Alat Pengukur Kapasitansi Berbasis Phase-Sensitive Demodulation (PSD) untuk Sensor ECVT

ABSTRAK
ALAT PENGUKUR KAPASITANSI BERBASIS PHASE-SENSITIVE
DEMODULATION (PSD) UNTUK SENSOR ECVT

Oleh
MUHAMAD AJI HILMI ANUGRAH

Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT) mampu melakukan
rekonstruksi gambar sesuai nilai konstanta dielektrik yang ada di dalam sensor.
ECVT memiliki tiga bagian utama, pertama sensor kapasitansi, kedua sistem
akuisisi data, terakhir komputer untuk kontrol dan mengolah gambar. Bagian
terpenting adalah sistem akuisisi data. Di dalamnya ada rangkaian pengukur
kapasitansi Phase-Sensitive Demodulation (PSD). PSD memiliki lima tahapan
sistem. Pertama, AC-Based. Kedua, Inverting Amplifier. Ketiga, Phase Shifter.
Keempat, Analog Multiplier. Kelima Low-Pass Filter (LPF).
Metode untuk penelitian ini dilakukan dalam lima tahap. Pertama simulasi
menggunakan PSpice. Kedua melakukan analisis daerah kerja, kelinieran, resolusi,
Mean Absolut Error (MAE), dan kondisi termal dari hasil simulasi. Ketiga
Eksperimen alat akan diuji dengan kapasitor 1pF -- 15pF kenaikan 1pF. Keempat
Analisis perbandingan hasil simulasi dan eksperimen. Kelima pengujian Alat
dengan sensor ECVT.

Hasil dari penelitian ini ada tiga. Pertama adalah karakteristik dari sistem.
Daerah kerja sistem ≥500fF, kelinieran y=1,0297x-79,884x1015, R2=0,9999,
resolusi 0,90mV/fF, MAE 0,158pF, kondisi termal pada suhu -25oC -- 125oC
tegangan keluaran mengalami perubahan rata-rata 4,36mV. Kedua adalah hasil
simulasi dan eksperimen sebanding, eror simulasi 2,23% dan eror eksperimen
3,87%. Ketiga adalah alat mampu mengukur perbedaan kapasitansi sensor ECVT
dalam kondisi kosong, penuh dengan air dan berisi limbah minyak kelapa sawit.

Kata kunci: kapasitansi, phase-sensitive, demodulation, sensor, ECVT.

ABSTRACT
MEASURING INSTRUMENT OF CAPACITANCE BASED PHASESENSITIVE DEMODULATION (PSD) FOR SENSOR ECVT

By
MUHAMAD AJI HILMI ANUGRAH

Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT) can perform image
reconstruction corresponding dielectric constant value that is in the sensor. ECVT
has three main parts, the first capacitance sensor, the data acquisition system, the
last computer to control and process images. The most important part is the data

acquisition system. In it there is a capacitance measuring circuit. The capacitance
measuring circuit using Phase-Sensitive Demodulation (PSD). PSD has five stages
of the system. First, AC-Based. Secondly, Inverting Amplifier. Third, Phase Shifter.
Fourth, Analog Multiplier. Fifth Low-Pass Filter (LPF).
Methods of research carried out in five stages. The first simulation using PSpice.
The second work area analysis, linearity, resolution, Mean Absolute Error (MAE),
and thermal conditions of the simulation results. The third experiment will be tested
by 1pF to 15pF capacitor with 1pF increase. The fourth comparative analysis of
simulation results and experimental. The fifth test experiments with sensor ECVT.
There are three research. The first is the characteristics of the system. The work
area system is ≥ 500fF, the linearity is y = 1,0297x-79,884x1015, R2 = 0.9999, The
resolution 0,90 mV/fF, The MAE 0,158pF, The thermal conditions at a temperature
of -25 oC -- 125 oC with increases 5 oC, the changing output voltage average is 4,
36mV. The second is the simulation and experimental results are comparable, the
simulation error of 2.23% and the experimental error of 3.87%. The third is PSD
circuit have a capable of measuring the difference in the capacitance sensor ECVT
in an empty condition, filled with water and containing palm oil waste.
Key words: capacitance, phase-sensitive, demodulation, sensor, ECVT

ALAT PENGUKUR KAPASITANSI BERBASIS PHASE-SENSITIVE

DEMODULATION (PSD) UNTUK SENSOR ECVT

Oleh

Muhamad Aji Hilmi Anugrah

Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar
SARJANA TEKNIK

Pada
Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2015

RIWAYAT HIDUP

Rabu, 26 Mei 1993 atau 04 Dzulhijjah 1413H lahirlah saya Muhamad
Aji Hilmi Anugrah dilahirkan di Kabupaten Ciamis, Provinsi Jawa
Barat, anak ketiga dari sebelumnya Teteh Yanti Yulianti dan Teteh
Reni Andriani, melengkapi anugerah terindah untuk kedua orang tua
Bapak Muhamad Muslih dan Ibu Nani Yuhanah, dan 5 tahun
kemudian saya memiliki satu orang adik Mochamad Rafly
Nurzamzam. Umur 5 tahun menjadi awal pendidikan di TK AlKhoeriyah. Pendidikan diselesaikan tahun 1999. Pendidikan kedua dilanjutkan di
SDN 1 Sukamaju yang diselesaikan tahun 2005 menjadi pasangan murid teladan di
kelas 5, selain aktif dalam perlombaan akademik, namun aktif juga dalam
perlombaan olah raga dan pramuka. Pendidikan ketiga dilanjutkan di SMPN 1
Ciamis, prestasi akademik lulus mendapatkan 20 terbaik paralel, kegiatan lain
diikuti bela diri karate, pendidikan diselesaikan tahun 2008. Pendidikan ketiga
dilanjutkan di SMAN 1 Ciamis, memiliki prestasi akademik selalu masuk 30
terbaik paralel selama 3 tahun, dengan posisi terbaik pada paralel 7. Aktif dalam
tiga organisasi, Ikatan Remaja Masjid (IRM) Al-Kautsar menjadi koordinator
Perpustakaan Mesjid, Kelompok Ilmiah Remaja (KIR) menjadi Koordinator Fisika
dan Pramuka Ambalan Ciungwanara menjadi Dewan Ambalan posisi Krani II.
Banyak mengikuti lomba kelompok pramuka, pendidikan diselesaikan tahun 2011.
Prestasi akademik dan ekstrakulikuler menjadi bekal penting saat mendaftar

