Modul VII INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA SIFAT DAN BESARAN Modul VII IX INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA PENGGUNAAN OP- AMP UNTUK PENGUAT INSTRUMENTASI DAN PENGUAT LOG DAN ModulX

MODUL I SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA

Tujuan

: Menjelaskan bagian-bagian dari Sistem Instrumentasi Elektronika

Pokok-pokok Bahasan

1. Definisi Sistem Instrumentasi Elektronika

2. Bagian dari Sistem Instrumentasi Elektronika

3. Contoh Sistem Instrumentasi Elektronika

4. Definisi-definisi dalam Sistem Instrumentasi Elektronika

Daftar Pustaka

1. Rangan Sarma : Instrumentasi Devices And Sistem

2. W. Bolton

: Mechatronic

3. William D.Cooper : Electronic Instrumentasi And Measurement Technique

I. Bagian – bagian Sistem Instrumentasi Elektronika dan beberapa definisi dalam instrumentasi Mempelajari pengukuran besaran-besaran fisis dengan bantuan peralatan elektronik. Secara umum Sistem Instrumentasi Elektronik terdiri dari tiga bagian seperti terlihat pada gambar 1.1

Quantity Value

Sensor

Signal

Of Measured

Being

Conditioner

The Quantity

ay

Gambar 1.1 Sistem Instrumentasi

1. Sensor which respond to the quantity being measured by giving as its output a signal which is related to the quantity

Definisi lain :

Sensor / Tranduser adalah suatu alat yang dapat mengubah suatu besaran fisis menjadi besaran fisis yang lain. Untuk keperluan Sistem Instrumentasi Elektronik, tranduser yang digunakan yang mempunyai output besaran listrik. Contoh : Kuantitas yang ingin kita ukur adalah temperatur, supaya temperatur dapat dibaca secara elektronik maka digunakan sensor termo kopel (Thermocouple).

Temperatur

Thermo

EMF

Couple

(Beda Potensial Listrik)

Gambar 1.2

Beda potensial listrik yang dihasilkan sebanding dengan tinggi rendahnya temperature.

2. A Signal Conditioner Which takes the signal from sensor and convert it into a condition which is suitable for either display.

Ex : Keluaran dari sensor termokopel adalah tegangan yang masih lemah, maka pada “ signal Conditioner ” (pengkondisian) sinyal ini diperkuat dalam hal ini alat pengkondisian sinyal adalah Penguat Instrumentasi (Ampli), lebih lengkap lagi sinyal yang telah diperkuat tadi tumbuh menjadi data digital (ADC) kemudian dicacah secara digital untuk selanjutnya masuk ke bagian display.

3. A Display Sistem

A Display system where the output from signal conditioner is displayed. Contoh-contoh display

1. Printer

2. Layar Monitor

3. Jarum

4. Seven Segment

5. LCD Contoh : Sistem Instrumentasi Elektronik

Pemancar

Ultra Sonic

Display

Penerima

AT 89C51

Ultra Sonic

Object

Pemeroses

Gambar 1.3 Pengukuran jarak dengan media ultra sonic dan pengolah signal mikro kontroler

“ Konfigurasi Sistem Pengukuran “

Dapat dijelaskan seperti pada gambar dibawah ini :

Digital Printer

Input

Tranduser Digital Display

Analog Panel Meter

Power Supply

To Control System

Grafic Recorder Osiloscope

Magnetic Tape

Recorder

Gambar 1.4 Konfigurasi Sistem Pengukuran

a. The Tranduser Which Convert the measured into a useable electrical output.

b. The Signal Conditioner

Which Convert the tranduser output into an electrical quantity suitable for control recording and display.

c. The Display or red out devices which display the required information about the measurend, generally in engineering units.

Beberapa definisi dalam Pengukuran Instrument

: Sebuah alat untuk menentukan nilai atau kebesaran suatu

kuantitas atau variable

Ketelitian (Accuracy) Harga terdekat dengan mana suatu pembacaan instrument mendekati harga sebenarnya dari variable yang diukur.

Ketepatan (Precision) Suatu ukuran kemampuan untuk mendapatkan hasil pengukuran

yang serupa dengan memberikan suatu harga tertentu bagi

sebuah variable

Ketepatan (presisi) merupakan suatu ukuran tingkatan yang menunjukan perbedaan hasil pengukuran pada pengukuran – pengukuran yang telah dilakukan secara berurutan Sensitivitas (sensitivity)

Perbandingan antara sinyal keluaran atau respon instrument terhadap perubahan masukan atau variable yang diukur.

Resolusi (Resolution) Perubahan terkecil masukan yang dapat direspon oleh instrument Kesalahan (Error)

Penyimpangan Variable yang diukur dari nilai sebenarnya

SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA KARAKTERISTIK STATIS & DYNAMIS

Tujuan

: Mempelajari karakteristik statis dan dynamis alat ukur

Pokok-pokok Bahasan

1. Karakteristik statis

2. Karakteristik Dynamis

3. Sistem Orde nol

4. Sistem Orde satu dengan masukkan step dan ramp

Daftar Pustaka

1. Instrumentation Devices : Rangan, SARMA, and System.

2. Electronic Instrumentation And measurement Tekhniques

: William. D. Coopera

3. Techniques of Instrumentation

: A. C. Srivastava

4. Mechatronics

: w. Bolton

2.1. Pendahuluan

Karakteristik kerja instrumentasi secara garis besarnya terbagi dalam dua kelompok besar adalah : Karakteristik Statis yang dipresentasikan oleh tingkat presisi dan akurasi. Sifat akurasi ditentukan oleh sensitivitas, range (jangkauan), non linieritas, hysteresis. Karakteristik dynamis : Karakteristik ini di definisikan oleh time constant, damping coefisien dan frekuensi natural.

