Pemantauan denyut jantung dengan stetoskop elektronik - USD Repository

i

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Elektro

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma

Disusun oleh:

COSMAS PUNGKAS AQUILLA

NIM : 045114021

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

ii

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements To Obtain the SARJANA TEKNIK Degree

in Electrical Engineering

Faculty Science and Technology of Sanata Dharma University

By:

COSMAS PUNGKAS AQUILLA

NIM : 045114021

ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

ELEKTRONIK

(HEART BEAT MONITORING USING ELECTRONIC STETHOSCOPE)

Disusun oleh:

COSMASPUNGKASAQ~LA

NlM :045114021

Telah disetujui oleh:

PembirnbingI:

B. Wuri Harini, S.T., M.T.

..

Pembirnbing II:

III

Tanggal : 18Juni2008

atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.

vi

yang sedang berkembang di Indonesia.

You’ll never walk alone...

Yang bertanda tangan di b a d ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma: Nama : Cosmas Pungkas Aquilla

NIM :045114021

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul:

PEMANTAUAN D E N W T JANTUNG DENGAN STETOSKOP ELEKTRONIK

Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikannya secara terbatas, dan mempubliasikannya di Internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Dernikian pemyataan ini saya buat dengan sebenarnya

Yogyakarta, 10 Maret 2008 Yang Menyatakan,

vii

viii

meningkatkan kualitas hidupnya melalui peningkatan kualitas kesehatan. Jantung sebagai organ vital harus tetap dijaga kesehatannya. Mengetahui ritme detak jantung merupakan salah satu cara untuk menjaga kesehatan jantung. Jantung yang bekerja terlalu cepat atau terlalu lambat akan mengganggu keseimbangan tubuh.

Alat pengukur detak jantung ini menggunakan sebuah stetoskop sebagai penangkap suara akustik dari denyut jantung. Suara dari stetoskop analog akan diubah menjadi sinyal elektrik. Dengan menggunakan sebuah mikrokontroler, sinyal elektrik diubah menjadi data digital dan diolah untuk menentukan jumlah denyut jantung setiap menit. Hasil pengolahan data digital ini ditampilkan melalui suatu penampil dan data digital ini dapat juga dikirimkan secara wireless ke alat lain (misalnya: komputer personal) untuk pengolahan lebih lanjut.

Penelitian ini telah berhasil membuat suatu alat pemantau detak jantung. Alat ini dapat digunakan untuk penggunaan sehari-hari.

ix

quality of life by increasing the quality of healthcare. The health of the heart, as a vital organ, needs to be well cared for. Knowing the heart beat rhythm is one way of taking care of the heart. A heart that is working too quickly or too slowly will negatively influence the balance of the body.

This heart beat measurement device uses a stethoscope as an acoustic voice collector from the heartbeat. The analogue voice from the stethoscope will be changed into an electrical signal. A Microcontroller changes the electrical signal into digital data and processes it to determine the number of heart beats every minute. The result is shown through a display and it can also be sent via wireless technology to other devices (for example: a personal computer) for further processing.

This research has succeeded in producing a heart beat monitoring device that is suitable for daily usage.

x

karya ini. Karya ini dimaksudkan penulis untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar sarjana teknik program studi Teknik Elektro.

Penulis sadar bukan hanya kekuatan dalam diri sendiri yang menjadi penggerak tetapi banyak dukungan dari berbagai pihak sehingga penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1. Tuhan Yesus Kristus, sumber segala inspirasi.

2. Kedua orang tua penulis atas perhatian, kasih sayang, dukungan baik moral maupun materil, kesabaran, dan ketabahan. Engkau laksana oase di padang gurun.

3. Ibu B. Wuri Harini, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing I atas segala kesabaran, dukungan baik moral maupun materil, dan dedikasi yang tinggi. 4. Bapak Ir. Tjendro selaku dosen pembimbing II atas segala bantuan, sharing

pengalaman, dan dedikasi.

5. Seluruh dosen dan staff di Tenik Elektro pada khususnya dan Fakultas Sains dan Teknologi pada umumnya yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan studi.

xi

9. Teman-teman Teknik Elektro, Kos Paingan 100, dan Mitra Perpustakaan atas kebersamaannya selama ini.

10.Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu yang telah membantu penulis hingga terselesaikannya tugas akhir ini.

Harapan penulis, semoga karya ini dapat berguna bagi penulisan karya sejenis di masa-masa yang akan datang. Oleh karena itu, penulis tidak menutup kemungkinan untuk kritik dan saran yang membangun dari banyak pihak. Akhir kata, selamat membaca karya ini.