SNMPTN di bulan Juni 2011, dengan pilihan pertama Institut Teknologi Bandung
(ITB) dan pilihan dua Universitas Lampung (UNILA). Juli 2011 Pengumuman
diterimanya penulis sebagai mahasiswa Teknik Elektro UNILA dengan bantuan
beasiswa Bidik Misi. Alhamdulillah penulis menyelesaikan kuliah empat tahun.
Penulis peranah melakukan kerja praktik (internship) selama dua bulan di C-Tech
Labs Edwar Technology Tangerang. Penulis pernah dua kali menjadi asisten
praktikum algoritma dan pemrograman di laboratorium komputer dan aktif di
laboratorium elektronika. Penulis juga pernah dua kali menjadi asisten dosen mata
kuliah Matematika Diskrit dan Matematika Teknik II. Penulis aktif di 3 tahun di
Himpunan Mahasiswa Teknik Elektro (HIMATRO), tahun pertama sebagai
anggota, tahun kedua sebagai sekretaris departemen pendidikan dan pengkaderan,
tahun ketiga sebagai staf pengkaderan. 3 tahun aktif di Forum Silaturahmi dan Studi
Islam Fakultas Teknik (FOSSI-FT), tahun pertama sebagai anggota, tahun kedua
sebagai Staf kaderisasi, tahun ketiga sebagai Wakil Koordinator Badan Khusus
Bimbingan Baca Quran Fakultas Teknik (BK BBQ-FT). Tahun keempat penulis
aktif di organisasi Dewan Perwakilan Mahasiswa Fakultas Teknik (DPM-FT)
sebagai staf komisi I. Sebelum lulus penulis diangkat sebagai anggota Masyarakat
Ilmuwan dan Teknolog Kelaster Mahasiswa (MITI-KM) bagian Sumbangsel.

Skripsi ini Penulis Persembahkan untuk:

i

Jika Allah menolong kamu, maka tak adalah orang yang dapat mengalahkan kamu;
jika Allah membiarkan kamu (tidak memberi pertolongan), maka siapakah
gerangan yang dapat menolong kamu (selain) dari Allah sesudah itu? Karena itu
hendaklah kepada Allah saja orang-orang mu'min bertawakkal. AL-IMRAN 3:160

i

SANWACANA

Assalamu’alaikum Wr. Wb.
Puji dan syukur selalu terucap dalam setiap nafas penulis panjatkan ke hadirat Allah
SWT, karena rahmat, karunia, dan hidayah-Nya. Serta tidak lupa berkat pemberi
cahaya dan teladan hidup terbaik, salawat serta salam penulis sampaikan untuk
Baginda Rasul Muhammad SAW.
Skripsi

berjudul

“Alat

Pengukur

Kapasitansi

Berbasis

Phase-Sensitive

Demodulation (PSD) untuk Sensor ECVT” telah berhasil diselesaikan.

Dan

merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik pada jurusan
Teknik Elektro di Universitas Lampung.

Dalam kesempatan ini penulis dengan bangga untuk mengucapkan terima kasih
dan memberikan penghargaan kepada:

1.

Bapak Agus Trisanto, Ph.D. sebagi Ketua Jurusan Teknik Elektro.

2.

Ibu Herlinawati, S.T., M.T. sebagai Sekertaris Jurusan Teknik Elektro.

3.

Bapak M. Komarudin, M.T. sebagai Dosen Pembimbing Utama.

4.

Bapak Ageng Sadnowo R. M.T sebagai Dosen Pembimbing Pendamping.

5.

Ibu Dr. Ir. Sri Ratna Sulistiyanti, M.T. sebagai Dosen Penguji.

6.

Seluruh Dosen dan Karyawan Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung.

i

7.

Bapak Dr. Warsito P. Taruno, sebagai Direktur C-Tech Labs Edwar
Technologi, Bapak Imamul Muttakin sebagai Pembimbing KP serta jajaran
karyawan yang telah berbagi ilmu pengetahuan saat kerja praktik.

8.

Bapak, Ibu, Teh Yanti, Teh Reni, Yai, dan Widia, sebagai orang terdekat yang
sangat penulis sayangi. Yang selalu ada untuk penulis dan mengisi hati penulis.

9.

Seluruh teman seperjuangan Teknik Elektro Universitas Lampung angkatan

2011, yang selalu mendukung dan berbagi keceriaan.

10. Keluarga besar Laboratorium Elektronika yang selalu mendukung penulis,
membantu terselesainya skripsi, dan selalu berbagi kebahagiaan.
11. Keluarga besar Himpunan Mahasiswa Teknik Elektro (HIMATRO), sebagai
kawan seperjuangan, kakak, dan adik, yang selalu ada dan membantu penulis.
12. Teman seperjuangan Aktifis Dakwah Kampus angkatan 2011, sebagai sahabat
dalam ketaatan dan keimanan yang semoga berkumpul kembali di surga.
13. Keluarga besar Forum Silaturahmi dan Studi Islam Fakultas Teknik (FOSSI
FT) yang selalu berjuang bersama dalam taqwa, ukhuwah dan ketaatan.
14. Keluarga besar Bidik Misi, dan DPM FT.
15. Teman-teman dekat yang selalu berbagi cerita, yang namanya tidak bisa
disebutkan satu persatu.
16. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu, yang telah banyak
mendukung dan membantu penulis dalam penyelesaian laporan ini.
Semoga Allah SWT membalas seluruh kebaikan kalian semua, dan memberi
keberkahan atas terselesainya laporan ini. Amin.
Dalam Laporan ini akan menjelaskan rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis
Phase-sensitive demodulation (PSD), dan melakukan analisis terhadap rangkaian
ii

tersebut seperti daerah kerja, kelinieran, resolusi dan MAE dan kondisi termal dari
rangkaian dengan simulasi menggunakan PSpice. Dan mencoba mengaplikasikan
pada eksperimen.

Hasil analisis simulasi dan eksperimen, digunakan untuk mendapatkan gambaran
serta perbandingan bagaimana penggunaan rangkaian tersebut bila digunakan
sebagai rangkaian pada sistem akuisisi data Electrical capacitance volume
tomography (ECVT). Terakhir akan dilakukan uji coba alat dengan sensor ECVT.

Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penulisan laporan. Karena hal
tersebut penulis sangat terbuka untuk masukan dan kritik serta sarana. Tapi dari
kekurangan tersebut semoga karya tulis ini bermanfaat, karena ini merupakan usaha
keras dan maksimal yang penulis persembahkan.