2.2. Karakteristik Statis

Karakteristik Statis adalah suatu alat ukur (instrumentasi) adalah karakteristik apabila alat ukur digunakan untuk mengukur suatu kondisi yang tidak berubah karena waktu atau hanya berubah secara lambat.

2.3. Karakteristik Dynamis

Karakteristik Dynamis suatu alat ukur adalah fungsi waktu. Hubungan masukkan keluaran dinyatakan dalam bentuk persamaan diferensial karakteristik utama adalah kecepatan dalam tanggapan kecermatan kecepatan tanggapan (respon adalah Karakteristik Dynamis suatu alat ukur adalah fungsi waktu. Hubungan masukkan keluaran dinyatakan dalam bentuk persamaan diferensial karakteristik utama adalah kecepatan dalam tanggapan kecermatan kecepatan tanggapan (respon adalah

de o

a n n  a n  1 n  1  ... a 1  a o e o

dt

dt

dt

m  d 1 d de

i = bm

m e i  b m  1 m  1 e i  ... b 1  b o e i

dt

dt

dt

Dimana e o = Keluaran

e i = Masukkan

a dan b adalah tetapan-tetapan yang berkaitan dengan kombinasi parameter- parameter fisik system. Persamaan matematis diatas dapat diselesaikan menggunakan operator D atau transformasi Laplace. Marilah kita definisikan operator diferensial sebagai berikut.

d D

dt Persamaan umum menjadi :

Dengan mengunakan metoda operator D penyelesaian e o secara lengkap diperoleh dua bagian.

e o  e OCF  e opi

e OCF  bagian penyelesaian fungsi pelengkap

e opi  bagian penyelesaian integral tertentu Penyelesaian e OCF mempunyai n tetapan sembarang, opi e tidak memiliki tetapan, tetapan sembarang ini dapat dievaluasi secara numerik dengan menentukan kondisi

awal pada persamaan umum. Penyelesaian e OEF diperoleh dengan menghitung n akar persamaan al-jabar karakteristik.

o Dn  a n  1 D  ... a 1 D  a o  0

Bila akar r 1 ,r 2, r 3 ….Rn telah diperoleh maka penyelesaian pelengkap dapat ditulis sesuai aturan jawaban persamaan diferensial . Bagian penyelesaian integral tertentu dapat dikerjakan menggunakan metoda kooefisien tak ditetapkan sehingga diperoleh penyelesaiannya.

e opi  Af ( t )  Bf (' t )  Cf " ( t )  ......

Gambar 2.1 Hubungan Input-Output

bmD  b m  1 D  ... b 1 D  b o

a n D  a n  1 D  ... a 1 D  a o

Pernyataan diatas menunjukkan perbandingan keluaran dan masukkan dinyatakan dengan fungsi transfer. Fungsi transfer sangat berguna dalam menggambarkan karakteristik dinamis sistem dengan symbol yaitu menggunakan diagram blok misalkan suatu system terdiri dari 4

subsatuan yang mempunyai transfer K 1, K 2, K 3, dan K 4 . seluruh fungsi transfer dari sistem adalah :

e o  K 5 e i Gambar 2.2

Fungsi Transfer Keseluruhan Fungsi Transfer Keseluruhan

b m S  b m  1 S  ... b 1 S  b o

a n S  a n  1 S  ... a i S  a o

fungsi transfer menggunakan sinusioda dengan frekuensi anguler () menggunakan j e 

b m ( j  )  b m  1 ( j  )  ... b i ( j  )  b o

e i a n ( j  )  a n  1 ( j  )  ... a i ( j  )  a o

Instrumen Orde Nol

Semua instrument yang menghasilkan konstanta a dan b sama dengan nol kecuali a o dan b o sehingga persamaan umum karakteristik sebagai berikut:

e b o o

b o e o e i

b  dimana o K  kepekaan statis

a o e o Ke i alat ukur (instrumen urutan nol orde nol jika masukan berubah terhadap waktu maka

keluaran mengikuti secara sempurna tanpa penyimpangan atau kesenjangan waktu. Instrumen orde nol memperlihatkan penampilan dinamis yang ideal.

R1

Gambar 2.3

Potensio meter menggambarkan sistem orde nol R 2 Resistansi

Persamaan potensio meter diatas mempunyai hubungan output – input sebagai e R o

berikut

e KE

Instrumen orde pertama

Model matematik dari model pertama

de o

a i  a o e o  b o e i dt

persamaan diatas dapat disederhanakan manjadi

a i de o

a o misal

a o dt

a i  T = Tetapan waktu

b o  K = Tetapan statis

menggunakan operator D ( TDe o  e o )  Ke i

( TD  1 ) e o  Ke i

e Tanggapan tangga (Step Response) untuk system orde pertama i

Td  1

Gambar 2.4

t=0

Fungsi tangga

e 1 = 0 untuk t = 0 e 1 = 0 untuk t = 0

E ( s ) (T s + 1)Eo(s) = K s

E o (s) = . E ( s ) s ( T s  1 )

 K KT 

E o (s) =    E(s)  s T s  1 

 =  KE(s)

 T  Transormasi inverse Laplace menghasilkan

e o ... -t / T  (1–e )

Ke i dapat digambarkan proses system orde pertama terhadap masukkan fungsi step

adalah sebagai berikut:

