitungan diatas terlihat bahwa nilai galat cukup kecil. Galat yang terjadi disebabkan oleh kesalahan pada sistem, terutama pada penentuan nilai komponen, yang mana masing-masing komponen mempunyai nilai toleransi sehingga jika digunakan pada sistem dan dilakukan pengujian maka akan menghasilkan nilai yang sedikit menyimpang. Pemilihan nilai komponen dengan toleransi dimaksudkan untuk menekan biaya pembuatan alat.

LPF 7 kHz

(81)

4.3 BAND PASS FILTER 8-13 kHz

Pada bagian band pass filter, yaitu band pass filter dengan frekuensi cut-off

bawah sebesar 8 kHz dan frekuensi cut-off atas sebesar 13 kHz, filter ini digunakan untuk meredam frekuensi dibawah 8 kHz dan diatas 13 kHz agar daerah frekuensi yang digunakan untuk sensor 2 tidak terganggu oleh frekuensi lainnya. Sinyal masukan dan keluaran dari BPF 8-13 kHz dapat dilihat pada gambar Lampiran B3.1 dan gambar Lampiran B3.2. Sebagai perbandingan, juga dilampirkan gambar sinyal keluaran kedua filter lainnya dengan amplitudo dan frekuensi masukan yang sama pada gambar lampiran B3.3 dan gambar Lampiran B3.4. Dengan memberi masukan sebesar 2,5 Vpp, maka dapat dihitung penguatan tegangan yang diperoleh seperti dalam tabel Lampiran A3. Dari tabel Lampiran A3 juga dapat diperoleh hubungan antara frekuensi dan penguatan dalam dB dalam bentuk grafik sebagaimana ditunjukkan oleh gambar 4.3. Berdasarkan tabel Lampiran A3 dapat ditunjukkan bahwa frekuensi cut-off dari BPF adalah pada saat penguatan tegangannya turun sebesar 0,707 dari penguatan maksimum.

= 0,707×3,92 Vpp = 2,77 Vpp

(82)

perancangan (13 kHz) dengan hasil pengukuran (13176 Hz). Kesalahan yang terjadi pada perancangan dapat dihitung dengan rumus:

Galat frekuensi cut-off bawah = 100%

Berdasarkan hasil perhitungan diatas terlihat bahwa nilai galat untuk frekuensi cut-off

(83)

BPF 8-13 kHz

Av max=11,865 dB Fo = 10685 Hz

Av -3dB Av max, FcH= 13176 Hz

Gambar 4.3 Grafik Tanggapan Frekuensi BPF 8-13 kHz

4.4 HIGH PASS FILTER 14 kHz

Bagian ini membahas high pass filter dengan frekuensi cut-off 14 kHz. Filter

(84)

dalam tabel Lampiran A4. Dari tabel Lampiran A4 juga dapat diperoleh hubungan antara frekuensi dan penguatan dalam dB dalam bentuk grafik sebagaimana ditunjukkan oleh gambar 4.4. Berdasarkan tabel Lampiran A4 dapat ditunjukkan bahwa frekuensi cut-off dari HPF adalah pada saat penguatan tegangannya turun sebesar 0,707 dari penguatan maksimum.

= 0,707×2,2 Vpp = 1,55 Vpp

Letak frekuensi pada saat penguatan sebesar 1,55 Vpp berada pada 13586 Hz, jadi terdapat selisih sebesar 414 Hz antara frekuensi cut-off perancangan (14 kHz) dengan hasil pengukuran (13586 Hz). Kesalahan yang terjadi pada perancangan dapat dihitung dengan rumus:

Galat frekuensi cut-off = 100%

(85)

yang sedikit menyimpang. Pemilihan nilai komponen dengan toleransi dimaksudkan untuk menekan biaya pembuatan alat.

HPF 14 kHz

Gambar 4.4 Grafik Tanggapan Frekuensi HPF 14 kHz.