Bandar Lampung, Agustus 2015
Penulis

Muhamad Aji Hilmi Anugrah
NPM. 1115031057

iii

DAFTAR TABEL

Tabel

Halaman

1. Tabel 1. Penelitian Sebelumnya yang Berkaitan dengan PSD dan ECVT .... 3
2. Tabel 2. Kelebihan dan Kekurangan dari Kedua Rangkaian Pengukur
Kapasitansi ....................................................................................................16
3. Tabel 3. Data Hasil Pengukuran Cx 10fF hingga 15pF Kenaikan 10fF .......50
4. Tabel 4. Data Kondisi Termal Rangkaian PSD ............................................52
5. Tabel 5. Data Hasil Eksperimen 1pF hingga 15pF Kenaikan 1pF ...............57
6. Tabel 6. Perbandingan Cx’ Hasil Simulasi dan Eksperimen ........................57
7. Tabel 7. Tabel Isian Untuk Eksperimen menggunakan Sensor ECVT ........58
8. Tabel 8. Penjelasan Kategori Setiap Pasangan Elektrode Sensor ECVT 8
Elektrode .......................................................................................................59
9. Tabel 9. Pengaruh Suhu pada Perubahan Tegangan Keluaran .....................68
10. Tabel 10. Data Hasil Eksperimen Kapasitor 1pF sampai 15pF kenaikan
1pF ..............................................................................................................77
11. Tabel 11. Data Perbandingan Hasil Simulasi dan Eksperimen ..................79
12. Tabel 12. Data Hasil Sensor ECVT 8 Elektrode Keadaan Kosong ...........82
13. Tabel 13. Data Hasil Sensor ECVT 8 Elektrode Keadaan Penuh dengan
Air...............................................................................................................83

vii

14. Tabel 14. Data Hasil Sensor ECVT 8 Elektrode Keadaan Berisi Limbah
Minyak Kelapa Sawit .................................................................................84
15. Tabel 15. Nilai Kapasitansi Tiga Kondisi Dielektrik .................................88

viii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran

Halaman

1. Lampiran 1. Skematik Rangkaian pengukur Kapasitansi Berbasis PhaseSensitive Demodulation (PSD).
2. Lampiran 2. Sketch dalam arduino untuk mengatur DDS
3. Lampiran 3. Data lengkap hasil simulasi 10fF sampai 15pF kenaikan 10fF
4. Lampiran 4. Grafik Kelinieran Rangkaian PSD pada Simulasi 10fF sampai
15pF Kenaikan 10fF
5. Lampiran 5. Grafik Kondisi termal dengan Cx 7pF pada temperatur, -25o C
hingga 125o C dengan kenaikan 5o C
6. Lampiran 6. Grafik Data Hasil Nilai Kapasitansi Rata-rata Sensor ECVT 8
Elektrode Keadaan Kosong
7. Lampiran 7. Grafik Data Hasil Nilai Kapasitansi Rata-rata Sensor ECVT 8
Elektrode Keadaan Penuh dengan Air
8. Lampiran 8. Grafik Data Hasil Nilai Kapasitansi Rata-rata Sensor ECVT 8
Elektrode Diisi Limbah Minyak Kelapa Sawit
9. Lampiran 9. Grafik Data Hasil Nilai Kapasitansi Rata-rata Sensor ECVT 8
Elektrode Gabungan Tiga Kondisi

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar

Halaman

1. Gambar 2.1. Prinsip Kerja Kapasitor ............................................................ 8
2. Gambar 2.2. Prinsip Dasar Proses Tomography ......................................... 10
3. Gambar 2.3. Sistem Kerja ECVT ............................................................... 11
4. Gambar 2.4. Rangkaian Charge/discharege ............................................... 12
5. Gambar 2.5. Rangkaian Berbasis AC (AC-Based)...................................... 14
6. Gambar 2.6. Diagram Blok Perbandingan Kedua Rangkaian .................... 16
7. Gambar 2.7. Rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis phase-sensitive
demodulation (PSD) ................................................................................... 17
8. Gambar 2.8. Komponen dalam DDS .......................................................... 19
9. Gambar 2.9. Keluaran DDS AD0850 1Vpp 500kHz ................................. 20
10. Gambar 2.10. High-pass Filter dan penguat ............................................ 21
11. Gambar 2.11. Keluaran DDS Setelah Melewati HPF dan Penguat ......... 21
12. Gambar 2.12. Rangkaian AC-Based atau CV-Converter ........................ 22
13. Gambar 2.13. Inverting Amplifier .............................................................26
14. Gambar 2.14. Phase Shifter ...................................................................... 27
15. Gambar 2.15. Analog Multiplier AD633 ................................................. 29
16. Gambar 2.16. Butterwort Low-pass filter ................................................. 30
17. Gambar 3.1 Diagram Blok Penelitian ...................................................... 35
18. Gambar 3.2 Tampilah Awal OrCAD Captur ............................................36
ix

19. Gambar 3.3 Pembuatan Project Langkah 1 ...............................................36
20. Gambar 3.4 Pembuatan Project Langkah 2 ................................................37
21. Gambar 3.5. Tampilan Project jika berhasil dibuat. ..................................37
22. Gambar 3.6. Memilih komponen dan memilih Library. ...........................38
23. Gambar 3.7. Sumber Tegangan. ................................................................39
24. Gambar 3.8. Hasil Rangkaian Sumber. .....................................................39
25. Gambar 3.9. Sumber Sinus sebanding dengan DDS AD9850 ...................40
26. Gambar 3.10. Pembuatan Profil Simulasi .................................................40
27. Gambar 3.11. Pengaturan Profil Simulasi. ................................................41
28. Gambar 3.12. Tampilan..............................................................................41
29. Gambar 3.13 Pengaturan tampilan PSpice. ...............................................42
30. Gambar 3.14. Dialog Add Trace. ..............................................................43
31. Gambar3.15. Rangkaian yang dibutuhkan untuk HPF. .............................43
32. Gambar 3.16. Komponen HPF yang telah selesai dirangkai. ...................44
33. Gambar 3.17. Komponen untuk membuat penguat tanpa pembalik. ........45
34. Gambar 3.18. Penguat Tanpa Pembalik. ...................................................45
35. Gambar 3.19. DDS yang telah disederhanakan. .......................................46
36. Gambar 3.20. Komponen yang dibutuhakan untuk membuat CVConverter. .................................................................................................46
37. Gambar 3.21. Rangkaian CV-Converter ....................................................47
38. Gambar 3.22. Penguat Pembalik (Inverting Amplifier). ...........................47
39. Gambar 3.23. Komponen untuk membuat All-Pass filter. ........................48
40. Gambar 3.24. Rangkaian All-Pass filter. ..................................................48
41. Gambar 3.25. Rangkaian Analog Multiplier. ............................................49