Xo Amplitudo

Step Input

Output

ke 1

0,632 Kx Gambar 2.5

Response System orde pertama jika diberi masukkan step t

Respon system orde terhadap masukkan Ramp Masukkan ramp mempunyai persamaan :

e i  mt → E i ( s )  L mt m e i  mt → E i ( s )  L mt m

 1 T T  = Km  2 

ss

e -t/T o (t) = Km (t – T + T e ) untuk t  0 Error ( kesalahan ) dynamic antara input dan output adalah :

 (t) = kmt – x o (t) = Kmt – Km (t – T +T e -t/T )

=Km (1 – e -t/T ) Untuk t =  maka error yang terjadi adalah

 ss = KmT sehingga dapat digambarkan sebagai berikut

Ramp Input mt outputt

Steady state

Rspons system orde pertama jika diberi masukkan ramp

MODUL IV SISTEM INSTRUMENTASI ORDE 2

Tujuan Instruksional Umum :

Menjelaskan persamaan matematis system orde dua

Tujuan Instruksi Khusus :

a. Dapat memahami response dari system orde 2

b. Dapat memahami system orde 2 dengan input rampt

Buku Rujukan

1. Rangan Sarma : Instrumentasi Devices And Sistem

2. W. Bolton

: Mechatronic

3. William D.Cooper : Electronic Instrumentasi And Measurement Techniques

Sistem orde dua memenuhi persaman matematis sebagai berikut :

de o

dt dt dengan menggunakan transformasi laplace akan diperoleh :

2 s e o ( s )  a 1 se o ( s )  a o e o ( s )  b o e i ( s )

semua dibagi dengan a o

Jika dimisalkan

1.  K

2.  n  

2 a o a 2 Dari persamaan 2 dan 3 didapat

a 1  2  n

a o Sehingga s 2

( 2  2  n s  1 ) e o ( s )  Ke i ( s )  n

Ke i ( s ) s

contoh system orde 2 pada system yang mengandung pegas, gesekkan dan percepatan

d 2 x dx

m 2  b  kx  f ( t )

dt dt masukkan berupa fungsi step untuk system orde 2 :

Es

Gambar 4.1

e i ( t ) 0 Untuk t  0

e i ( t )  Es Untuk t  0 Es

L e i (t) = s

Dengan memasukkan ke fungsi transfer system orde 2 dengan masukkan step didapat :

KE s s ( s  2  n s   n ada tiga kemungkinan response dari system orde 2 untuk masukkan berupa step input

tergantung dari harga  antara lain :

a. Untuk   1 (Overdamped) Dengan menggunakan transformasi balik (inverse transformasi laplace) akan didapat

exp(      1 )  n t

KE s

2  exp(      1 ) 

b. Untuk  = 1 ( critically damped) Persamaan menjadi

KE s s ( s  2  n s   n

s ( s   n ) ( s   n ) sehingga

n  A ( s   n )  B . s  Cs ( s   n )

untuk s =   n

Didapat B =   n Didapat B =   n

0 = 2 A (s + n ) + B + C ((s +  n )+ s))………..(**) Untuk

C = -1 Diferensiasi dari **

0 = 2 A + C(2)

A = -C = 1 Sehingga persamaan menjadi

KE s s ( s   n ) ( s   n ) dan

n te  e

KE s

( t )  1  ( 1   n t ) exp(   n t )

KE s

sedang kemungkinan ke tiga adalah   1 (under damped) didapat hasil

e o exp(   n t ) ( t )  1 

2 sin(( 1   n t )   ) KE

dimana  2  inv sin 1 

Respon dari system orde 2 terhadap masukkan step dapat digambarkan sebagai berikut :

STEP INPUT

KE s

System orde 2 dengan input rampt : Input rampt

e i (t) = mt

E i (s) = 2 s

Solusi dari persamaan orde input rampt

a.   1 

2 2   1 2  ( t )   ( Kmt  ) 

2  sinh  n t   1 ) KE 

exp(   n t )(cosh  n t   1 

b.  =1

( t )   ( Kmt 

exp(   n t )( 1 

KE i 

c.   1

2  exp(   n t )

2 sin(  n t 1      KE

( t )   ( Kmt 

dimana

  invtg

Response dari system orde 2 untuk masukkan berbentuk rampt dapat digambarkan sebagai

KE i 1

1,5

Gambar 4.3

MODUL V SISTEM INSTRUMENTASI TRANSDUCER

5.1 Definisi dan pengelompokkan Transducer

Transducer adalah suatu peralatan / alat yang dapat mengubah suatu besaran ke besaran lain. Dilihat dari pengubahan suatu besaran menjadi tegangan atau arus listrik terdapat dua kelompok transducer yakni : Tranducer fasif yakni transducer yang mengubah besaran menjadi tegangan atau arus listrik memerlukan sumber dari luar. Contoh : Mengubah level (tinggi) fluida menjadi tegangan arus listrik menggunkan transducer kapasitor.

Terminal kapasitor

Tinggi cairan

Gambar 5.1 kapasitor yang kesambung tangki

Perubahan medium kapasitor dapat mengakibatkan harga kapasitansi dari kapasitor . Untuk kapasitor tabung berlaku persamaan

2  o KeL

C  R 2 Ln

R 1 dimana

c = kapasitansi (Farad) K e = Konstanta dielektrik medium L = tinggi kapasitor  o = permebilitas listrik udara/ vacuum c = kapasitansi (Farad) K e = Konstanta dielektrik medium L = tinggi kapasitor  o = permebilitas listrik udara/ vacuum

1 Xc   c

 jXc

Ac R

RjXc

C Vc

Gambar 5.2

Dihitung dalam bentuk phasor Contoh lain transformer Pasif Transducer perpindahan menggunakan resistansi terubah

A R  Resistansi (  )

  Panjang (m)

A 2  Luas (m )

  Re sis tan si bahan (  m)

harga resistansi berbanding lurus dengan l sehingga jika panjang resistor perubah maka resistansinya berubah. Denganmemberi sumber dari luar maka akan didapatkan perpindahan berbanding lurus dengan tegangan keluaran.