Yogyakarta, 3 Maret 2008

xii

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING…….……… iii

HALAMAN PENGESAHAN……… iiii

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA……… v

MOTTO DAN PERSEMBAHAN….……… vi

PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH... vii

INTISARI…..……… viii

ABSTRACT..……… ix

KATA PENGANTAR……...……… x

DAFTAR ISI..……… xii

DAFTAR TABEL…..……… xvii

DAFTAR GAMBAR.……… xix

BAB I PENDAHULUAN…………..……… 1

1.1.Judul……….……… 1

1.2.Latar Belakang Masalah...……… 1

1.3.Tujuan dan Manfaat…….……… 2

1.4.Batasan Masalah...……… 2

1.5.Metode Penelitian……….……… 3

xiii

2.3. Mikrofon ...……… 9

2.3.1.Mikrofon Kondenser... 9

2.3.2. Mikrofon Kondenser Elektret ( Magnet Elektrostatis)... 11

2.4. Penguat Operasional (Op-Amp)...……… 12

2.4.1. Penguat Pembalik (Inverting Amplifier)……… 13

2.4.1.1. Penguat Pembalik DC……… 13

2.4.1.2. Penguat Pembalik AC……… 15

2.4.2. Penguat Bukan Pembalik……… 16

2.4.2.1. Penguat Bukan Pembalik DC……….……… 16

2.4.2.2. Penguat Bukan Pembalik AC ……… 17

2.4.2.3. Konfigurasi Pengikut Tegangan……… 19

2.5. Penapis Aktif Elektronik...…..……… 20

2.5.1. Penapis Aktif Butterworth Pelewat Bawah ……… 21

2.5.2. Karakteristik Penapis Butterworth..……… 23

2.5.3. Perancangan Penapis Butterworth..……… 24

2.5.3.1. Penskala Frekuensi……… 25

2.5.3.2. Penskala Impedansi……… 26

2.5.4. Jumlah Kutub……..……… 26

xiv

2.6. Penguat Transistor Konfigurasi Umpan Balik Tegangan

Kolektor ...……… 30

2.6.1. Analisa DC..……… 30

2.6.2. Analisa AC..……… 34

2.7. Penguat Daya...……… 35

2.8. Mikrokontroler ATmega32……..……… 36

2.8.1. Pengubah Analog ke Digital……… 37

2.8.1.1. Algoritma SAR……..……… 38

2.8.1.2. ADC pada Mikrokontroler ATmega32……..…… 40

2.8.2. Pewaktu 8 bit……….. 41

2.8.3. UART……..……… 42

2.8.3.1. USART……… 43

2.9. LCD (Liquid Crystal Display) 16 x 2 karakter……… 46

2.9.1. Pengendali Modul LCD…..……… 47

2.9.2. Deskripsi Fungsi….……… 50

2.9.2.1. Register……..……… 50

2.9.2.2. Bendera Sibuk (BF)……… 51

2.9.2.3. Penghitung Alamat (AC)……… 51

xv

BAB III PERANCANGAN ALAT…..………... 55

3.1. Perancangan Perangkat Keras…..……… 56

3.1.1. Stetoskop Akustik dan Mikrofon……..………... 56

3.1.2. Penguat Awal………... 57

3.1.2.1.Penguat Awal Transistor... 57

3.1.2.2.Penguat Variabel Bukan Pembalik AC... 59

3.1.3. Penapis Aktif Butterworth………... 61

3.1.3.1. Penapis Pelewat Bawah Butterworth Orde Enam..………... 61

3.1.4. Penguat Daya Rendah………... 64

3.1.5. Konfigurasi ATmega32………... 65

3.2. Perancangan Perangkat Lunak….……….. 67

3.2.1. Program Utama……….……….... 67

3.2.2. Pengiriman Data……….... 69

3.2.3. Pencari Puncak..……….... 72

3.2.4. Penghitung rerata BPM………... 74

3.2.5. Pengisian LCD..……….... 74

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN……… 78

xvi

4.5. Hasil Pengiriman Data ke PC…..……… 91

4.6. Analisa Perangkat Keras..……… 92

4.6.1 Penguat Awal….………... 92

4.6.1.1 Penguat Awal Transistor…….………... 92

4.6.1.2 Penguat Bukan Pembalik AC……….. 93

4.6.2 Penapis Pelewat Rendah………... 93

4.7. Analisa Perangkat Lunak.……… 95

4.7.1. Analisa Metode Komunikasi….……….... 105

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN……….……… 109

5.1 Kesimpulan……… 109

5.2 Saran…….……… 110

DAFTAR PUSTAKA...……… 111

xvii

Butterworth orde tinggi……… 23

2. Tabel 2.2 Tabel perhitungan Baud Rate dan UBRR……… 45

3. Tabel 2.3 Keterangan fungsi dari tiap pin LCD ……… 48

4. Tabel 2.4 Daftar instruksi kontroler modul LCD ……… 48

5. Tabel 2.5 Daftar keterangan tabel instruksi kontroler LCD pada tabel 2.4……… 49

6. Tabel 2.6 Pemilihan Register……… 50

7. Tabel 2.7 Register inisialisasi modem RF……… 53

8. Tabel 3.1 Nilai C/Kf.……… 62

9. Tabel 3.2 Nilai Kr pada setiap tingkat..……… 63

10.Tabel 3.3 Nilai kapasitor dan resistor aktual……… 63

11.Tabel 3.4 Nilai osilator untuk baud rate 9600 bps...……… 65

12.Tabel 3.5 Inisialisai modem RF………... 71

13.Tabel 4.1 Gangguan-gangguan sinyal detak jantung... 83

14.Tabel 4.2 Perbandingan detak terukur dan terhitung………... 85

15.Tabel 4.3 Perbandingan pengujian digitalisasi alat dengan alat ukur OMRON... 88

xviii

xix

2. Gambar 2.2 Chestpiece dari stetoskop……….. 8

3. Gambar 2.3 Mikrofon kondenser………... 9

4. Gambar 2.4 Mikrofon kondenser elektret ……… 11

5. Gambar 2.5 Rangkaian penguat pembalik……… 14

6. Gambar 2.6 Penguat pembalik AC……… 15

7. Gambar 2.7 Rangkaian penguat bukan pembalik..……… 16

8. Gambar 2.8 Penguat bukan pembalik……… 17

9. Gambar 2.9 Penguat bukan pembalik dengan catu daya tunggal..…… 18

10.Gambar 2.10 Rangkaian pengikut tegangan..……… 19

11.Gambar 2.11 Penapis pasif HPF.………... 20

12.Gambar 2.12 Penapis pasif LPF.……… 20

13.Gambar 2.13 Rangkaian LPF Butterworth orde 2.……… 22

14.Gambar 2.14 Rangkaian LPF Butterworth orde 3.……… 22

15.Gambar 2.15 Kaskade Butterworth orde tinggi….……… 23

16.Gambar 2.16 Karakteristik penapis Butterworth………... 24

17.Gambar 2.17 Tanggapan frekuensi Butterworth………... 28

xx

gambar 2.19...…… 31

21.Gambar 2.21 Kalang kolektor-emitor untuk gambar 2.19..………… 33

22.Gambar 2.22 Konfigurasi umpan balik kolektor .……… 34

23.Gambar 2.23 Pendekatan model re konfigurasi umpan balik kolektor……… 34

24.Gambar 2.24 Algoritma SAR…..……… 39

25.Gambar 2.25 Lapisan penyusun LCD..……… 46

26.Gambar 2.26 LCD Dot matrix 16 x 2 karakter……… 48

27.Gambar 2.27 Hubungan antara alamat DDRAM dan posisi pada LCD……….…… 51

28.Gambar 3.1 Blok diagram Stetoskop Elektronik….……… 55

29.Gambar 3.2 Panasonic WM-60A mikrofon kondenser elektret..…… 56

30.Gambar 3.3 Rangkaian prasikap DC untuk mikrofon kondenser…… 57

31.Gambar 3.4 Rangkaian penguat awal transistor..……… 59

32.Gambar 3.5 Implementasi penguat bukan pembalik AC... 60

33.Gambar 3.6 Penapis butterworth orde enam dengan nilai ternormalisasi………. 62

xxi

39.Gambar 3.12 Diagram alir pengiriman data..……… 71

40.Gambar 3.13 Diagram alir pencari puncak……… 73

41.Gambar 3.14 Diagram alir penghitung rerata BPM……… 73

42.Gambar 3.15 Tampilan LCD yang dikehendaki.……… 75

43.Gambar 3.16 Diagram alir inisialisasi LCD……… 75

44.Gambar 3.17 Diagram alir pengisian LCD..……… 76

45.Gambar 3.18 Rutin penulisan data ke LCD….……… 77

46.Gambar 4.1 Gambar papan utama……… 79

47.Gambar 4.2 Stetoskop dan penguat awal transistor.……… 79

48.Gambar 4.3 Hasil pengukuran detak jantung……...……… 81

49.Gambar 4.4 Tampilan bila tidak ada detak yang terdeteksi.………… 81

50.Gambar 4.5 Denyut yang diperoleh pada awal iterasi, diambil pada arteri leher... 81

51.Gambar 4.6 Denyut yang diperoleh pada awal iterasi, diambil pada Dada... 81

52.Gambar 4.7 Data ADC yang diterima PC……… 87

53.Gambar 4.8 Sinyal analog detak jantung .……… 87

1.1.

Judul

Pemantau Denyut Jantung dengan Stetoskop Elektronik

1.2.

Latar Belakang Masalah

Jantung sebagai pusat dari peredaran darah dalam tubuh manusia memiliki peranan yang sangat vital. Tanpa jantung, manusia tidak akan bisa hidup, karena organ-organ di dalam tubuh akan kekurangan oksigen dan mati. Jantung yang sehat mutlak diperlukan seseorang. Tanpa jantung yang sehat, seseorang akan kehilangan kualitas hidup. Mengetahui ritme detak jantung merupakan salah satu cara untuk menjaga kesehatan jantung. Jantung yang bekerja terlalu cepat akan mengganggu keseimbangan tubuh dan juga akan berakibat yang sama bila jantung bekerja terlalu lambat [1].

Fokus dari penelitian ini adalah pembuatan suatu alat yang dapat mengukur detak jantung seseorang dengan tepat, namun juga harus efisien dan ergonomis. Banyak alat serupa terdapat di pasaran, namun alat-alat tersebut memiliki keterbatasan, yaitu belum adanya suatu alat yang memiliki fasilitas pengiriman data ke sebuah alat pengolah data lain yang terintegrasi [2]. Jadi alat ini diharapkan dapat

mengatasi keterbatasan yang ada dan juga dapat mengetahui hasil pengukuran dengan cepat dan tepat.

Penerapan penelitian ini dapat diaplikasikan pada bidang kesehatan. Penggunaan alat ini tidak hanya ditujukan bagi orang-orang yang sudah ahli, namun juga dapat digunakan bagi orang awam karena alat ini didesain untuk user-friendly.

1.3.

Tujuan dan Manfaat

Tujuan yang akan dicapai yaitu menghasilkan suatu alat yang berfungsi untuk memantau detak jantung seseorang.

Manfaat dari penelitian ini yaitu dapat mengetahui irama atau ritme denyut jantung manusia. Bila terjadi ketidaknormalan maka dapat diketahui sejak dini sehingga memperbesar peluang untuk sembuh. Manfaat lain yang didapat yaitu orang awam dapat melakukan sendiri pemeriksaan ritme jantung, sehingga memudahkan orang untuk mengetahui kondisi kesehatannya saat itu juga. Alat ini juga dapat membantu para ahli kesehatan untuk mengetahui denyut jantung seseorang dengan lebih akurat. Hasil pemantauan dapat dikirimkan ke dalam perangkat pengolah data lain, misalnya personal komputer untuk disimpan sebagai arsip medis.

1.4.

Batasan Masalah

elektrik menggunakan mikrofon. Sinyal informasi dari mikrofon akan diolah dengan menggunakan mikrokontroler ATmega32 yang akan dikirimkan ke alat penerima lain, dengan menggunakan modul pemancar dan penerima (transceiver). Informasi mengenai hasil pengukuran yang ditampilkan berupa jumlah detak per menit (beat per minute, BPM), detakan minimum dan detakan maksimum. Alat ini didesain untuk menghitung detak jantung normal manusia. Detak yang dapat diukur mempunyai rentang antara 50-300 detak per menit.

1.5.

Metode Penelitian

Alat ini dirancang dan dibuat dengan menggunakan studi literatur, mempelajari cara kerja alat, serta merencanakan dan membuat peralatan tersebut. Perencanaan dibuat dengan mendisain blok demi blok berdasarkan teori yang sudah didapatkan di bangku kuliah sehingga alat tersebut bisa bekerja sesuai dengan hasil yang diharapkan. Pembuatan dilakukan dengan terlebih dahulu mengetes jalannya alat dengan suatu percobaan pada papan percobaan. Setelah hasil percobaan sesuai dengan yang diharapkan, kemudian alat tersebut dapat dirakit dan dipasang pada suatu PCB. Pengujian alat ini dilakukan dengan pengambilan data, analisis data, dan penarikan kesimpulan.

1.6.