x

42. Gambar 3.26 Rangkaian Low Pass Filter. ................................................49
43. Gambar 3.27. Diagram Blok Perancangan Alat. .......................................52
44. Gambar 3.27. DDS AD9850 ......................................................................53
45. Gambar 3.28 Susunan Pin pada AD827. ...................................................54
46. Gambar 3.29. Susunan Pin AD633 ............................................................55
47. Gambar 3.30. Susunan Pin AD817 ............................................................56
48. Gambar 3.31. Kategori Pembagian Sensor ECVT 8 Elektrode .................58
49. Gambar 4.1 Keluaran sinyal sinus 20Vpp..................................................62
50. Gambar 4.2 Sinyal setelah melewati CV-Converter atau AC-Based. ......63
51. Gambar 4.3 Sinyal mengalami perubahan phase 180o...............................63
52. Gambar 4.4, perubahan phase antara input dan CV-Converter. ...............64
53. Gambar 4.5 Perbaikan Sinyal Menggunakan Phase Shifter ......................65
54. Gambar 4.6. Sinyal Keluaran PSD. ...........................................................66
55. Gambar 4.7. Hasil LPF sinyal PSD ............................................................66
56. Gambar 4.8. Garis Kelinieran Hasil Simulasi. ..........................................70
57. Gambar 4.9. Gambar Alat. (a) Power supply dan DDS. (b) Rangkaian PSD
....................................................................................................................72
58. Gambar 4.10 Sinyal DDS AD9850 ............................................................73
59. Gambar 4.11. AD9850 setelah melewati HPF ...........................................73
60. Gambar 4.12. Dikuatkan 20x menjadi 20Vpp ...........................................73
61. Gambar 4.13. Sinyal keluaran CV-Converter. ..........................................74
62. Gambar 4.14. Hasil Inverter. .....................................................................75
63. Gambar 4.15. Perbedaan phase sinyal eksitasi dan sinyal informasi. .......75
64. Gambar 4.16. Perbaikan phase dengan phase shifter ................................76

xi

65. Gambar 4.17. Sinyal hasil PSD ..................................................................76
66. Gambar 4.18. Sinyal hasil low-pass filter ..................................................77
67. Gambar 4.19. Grafik hasil eksperimen 1pF-15Pf ......................................78
68. Gambar 4.20. Grafik Perbandingan Simulasi dan Eksperimen..................80
69. Gambar 4.22. Sensor ECVT 8 Elektrode dan botol berisi limbah minyak
kelapa sawit. ..............................................................................................81
70. Gambar 4.23. Nilai Tegangan Setiap Kategori Pasangan Elektrode Kondisi
Kosong. .....................................................................................................85
71. Gambar 4.24. Nilai Tegangan Setiap Kategori Pasangan Elektrode Kondisi
Penuh dengan air. ......................................................................................87
72. Gambar 4.25. Nilai Tegangan Setiap Kategori Pasangan Elektrode Kondisi
Berisi Limbah Minyak Kelapa Sawit. .......................................................88

xii

DAFTAR SIMBOL DAN SINGKATAN

C

: Kapasitansi (Farad, F).

q

: Muatan (Colomb).

V

: Tegangan (Volt).

A

: Luas penampang dalam meter persegi (m2 ).

��

: Permitivitas statis relatif (konstanta dielektrik) untuk vakum = 1.

�

d

: jarak antar plat dalam meter (m).

Cx

: Nilai kapasitansi yang dicari. (Farad, F)

Cx’

: Nilai kapasitansi yang didapat dengan perhitungan tegangan

: Permitivitas vakum (� ≈ 8,8

�

−

��− ).

keluaran (Farad, F)
Cf

: Kapasitansi referensi. (Farad, F)

Rf

: Resistansi Referensi. (Ohm, Ω)

��

: Tegangan input sinus. (Volt)

Vo

: Tegangan output. (Volt)

j

: Imajiner.

�

: Frekuensi sudut (Rad/s)

�

: Frekuensi cutoff (Hz)

�

: Perubahan phasa. ( o)

ΔCx

: Selisih kapasitansi Cx terpasang dan Cx’ perhitungan. (Farad, F)

xiii

ΔVo

: Selisih Tegangan setiap 10fF. (Volt)

E%

: Eror dalam persen.

2D

: Dua Dimensi.

3D

: Tiga Dimensi.

4D

: Empat Dimensi.

AC

: Alternating Current

ADC

: Analog to Digital Converter.

CT-scan

: Computed Tomography Scan

CV

: Capacitance to Voltage.

DAS

: Data Acquisition System.

DC

: Direct Current

DDS

: Direct Digital Synthesis

ECVT

: Electrical capacitance volume tomography.

HPF

: High-pass Filter

IC

: integrated Circui

LPF

: Low-pass Filter.

MAE

: Mean Absolute Error.

MRI

: Magnetic Resonance Imaging

PET-Scan

: Positron Emission Tomography Scan

PSD

: Phase-sensitive demodulation.

USG

: Ultrasonography

xiv

DAFTAR ISI

Halaman
DAFTAR TABEL ............................................................................................... vii
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... viii
DAFTAR SIMBOL DAN SINGKATAN .......................................................... xiii
I. PENDAHULUAN .............................................................................................. 1
A. Latar Belakang ......................................................................................... 1
B. Tujuan ...................................................................................................... 4
C. Manfaat ......................................................................................................4
D. Batasan masalah ....................................................................................... 5
E. Sistematika Penulisan .............................................................................. 5
II. TINJAUAN PUSTAKA .................................................................................... 7
A. Dielektrik dan Kapasitansi ......................................................................... 7
1. Dielektrik .................................................................................................7
2. Kapasitansi ..............................................................................................8
B. Pengenalan Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT) ......... 10
C. Perkembangan Rangkaian Pengukur Kapasitansi Sebelum menggunakan
Phase-Sensitive Demodulation (PSD) ........................................................12
1. Rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis Charge/disc harege...........12
2. Rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis AC (AC-Based) ................14
3. Perbandingan Kedua Rangkaian ............................................................15
D. Rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis Phase-Sensitive Demodulation
(PSD) ..........................................................................................................17
1. Direct Digital Synthesis (DDS) .............................................................18
2. CV-Converter / AC-Based ................................................................... 22
3. Inverting Amplifier (Penguat Pembalik) ............................................... 26
4. Phase Shifter ..........................................................................................27
5. Analog Multiplier ................................................................................ 28
6. Low-Pass Filter (LPF) .......................................................................... 30
III. METODOLOGI PENELITIAN ..................................................................... 33
A. Waktu dan Tempat Penelitian .................................................................. 33
B. Alat dan Bahan ...........................................................................................33
C. Langkah Kerja Penelitian ...........................................................................34
1. Simulasi .................................................................................................35
2. Pengambilan Data Simulasi ...................................................................49
3. Eksperimen ............................................................................................52
4. Pengambilan Data Eksperimen 1pF sampai 15pF Kenaikan 1pF .........56
5. Perbandingan Simulasi dan Eksperimen ...............................................57
v