Rw

E O  . E i Rt

E O  tegangan keluaran

E i  tegangan masukkan Rw  Resistansi antara sapu dan termin al

Rt  Re sis tan si total

2. Transducer jenis pembangkit sendiri (Self generating type)

Adalah transducer yang menghasilkan suatu tegangan atau arus analog bila diransang oleh suatu bentuk fisis enrgi tertentu, transducer pembangkit sendiri tidak memerlukan daya luar. Contoh :

Anoda Katoda

Cahaya

a. Kontruksi

b. Rangkaian uji

Gambar 5.4

Dapat digambarkan karakteristik dari fotolistrik sebagai berikut:

Fluks =0,1 lumen

Arus

anoda

Tegangan

80 v

160 v

anoda

Gambar 5.5

Perhatikan bahwa untuk tegangan diatas 20 volt arus keluaran hampir tidak bergantung pada tegangan yang diberikan tetapi tergantung dari intensitas cahaya yang masuk melalui tabung, arus keluaran biasanya dalam orde mikrometer dengan demikian tabung cahaya dihubungkan ke penguat arus guna menghasilkan suatu keluaran yang bermanfaat, transduser ini dapat mengubah intensitas cahaya menjadi arus listrik. Arus listrik yang terjadi berbanding lurus dengan intensitas cahaya yang masuk. Alat pengubah intensitas cahaya menjadi arus listrik tanpa sumber dari luar . Contoh lain transducer pembangkit energi sendiri :

Tachogenerator

Mengubah kecepatan putar atau kecepatan fluida menjadi ggl induksi (tegangan listrik) Prinsip kerjanya sebagai berikut:

Magnet

permanent

Rotating coil

Gambar 5.6

Menurut prinsip Faraday Jika penghantar mendapat fluks magnet yang tidak konstan akan menghasilkan ggl induksi sebesar

e  N dt

e  ggl induksi N  Jumlah lilitan

 Perubahan fluks magnet ter hadap waktu

dt

  B . d s

dt dt [fluks magnet ] yang dihasilakan dari magnet permanent berharga kostan tetapi karena lilitan diputar pada medan magnet maka lilitan penghantar (kumparan penghantar) akan mendapat fluks yang berubah sesuai dengan posisi penghantar.

 Maximum

Fluks maksimum

Gambar 5.7. (a) Penghantar mendapat fluks maximum (b)gambar penghantar mendapat fluks sama dengan nol.

jika penghantar membentuk sudut  t

mendapat    m sin  t

Gambar 5.8

Dari persamaan di atas t= sudut yang ditempuh oleh penghantar yang berputar dan  adalah kecepatan sudut. Dengan mensubstitusikan ke persamaan Maxwell didapat

e  N (  m sin  t ) dt

e  N   m cos  t dimana merupakan fungsi dari banyaknya putaran permenit sehingga secara

keluruhan hubungan antara tegangan keluaran dengan rotasi permenit mempunyai hubungan :

E  cn 

E  tegangan keluaran

c  konstanta

  fluks magnet n  rotasi permenit

MODUL VI INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA OP-AMP

Tujuan Instruksional Umum

 Agar mahasiswa dapat memahami tentang Op-amp

Tujuan Instruksional Khusus

 Dapat menerangkan tentang sifat-sifat ideal Op-amp  Dapat menerangkan penguat menggunakan Op-amp

Buku Rujukan

 Rangan Sarma : Instrumentasi Devices And Sistem  W. Bolton

: Mechatronic

 William D.Cooper : Electronic Instrumentasi And Measurement Techniques

6.1. Pendahuluan

Penguat operasional atau op-amp (dari kata operational amplifier) adalah penguat diferensial dengan dua masukan dan satu keluaran yang mempunyai penguatan tegangan yang amat tinggi, yaitu dalam orde 10 5 . dengan penguatan yang amat tinggi ini, penguat operasional dengan rangkaian balikan lebih banyak digunakan daripada dalam lingkar terbuka.

Pada masa kini op-amp dibuat dalam bentuk rangkaian terpadu atau IC (Integrated Circuit), dimana dalam satu potong kristal silicon dengan luas kurang dari

1 mm 2 terkadang rangkaian penguat lengkap terdiri dari banyak transistor, dioda, resistor, dan kadang-kadang kapasitor. Kini kita dapat membeli suatu IC yang dalam

satu potongan kristal mengandung empat buah op-amp sekaligus. Pemakaian op-amp amatlah luas meliputi bidang elektronika audio, pengatur tegangan dc, tapis aktif, penyearah presisi, pengubah analog ke digital dan pengubah digital ke analog, pengolah isyarat seperti cupliktahan , penguat pengunci, pengintegral, kendali otomatik, computer analog, elektronik nuklir, dan lain-lain.

6.2. Sifat-sifat ideal op-amp

Op-amp biasanya dilakukan dengan gambar 6.1

Gambar 6.1

Tampak ada dua masukan, yaitu masukan pembalik (inv) dan masukan tak membalik (non inv). Masukan diberi tanda minus dan masukan tidak membalik diberi tanda (+). Jika isyarat masukan dihubungkan dengan masukan membalik, maka pada daersh frekuensi tangah isyarat keluaran berlawanan fasa atau berlawanan tanda dengan isyarat masukan. Sebaliknya jika isyarat masukan dihubungkan dengan masukan tak membalik maka isyarat keluaran sefasa atau mempunyai tanda yang sama dengan isyarat masukan.