Sistematika Penulisan

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini menguraikan tentang pemilihan topik sebagai dasar pemikiran melalui latar belakang penelitian, tujuan dan manfaat dari penelitian, batasan-batasan masalah, metode penelitian, serta sistematika penelitian ini.

BAB II DASAR TEORI

Bab ini memaparkan teori mengenai detak jantung, pengolahan sinyal analog, mikrokontroler, dan penampil yang digunakan dalam pembuatan alat pemantauan detak jantung ini.

BAB III PERACANGAN ALAT

Bab ini akan memaparkan perancangan mengenai alat pemantau detak jantung ini.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi mengenai pembahasan dari hasil alat yang telah diperoleh.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5

2.1.

Jantung

Jantung terdiri dari empat ruang, yaitu bilik kiri, bilik kanan, serambi kiri, dan

serambi kanan. Fungsi dari serambi yaitu sebagai tempat untuk mengumpulkan darah.

Bilik berfungsi sebagai tempat untuk memompa darah ke seluruh tubuh dan

paru-paru. Darah mengalir dari serambi menuju bilik. Agar darah tidak mengalir menuju

serambi dari bilik, maka ada katup pada jalan masuk dan keluar. Pada saat berdenyut,

setiap ruang jantung mengendur dan terisi darah (disebut diastol); selanjutnya jantung

berkontraksi dan memompa darah keluar dari ruang jantung (disebut sistol). Kedua

serambi dan bilik mengendur dan berkontraksi secara bersamaan [3].

Bunyi-bunyi jantung merupakan suatu vibrasi-vibrasi yang bertalian dengan

akselerasi dan deselerasi tiba-tiba dari darah di dalam sistem kardiovaskular. Bunyi

jantung pertama (S1) dan kedua (S2) terjadi oleh menutupnya katup-katup yang

berkenaan dengan atrium jantung (Atrio Ventrikulae) dan semiluner serta

kejadian-kejadian yang mengiringi penutupan-penutupan ini. Intensitas dari bunyi jantung

pertama (S1) dipengaruhi oleh:

i. Posisi daun-daun mitral (berkenaan dengan katup bikuspid) pada

permulaan kontraksi ventrikel jantung yang mendorong darah masuk

ii. Kecepatan naiknya denyut nadi tekanan bilik kiri.

iii. Ada tidaknya penyakit struktural dari katup mitral.

iv. Jumlah jaringan, rongga atau cairan antara jantung dan stetoskop.

Bunyi jantung pertama dibagi menjadi dua komponen, aorta (A2) atau menutupnya

katup mitral dan pulmonal (P2) atau menutupnya katup trikuspidal. Kedua komponen

berbunyi nyaring dari S1 selama 10 ms sampai 30 ms adalah fenomena normal. Bunyi

jantung ketiga merupakan bunyi bersuara rendah (low picthed) yang terjadi di dalam

bilik 0,14 s sampai 0,16 s setelah A2, pada akhir pengisian cepat. Bunyi jantung

keempat adalah bunyi presistolik berketuk rendah yang terjadi di dalam bilik jantung

pada saat pengisian, diiringi oleh kontraksi serambi yang efektif dan dapat didengar

dengan baik melalui mangkuk berongga (bellpiece) dari stetoskop [4].

Gambar 2.1 Detak jantung normal [5].

Pada Gambar 2.1, ‘M’ mampu dibedakan dari S4 dan M1, sinkron dari

permulaan pergerakan keluar. Pembelokan dari M terjadi setelah Q. M mempunyai

satu tanjakan kecil dan pembelokan ke bawah yang besar. Berbagai penelitian telah

dilakukan untuk mengetahui keberadaan dan pewaktuan dari suara jantung. Frekuensi

suara rendah pertama S1 atau ‘M’ terjadi 20 ms setelah gelombang Q dari

elektrokardiogram dan berhubungan dengan puncak dari gelombang R. ‘M’ ini

mempunyai frekuensi natural sekitar 30 – 50 Hz dan dapat dibedakan dari M1 yang

mempunyai frekuensi dan amplitudo yang lebih besar. Dalam kondisi normal, ‘M’

mempunyai amplitudo rendah dan mempunyai durasi sekitar 20 sampai 50 ms,

terkadang berlanjut setelah puncak R selama 20 ms [5].

Dalam sebuah penelitian yang sudah pernah dilakukan sebelumnya [6],

frekuensi detak jantung pertama (S1) pada katup mitral normal, rata-rata berkisar

sekitar 46±2 Hz. Sedangkan pada katup implan yang sudah tertanam selama kurang

dari 1½ tahun memiliki frekuensi sekitar 43±2 Hz dan yang sudah tertanan lebih dari

lima tahun memiliki frekuensi sekitar 50 – 200 Hz.

2.2.

Stetoskop

Stetoskop adalah sebuah alat akustik medis yang digunakan untuk

mendengarkan suara yang ada di dalam tubuh manusia atau hewan. Stetoskop biasa

digunakan untuk mendengarkan suara detak jantung atau pernapasan. Suara ini

digunakan untuk mendiagnose penyakit tertentu. Stetoskop terbagi atas dua jenis,

Stetoskop akustik bekerja dengan cara menyalurkan suara dari chestpieces

melalui selang udara ke telinga pendengar. Chestpiece terdiri dari dua bagian yang

dapat dipergunakan untuk mendengarkan suara dari tubuh manusia, sebuah diafragma

dan sebuah mangkuk berongga (bellpiece). Gambar dari chestpiece disajikan pada

Gambar 2.2. Bila diafragma ditempatkan di atas tubuh, maka suara dari tubuh akan

menggetarkan diafragma dan gelombang tekanan akustik berjalan melalui selang

udara hingga ke telinga pendengar. Bila mangkuk berongga yang ditempatkan dalam

tubuh, maka getaran dari kulit akan menghasilkan gelombang tekanan akustik yang

akan berjalan melalui selang udara hingga ke telinga pendengar. Mangkuk berongga

menghasilkan suara dengan frekuensi rendah, sedangkan diafragma menghasilkan

suara dengan frekuensi yang lebih tinggi. Permasalahan yang timbul dari stetoskop

akustik adalah tingkat kekuatan suara yang sangat rendah [8].

Stetoskop elektronik bekerja dengan cara menguatkan suara yang timbul dari

tubuh. Alat tersebut membutuhkan pengubah suara akustik menjadi sinyal elektronis

yang dapat dikuatkan dan diolah untuk mendapatkan kualitas suara yang lebih baik.

Cara yang paling mudah dan efektif untuk mendeteksi suara dilakukan dengan

memasang sebuah mikrofon di dalam chestpiece. Cara ini bisa mengurangi gangguan

derau [7].

2.3.

Mikrofon

2.3.1.

Mikrofon kondenser

Bagian penting dari mikrofon adalah sebuah membran ringan yang mampu

menghasilkan respon pada frekuensi pendengaran, 20 – 20 KHz dengan baik. Getaran

suara menghasilkan perubahan jarak antara membran dan pelat. Ada dua cara untuk

mendapatkan sinyal audio dari mikrofon ini, yaitu dengan pemberian prasikap DC

dan pemisahan frekuensi radio dari mikrofon kondenser [9].

Dengan adanya prasikap DC, pelat mempunyai muatan sebesar Q. Pelat dan

membran yang terpasang secara paralel menghasilkan kapasitansi sebesar

d A V

Q C= =ε0

(2.1)

dengan

C adalah kapasitas kapasitor (Farad),

Q adalah muatan (Coulomb),

V adalah beda potensial (Volt),

ε0 adalah permisivitas ruang hampa,

A adalah luas penampang (m2), dan

d adalah jarak antara pelat dan membran (m).

Suatu muatan konstan terjaga dalam kapasitor. Ketika jarak antar pelat

berubah akibat adanya getaran oleh suara, muatan di dalam kapasitor berubah. Hal ini

ditunjukkan pada Gambar 2.3. Kapasitas dan nilai dari resistor prasikap membentuk

suatu penapis lewat atas, yang melewatkan frekuensi pendengaran dan menolak bias

DC. Adanya perubahan jarak antara membran dan pelat menyebabkan muatan

berubah, sehingga menghasilkan arus (I) yang mengalir melalui resistor R dengan

(2.2)

t d AV t

Q I

Δ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ Δ =

Δ Δ =

1

0

Perubahan kapasitas dalam kurun waktu tertentu, dalam skala 100 μs, akan

menimbulkan suatu muatan. Tegangan berubah sebagai reaksi atas perubahan

kapasitans. Tegangan yang terukur pada resistor mewakili tekanan suara yang

mengubah-ubah membran [10].

2.3.2.

Mikrofon Kondenser Elektret (Magnet Elektrostatis)

Merupakan tipe dari mikrofon kondenser yang menggunakan suatu bahan

elektret yang terpolarisasi secara permanen sebagai diafragmanya [9]. Gambar dari

mikrofon kondenser elektret disajikan pada Gambar 2.4. Suatu muatan statis diisikan

ke dalam elektret yang ada di dalam bahan membran. Mikrofon tipe ini bekerja

dengan prinsip yang sama dengan mikrofon kondenser.