6. Uji Coba Alat dengan Sensor ECVT 8 Elektrode .................................57
D. Kategori Pembagian Sensor ECVT 8 Elektrode ........................................58
E. Perhitungan Cx (Cx’) ................................................................................59
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ..................................................................... 61
A. Hasil Simulasi ...........................................................................................61
1. Direct Digital Synthesis (DDS) .............................................................61
2. CV-Converter / AC-Based ................................................................... 62
3. Inverting Amplifier (Penguat Pembalik) ............................................... 63
4. Phase Shifter ..........................................................................................64
5. Analog Multiplier ................................................................................ 65
6. Low-Pass Filter (LPF) .......................................................................... 66
B. Data Hasil Simulasi ....................................................................................67
1. 10fF sampai 15pF kenaikan 10fF ..........................................................67
2. -25o C sampai 125 o C kenaikan 5 o C .....................................................67
C. Analisis Hasil Simulasi ..............................................................................69
1. Daerah Kerja ..........................................................................................69
2. Garis Kelinieran .....................................................................................70
3. Resolusi .................................................................................................70
4. Mean Absolute Error (MAE) ................................................................71
5. Kondisi Termal ......................................................................................71
D. Hasil Eksperimen .......................................................................................71
1. Direct Digital Synthesis (DDS) .............................................................72
2. CV-Converter / AC-Based ....................................................................74
3. Inverting Amplifier (Penguat Pembalik) ................................................74
4. Phase Shifter ..........................................................................................75
5. Analog Multiplier .................................................................................76
6. Low-Pass Filter (LPF) ...........................................................................77
E. Data Hasil Eksperimen 1pF sampai 15pF Kenaikan 1pF ..........................77
F. Analisis Hasil Eksperimen 1pF sampai 15pF Kenaikan 1pF .....................78
G. Analisis Perbandingan Simulasi dan Eksperimen ......................................79
H. Data Hasil Uji Coba Alat dengan Sensor ECVT 8 Elektrode ....................80
1. Kondisi Kosong .....................................................................................82
2. Kondisi Penuh dengan Air.....................................................................83
3. Berisi Limbah Minyak Kelapa Sawit ....................................................84
I. Analisis Hasil Uji Coba Alat dengan Sensor ECVT 8 Elektrode ..............85
1. Kondisi Kosong .....................................................................................85
2. Kondisi Penuh dengan Air.....................................................................86
3. Berisi Limbah Minyak Kelapa Sawit ....................................................87
4. Analisis Tiga Kondisi Dielektrik ...........................................................89
V. KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................................90
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN

vi

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Kapasitansi adalah kemampuan sebuah benda untuk menyimpan muatan listrik.
Komponen elektronika yang memanfaatkan sifat kapasitansi adalah kapasitor.
Nilai kapasitansi kapasitor dipengaruhi oleh luasnya pelat, jarak pelat dan
konstanta dielektrik atau permitivitas relatif[1].

Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT) adalah sebuah teknik
melihat struktur benda yang memanfaatkan prinsip kapasitor pelat sejajar. Saat
jarak pelat dan luas pelat dibuat konstan, maka yang berpengaruh hanyalah
konstanta dielektrik di antara pelat. Perbedaan nilai konstanta dielektrik ini
yang akan menjadi dasar benda di antara pelat tersebut dapat dilakukan
pengolahan gambar[2].

ECVT memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan alat tomography
lainnya. ECVT mampu melakukan pencitraan 3D, tanpa perlu ada proses
penggabungan potongan gambar. ECVT juga mampu melakukan pembacaan
secara realtime, yaitu setiap perubahan pada objek dalam interval waktu
tertentu mampu direkam oleh ECVT. Karena ECVT mampu melakukan
pencitraan secara 3D dan realtime. ECVT dikatakan sebagai pencitraan secara
online 4D[2]. Kelebihan lain dari ECVT adalah desain sensor tidak terbatas,

2
tidak hanya kotak atau tabung, bahkan dapat berbentuk mangkuk dan helm
selama muatan listrik yang diberikan mampu diterima masing-masing
elektrode yang digunakan.

Ada tiga bagian dari ECVT, pertama sensor kapasitansi, kedua sistem akuisisi
data, dan terakhir komputer untuk kontrol dan pengolah gambar. Sensor
kapasitansi, memiliki nilai kapasitansi pada orde femto farad. Dan sistem
akuisisi data yang ada sekarang sedang dikembangkan ke generasi selanjutnya
menggunakan pengondisi sinyal berbasis Phase-Sensitive Demodulation
(PSD). Pengondisi sinyal berbasis PSD masih jarang dikembangkan karena
cukup sulit untuk diaplikasikan. Dari alasan tersebut telah dibuatlah karya tulis
berjudul judul “Alat Pengukur Kapasitansi Berbasis Phase-Sensitive
Demodulation (PSD) untuk Sensor ECVT”. Alat pengukur kapasitansi berbasis
PSD ini diharapkan menjadi awalan untuk DAS ECVT dikembangkan ke
generasi selanjutnya.

Tabel 1 memperlihatkan penelitian yang berkaitan dengan penelitian yang
dilaksanakan. W Q Yang pada tahun 1996 memaparkan tentang perancangan
berbagai sistem akuisisi data untuk tomography berbasis kapasitansi.
Selanjutnya tahun 2001 dikembangkan ulang menggunakan phase-sensitive
demodulation (PSD) dan disebutlah sistem New AC-Based[3].

3
Tabel 1. Penelitian sebelumnya yang berkaitan dengan PSD dan ECVT.
No

Nama

1.

W Q Yang

2.

W Q Yang

3.

Warsito P Taruno

4

W Q Yang

5.

Arba’i Yusuf

6.

Bayu Sasongko

Judul Penelitian
Hardware Design of Electrical
Capaciatance Tomography
System
Futher Development In ACBased Capacitance
Tomography System
Electrical capacitance volume
Tomography
Teaching Phase-Sensitive
Demodulation For Signal
Conditioning To
Undergraduate Students
Pengembangan Sistem Data
Akuisisi Electricral
Capacitance Volume
Tomography (ECVT)
Perancangan alat Pengukur
Kapasitansi orde Femtofarad
Berbasis Rangkaian Aktif
Differensial untuk Sistem
Electrical capacitance volume
Tomography (ECVT)

Asal penelitian

Tahun

UMIST

1996

UMIST

2001

IEEE

2007

UMIST

2010

Universitas
Indonesia

2010

Universitas
Lampung

2013

Tahun 2007 Dr. Warsito P Taruno berhasil mengembangkan Eelectrical
Capacitance Tomography (ECT) menjadi Electrical capacitance volume
Tomography (ECVT). ECT dan ECVT memiliki perbedaan dalam pengambilan
gambarnya, jika ECT pengambilan gambar hanya 2D berupa potongan, sedangkan
ECVT dapat berupa 3D[2].