4.5 Pembanding (Comparator)

(86)

referensi menjadi sama dengan batas saturasi negatif, dalam hal ini tegangan saturasi op-amp yang digunakan adalah -5 Volt. Tegangan referensi yang digunakan disini adalah 0 Volt. Sementara dioda berfungsi untuk menghilangkan fase negatif dari keluaran rangkaian pembanding, sehingga hasil keluaran akhir yang didapatkan adalah suatu sinyal gelombang kotak dengan batas atas = 5 Volt dan batas bawah = 0 Volt. Keluaran akhir dari rangkaian pembanding dengan dioda untuk masing-masing

filter ditunjukkan oleh gambar Lampiran B5, B6, dan B7.

4.6 Pembahasan Kinerja Sistem Dengan Sinyal Masukan Gelombang Kotak

Dan Frekuensi Yang Berbeda

(87)

Tabel 4.1 Kinerja Filter dengan Sinyal Masukan Gelombang Kotak dan Frekuensi Masukan Yang Berbeda

Masukan Tegangan Keluaran (Vpp)

Frekuensi

Dari tabel 4.1 dan gambar Lampiran B8 dapat diamati bahwa ternyata kinerja masing-masing filter masih terpengaruh oleh interferensi frekuensi filter lainnya. Karena pada frekuensi yang sama untuk LPF 7 kHz dan BPF 13 kHz serta BPF 8-13 kHz dan HPF 14 kHz ternyata tegangan keluarannya belum diredam sepenuhnya sehingga frekuensi diluar batas cut-off filter masih dapat terbaca oleh filter lainnya. Hal ini disebabkan karena penggunaan filter dengan orde yang rendah. Sedangkan untuk keluaran akhir dari sistem, yaitu pada rangkaian pembanding sudah bekerja dengan baik karena dapat menghasilkan sinyal keluaran berupa gelombang kotak.

(88)

4.7 Analisa Kinerja Sistem Dengan Masukan Sinyal Terjumlah

(89)

Gambar 4.5(a) Sinyal terjumlah masukan Sistem dengan Amplitudo 9 Vpp Sinyal 1 dengan Amplitudo 5 Vpp, Frekuensi 1965 Hz

Sinyal 2 dengan Amplitudo 4 Vpp, Frekuensi 10572 Hz Sinyal 3 dengan Amplitudo 3 Vpp, Frekuensi 17365 Hz

Gambar 4.5(b) Sinyal terjumlah untuk masukan Sistem setelah pembagi tegangan dengan Amplitudo 3 Vpp

(90)

Gambar 4.6(b) Sinyal keluaran LPF 20 kHz setelah pembagi tegangan dengan masukan sinyal terjumlah

Tabel 4.2 Kinerja Filter Dengan Masukan Sinyal Terjumlah

Masukan Tegangan Keluaran (Vpp) Vi(Vpp) Frekuensi(Hz) LPF 7 kHz BPF 8-13 kHz HPF 14 kHz

5 1965 4,8 - -

4 10572 - - -

3 17365 - - -

(91)

tabel Lampiran A2, A3 dan A4 juga dapat diperoleh hubungan antara frekuensi dan penguatan dalam dB secara keseluruhan dalam bentuk grafik sebagaimana ditunjukkan oleh gambar 4.10.

Gambar 4.7(a) Sinyal keluaran LPF 7 kHz dengan masukan sinyal terjumlah, Amplitudo 4,8 Vpp

(92)

Gambar 4.8(a) Sinyal keluaran BPF 8-13 kHz dengan masukan sinyal terjumlah

Gambar 4.8(b) Keluaran akhir BPF 8-13 kHz setelah Rangkaian Pembanding dengan masukan sinyal terjumlah

(93)

Gambar 4.9(b) Keluaran akhir HPF 14 kHz setelah Rangkaian Pembanding dengan masukan sinyal terjumlah

Dari gambar 4.7(b) dapat dilihat bahwa komparator mendeteksi perubahan sinyal masukan pada daerah sekitar puncak amplitudo negatif, sehingga derau dari sinyal masukan komparator memicu perubahan bentuk sinyal keluaran komparator. Masalah ini dapat diatasi dengan cara memperbesar tegangan acuan pada komparator.