Gambar 2.4 Mikrofon kondenser elektret [9].

Kualitas kondenser yang lebih baik didapatkan dengan menggunakan transistor

efek-medan (FET) sebagai penguat awal, penyeimbang impedansi masukan yang tinggi

2.4.

Penguat Operasional (

Op-amp

)

Penguat operasional (Op-amp) adalah suatu rangkaian elektronik yang dapat

digunakan untuk mendeteksi dan menguatkan sinyal masukan AC dan DC [11].

Karakteristik dari penguat operasional adalah:

i. Impedansi masukan yang sangat tinggi, yang membuat tidak adanya arus yang

masuk ke terminal masukan.

ii. Penguatan kalang terbuka yang sangat tinggi, menyebabkan perbedaan

tegangan masukan nol.

iii. Impedansi keluaran yang sangat rendah, sehingga tidak terjadi pembebanan

pada keluaran.

Penguat operasional pada rangkaian audio harus mampu memproses sinyal

AC dalam rentang frekuensi antara 20 hingga 20 KHz dengan amplitudo bervariasi

dari beberapa ratus mikrovolt hingga beberapa volt [11]. Penguat operasional harus

mempunyai distorsi minimum, baik amplitudo, harmonisa, fasa dan juga bila

dimungkinkan tidak mempunyai derau.

Penguat operasional untuk penggunaan umum cocok digunakan untuk kerja

audio yang terbatas dalam aplikasi yang tidak kritis. Penguat operasional yang ideal

untuk penggunaan audio memiliki spesifikasi berikut ini:

1. Slew rate tinggi.

2. GBWP tinggi.

4. Tegangan operasi tinggi.

5. Distorsi rendah.

6. Derau masukan rendah.

7. Arus masukan rendah.

8. Mudah digunakan untuk catu daya tunggal.

2.4.1.

Penguat Pembalik (

Inverting Amplifier

)

2.4.1.1.

Penguat Pembalik DC

Salah satu yang paling sering digunakan dalam konfigurasi penguat

operasional tunggal adalah penguat pembalik (inverting amplifier) [12]. Konfigurasi

penguat pembalik disajikan pada Gambar 2.5. Rangkaian penguat pembalik

menggambarkan satu bentuk dari sebuah tegangan sumber terkontrol. Resistansi

dihubungkan di antara terminal bukan pembalik dengan ground untuk

meminimalisasikan efek dari arus prasikap.

Pada asumsi operasi linier stabil, perbedaan tegangan beda pada masukan

didorong untuk menjadi nol, atau . Terminal bukan pembalik akan sama

dengan nol, karena dihubungkan ke ground. Akibatnya terminal pembalik dipaksa

untuk untuk menjadi potensial ground. ( 0 . Kondisi ini akan menjadi ground

semu, yang berarti terminal pembalik tidak benar-benar terhubung ke ground, tetapi

Karena 0, tegangan masukan vi timbul pada Ri. Arus masukan ii

dinyatakan

(2.3)

Dengan asumsi bahwa arus yang masuk ke dalam penguat sama dengan nol dan arus

ii mengalir ke titik pertemuan pada terminal bukan pembalik. Karena tidak ada arus

yang dapat mengalir masuk atau keluar dari penguat, arus harus mengalir melalui Rf.

Tegangan vf dihasilkan dari Rf yang dinyatakan dengan

(2.4)

Gambar 2.5 Rangkaian penguat pembalik [12].

Karena masukan pembalik dari penguat operasional merupakan ground semu,

tegangan keluaran merupakan tegangan yang mengalir pada Rf. Referensi terminal

positif pada sebelah kanan Rf, sehingga

(2.5)

(2.6)

2.4.1.2.

Penguat Pembalik AC

Penguat pembalik AC memiliki rangkaian dasar yang sama dengan penguat

DC, tetapi mempunyai perbedaan oleh adanya kapasitor masukan Ci pada terminal

pembalik (inverting) [11]. Gambar rangkaian penguat pembalik AC disajikan pada

Gambar 2.6. Kapasitor ini mempunyai dua fungsi penting. Pertama, mencegah

masuknya tegangan DC dari tingkat sebelumnya, yang berakibat adanya tegangan DC

yang tidak diinginkan pada keluaran.

Gambar 2.6 Penguat pembalik AC [11].

Hal ini dapat mengakibatkan penguat mengalami saturasi dan distorsi ketika

mendapat masukkan sinyal audio. Kedua, kapasitor mencegah derau frekuensi rendah

yang masuk ke penguat. Frekuesi potong (cut off frequency) rendah ditentukan oleh

Ci dan Ri dengan rumus

i i c

C R f

π 2

1

2.4.2.

Penguat Bukan Pembalik

2.4.2.1.

Penguat Bukan Pembalik DC

Konfigurasi penguat operasional lainnya yang penting adalah penguat bukan

pembalik [12]. Seperti pada rangkaian penguat pembalik, penguat bukan pembalik

tersusun atas sebuah pengatur tegangan sumber (Voltage-Controlled Voltage Source).

Dalam keadaan sesungguhnya, sebuah resistansi dihubungkan secara seri dengan

masukan bukan pembalik untuk meminimalkan efek dari arus prasikap. Rangkaian ini

tidak akan bekerja tanpa adanya resistansi.

Gambar 2.7 memperlihatkan sinyal masukan langsung masuk ke terminal

bukan pembalik. Perbedaan tegangan masukan akan didorong menjadi nol, sehingga

_ _(2.8)

Gambar 2.7 Rangkaian penguat bukan pembalik [12].

Tegangan ini akan timbul pada resistansi Ri, sehingga arus ii ditentukan oleh

Karena tidak adanya arus yang masuk atau keluar dari terminal pembalik, arus harus

mengalir melalui resistansi Rf dari keluaran penguat operasional. Tegangan vf yang

timbul diantara Rf adalah

(2.10)

Tegangan vi sama dengan tegangan pada ground. Tegangan vf dan tegangan keluaran

vo merupakan suatu kalang tertutup. Jika Hukum Kirchhoff diterapkan, maka

1 (2.11)

Penguatan kalang tertutup ACL sama dengan

(2.12)

2.4.2.2.

Penguat Bukan Pembalik AC

Gambar 2.8 menunjukkan penguat bukan pembalik AC. Komponen Ci, Ri, dan

Rf mempunyai fungsi yang sama pada rangkaian penguat pembalik AC [11].

Frekuensi masukan pada terminal masukan bukan pembalik dapat mencapai 10 kali

lebih rendah daripada frekuensi masukan pada terminal pembalik. Penguatan AC

pada penguat bukan pembalik sama dengan penguatan DC. Impedansi masukan

kira-kira sama dengan Rg.

Gambar 2.9 Penguat bukan pembalik dengan catu daya tunggal [11].

Dalam penggunaan catu daya tunggal, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.9,

kapasitor Ci berfungsi mencegah sinyal DC masuk, sehingga Ci dapat dianggap

sebagai hubungan terbuka. Pada penguatan DC, rangkaian di atas akan berfungsi

sebagai pengikut tegangan. Pada sinyal masukan AC, kapasitor Ci akan terhubung

singkat, sehingga penguatan AC sama dengan Av =1+ Rf Ri _.

Resistror Rg berfungsi sebagai prasikap DC. Tegangan keluaran Vq akan sama

dengan setengah dari Vcc bila resistor Rg1 = Rg2. Penentuan nilai resistansi Rg tidak ada

2.4.2.3.

Konfigurasi Pengikut Tegangan

Pengikut tegangan merupakan salah satu bentuk dari penguatan bukan

pembalik [12]. Gambar rangkaian pengikut tegangan (voltage follower) ditunjukkan

oleh Gambar 2.10.

(a) _(b)

Gambar 2.10 Rangkaian pengikut tegangan (voltage follower) [12].

Penguatan kalang tertutup dapat ditentukan dengan mempertimbangkan bahwa Rf = 0

dan Ri = ∞ dan hasilnya adalah

1 (2.13)

Penguatan tegangan sebesar satu kali, berarti tegangan keluaran “mengikuti”

tegangan masukan. Gambar 2.12b memperlihatkan adanya sebuah resistansi pada

terminal negatif sebagai umpan balik. Penguatan dari rangkaian ini sama dengan satu.

Karena tidak adanya arus yang masuk ke dalam terminal positif, maka impedansi

masukkan sama dengan tak terhingga.

Pengikut tegangan biasa digunakan untuk mengisolasi antara sumber dan

beban. Dengan adanya pengikut tegangan ini, sebuah sumber dengan arus yang kecil

2.5.