Dr. Warsito P Taruno mengembangkan ECVT di Tangerang, dibantu oleh Bapak
Arba’i Yusuf dan Dr. Wahyu Widada untuk mengembangkan sistem akuisisi data
yang ada. Nama tempat pengembangannya adalah CTech Edwar Technology.
Pengembangan yang sedang dilakukan berinovasi dari penelitian Profesor W Q
Yang. Menggunakan Charge/discharge atau aktif diferensial, dan AC-Based.
Bayu Sasongko membuat alat pengukur kapasitansi orde femto farad khusus untuk
sensor ECVT. Alat tersebut diperlukan untuk menguji nilai kapasitansi dari sebuah
sensor. Tetapi alat yang dibuat masih berbasis aktif diferensial[4].

4
Penelitian yang dilakukan adalah perancangan alat pengukur kapasitansi orde femto
farad berbasis phase-sensitive demodulation (PSD). Alat ini sangat penting untuk
dirancang. Alasannya adalah karena ECVT yang ada masih menggunakan ACBased, jika alat ini berhasil maka pengembangan ECVT dapat segera
dikembangkan menggunakan PSD.

B. Tujuan

Penelitian ini memiliki tujuan sebagai berikut:
1. Simulasi rangkaian pengukur kapasitansi berbasis phase-sensitive
demodulation (PSD) digunakan untuk mendapatkan karakteristik sistem
berupa: daerah kerja; garis kelinieran; resolusi; Mean Absolute Error
(MAE) dan kondisi termal.
2. Pengukuran nilai kapasitansi yang didapatkan dari eksperimen sebanding
dengan pengukuran nilai kapasitansi hasil simulasi.
3. Alat pengukur kapasitansi yang dirancang mampu mengukur nilai
kapasitansi sensor ECVT dengan nilai konstanta dielektrik yang berbedabeda.

C. Manfaat

Manfaat alat pengukur kapasitansi menggunakan rangkaian PSD tidak hanya
mampu mengukur nilai kapasitansi sensor ECVT tetapi dapat menjadi awalan
yang baru untuk pengembangan Sistem Akuisisi Data ECVT yang telah ada.

5
D. Batasan Masalah

Penelitian ini memiliki beberapa batasan sebagai berikut:
1. Karakteristik sistem hanya berfokus pada: daerah kerja pengukuran
kapasitansi; kelinieran; resolusi; Mean Absolute Error (MAE) dan
kondisi termal.
2. Perbandingan nilai kapasitansi eksperimen dan simulasi sebatas 1pF
sampai 15pF dengan kenaikan 1pF.
3. Dielektrik yang digunakan adalah udara, air, dan limbah minyak kelapa
sawit.

E. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan laporan kerja praktik yang digunakan adalah sebagai
berikut:
I. PENDAHULUAN
Membahas tentang latar belakang, tujuan, manfaat, batasan masalah,
metode penulisan dan sistematika penulisan.
II. TINJAUAN PUSTAKA
Membahas tentang kapasitansi dan dielektrik, Pengenalan Electrical
Capacitance Volume Tomography (ECVT), perkembangan rangkaian
pengukur kapasitansi charge/discharge, AC-Based, kekurangan dan
kelebihan masing-masing prinsip pengukuran, prinsip pengukuran
menggunakan phase-sensitive demodulation (PSD).

6
III. METODOLOGI PENELITIAN
Menjelaskan tahapan penelitian, seperti waktu dan tempat, alat dan bahan,
simulasi alat, perancangan alat dan pengujian alat.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Memaparkan hasil simulasi, data simulasi, analisis karakteristik sistem,
hasil eksperimen, data eksperimen, perbandingan simulasi dan eksperimen
dan hasil pengerjaan alat dengan berbagai dielektrik.
V. KESIMPULAN DAN SARAN
Memaparkan kesimpulan dari hasil pembahasan pada bagian IV yang
sekaligus menjawab dari tujuan penelitian dan berisi saran bagi pembaca
laporan ini.

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Dielektrik dan Kapasitansi

1. Dielektrik
Dielektrik dalam medan listrik dapat diumpamakan sebagai susunan dua kutub
mikroskopik dalam ruang hampa yang terdiri atas muatan positif dan muatan
negatif yang pusatnya tidak berhimpit[1].

Muatan tersebut bukanlah matan bebas seperti konduktor, dan juga tidak
memberi pengaruh dalam pada proses konduksi. Muatan tersebut terikat pada
tempatnya oleh gaya atomik dan gaya antar molekul. Karena hal tersebut
muatan hanya dapat bergeser sedikit saja jika ada medan eksternal. Inilah yang
membedakan dielektrik dan konduktor[1].

Semua bahan dielektrik, baik yang berupa padat, cairan, atau gas. Meskipun
bentuknya kristal atau bukan. Semua bahan dielektrik memiliki karakteristik
menyimpan energi listrik. Penyimpanan ini terjadi karena pergeseran relatif
kedudukan muatan positif dan muatan negatif yang ada di dalam dielektrik
yang disebabkan gaya atomik dan gaya tarik antar molekul karena medan
eksternal.

8
Dielektrik ini memiliki nilai permitivitas atau konstanta dielektrik.
permitivitas merepresentasikan rapatnya fluks elektrostatik saat sebuah benda
saat dilewati arus listrik. Konstanta dielektrik untuk ruang hampa atau vakum
adalah � ≈ 8,8

�

−

��− . Dan �� merupakan permitivitas relatif atau

konstanta untuk bahan dielektrik. Permitivitas relatif adalah besaran tanpa
dimensi[1].
� = � ��

(1)

2. Kapasitansi

Dua keping konduktor diletakkan diantar dielektrik yang serba sama, maka
medan eksternal yang diberikan kepada kedua konduktor tersebut akan
menyebabkan satu konduktor bermuatan positif dan satunya lagi bermuatan
negatif[1].

Gambar 2.1. Prinsip kerja kapasitor[1].

Muatan akan tersebar pada permukaan dan memiliki nilai kerapatan muatan
permukaan (+q dan –q). Medan listrik (E) yang diberikan akan tegak lurus
terhadap permukaan konduktor tersebut. Untuk memindahkan muatan positif
terhadap muatan negatif memiliki nilai kerja atau beda potensial (V0). Hal
tersebut dijelaskan pada gambar 2.1. Sekarang definisi dari nilai kapasitansi

9
(C) sistem konduktor adalah besar muatan (q) dalam konduktor terhadap beda
potensial antar konduktor (V)[1].

�=

�

(2)

�

Gambar 2.1 merupakan pengembangan sistem kapasitansi menggunakan dua
konduktor yang sederhana yang identik berbentuk bidang datar sejajar berjarak
d. Muatan yang sama pada permukaan konduktor menimbulkan medan yang
sama pula. Jika bidang tersebut memiliki luas S yang dimensi linearnya jauh
lebih besar dari jarak d. Maka akan didapatkan nilai kapasitansi sebagai
berikut[1].