Pada umumnya op-amp menghasilkan tegangan keluaran yang sebanding dengan beda tegangan isyarat antara kedua masukannya. Op-amp semacam ini dikenal sebagai op-amp biasa.

Disamping op-amp biasa ada pula op-amp yang menghasilkan tegangan isyarat keluaran yang sebanding dengan beda arus masukan. Op-amp semacam ini dikenal sebagai op-amp Norton. Satu contoh op-amp Norton adalah IC LM 3900 buatan National semikonduktor. Satu macam ini adalah op-amp yang menghasilkan arus keluaran yang sebanding dengan beda tegangan isyarat antara kedua masukannya. Op-amp semacam ini disebut penguat transkonduktansi operational (Operational Transconcuctance Amplifier-OTA). Satu contoh OTA adalah IC 3080 buatan RCA. Pada bahasan ini hanya sebatas op-amp biasa.

Beberapa ideal sifat op-amp adalah:

a. Penguat lingkar terbuka tak berhingga atau Av,ib =

b. Hambatan keluaran lingkar terbuka adalah nol, atau Ro, ib = 0

c. Hambatan masukan lingkar terbuka tak berhingga atau Ri,ib = 

d. Lebar pita tak berhingga, atau f = f 2 –f 1 =

e. Nisbah penolakan bersama (CMMR) =  Marilah kita tinjau op-amp yang popular digunakan yang dikenal dengan IC 741. pada mula IC 741 dibuat oleh Fairchild Semiconductor dan bernama A 741. Akan e. Nisbah penolakan bersama (CMMR) =  Marilah kita tinjau op-amp yang popular digunakan yang dikenal dengan IC 741. pada mula IC 741 dibuat oleh Fairchild Semiconductor dan bernama A 741. Akan

6.3. Penguat Menggunakan Op-amp Jika kita menggunakan op-amp untuk penguat dengan penguatan yang tidak terlalu besar, kita harus memasang balikan negative. Ini dilakukan dengan memasang resistor antara keluaran dengan masukan membalik. Oleh karena penguatan tanpa balikan (lingkar terbuka) amat besar maka penguatan lingkar tertutup (dengan balikan) boleh dikata hanya bergantung pada rangkaian balikan saja, dan tak bergantung pada nilai komponen yang digunakan dalam op-amp IC itu sendiri. Ini tak berlaku pada frekuensi tinggi. Ada tiga macam penguatan yaitu penguat pembalik, penguat tak membalik dan penguat jumlah. Penguat pembalik Penguat pembalik sumber isyarat dihubungkan dengan masukan membalik seperti pada gambar 6.2

Gambar 6.2 Penguat pembalik

Kita membahas penguatan lingkar tertutup (A v,lb ) dengan pengertian balikan. Akan tetapi disini akan ditempuh jalan lain lebih praktis pada gambar 6.3 pastikan bahwa

Gambar 6.3 Arus isyarat pada penguat pembalik Gambar 6.3 Arus isyarat pada penguat pembalik

C o =A v,it v i Tegangan puncak-puncak isyarat keluaran tak melebihi 2 Vcc, sebab bila ini terjadi

isyarat keluaran akan tergunting, akibatnya V ab 

 0 , elah karena itu penguatan

A v , lb

lingkar terbuka tampak V ab  0 atau v a v b , akan tetapi antara a dan b ada hambatan masukan R i yang amat besar, dalam keadaan ini dikatakan titik a dan b keadaan hubungan singkat maya Selanjutnya oleh karena titik b dihubungkan dengan tanah, titik a dikatakan berada pada tanah maya. Adanya hambatan masukan R i yang amat besar antara masukan membalik dan tak membalik mengakibatkan arus yang mengalir kedalam masukan membalik dan tak membalik amatilah kecil. Arus isyarat pada penguat membalik ditunjukkan pad gambar 6.4

Gambar 6.4 Menentukan hambatan masukan penguat pembalik

Perhatikan bahwa titik a ada pada tanah maya, sehingga V a = 0. Nyatakanlah v

v i –v a =i i

R i i akan tetapi V a = 0, sehingga v i =i i R 1 dan R in   R 1 , Hambatan

i i keluaran amatlah kecil yaitu  A v , lt 

R o , lt  ( R o , lb )     A v , lb  

oleh karena titik a dan b ada dalam keadaan hubung singkat maya dan b pada tanah, maka titik a ada pada tanah maya. Tegangan isyarat pada titik a mendekati nol, akan tetapi titik terpisah dari tanah oleh hambatan masukan R id yang amat besar. Oleh karena adanya hambatan dalam antara masukan membalik dan membalik amat besar maka

i 2  0 sehingga i 1  i 3 .

kedua hal ini yaitu kedua masukan op-amp ada dalam hubung singkat maya dan bahwa arus isyarat yang masuk dalam op-amp amat kecil sehingga dapat diabaikan, merupakan dasar berfikir terhadap cara kerja op-amp. Marilah kita kembali kepada penguat pembalik dari gambar 6.3 kita peroleh :

v c  v o dari hubungan diatas kita peroleh v i =i i R i dan v o =-i 3 R 2 =i 1 R 2 sehingga :

A v , lt     v i

contoh 6.1 misalkan kita mempunyai rangkaian penguat pembalik seperti pada gambar 6.5