Tanggapan Frekuensi LPF, BPF dan HPF

0

(94)

Dari gambar 4.10 dapat dilihat bahwa untuk LPF 7 kHz masih melewatkan frekuensi diluar batas frekuensi cut-off filter. Demikian juga untuk BPF 8-13 kHz dan HPF 14 kHz. Hal ini yang menyebabkan terjadinya interferensi frekuensi pada daerah sekitar frekuensi pembatas antar filter (daerah arsir), sehingga data yang ditransmisikan pada frekuensi ini tidak dapat terdefinisi oleh alat ukur yang digunakan.

4.8 Pembahasan Secara Keseluruhan

(95)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan analisis terhadap data yang diperoleh dari hasil penelitian dan pembahasan, maka dapat disimpulkan:

1. Berdasarkan hasil dari pengamatan terhadap masing-masing filter secara terpisah, dapat disimpulkan bahwa filter telah bekerja dengan baik. Hal ini dapat dilihat dari kinerja filter yang telah dapat memisahkan antara frekuensi

pass band dari frekuensi stop band mendekati perancangan. Frekuensi cut-off

hasil pengukuran dengan frekuensi cut-off perancangan mengalami perbedaan, karena nilai komponen yang dipakai tidak sesuai dengan nilai perancangan, karena tidak tersedia dipasaran.

2. Besar galat frekuensi cut-off untuk LPF 20 kHz sebesar 7,48 %, galat frekuensi cut-off untuk LPF 7 kHz sebesar 2,11 %, galat frekuensi cut-off

bawah untuk BPF 8-13 kHz sebesar 5,1 % dan galat frekuensi cut-off atas untuk BPF 8-13 kHz sebesar 1,35 % serta galat frekuensi cut-off untuk HPF 14 kHz sebesar 2,95 %.

(96)

dengan orde yang rendah, sehingga sinyal keluaran filter masih terinterferensi oleh frekuensi lain diluar batas frekuensi cut-off filter.

5.2 Saran

Untuk pengembangan alat lebih lanjut, maka penulis menyarankan beberapa hal berikut:

1. Secara teoritis, penggunaan filter dengan orde yang lebih tinggi akan memberikan respon tanggapan frekuensi yang kemiringannya lebih curam, sehingga dapat meminimalisai interferensi frekuensi antar filter.

2. Perancangan keseluruhan filter dengan penguatan yang sama, misal dengan penguatan 1 (unity) sehingga besar tegangan referensi pada rangkaian pembanding dapat disesuaikan untuk meminimalisasi interferensi frekuensi. 3. Perlu diperhatikan bahwa nilai komponen yang digunakan sedapat mungkin

(97)

DAFTAR PUSTAKA

[1] Primawan, A.Bayu, Martanto, Dian M.Mulya, 2005, Implementasi Pemancar Telemetri Suhu Termodulasi Frekuensi, Seminar Nasional Mekatronika 2005, Fak.Teknik USD, Yogyakarta

[2] Martanto, A.Bayu Primawan, Dian M.Mulya , 2005, Implementasi Penerima Telemetri Suhu Termodulasi Frekuensi, Seminar Nasional Mekatronika 2005, Fak.Teknik USD, Yogyakarta

[3] Putra, Agfianto Eko, 2002, Penapis Aktif Elektronika : Teori dan Praktek, C.V.Gava Media, Yogyakarta.

[4] Valkenburg, VME., 1982, Analog Filter Design, CBS College Publishing, New York.

[5] Roddy, Dennis, Coolen, J., 1995, Komunikasi Elektronik, PT Prenhallindo, Jakarta.

[6] Stanley, William.D., 1994, Operational Amplifiers With Linear Integrated Circuits, Macmillan College Publishing Company, Inc., New York.

[7] Irvine, Robert G., 1994, Operational Amplifier Characteristics And Applications, Prentice-Hall, Inc., New Jersey.

[8] Malvino, Albert Paul, 1986, Prinsip-Prinsip Elektronika, Penerbit Erlangga, Jakarta.

(98)

(99)

(100)

Keterangan 10 = Keluaran Sistem Gambar implementasi perangkat keras (tampak atas) 11,12 = Masukan Sistem

13 = Ground

(101)

LAMPIRAN A

(102)