�=

��

(3)

Keterangan:
C : Kapasitansi dalam Farad (F)
A : Luas penampang dalam meter persegi (m2 )

� : Permitivitas statis relatif (konstanta dielektrik) dikalikan permitivitas
vakum. Permitivitas vakum (� ≈ 8,8

d : jarak antar pelat dalam meter (m)

�

−

��− )

Prinsip tersebut memperlihatkan jika sensor ECVT dengan luas penampang
pelat tetap, jarak antar pelat tetap, maka yang akan mempengaruhi besarnya
kapasitansi pada sensor hanyalah permitivitas. Karena perbedaan nilai
dielektrik dari padat, cair dan gas maka ECVT mampu melakukan tomography.

10
B. Pengenalan Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT)

Tomography adalah sebuah teknik untuk menampilkan sebuah representasi
dari sebuah objek di dalam penampang. Kata tomography berasal dari bahasa
Yunani Kuno yaitu Tomos (τόμο ), yang memiliki arti "slice, atau bagian" dan
Grapho (γ άφω), yang memiliki arti "menulis" (Oxford, 1930).
Prinsip dasar dari tomography adalah dengan memberikan gelombang atau
energi datang (Incident Wave E(t) ). Terhadap sebuah objek (Density Function
X( ̂ ) ). Saat gelombang atau energi mengenai objek dan terdistribusi secara

merata pada objek ( Field Intensity Distribution F(r)=f(E) ) maka akan terjadi
konvolusi sinyal antara nilai gelombang dan objek, didapatkan gelombang S=
F(r) ⨂ X( ̂ ). Dari gelombang tersebut jika dilakukan inversi atau rekonstruksi

gambar maka akan didapatkan kembali bentuk dari objek X( ̂ ). Penjelasan
lengkapnya diperlihatkan oleh gambar 2.2[5].

Gambar 2.2. Prinsip dasar proses tomography[5].

11
Prinsip dasar tersebut membuat banyak berkembang ilmu tentang tomography
di antaranya: X-Ray, Magnetic Resonance Imaging (MRI), Ultrasonography
(USG), Computed Tomography Scan (CT-Scan), Positron Emission
Tomography Scan (PET-Scan), termasuk Electrical capacitance volume
Tomography (ECVT).

Electrical

capacitance

volume

Tomography

(ECVT)

adalah

teknik

tomography volumetrik (3D realtime) berdasarkan pengukuran kapasitansi
listrik. Sistem ini dikembangkan oleh Dr. Warsito [2]. ECVT telah merevolusi
dan mengganti teknik tomography 2D. ECVT yang sekarang telah
memungkinkan fungsi realtime, dan pencitraan secara 3D dari objek yang
bergerak. Dengan demikian ECVT disebut dengan Realtime Volume Imaging
(4D)[2].

Gambar 2.3. Sistem kerja ECVT[6].

ECVT yang mampu melakukan pencitraan secara akurat 3D dan realtime (4D)
sangat membantu di bidang industri, seperti pada reaktor. Dengan syarat bahan
yang dicitrakan termasuk gas, cairan, padat dan partikel yang memiliki

12
konstanta dialektik yang berbeda. Selain untuk industri ECVT ini sedang
dikembangkan untuk keperluan medis dari tubuh manusia.

Sistem ECVT yang diperlihatkan oleh gambar 2.3 dibagi menjadi tiga bagian
dasar yaitu: Sensor Kapasitansi; Sistem akuisisi data; Rekonstruksi gambar dan
kontrol. Sensor kapasitansi yang akan mengelilingi objek berfungsi
menangkap nilai kapasitansi dalam pada objek. DAS yang akan berfungsi
mengolah nilai kapasitansi dari objek dan proses Rekonstruksi akan dilakukan
oleh komputer.

C. Perkembangan Rangkaian Pengukur Kapasitansi Sebelum
Menggunakan Phase-Sensitive Demodulation (PSD)

1. Rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis Charge/discharge
Perkembangan pertama untuk rangkaian pengukur kapasitansi adalah berbasis
charge/discharge seperti yang diperlihatkan gambar 2.5.

Gambar 2.4. Rangkaian Charge/discharge.

Rangkaian pengukur kapasitansi berbasis charge/discharge menggunakan
prinsip amplifier diferensial. Rangkaian tersebut kerja secara sempurna dengan

13
dua fase. Yaitu fase charge dan fase discharge. Pada fase charge, sakelar 1 dan
4 tertutup sedangkan sakelar 2 dan sakelar 3 terbuka. Arus yang masuk dari
sumber tegangan (Vc) melalui kapasitansi yang akan di ukur (Cx) ke op-amp
1 dengan resistor umpan balik (Rf). Tegangan yang didapatkan pada fase
charge adalah sebagai berikut[7].
� = − �� �� �� +

(4)

Berlaku hal yang sama untuk fase discharge. Sakelar 2 dan 3 tertutup
sedangkan sakelar 1 dan 4 terbuka. Charge yang tersimpan pada kapasitansi
pengukuran (Cx) akan menjadi fase discharge. Bagian kiri dari Cx discharge
ke ground dan bagian kanan akan mengambil arus dari op-amp 2. Op-amp 2
akan mengubah arus menjadi tegangan DC[7].
� = �� �� �� +

(5)

Di mana V1 dan V2 adalah keluaran op-amp 1 dan dua. f adalah frekuensi
sakelar yang digunakan, Cx adalah kapasitansi terpasang. Rf adalah resistor
referensi.

dan

adalah ofset dari op-amp 1 dan op-amp 2.

Catatan, kapasitor pelembut (C) ditempatkan di setiap masukan sinyal pada opamp menuju ground dan sebagai pencegah terjadinya loncatan tegangan
berlebih pada op-amp[7].

Amplifier diferensial pada tahap selanjutnya (op-amp 3) dengan penguatan K
yang digunakan untuk menjumlahkan kedua keluaran sinyal op-amp 1 dan op-

14
amp 2. Hasil penjumlahannya akan menghasilkan sinyal pengukuran berupa
DC yang akan merepresentasikan kapasitansi pengukuran (Cx)[1].
� = � � − � = � �� �� �� + �

−

(6)

Catatan, jika karakteristik op-amp 1 dan op-amp 2 sama, maka nilai

dan

akan salon meniadakan satu sama lain. Ini akan menjadi penyelesaian dari
masalah yang dialami[7].

2. Rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis AC (AC-Based)

Gambar 2.5. Rangkaian Berbasis AC (AC-Based).

Perkembangan rangkaian pengukur kapasitansi kedua adalah rangkaian
pengukur kapasitansi berbasis AC atau AC-Based[7] dalam referensi lain
disebut rangkaian CV-Converter[6]. Rangkaian ini menggunakan satu op-amp
dengan dua umpan balik yaitu umpan balik resistor (Rf) dan kapasitor (Cf).
Seperti yang diperlihatkan gambar 2.5.

