BAB III
PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI C-V METER BERBASIS SoC C8051F350
3.1 Perancangan dan Implementasi Perangkat Keras 3.1.1 Perancangan sistem C-V meter
Komputer berfungsi sebagai kontrol utama yang mengendalikan sistem C-V Meter secara keseluruhan sekaligus sebagai pengolah dan penyimpan data hasil pengukuran. Komunikasi antara komputer dengan SoC C8051F350 menggunakan sistem antar muka serial, sehingga untuk menyesuaikan level tegangan antara komputer dengan SoC C8051F350 dibutuhkan antar muka RS232. Sebagai kontrol sekunder, SoC C8051F350 berfungsi mengendalikan sistem pengukuran sesuai dengan perintah kontrol utama (komputer) mengatur saklar pada penguat depan, mengatur kerja DAC, memilih tegangan step, mengolah data hasil konversi ADC dan mengirimkan data hasil pengukuran ke komputer. SoC yang digunakan pada sistem C-V Meter yang dirancang menggunakan SoC C8051F350 dari Silicon Laboratories 15).
Bagian Penguat depan berfungsi untuk menampung seluruh muatan yang masuk dan mengubahnya menjadi tegangan yang sebanding dengan CF. Tegangan keluaran dari penguuat depan kemudian masuk ke rangkaian nilai mutlak sehingga ADC selalu membaca tegangan positif. Tegangan DC untuk tegangan bias negatif dihasilkan oleh DAC1 dengan penguat membalik (inverting) dan DAC0 menghasilkan tegangan positif. Sumber tegangan step diberikan oleh multiplekser dan penyangga. Bagian keluaran berfungsi untuk menjumlahkan dan menguatkan tegangan bias dengan tegangan dari sumber step. Devais yang akan diukur dihubungkan seri dengan sumber tegangan dan masukan pada tahap penguat depan (rangkaian penguat balikan).
Gambar 3.2 Gambar PCB sistem C-V Meter
3.1.2 Pembangkit tegangan sumber bias
Gambar 3.3 Diagram blok IDAC 8 bit dalam SoC C8051F350 15)
Rangkaian penghasil tegangan bias ditunjukkan oleh gambar 3.4. Arus dari IDAC0 diubah menjadi tegangan dengan bantuan op-amp U1 sehingga menghasilkan tegangan negatif yang nilainya ditunjukkan oleh persamaan 3.1. Nilai tegangan negatif ini akan dibalikkan menjadi tegangan positif yang diperkuat pada bagian keluaran dari sistem C-V Meter.
(
0
1)
DAC
V
+= −
IDAC
×
R
(3.1)(a) (b)
Untuk mendapatkan tegangan negatif digunakan IDAC1 yang diubah menjadi tegangan oleh U2A dan kemudian dibalikkan oleh U2B menjadi sebuah tegangan positif yang sebanding dengan nilai IDAC1. Nilai tegangan positif ini akan diperkuat dan dibalikkan menjadi tegangan negatif pada bagian keluaran. Nilai keluaran tegangan rangkaian ini diberikan oleh persamaan 3.2.
1
2
ADC
V
−=
IDAC
×
R
(3.2)DAC arus merupakan pengubah data digital menjadi arus yang sebanding dengan data digitalnya. Salah satu keunggulan penggunaan IDAC ini adalah karena pengubahan daerah keluarannya sangat mudah. IDAC yang ada pada SoC C8051F350 mempunyai 4 pilihan daerah keluaran yang diatur dengan cara mengubah nilai skala penuhnya. Nilai skala penuh IDAC pada SoC C8051F350 terdiri dari empat pilihan, yaitu: 0.25 mA, 0,5 mA, 1 mA, dan 2 mA. Dengan menggunakan resistor R1, R2 sama dengan 2K seperti pada gambar 3.2, maka akan diperoleh tegangan keluaran dengan empat pilihan keluaran skala penuh, yaitu: 0,5 V, 1,0 V, 2,0 V dan 4,0 V. Pemilihan nilai reistor R1 dan R2 untuk menjaga keluaran maksimum op-amp berada di bawah 4,2 V karena nilai tegangan ini merupakan batasan keluaran op-amp yang dicatu dengan tegangan ±5V. Tegangan keluaran akhir ditentukan oleh besarnya penguatan pada bagian keluaran dari sistem C-V Meter.
3.1.3 Sumber tegangan step
Gambar 3.5 Rangkaian sumber tegangan step
Rangkaian pada gambar 3.5 merupakan pembagi tegangan yang membagi suatu tegangan referensi yang konstan menggunakan LM3904. Keluaran pembagi tegangan dipilih menggunakan multiplekser 4051 sedemikian rupa sehingga hanya ada satu keluaran tegangan. Keluaran tegangan dari multiplekser kemudian diumpankan pada sebuah bufer U3A dan dibalikkan polaritasnya dengan op-amp U3B sehingga keluaran akhir rangkaian adalah tegangan negatif. Tegangan step dibuat negatif karena pada bagian keluaran sistem C-V Meter tegangan ini akan dibalik polaritasnya dengan penguatan 1x.
3.1.4 Tahap keluaran
Keluaran dari sumber tegangan bias positif, bias negatif dan tegangan step digabungkan menggunakan rangkaian penguat penjumlah pada tahap keluaran dari sistem C-V Meter. Gambar 3.6 menunjukkan gambar rangkaian untuk tahap keluaran.