Penapis Aktif Elektronik

Penapis elektronika (filter) adalah suatu rangkaian yang menghasilkan

karakteristik respon frekuensi yang ditentukan, biasa digunakan untuk melewatkan

suatu frekuensi tertentu dan menolak yang lain [12]. Penapis terdiri atas dua jenis,

yaitu penapis aktif dan penapis pasif. Penapis aktif terdiri dari kombinasi resistansi,

kapasitansi dan suatu perangkat aktif, seperti penguat operasional. Penapis pasif

terdiri dari kombinasi resistansi, induktasi dan kapasitansi (RLC). Berdasarkan

karakteristiknya, penapis dibedakan menjadi dua, yaitu penapis lewat atas (HPF) dan

penapis lewat bawah (LPF).

Gambar 2.11 Penapis pasif HPF [12].

Gambar 2.12 Penapis pasif LPF [12].

Penapis pasif RLC akan menimbulkan suatu masalah bila bekerja pada batas

bawah dari rentang frekuensi audio. Masalah yang timbul adalah rugi-rugi internal

Kedua, ukuran fisik sebenarnya dari induktor yang besar membatasi pengunaanya.

Ketiga, harga dari induktor yang cukup mahal.

Penapis aktif menggunakan perangkat aktif untuk memberikan umpan balik.

Karena tidak ada induktansi, kesulitan pada respon frekuensi rendah dapat

dieliminasi. Penapis aktif RC dapat bekerja pada frekuensi yang sangat rendah dan

dapat mendekati penapis ideal. Penapis aktif juga memiliki beberapa keterbatasan.

Penapis aktif membutuhkan suatu catu daya untuk menjalankan penguat operasional.

Perangkat aktif memberikan suatu umpan balik, sehingga akan timbul kemungkinan

akan adanya ketidakstabilan. Keterbatasan lainnya yaitu frekuensi kerja maksimum

penapis lewat atas dibatasi oleh frekuensi kerja maksimum dari penguat operasional.

2.5.1.

Penapis Aktif Butterworth Pelewat Bawah

Bentuk dasar rangkaian ternormalisasi orde dua pelewat bawah Butterworth

ditunjukkan pada Gambar 2.13 dan orde tiga ditunjukkan pada Gambar 2.14.

Resistansi penapis dalam rancangan ternormalisasi dibuat 1Ω [12]. Kompensasi

resistor prasikap dapat ditentukan pada nilai yang optimum, kompensasi ini tidak

akan mempengaruhi karakteristik dari penapis. Pada rangkaian ini, penguat

operasional berfungsi sebagai pengikut tegangan.

Nilai kapasitansi untuk setiap orde penapis ditunjukkan pada Tabel 2.1.

berisi C1 dan C2 menunjukkan penapis dua kutub, sedangkan yang berisi C1, C2 dan

C3 menunjukkan penapis tiga kutub.

Gambar 2.13 Rangkaian LPF Butterworth orde 2 [12].

Beberapa kutub dapat terhubung sebagai rangkaian bertingkat secara kaskade

untuk mendapatkan penapis dengan jumlah kutub yang banyak, seperti ditunjukkan

pada Gambar 2.15. Secara teoritis, pada setiap tingkat terdapat voltage follower,

sehingga dimungkinkan untuk membuat penapis dengan tingkat yang diinginkan.

b d

2

a s Tabel 2.1 Data banyak akan diletakkan p

2.5.2.

Kar

Resp amplitudo m seiring meni Nilai kapasi

a dari tabel

n dipasang

pada keluaran

Gam

rakteristik

pon amplitu

mendatar (ma

ingkatnya fre

itan untuk d

Kutub 2 1 3 3 4 1 2 5 1 3 6 1 1 3 7 1 1 4 sudah diatur pada masu n.

mbar 2.15 Ka

k Penapis B

udo Butterw aximally flat ekuensi. esain penapi C1 C2 ,414 0,70 ,546 1,39 ,082 0,92 ,613 0,38 ,753 1,35 ,235 0,30 ,035 0,96 ,414 0,70 ,863 0,25 ,531 1,33 ,604 0,62 ,493 0,22 r sedemikia

ukan dan jum

askade Butte

Butterwor

worth juga

t amplitude r

is aktif LPF

2 C3 071 92 0,2024 241 825 54 0,4214 089 66 071 588 36 0,4885 235 225 n, sehingga mlah kutub rworth orde

rth

disebut d

response) [1

Butterworth 4 4 5 jumlah kut yang lebih tinggi. dengan resp 12]. Respon

h orde tinggi

tub yang leb

h sedikit ak

Gambar 2.16 Karakteristik filter Butterworth [12].

2.5.3.

Perancangan Penapis Butterworth

Rangkaian aktif dalam penapis Butterworth menggunakan finite gain

realization, yaitu penguatan dari piranti aktif (penguat operasional) dibuat pada

tingkat tertentu yang relatif rendah dengan umpan balik [12]. Pada bagian ini

penguatan rangkaian akan ditentukan sebesar satu (unity) dengan konfigurasi

pengikut tegangan pada penguat operasional.

Semua rancangan akan diperlihatkan mempunyai frekuensi cut-off radian

yang ternormalisasi sebesar ωc = 1 rad/s. Nilai ini menunjukkan batas atas frekuensi

yang diloloskan (pass-band) dari penapis pelewat atas dan batas bawah frekuensi

yang diloloskan (pass-band) dari penapis pelewat bawah.

Rancangan penguatan satu didasarkan pada kombinasi dari orde dua dan orde

tiga. Setiap jumlah realisasi genap hanya akan menggunakan orde dua dan setiap

jumlah realisasi ganjil menggunakan orde tiga dan orde dua sebanyak yang

2.5.3.1.

Penskalaan Frekuensi

Perancangan penapis sesungguhnya membutuhkan banyak pertimbangan

rentang frekuensi dan tingkat impedansi [12]. Akibatnya sulit untuk menghitung

semua data untuk semua kemungkinan. Ketika formula khusus digunakan untuk

menentukan nilai elemen, nilai elemen menjadi sulit dan susah digunakan. Metode

yang digunakan untuk mengatasi masalah tersebut adalah perancangan yang

mendasarkan pada nilai elemen untuk rangkaian ternormalisasi. Rangkaian

ternormalisasi dibentuk berdasarkan penyederhanaan frekuensi tengah dan cutt-off

serta impedansi yang cocok. Nilai elemen biasanya 1Ω dan 1F. Nilai tersebut tampak

tidak realistis, namun sangat berguna sebagai bentuk dasar rancangan yang

sebenarnya dapat dibangun.

Pengubahan dari rancangan ternormalisasi menjadi sebuah rancangan yang

sesungguhnya dapat dilakukan dengan dua operasi penskalaan yaitu penskalaan

frekuensi dan penskalaan impedansi. Penskalaan frekuensi digunakan untuk

mengubah frekuensi dari rancangan ternormalisasi ke frekuensi yang dibutuhkan dari

rancangan sesungguhnya. Penskalaan impedansi digunakan untuk mengubah nilai

elemen menjadi nilai aktual.

Frekuensi referensi adalah fr dalam penapis sesunguhnya dan ωr dalam

rancangan ternormalisasi. Bila ω_r =2πf_r yang merepresentasikan fr frekuensi dalam

radian, maka konstanta penskalaan Kf ditentukan oleh

r r r

r f

f K

ω π ω

ω 2

=

Setelah nilai konstanta penskalaan frekuensi diketahui, nilai R/C diubah dengan

faktor Kf. Jika frekuensi pada rancangan lebih tinggi, maka R/C dibagi dengan Kf.

Secara praktis yang paling sering diubah adalah C.

2.5.3.2.

Penskalaan Impedansi

Konstanta penskalaan impedansi Kr ditentukan oleh:

sasi ternormali

aktual r

R R

K = (2.15)

Nilai Kr dapat ditentukan paling akhir, mengingat ketersediaan nilai komponen

dipasaran. Rangkaian yang mempunyai impedansi tinggi akan mempunyai nilai

resistansi yang tinggi dan nilai kapasitans yang rendah, begitu juga sebaliknya.

2.5.4.

Jumlah Kutub

Jumlah dari kutub adalah jumlah dari elemen reaktif dari rangkaian penapis.

Jumlah dari kutub juga menunjukkan jumlah dari kapasitor (tidak termasuk kapasitor

eksternal dari jaringan penapis). Secara umum, performa yang dihasilkan akan

semakin mendekati ideal seiring dengan bertambahnya jumlah kutub. Pada penapis

orde tinggi mempunyai respon frekuensi yang diloloskan mendatar serta respon dari

2.5.5.

Tanggapan Frekuensi Butterworth Pelewat Rendah

Fungsi dari Butterworth akan memberikan frekuensi referensi pada tanggapan

amplitudo sebesar 1

√2 dari tingkat frekuensi yang diloloskan maksimum. Bila fc

menunjukkan frekuensi cut-off, f adalah nilai frekuensi, dan n adalah jumlah kutub,

maka respon amplitudo dari pelewat bawah Butterworth

(2.16)

Nilai maksimum dari M(ω) terjadi pada saat f=0, sehingga M(0)=1. Penapis aktif

mempunyai nilai M(ω) lebih dari satu.