Gambar 6.5 Rangkaian untuk contoh soal

Hitunglah tegangan isyarat keluaran jika dihubungkan dengan sumber isyarat tegangan keluaran terbuka 100 m Vpp dan hambatan keluaran 5 K Jawab :

v o  R 2  120 K 

v i R 1 10 K atau

v o = - 12 v i

R in , lt

akan tetapi v i 

R s  R in , lt

 v s   8 v s   800 mVpp

 10 K  5 K   10 K  5 K 

penguat tak membalik

Gambar 6.6 Penguatan tak membalik

Op-amp dapat dipasang untuk membentuk penguat tak membalik seperti pada gambar. Perhatikan bahwa pada penguat tak membalik isyarat dihubungkan dengan masukan

tak membalik (+) pada Op-amp. Balikan melalui R 2 dan R 1 tetap dipasang pada masukan membalik agar membentuk balikan negative. Penguat tak membalik dilukiskan seperti gambar 6.6 dibawah ini

Gambar 6.7

Marilah kita tinjau lingkar tertutup penguat tak membalik dengan anggapan bahwa lingkar terbuka A v,lb = . Perhatikan gambar oleh karena masukan membalik dan tak

membalik berada pada keadaan hubung singkat maya maka V b =V i .

Akan tetapi V b 

Nyatakanlah penguatan lingkar tertutup untuk penguat tak membalik adalah  R 2 

A v , lt   1    R 1 

Hambatan masukan penguat tak membalik amat tinggi karena isyarat masukan berhubungan langsung dengan masukan tak membalik secara teori

R i , lt  R i , dif   R i , lb  

 A  v , lb

 A v , lt  

yang mempunyai nilai amat besar (6.4) Hambatan keluaran R o mempunyai nilai amat rendah. Kita dapat membuat suatu bentuk khusus penguat tak membalik dengan membuat agar

R 1 =  dan R 2 = 0 lihat gambar 6.8

Gambar 6.8 Penguat tegangan

Oleh karena kedua masukan ada dalam keadaan hubung singkat maya maka v o =v i atau penguatan lingkar tertutup sama dengan satu. Penguatan dalam bentuk ini disebut pengikut tegangan, mengikuti nama pengikut emitor pada penguat transistor diskret. Pengikut tegangan mempunyai penguatan sama dengan satu, impedansi masukan amat tinggi, dan keluaran amat kecil. Jadi pengikut tegangan berfungsi sebagai penyangga dengan penguatan sama dengan astu. Penguat jumlah Agar pengertian tanah maya menjadi lebih jelas lagi, kita bahas penguat jumlah dengan rangkaian seperti pada gambar 6.9. oleh karena masukan membalik (-) ada dalam keadaan hubung singkat maya dengan tak membalik (+), sedang masukan tak membalik berhubungan dengan tanah, maka membalik berada pada tanah maya.

Gambar 6.9 Rangkaian penguat jumlah

Dari gambar 6.9 terlihat arus i 1 dari masukan v 1 terus menuju titik a dan tak akan masuk R 2 dan R 3 . Begitu juga halnya dengan arus i 2 dan v 2 , dan arus I 3 dari masukan v 3 . Jadi arus dari ketiga masukan ini tak saling mengganggu. Jumlah ketiga arus masukan ini seolah-olah diteruskan ke R 4 oleh karena i a  0 sehingga

v a –v o =iR 4 =(i 1 +i 2 +i 3 )R 4

Oleh karena v a = 0 tanah maya maka

v o = -i R 4 =-(i 1 +i 2 +i 3 )R 4

R 3 R 3 Persamaan diatas menjadi

v o     

 R 1 R R  2 3 

 R 4 R 4 R 4  v o    v 1  v 2  v 3   R 1 R 2 R 3 

Penguat jumlah ini sering digunakan untuk menjumlahkan atau mencampur berapa isyarat suara tanpa saling mengganggu. Alat semacam ini dikenal sebagai audio yang digunakan untuk mencampur isyarat musik dari instrument dan suara penyanyi melalui mikropon.

MODUL VI INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA SIFAT DAN BESARAN OP-AMP

Tujuan intruksional umum

Agar mahasiswa dapat memahami sifa tdan besaran Op-amp

Tinjauan Instruksional khusus

1. Dapat menerangkan tentang ofset tegangan keluaran

2. Dapat menerangkan tentang tanggapan amplitude

3. Dapat menerangkan impedansi keluaran dan masukan

Buku Rujukan :

a. Rangan Sarma Instrumentation Devices and Sistem

b. W. Bolton

Mechatronic

c. William D. Cooper Electronic Instrumentation and Measurement Technique

Beberapa sifat dan besaran dasar op-amp

dalam pembahasan ini kita akan membahas beberapa sifat lain dari op-amp misalnya arus panjar masukan, offset masukan dan keluaran, laju belok dan tanggapan frekuensi.

7.1 Ofset tegangan keluaran

Offset pada tegangan keluaran atau disingkat offset keluaran (V o,of ), menyatakan tegangan dc pada keluaran op-amp jika op-amp dalam keadaan lingkar tertutup tidak diberi isyarat masukan (v i = 0 ) Suatu op-amp yang ideal ialah apabila tidak ada isyarat masukan maka tegangan dc pada keluaran sama dengan nol, jika op-amp

bekerja dengan catu daya dwikutub(+V cc dan –V cc ), jika tanpa isyarat masukan tegangan dc pada keluaran tak sama dengan nol dikatakan op-amp mempunyai ofset pada tegangan keluaran. adanya ofset membatasi kemampuan penguat untuk menghasilkan isyarat keluaran yang besar tanpa cacat. Agar lebih jelas perhatikan gambar 7.1

V o  V oo  V os

Gambar 7.1 Penguat tak membalik dengan catu daya simetrik

Bila tidak ada ofset pada tegangan keluaran kita akan mampu memperoleh isyarat keluaran dengan nilai puncak mendekati Vcc seperti dilukiskan pada gambar 7.2 a

Gambar 7.2 Pengaruh ofset pada isyarat keluaran (a) tanpa ofset Voo; (b) dengan ofset Voo.