Rangkaian pada tahap keluaran pada dasarnya terdiri dari sebuah sistem penguat op-amp membalik gabungan. Rangkaian op-amp gabungan dibentuk oleh U4, Q1, Q2 dan beberapa komponen lain pemberi bias untuk transistor. Komponen balikan dibentuk oleh RO3 dan CO1 yang menentukan penguatan dari rangkaian. Penguatan dari rangkaian pada gambar 3.6 diberikan oleh persamaan 3.3. ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + −
= Step DAC+ VDAC−
RO RO V RO RO V RO RO Vo 0 1 2 3 1 3 (3.3)
Dengan demikian, penguatan untuk sistem dengan nilai seperti diatas menghasilkan penguatan -1x untuk tegangan sumber step, -5x untuk tegangan VDAC+ dan VDAC-.
Gambar 3.7 Rangkaian pembatas arus pada tahap keluaran sistem C-V Meter
3.1.5 Perancangan penguat depan
out f
Q
V
C
−Δ
Δ
=
(3.4)Gambar 3.8 Rangkaian penguat depan
Sistem penguat depan dirancang untuk dapat melakukan pengukuran dengan dua daerah pengukuran yang berbeda. Rangkaian lengkap penguat depan ditunjukkan pada gambar 3.9. Rangkaian dilengkapi dengan tambahan SW2 dan CF1. Ketika saklar SW2 aktif maka nilai kapasitansi balikan akan menjadi persamaan 3.5. Nilai CF1 juga harus mempunyai kepresisian yang baik.
1
F Total F F
C
=
C
+
C
(3.5)Gambar 3.10 Bentuk Gelombang Keluaran tegangan dan pengukuran muatan
3.1.6 Pemilihan dan implementasi SoC C8051F350
SoC berfungsi sebagai kontrol sekunder yang mengendalikan bagian-bagian penting dari sistem C-V meter. SoC yang digunakan adalah SoC C8051F350 dari Silicon Laboratories. SoC ini dipilih karena fasilitasnya lengkap, cepat, konsumsi daya rendah, kemasannya kecil dan ringkas serta harganya relatif murah. Arsitektur SoC C8051F350 seperti ditunjukkan Gambar 3.11 terdiri atas 15):
1. ADC (analog to digital converter) dengan spesifikasi: • resolusi 24 bit atau 16 bit
• throughput dapat diatur sampai dengan 1 ksps (kilo sample per second)
3. dua buah komparator analog 4. tegangan referensi 2,45 V
5. RAM (random acces memory) 768 byte
6. flash ISP (in system programmable) 8 kilo byte dalam 512 sektor 7. inti (core) SoC C8051F350 8051 kecepatan tinggi dengan kelebihan:
• tujuh puluh persen instruksi dilakukan dalam 1 atau 2 sistem clock • kecepatan eksekusi program sampai dengan 50 MIPS (mega
instruction per second)
• sumber interupsi yang bisa diperluas 8. sumber clock
• sumber oscillator internal 24.5 MHz dengan akurasi ± 2% dan mendukung operasi UART
• sumber clock eksternal dapat berasal dari kristal, rangkaian RC atau osilator
• terdapat pengali clock hingga mencapai 50 MHz internal • dapat berganti clock selama program berlangsung (on-the-fly) 9. tujuh belas port input/output toleran terhadap tegangan 5V dengan arus
benaman (sink current) yang tinggi masing-masing hingga 100 mA 10. sistem antarmuka SMBus (kompatibel dengan I2C), SPI, dan UART 11. empat buah counter/timer untuk kegunaan umum yang dapat diatur
dengan 3 modul capture/compare 12. WDT (watch-dog timer)
13. fasilitas JTAG dengan kemampuan:
• sistem dapat dapat di-debug tanpa membutuhkan emulator
• dilengkapi dengan kemampuan breakpoints, single stepping, watchpoints dan stack monitor
Gambar 3.11 Arsitektur SoC C8051F350 15)
3.1.7 Implementasi ADC (analog to digital converter) dan pengkondisi sinyal
Gambar 3.12 Diagram blok ADC 24 bit dalam SoC C8051F350 15)
Gambar 3.13 Diagram blok multiplekser untuk memilih masukan ADC 24 bit dalam SoC C8051F350 15)
3.1.8 Sistem antarmuka
Sistem antarmuka yang digunakan pada sistem C-V Meter ini adalah sistem antar muka serial melalui COM serial pada komputer yang berbentuk DB9. Sistem antarmuka ini dipilih dengan pertimbangan sudah lazim digunakan, relatif mudah dalam pengoperasian, dan relatif mudah dalam pembuatan protokol-komunikasi-nya. Hampir setiap komputer yang ada sekarang dilengkapi dengan antarmuka ini dan diperkirakan dalam beberapa waktu ke depan antarmuka ini masih digunakan dan terdapat pada komputer.
data sampai dengan 250 kbps dan memerlukan arus supply yang rendah sebesar 300 µA. Gambar rangkaian antar muka sistem C-V Meter dengan komputer ditunjukkan oleh gambar 3.14.
3.2 Perancangan dan Implementasi Perangkat Lunak
3.2.1 Perancangan dan Implementasi Perangkat Lunak pada SoC C8051F350
pendeklarasian nilai Cf, dan inisialisasi mikrokontroler lainnya. Program utama dimulai dengan mengosongkan muatan pada Cf dan kemudian pengukuran V1 yaitu Vout. Pemberian tegangan step, ΔV untuk waktu delay tertentu diberikan kemudian tegangan keluaran Vout diukur untuk mendapatkan V2. Dengan diperolehnya V2 maka Cx bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan 6. Pengukuran ini dilakukan terus menerus untuk tegangan bias yang berbeda sehingga akan diperoleh kurva Cx terhadap V bias.