Bila MdB(ω) menunjukkan nilai respon maksimum relatif dalam desibel, maka

⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = n c dB f f M 2 10 1 1 log 20 )

(ω (2.17)

atau

(

)

[

n

]

c

dB f f

M (ω)=−10log101+ 2 (2.18)

2.5.6.

Kurva Tanggapan Frekuensi

Gambar tanggapan amplitudo untuk penapis Butterworth orde 2 sampai 7

ditunjukkan pada Gambar 2.17. Semua kurva dimulai dari tingkat -3 dB dan .

p f t

2

p p p Freku pelewat ren frekuensi ter ternormalisa

2.5.7.

Pera

Tun

Pada prasikap DC prasikap DC penapis tidak uensi ternor

ndah dan p

rnormalisasi

asi sama den

Gambar

ancangan

nggal

a penggunaa

C dan sebu

C adalah set

k terpotong.

rmalisasi pad

enapis pele

i sama denga

ngan fc/f.

r 2.17 Tangg

Penapis

an catu day

uah penyang

tengah dari

da absis dig

ewat atas. P

an f/fc. Penap

gapan frekue

s Dengan

ya tunggal

gga tegangan

Vcc. Hal in

gunakan seca Penapis pel pis pelewat ensi Butterw

n Menggu

dapat ditam

n [13]. Bes

ni dimaksudk

ara berbeda

ewat rendah

atas mempu

worth [12].

unakan C

Pada Gambar 2.18, kapasitor Ci berfungsi untuk menolak sinyal DC dari

sinyal masukan. Vq diperoleh dari pembagi tegangan Vcc oleh Rg. Penguat operasional

berfungsi sebagai pengikut tegangan dan penyesuai impedansi.

Gambar 2.18 Rangkaian Penapis Butterworth dengan catu daya tunggal [13].

Rangkaian paralel Rg dan Ci membentuk suatu penapis pelewat atas.

Frekuensi cut-off pelewat atas harus lebih kecil daripada frekuensi cut-off penapis

lewat bawah. Penggunaan pengikut tegangan pada masukan penapis pelewat bawah

membuat tidak terjadinya efek pembebanan. Dalam penapis orde tinggi, setiap tingkat

2.6.

Penguat Transistor Konfigurasi Umpan Balik Tegangan

Kolektor

2.6.1.

Analisa DC

Arus prasikap

Q

C

I dan tegangan kerja

Q

CE

V merupakan sebuah fungsi dari

sebuah penguatan arus transistor. Karena beta (β) dipengaruhi oleh perubahan suhu,

nilai beta sesungguhnya tidak dapat ditentukan. Pada realisasi, akan menjadi sangat

sulit untuk membuat suatu rangkaian yang tidak tergantung oleh beta. Bila parameter

rangkaian dipilih dengan baik, maka akan menghasilkan nilai

Q

C

I dan

Q

CE

V yang

hampir sepenuhnya tidak tergantung oleh beta. Titik kerja transistor ditentukan oleh

sebuah nilai tetap dari

Q

C

I dan

Q

CE

V . Nilai dari

Q

B

I akan berubah seiring perubahan

beta, tetapi karakteristik ditentukan oleh

Q

C

I dan

Q

CE

V [14].

Tingkat stabilitas dapat ditingkatkan dengan menggunakan sebuah umpan

balik dari kolektor ke basis seperti ditunjukkan pada Gambar 2.19. Analisa akan

dibagi menjadi dua, yaitu kalang basis-emitor dan kemudian hasilnya digunakan

untuk kalang kolektor-emitor. Gambar 2.20 menunjukkan kalang basis-emitor untuk

Gambar 2.19 Konfigurasi tegangan umpan balik [14].

Gambar 2.20 Kalang basis-emitor untuk jaringan dari Gambar 2.19 [14].

Dengan menerapkan hukum Kirchhoff pada kalang Gambar 2.20 searah jarum jam

akan menghasilkan

0

' − − − =

− _{C C B B BE E E}

CC I R I R V I R

V

(2.19)

Arus yang melalui RC bukanlah arus IC, namun arus I’C (I’C=IC+IB). Nilai dari IC dan

mensubtitusi nilai I_C ≅I'_C=βI_Bdan I_C ≅I_E pada persamaan 2.19, akan menghasilkan 0 = − − −

− _{B C B B BE B E}

CC I R I R V I R

V β β

(2.20)

Nilai IB

)

( C E

B BE CC B R R R V V I + + − =

β _(2.21)

Umpan balik menghasilkan refleksi dari resistansi RC kembali ke rangkaian masukan.

Secara umum persamaan IB

' ' R R V I B B _β + = (2.22)

Tidak adanya R’ dalam konfigurasi prasikap tetap, R’=RE untuk prasikap emitor

(dengan (β+1)≅β ) dan R’≈RC+RE untuk umpan balik kolektor. Karena IC =βIB,

sehingga ' ' R R V I B

C_{Q β}

β

+ =

(2.23)

Nilai dari βR' jauh lebih besar daripada nilai RB, sehingga sensitivitas dari IC_Q

berkurang terhadap variasi beta. Bila ′ dan ′ ′, maka

' ' ' ' ' ' R V R V R R V I B

C_Q ≅ =

Kalang kolektor-emitor untuk jaringan pada Gambar 2.19 ditunjukkan oleh Gambar

2.21.

Gambar 2.21 Kalang kolektor-emitor untuk Gambar 2.19 [14].

Dengan menerapkan hukum tegangan Kirchhoff pada kalang Gambar 2.21 dengan

arah berlawanan jarum jam, akan menghasilkan

0

' − =

+

+ _{CE C C CC}

E

ER V I R V

I

(2.25)

Karena I'_C≅ I_C dan I_E ≅I_C, maka

)

( _{E C}

C CC

CE V I R R

V = − +

2.6.2.

Analisa AC

Gambar 2.22 Konfigurasi umpan balik kolektor.

Penggambaran kembali Gambar 2.22 dengan pemodelan rangkaian re

menghasilkan konfigurasi seperti pada Gambar 2.23.

Gambar 2.23 Pendekatan model re konfigurasi umpan balik kolektor [14].

Penguatan tegangan (Av) pada titik C dari Gambar 2.23

e C i

o v

r R V V A = =−

(2.27)

Dengan re merupakan resistansi dinamis dari transistor

E e

I mV

Tanda negatif pada persamaan 2.27 menunjukkan perbedaan fasa sebesar 180° antara

masukan dan keluaran.

2.7.

Penguat Daya

Merupakan suatu penguat yang menerima suatu sinyal masukan dan

menyediakan keluaran yang besar untuk perangkat keluaran atau ke penguat lainnya

[14]. Sebuah sumber sinyal biasanya menghasilkan sinyal yang kecil dan

membutuhkan penguatan untuk dapat mengoperasikan peralatan keluaran. Dalam

penguatan sinyal kecil faktor utama dalam penguatan adalah linearitas dan magnitudo

dari penguatan. Pengaturan daya dan efisiensi menjadi hal yang penting karena arus

dan tegangan masukan yang kecil dalam penguatan sinyal kecil. Penguat tegangan

menyediakan penguatan tegangan untuk memperbesar sinyal masukan. Sinyal besar

menyediakan daya yang cukup ke sebuah beban keluaran untuk mengendalikan

speaker yang biasanya mulai dari beberapa watt hingga puluhan watt.

Salah satu metode yang digunakan untuk mengklasifikasikan penguat adalah

dengan penggunaan kelas. Pada dasarnya, kelas menggambarkan jumlah dari variasi

sinyal keluaran yang beroperasi lebih dari satu siklus untuk sebuah siklus penuh.

Kelas A mempunyai sinyal keluaran bervariasi untuk siklus penuh 360°.

Penguat kelas ini memerlukan prasikap pada titik kerja, sehingga paling sedikit

setengah dari ayunan sinyal keluaran dapat bervariasi naik dan turun yang dibatasi

Kelas B menyediakan sebuah sinyal keluaran yang bervariasi lebih dari

setengah sinyal masukan atau sinyal 180°. Titik prasikap dc terletak pada tegangan 0

V, dimana keluaran bervariasi dari titik prasikap hingga setengah siklus.

Kelas AB merupakan penguat yang dapat diberi prasikap DC diatas nol. Arus

basis diperoleh dari penguat kelas B dan tegangan satu setengah kali lebih tinggi dari

catu daya kelas A. Kelas AB membutuhkan sebuah hubungan dorong-tarik (

push-pull) untuk menghasilkan siklus keluaran yang penuh. Prasikap DC diberikan

mendekati nol pada arus basis untuk menghasilkan efisiensi yang lebih baik. Untuk

operasi kelas AB, ayunan sinyal keluaran timbul antara 180° sampai 360°.

Kelas C memiliki sinyal keluaran untuk operasi kurang dari 180°. Penguta

kelas ini akan beroperasi hanya dengan rangkaian penala yang menyediakan sebuah

siklus penuh dari operasi untuk penalaan atau frekuensi resonansi.