Sumber tegangan sinus (� ) digunakan sebagai sumber eksitasi yang diterapkan
pada pengukuran kapasitansi Cx. Hal ini akan menyebabkan arus AC masuk.
Op-amp dengan umpan balik kapasitansi dan resistansi

(Cf, Rf) akan

mengubah masukan AC ini menjadi tegangan AC (sebagai catatan umpan balik

15
resistansi diperlukan untuk menjaga keluaran dari op-amp tidak mengalami
saturasi). Sehingga akan berlaku persamaan

�� = − (

��� ��

��� �� +

)�

(7)

ω adalah frekuensi angular dari sumber gelombang sinus.
Jika nilai Rf dibuat sedemikian besar sehingga | ��� �� | ≫

(sebagai contoh

� = 2�500x103; Cf = 100 pF; dan Rf = 1 M٠maka | ��� �� | =

maka persamaan 15 akan menjadi sederhana[7].

�� = −

��

��

, ≫

�

)

(8)

Sehubungan dengan hal tersebut rangkaian pengukur kapasitansi berbasis AC
ini akan menghasilkan sinyal AC yang sebanding dengan nilai kapasitansi yang
diukur Cx[7].

3. Perbandingan Kedua Rangkaian

Kedua rangkaian pengukur kapasitansi yang dijelaskan tersebut memiliki kerja
dasar yang sama. Gambar 2.8 memperlihatkan gambar kedua rangkaian
sederhana menggunakan diagram blok.

Gambar 2.8 memperlihatkan perbedaan utama dari kedua rangkaian adalah dari
posisi

demodulator.

Rangkaian

charge/discharge

demodulator

akan

memproses dan menguatkan semua sinyal yang melewatinya. Sedangkan pada
rangkaian AC-Based sinyal dari kapasitansi pengukuran hanya dikuatkan,

16
selanjutnya baru dilakukan demodulasi. Perbandingan kedua sirkuit dijelaskan
pada tabel 2.

(a)

(b)
Gambar 2.6. Diagram Blok Perbandingan Kedua Rangkaian Pengukur
Kapasitansi. (a) Rangkaian Charege/discharge. (b) Rangkaian AC/Based[7]

Tabel 2. Kelebihan dan Kekurangan dari Kedua Rangkaian Pengukur
Kapasitansi[7]
Rangkaian
Charge/discharge

Karakteristik
1. Kebal terhadap
kapasitansi liar.
2. Resolusi 0,3 fF.
3. Charge/discharge
frekuensi hingga 2,5
MHz.

AC-Based (CV- 1. Kebal terhadap
COnverter)
kapasitansi liar.
2. Resolusi 0,04 fF.
3. Dapat mengukur
impedansi
(kapasitansi dan/atau
resistansi)
4. Frekuensi eksitasi
hingga 1 MHz.

Kelebihan
Simpel dan murah

1. Sedikit masalah
penyimpangan
(drift problem).
Karena
menggunakan AC
Amplifier.
2. Memiliki signal-tonoise ratio (SNR)
yang tinggi

Kekurangan
1. Adanya Charge
injeksi dari sakelar
CMOS.
2. DC amplifier akan
mengalami
masalah
penyimpangan
(drift problem)
3. Terpengaruh
induktansi yang
hilang
1. Kompleks dan
mahal. Terutama
jika frekuensi yang
digunakan tinggi.
2. Penggunaan yang
lama Peak detektor
akan mengalami
eror yang semakin
tinggi

17
D. Rangkaian Pengukur Kapasitansi Berbasis Phase-Sensitive Demodulation
(PSD)

ECVT yang sedang dikembangkan sekarang akan menggunakan rangkaian
dasar pengukur kapasitansi berbasis phase-sensitive demodulation (PSD)
dengan menggunakan prinsip sinusoidal excitation dan phase-sensitive
demodulation (PSD). Rangkaian PSD ini disebut juga dengan rangkaian New
AC-Based. Rangkaian AC-Based adalah karena rangkaian AC-Based tidak
mengalami problem charge injeksi. Dan sistem PSD dapat melakukan
pengukuran kapasitansi tidak terkait dengan pengukuran resistansi. itu adalah
salah satu alasan menggunakan PSD.

Gambar 2.7. Rangkaian pengukur kapasitansi berbasis phase-sensitive
demodulation (PSD)

Rangkaian pengukur kapasitansi berbasis PSD ini selain menggunakan sumber
eksitasi gelombang sinus (DDS) akan ada empat tahapan pengondisi sinyal dan
satu tahapan perbaikan phase dengan phase shifter. Tahapan pertama adalah
CV-Converter (AC-Based). Tahapan kedua dilanjutkan inverting amplifier.
Tahapan ketiga adalah phase shifter untuk perbaikan phase sebelum dilakukan
PSD. Tahap keempat adalah sebuah analog multiplier digunakan untuk

18
dilakukan phase-sensitive demodulatoion (PSD). Terakhir sebuah low-pass
filter (LPF).

1.

Direct Digital Synthesis (DDS)

Gambar 2.7 memperlihatkan rangkaian pengukur kapasitansi berbasis
phase-sensitive demodulation (PSD). Rangkaian ini menggunakan sumber
gelombang sinus yang dihasilkan Direct Digital Synthesis (DDS).

Direct Digital Synthesis (DDS) adalah metode untuk menghasilkan
gelombang analog (biasanya gelombang sinus) dengan cara melakukan
sintesis gelombang terhadap waktu dalam ranah digital dan melakukan
kombinasi yang baik dengan komunikasi digital to analog (DAC).
Perangkat DDS beroperasi secara digital, jadi DDS mampu melakukan
pergantian frekuensi dengan cepat, resolusi dari frekuensi pun bagus.
Teknologi

DDS

sekarang sudah

semakin

kompleks

dan

hanya

membutuhkan daya yang kecil[10].

Keuntungan menggunakan DDS adalah kemampuan Serial peripheralinterface (SPI) yang memungkinkan melakukan pemrograman dengan
kecepatan tinggi, dan hanya memerlukan clock generator eksternal untuk
menghasilkan gelombang sinus. Perangkat DDS yang ada sekarang telah
mampu menghasilkan frekuensi kurang dari 1Hz hingga 400MHz (dengan
clock generator eksternal 1GHz). Keuntungan lainnya adalah daya yang
kecil, murah, dan memiliki ukuran simpel. Dikombinasikan dengan
performa luar biasa dan kemampuan diprogram secara digital (dan mampu

19
diprogram ulang). Alasan-alasan tersebutlah DDS menjadi solusi
dibandingkan dengan osilator biasa.

Gambar 2.8. Komponen dalam DDS[11]

Gambar 2.8 merupakan breakdow