Jika ada ofset, isyarat keluaran akan menumpang di atas tegangan ofset sehingga

V opmaks  V cc  V o , of Penyebab terjadinya ofset pada tegangan keluaran ada bermacam-macam. Di antaranya ialah karena kedua bagian penguat difrensial pada

masukan tidak tepat sama. Sehubungan dengan ini orang mendefenisikan ofset tegangan masukan V i,of sebagai tegangan maksimum yang diperlukan pada op-amp dengan rangkaian terbuka agar tak ada ofset pada tegangan keluaran. Sebab lain adalah arus panjar masukan pada basis kedua transistor penguat difrensial dalam melihat hambatan yang berbeda pada masukan membalik dan tak membalik seperti pada gambar 7.3 a.

i b 2 v o R 3 R 1 // R 2

Gambar 7.3 Pengaruh arus masukan Gambar 7.3 Pengaruh arus masukan

I io   I B 1  I B 2  . Ofset arus panjar ini akan mengakibatkan tegangan keluaran V o , of  R 2 I io . Hubungan ini menyatakan bahwa besar nilai hambatan R 2 dibatasi oleh ofset pada arus masukan. Sebagai contoh

panjar, yang dinyatakan sebagai

ofset masukan I io untuk 741 mempunyai nilai antara 12 nA hingga 500 nA. Jika untuk penguat pada gambar kita gunakan R2 = 10 M kita dapat memproleh ofset tegangan keluaran

V o , of  I io R 2  5 Volt . Besar arus panjar masukan dan ofset pada arus masukan amat penting pada penguat intrumentasi, pada pengintegral dan cuplik pada tanah.

Gambar 7.4 Potensiometer Rv digunakan untuk meniadakan ofset pada

keluarannya

Adanya ofset pada keluaran dapat diatasi dengan berbagai cara . bebarapa jenis op-amp mempunyai kaki-kaki untuk membuat agar ofset keluaran menjadi nol. Kedua kaki ini disebut kaki pelenyap ofset. Pada penguat 741 pelenyap rangkaian ofset dipasang anatara kaki nomor 1 dan 5 seperti pada gambar. 7.4 Untuk op-amp yang tak mempunyai pengaturan ofset di dalamnya dapat digunakan rangkaian seperti pada gambar 7.5

Gambar 7.5 Pengaturan ofset keluaran (a) Penguat pembalik (b) Penguat tak

membalik

Tanggapan Amplitudo

Pada umumnya op-amp mempunyai beberapa tahap penguatan di dalamnya dengan menggunakan gandengan dc. Akibatnya op-amp tak punya kutub di daerah frekuensi rendah dan mempunyai lebih dari dua kutub pada daerah frekuensi tinggi. Agar op-amp dapat diberi berbagai nilai factor balikan tanpa mengakibatkan ketidakmantapan (osilasi), maka op-amp harus menggunakan kompensasi frekuensi . pada beberapa macam op-amp seperti misalnya 741, LM 324, RC 4739 dan XR 4196 kompensasi frekuensi sudah dipasang dalam IC . Op-amp tersebut dikatakan mempunyai kompensasi dalam . Pada beberapa macam IC yang lain kita harus menambahkan kapasitor dan resistor pada kaki-kaki tertentu untuk kompensasi frekwensi. Op-amp ini dikatakan mempunyai kompensasi luar. Beberapa contoh kompensasi luar adalah 748, 709, LM 301, LM 308, dan LF357. Tanggapan amplitudo op-amp dengan kompensasi dalam seperti pada op-amp 741 dilukiskan pada gambar .7.6.

A v , gb

dB 110 100

80 Kemiringian -6 dB/oktaf 60 40 20

F(log)

Gambar 7.6 Tanggapan amplitudo 741

Misalkan kita ingin menentukan tangapan amplitude penguat lingkar tertutup sebesar

A = 40 dB. Kita tarik garis ab pada A V. lt V = 40 dB. Bagan Bode untuk lingkar tertutup diberikan oleh garis patah abc, dan tanggapan frekwensinya dilukiskan dengan garis putus-putus (gambar 7.7). Dari gambar 7.7 tampak bahwa jika digunakan penyangga dengan penguatan satu (0 dB), 741 dapat mempunyai frekwensi potong atas 1 M Hz. Dengan kata lain dapat dikatakan, lebar pita pada penguatan satu kali adalah 1 MHz. Op-amp LM 357 misalnya mempunyai lebar pita pada penguatan satu kali sebesar

80 Tanggapan gelung terbuka 60 40 a b

F(log)

Gambar 7.7 Tanggapan amplitudo lingkar untuk penguatan A v,lt = 40dB Untuk op-amp dengan kompensasi-luar tanggapan amplitudo lingkar terbuka bergantung pada rangkaian kompensasi yang dipasang. Op-amp 748 mempunyai rangkaian didalam IC yang tepat sama dengan 741, tetapi tanpa kompensasi kutub dominant pada transistor keluarannya. Pada 748 kapasitor untuk kompensasi harus dipasang diluar IC. Op-amp 709 menggunakan dua rangkaian kompensasi frekwensi yaitu kompensasi masukan dan kompensasi keluaran.

C k  30 pF C k  5 pF C k  2 pF

Gambar 7.8 Op-amp 748 beserta tanggapan amplitudonya; (a) diagram kaki

beserta rangkaian untuk ofset; (b) tanggapan amplitudo.