Kelas D merupakan penguat yang beroperasi menggunakan sinyal digital yang

aktif untuk interval waktu yang pendek dan mati untuk waktu yang lebih lama.

2.8.

Mikrokontroler ATmega32

Mikrokontroler merupakan suatu chip yang dirancang dan digunakan untuk

keperluan khusus. Mikrokontroler tersusun atas ALU, ROM, RAM serta masukan

dan keluaran yang terintegrasi menjadi satu. Mikrokontroler ATmega32 merupakan

mikrokontroler CMOS (Complementary Metal Okside Semiconductor) 8-bit yang

ini bekerja mengesekusi perintah dalam satu kali detak. Mikrokontroler Atmega32 ini

cocok untuk bagi para perancang alat-alat yang membutuhkan kecepatan proses yang

tinggi dan daya yang rendah [15].

Fitur-fitur yang disediakan oleh ATmega32, yaitu:

• In-System Self-Programmable Flash sebesar 32KB, mempunyai masa pakai

hingga 100.000 kali baca tulis.

• 32 x 8 register kerja umum.

• EEPROM sebesar 1024 byte.

• SRAM internal sebesar 2KB.

• Pewaktu atau pencacah 8 bit sebanyak dua buah dan 16 bit satu buah.

• 8 kanal, 10 bit ADC.

• Serial USART yang terprogram.

• 32 bit masukan atau keluaran yang dapat diprogram.

2.8.1.

Pengubah Analog ke Digital

Pengubah analog ke digital atau ADC adalah suatu alat yang berfungsi untuk

mengubah sinyal analog kontinyu menjadi sinyal diskret digital. Kebalikan dari ADC

adalah DAC (digital to analog converter)[12]. Tingkat ketelitian dari ADC disebut

dengan resolusi. Resolusi dinyatakan dengan bit, sehingga pada skala penuh tegangan

ADC dengan resolusi 10 bit terdapat 210(=1024) tingkat kuantisasi . Perubahan nilai

setiap tingkat kuantisasi sebesar

(2.29)

dengan

Q adalah resolusi (Volt),

Vfs adalah tegangan masukan pada skala penuh, dan

n adalah resolusi ADC.

Fungsi resolusi konverter dibatasi oleh rasio sinyal dan derau (SNR). Bila

terlalu banyak derau yang timbul pada masukan analog, maka akurasi akan menurun

karena keterbatasan resolusi.

2.8.1.1.

Algoritma SAR

Ada berbagai metode untuk mengubah sinyal analog menjadi sinyal diskret

digital, salah satunya adalah SAR (Succesive Approximation ADC) [16]. SAR ini

mengubah sinyal analog kontinyu menjadi diskret digital melalui pencarian nilai

biner pada semua kemungkinan tingkat kuantisasi sebelum akhirnya memusat pada

sebuah keluaran digital untuk setiap ubahan.

Pada rangkaian SAR, biasanya terdiri dari empat bagian mendasar, yaitu:

i. Sebuah rangkaian cuplik dan tahan (sample and hold) untuk memperoleh nilai

m d y ii. Sebu masu masu regis iii. Rang pend iv. Sebu dari k Perk membutuhka detak harus yang diingin uah pemban

ukan (Vin) de

uk ke sebua

ster).

gkaian SAR

dekatan kode

uah DAC int

kode digital

iraan yang

an satu deta

sama denga nkan. nding tegan engan sebua ah register R dirancang

e digital dari

ternal acuan

keluaran SA

g dilakukan

ak untuk set

an frekuensi

Gambar 2.

ngan analog

ah keluaran D

perkiraan b

g untuk da

Vin ke DAC

menyediaka

AR dalam pe

n bersifat

tiap bit dari

pencuplikan

.24 Algoritm

g untuk m

DAC. Hasil

berurutan (s

apat memb

C internal.

an sebuah te

erbandingan

berturut –

i resolusi ya

n dikalikan d

ma SAR [16]

membandingk

keluaran dar

successive a

berikan mas

egangan anal

dengan Vin.

turut. Pro ang diingink dengan juml . kan tegang ri pembandi approximati sukan sebu

log yang sam

oses konve

kan. Frekuen

2.8.1.2.

ADC Pada Mikrokontroler ATmega32

Salah satu fitur yang disediakan oleh ATmega32 adalah ADC SAR 10 bit.

ADC ini terhubung dalam 8 kanal analog multiplexer yang mengijinkan tegangan

masukan tersendiri (single-ended) dari pin-pin pada port A. Piranti ini juga

mendukung 16 kombinasi tegangan masukan yang berbeda. Piranti ini memiliki pin

catu analog yang terpisah, AVCC. Tegangan referensi internal yang bernilai 2,56 V

disediakan di dalam chip.

Cara kerja dari ADC ini adalah mengubah sebuah tegangan masukan analog

menjadi 10 bit nilai digital melalui pendekatan berurutan. Nilai minimum

direpresentasikan sebagai GND dan nilai maksimum direpresentasikan sebagai

tegangan dari AREF dikurangi 1 digit terendah (LSB). AVCC atau tegangan referensi

internal dapat dihubungkan dengan AREF dengan menuliskan ke bit REFSn pada

register ADMUX.

Kanal masukan analog dan penguatan beda dipilih dengan menuliskan bit

MUX pada ADMUX. ADC diaktifkan dengan mengendalikan bit ADC Enable,

ADEN pada ADCSRA. Tegangan referensi dan pemilihan kanal masukan tidak akan

bekerja hingga ADEN diaktifkan. ADC menghasilkan hasil 10-bit yang ditunjukkan

pada register data ADC, ADCH dan ADCL. Pada kondisi awal, hasilnya ditujukan

pada pengaturan kanan. Bila hasilnya diatur pada kiri dan tidak dibutuhkan

dibaca, akses terhadap register data ADC akan ditutup. Hal ini berarti bahwa bila

ADCL sudah dibaca, pengkonversian selesai sebelum ADCH dibaca.

Rangkaian SAR memerlukan sebuah masukan detak dengan frekuensi antara

50 kHz hinggga 200 kHz untuk mendapatkan resolusi maksimum. Bila resolusi yang

lebih rendah dari 10 bit, maka frekuensi detak masukkan dapat lebih tinggi dari 200

kHz untuk mendapatkan cuplikan yang lebih tinggi.

Modul ADC ini mempunyai penskalaan frekuensi yang menghasilkan sebuah

frekuensi detak. Penskalaan diatur oleh bit ADPS pada ADCSRA. Penskala mulai

menghitung dari saat ADC diaktifkan oleh pengaturan bit ADEN pada ADCSRA.

Penskala akan tetap berjalan selama bit ADEN diaktifkan dan akan reset ketika

ADEN rendah.

Ketika memulai konversi tunggal, konversi dimulai dengan mengikuti

kenaikan tepi dari siklus detak ADC. Konversi normal membutuhkan 13 siklus detak

ADC. Konversi pertama setelah ADC dihidupkan membutuhkan 25 siklus detak

ADC untuk memulai rangkaian analognya. Ketika ADC selesai mengkonversi,

hasilnya akan ditulis pada register data ADC, dan ADIF aktif. Pada mode konversi

tunggal, ADSC dihapus secara simultan.

2.8.2.

Pewaktu 8 Bit

Pewaktu atau pencacah (TCNT0) dan register pembanding keluran (OCR0)

register bendera interupsi pewaktu (TIFR). Semua interupsi merupakan interupsi

individu yang bernaung pada register interupsi muka pewaktu (TIMSK).

Pewaktu atau pencacah dapat di detakkan sendiri melalui penskala atau oleh

sebuah sumber detak eksternal pada pin T0. Blok logika pemilih detak mengatur

sumber detak dan tepi dari pewaktu atau pencacah yang digunakan untuk menaikkan

atau menurunkan nilai pewaktu atau pencacah tersebut. Pewaktu atau pencacah tidak

akan aktif bila tidak ada sumber detak yang dipilih. Keluaran dari logika pemilih

detak berkenaan dengan detakan pewaktu (clkT0). Sumber dari detak dipilih oleh

logika pemilih detakan yang dikendalikan oleh bit pemilih detakan (CS02:0) yang

berlokasi pada register pengendali pewaktu atau pencacah (TCCR0).

Dua buah penyangga register pembanding keluaran (OCR0) membandingkan

dengan nilai dari pewaktu atau pencacah pada semua waktu. Hasil dari pembandingan

dapat digunakan sebagai pembangkit gelombang untuk menghasilkan sebuah

modulasi lebar pulsa (PWM) atau keluaran frekuensi variabel pada pin pembanding

keluaran (OC0). Bila pada saat perbandingan hasilnya sama, maka akan

mengaktifkan bendera pembanding (OCF0) yang dapat digunakan untuk membuat

suatu permintaan interupsi pembanding keluaran.

2.8.3 . UART

Universal Asynchronous Receiver Transmitter adalah suatu tipe dari pengirim

mengubah byte data dari dan atau menjadi aliran data mulai-berhenti (start-stop)

asinkron. Cara kerja UART adalah dengan mengirimkan start bit, data bit yang terdiri

dari 5 – 8 bit, LSB pertama, sebuah bit paritas yang sifatnya opsional, kemudian satu,

satu setengah atau dua stop bit. Start bit mempunyai polarisasi yang berlawanan

dengan kondisi jalur tenang. Stop bit mempunyai polarisasi yang sama dengan

keadaan jalur pada saat tenang. Stop bit menyediakan suatu tunda sebelum karakter

selanjutnya dimulai.

UART mempunyai kemampuan untuk menerima atau mengirim serial data

menggunakan kecepatan bit (baud rate) yang berbeda. Kecepatan dari UART

didefinisikan oleh bit per detik atau bps. Kecepatan standarnya yaitu 110, 300, 1200,

2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 28800, 38400, 57600, 76800, 115200, 230400,

460800, 921600, 1382400, 1843200 dan 2764800 bit/s.

2.8.3.1. USART

Tiga bagian utama dari USART yaitu pembangkit detak, pengirim dan

penerima. Register pengendali dipakai bersama oleh semua unit. Pembangkit logika

detakan dari logika sinkronisasi untuk masukan detak eksternal digunakan oleh

operasi sinkronisasi kedua dan pembangkit baud rate. Pin transfer detak (XCK)

hanya digunakan oleh mode transfer sinkron. Pengirim terdiri dari sebuah penyangga

penulis, sebuah register geser serial, pembangkit paritas dan logika kontrol untuk

pengiriman data kontinyu tanpa ada tunda diantara bingkai. Penerima merupakan

bagian yang paling komplek dari modul USART berkenaan dengan detakan dan unit

pemulihan data. Unit pemulihan data berfungsi untuk penerimaan data asinkron.

Penerima terdiri atas pengecek paritas, logika kontrol, sebuah register penggeser dan

dua tingkat penyangga penerima (UDR). Penerima juga mendukung format bingkai

yang sama seperti pada pengirim dan dapat mendeteksi kesalahan bingkai, data yang

berlebihan dan kesalahan paritas.

USART kompatibel dengan UART termasuk lokasi bit di dalam semua

register USART, pembangkit baud rate, operasi pengiriman, penyangga pengiriman

dan operasi penerima. Register penyangga kedua yang ditambahkan. Bekerja sebagai

sebuah penyangga edaran FIFO. UDR harus dibaca sekali untuk setiap data yang

datang. Bendera kesalahan (FE dan DOR) dan bit data kesembilan (RXB8) disangga

oleh data yang berada didalam penyangga penerima. Status bit harus selalu dibaca

sebelum register UDR dibaca. Status kesalahan akan hilang ketika kondisi penyangga

hilang.

Register geser penerima dapat bertindak sebagai penyangga tingkat ketiga. Ini

dilakukan dengan mengijinkan penerimaan data untuk menunggu di dalam register

geser serial bila register penyangga penuh, hingga sebuah bit mulai terdeteksi.

USART lebih tahan terhadap kondisi kesalahan data berlebih (DOR).

Pembangkitan detak logika menghasilkan detak dasar untuk pengirim dan

penerima. USART mendukung empat mode operasi detakan : normal asinkron,

dalam register status dan kontrol USART C (UCSRC) memilih diantara mode operasi

sinkron dan asinkron. Kecepatan ganda (hanya mode asinkron) di kendalikan oleh

U2X di dalam register UCSRA. Ketika menggunakan mode sinkron (UMSEL=1),

register penunjuk data untuk untuk mengendalikan pin XCK (DDR_XCK) walaupun

sumber detak internal (mode pertama) atau eksternal (mode kedua). Pin XCK hanya

aktif ketika menggunakan mode sinkron.

Pembangkitan detak internal digunakan untuk mode operasi asinkron dan

sinkron pertama serta kedua. Register baud rate USART (UBRR) dan pencacah turun

terhubung sebagai penskala terprogram atau pembangkit baud rate. Pencacah turun

bekerja pada detak sistem, dibebani dengan nilai UBRR setiap kali pencacah telah

mencacah hingga nol atau ketika register UBRR ditulis. Sebuah detakan dibangkitkan

setiap kali pencacah mencapai nol. Detak ini adalah pembangkit detak keluaran baud

rate ( = f_osc (UBRR+1)). Pengirim membagi pembangkit baud rate keluaran oleh

2,8 atau 16, tergantung dari mode yang digunakan. Pembangkit keluaran baud rate

digunakan secara langsung oleh detak penerima dan unit pemulihan data. Perhitungan

nilai baud rate dan UBRR disajikan pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2 Tabel perhitungan Baud rate dan UBRR

Mode Operasi Perhitungan Baud rate Perhitungan UBRR

Asinkron Normal

(U2X = 0) 16( +1)

=

UBRR f

BAUD osc ₁

16 −

=

BAUD f

UBRR osc

Asinkron kecepatan ganda

(U2X = 1) 8( +1)

=

UBRR f

BAUD osc ₁

8 −

=

BAUD f

2

p m y y d m p Mod Sinkron per

2.9.

Liqu

Pena pada Gamba mengandung yang menga yang meman Setia diantara dua mendatar da penapis pen

Tabel 2.2 (l

e Operasi

rtama

uid Crysta

ampil kristal

ar 2.25. LC

g elektroda i

andung elek

ntulkan caha

ap piksel dar

a buah elekt

ari tiap pikse

ngkutuban m

lanjutan) Tab

Perh

BAUD

al Display

Gambar 2.

l cair adalah

CD tersusun

indium tima

ktroda (no.4

aya (no.6) [1

ri LCD terdi

trode transpa

el tegak luru

menyebabkan

bel perhitung

hitungan Ba

( 2 = UBRR f UD osc

y (LCD) 16

25 Lapisan p

h sebuah ala

atas lapisan

ah oksida, (n

), lapisan p

8].

iri dari sebua

aran dan du

us satu sama

n cahaya ak

gan Baud ra

aud rate ) 1 + R c _U

6 x 2 Kara

penyusun LC

at penampil

n penapis v

no.2), kristal

penapis hori

ah lapisan d

ua buah pena

a lain. Tidak

kan melewa

ate dan UBR

Perhitunga 2 = BA f UBRR

akter

CD [18].

l tipis seper

vertikal (no.

l cair nemati

izontal (no.5

dari molekul

apis pengku

k adanya kris

ati penapis RR an UBRR 1 − AUD f_osc rti ditunjukk

1), kaca ya

ik (no.3), ka

5), permuka

yang tersus

utuban. Bida

stal cair anta

dihentikan oleh pengkutuban kedua. Permukaan dari elektroda yang bersentuhan

dengan kristal cair diperlakukan secara khusus supaya molekul kristal cair dalam arah

tertentu. Ketika sebuah tegangan diberikan di antara elektroda, sebuah gaya bekerja

untuk mengatur molekul kristal cair sejajar dengan medan listrik. Ini akan

mengurangi rotasi dari pengkutuban cahaya yang masuk, sehingga piranti berwarna

abu-abu. Bila tegangan masukannya terlalu besar, molekul kristal cair pada layar

tengah hampir sepenuhnya tidak berputar dan pengkutuban dari cahaya tidak

berputar, melainkan menembus lapisan kristal cair. Cahaya ini akan terpolarisasi

tegak lurus pada penapis kedua, sehingga piksel berwarna hitam.

2.9.1.

Pengendali Modul LCD

Modul LCD seperti ditunjukkan pada Gambar 2.26, mempunyai pengendali

tampilan alpha numerik, karakter kana jepang, dan simbol. Pengunaan LCD dot

matrik dapat diatur untuk penggunaan dengan antar muka 4 bit atau 8 bit. Semua

fungsi yang tesedia seperti RAM tampilan, pembuat karakter, serta pengendali kristal

cair yang digunakan dalam pengendalian LCD dot matrix sudah terintegrasi menjadi

2

p

Desk

2.3. Daftar i

pada Tabel 2

Instruksi R

NOP 0 Hapus Layar 0

Gam kripsi fungsi instruksi pen 2.4. dijelaska Tabe Pin No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Tabe

RS RW D7

0 0 0

0 0 0

mbar 2.26 LD

dari tiap pin

ngatur modu

an pada Tab

el 2.3 Ketera

o Nama Vss Vdd Vee RS R/W E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A K

l 2.4 Daftar

D6 D5 D4

0 0 0

0 0 0

DC Dot Matr

n LCD pada

ul LCD ditun

bel 2.5. angan fungsi Fungsi Catu daya Catu daya Pengatur kontras Perintah Perintah Perintah I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O Anoda Katoda instruksi ko

D3 D2 D

0 0

0 0

rix 16 x 2 ka

a Gambar 2.2

njukkan oleh

i dari tiap pin

Deskri

GND + 5 V