Jika dipasang kapasitor kompensasi C k = 30 pF, tampak tanggapan amplitudo turun dengan kemiringan -6 dB/oktaf dari penguatan lebih dari 100 dB hingga kira-kira -10 dB. Pada keadaan ini 748 dapat digunakan sebagai penyangga dengan penguatan satu kali. Untuk nilai kapasintasi Ck= 5 pF pada penguatan dibawah Av = 10 dB, tanggapan amplitude turun dengan kemiringan lebih curam -6 dB/oktap. Pada keadaan ini 748 tak dapat digunakan untuk penguatan lingkar tertutup kurang dari 10 dB, atau agar lebih pasti jangan digunakan untuk penguatan lebih dari 20 dB, atau

10 kali. Untuk Ck = 2 pF jangan gunakan 748 untuk penguatan kurang dari 40 dB atau 100 kali. Keuntungan op-amp dengan kompensasi luar ialah pada nilai penguatan tinggi kita dapat mempunyai frekuensi potong atas yang lebih tinggi dari op-amp kompensasi dalam. Laju belok Laju belok menyatakan sifat op-amp terhadap isyarat besar berupa isyarat persegi atau denyut, yaitu untuk perubahan tegangan yang mendadak. Laju belok dinyatakan

v dengan

yang menyatakan berapa volt isyarat keluaran berubah dalam waktu 1  s

 s , jik masukan diberi isyarat berbentuk tingkap. Op-amp untuk keperluan umum

biasanya mempunyai laju belok sekitar 0 , 5 , seperti 741 , 709 301 dan

sebagainya. Op-amp LF 357 dengan lebar pita untuk penguatan satu sebesar 20 M

v Hz mempunyai laju belok 50 . Op-amp LH 0024 mempunyai laju belok 500

 s Untuk laju belok ayng lebih tinggi orang harus menggunakn op-amp hybrid yang

merupakan campuran IC dan diskret. Pengaruh laju belok pada bentuk isyarat keluaran dilukiskan pada gambar 7.9

Gambar 7.9 Pengaruh laju belok pada bentuk isyarat keluaran

Pad gambar 7.9 diatas laju belok dapat ditentukan dari . Laju belok disebabkan

oelh pengisian dan pengosongan muatan kapsitor kompensasi. Makin kecil kapasitor kompensasi luar makin tinggi laju belok . Jika kita bekerja dengan op-amp kompensasi luar kita dapat mengatur nilai laju belok yang lebih tinggi dengan menggunkan kapasitansi yang kecil, dengan kemantapan balikan yang bersangkutan.

Impedansi masukan dan keluaran

Op-amp yang ideal mempunyai impedansi atu hambatan takberhingga dan hambatan keluaran nol . op-amp IC yang paling popular yaitu 741 mempunyai hambatan masukan kira-kira 1 M, dan hambatan keluaran 75 . Op-amp lain yang banyak digunakan yaitu 709. mempunyai hambatan masukan kira-kira 150 K, dan hambatan keluaran 200 . Op-amp IC LF 157 yang mempunyai tahap penguat

difensial menggunakan JFET, mempunyai impedansi masukan 10 12 . Impedansi masukan yang dinyatakan dalam lembaran data op-amp adalah untuk

keadaan lingkar terbuka. Ada dua pengertian tentang impedansi masukan, yaitu masukan difrensial R id Dan impedansi masukan modus bersama R ic keduan impedansi ini dilukiskan pada gambar 7.10

Gambar 7.10 Impedansi masukan Pada IC op-amp Untuk menentukan R i penguat, kita pasang suatu sumber tegangan tetap v i , dan kita

hitung arus yang ditarik i i , maka R i

Gambar 7.11 Impedansi masukan pada penguat tak membalik Dari gambar 7.11

i i  i c  i d tetapi

v i i c R ic

v ab v o

i d  dan v ab  R id , lb

A v , lb

v o sehingga i d  R id , lb A v , lb

tetapi v o  A v , lt v i

A v , lt v i

sehingga i 

R id , lb A v , lb

A v , lb

R id , lb

A v , lt v i

dapat dituliskan i d 

R id , ef

A v , lb dengan R id , ef 

R id , lb

A v , lt

oleh karena i i  i c  i d

i i   R ic R id , ef

maka    R i v i R ic R id , ef

atau

A v , lb

R i  R id , ef // R ic dengan R id , ef 

R id , lb

A v , lt A v , lt

mempunyai nilai hambatan tak terlalu besar, tetapi pada keadaan lingkar tertutup mempunyai nilai efektif yang besar. Sebagai contoh marilah kita bahas impedansi masukan penguat tak membalik seperti gambar 7.11 pada keadaan lingkar tertutup hambatan masukan penguat adalah

R i  ( R id , ef  R ic // R 2 // R 1 ) // R ic

 R id, ef // R ic

R id , ef adalah impedansi masukan difrensial dilihat dari difrensial a dan b, pada keadaan lingkar terbuka R id, ef  R id , lb . Nyata bahwa walaupun R id , lb mungkin

mempunyai nilai tak terlalu besar , tetapi keadaan lingkar tertutup tampak mempunyai nilai efektif sebesar

A v , lb R id , ef 

R id , lb

A v , lt Pada op-amp dalam keadaan linkar tertutup mungkin R id , ef  R ic sehingga R in  R id , ef // R ic

Impedansi keluaran

Gambar 7.12 Menentukan R o,lt

Impedansi keluaran op-amp dalam keadaan lingkar tertutup dapat mempunyai nilai yang jauh lebih kecil daripada impedansi keluaran lingkar terbuka. Ini dapat kita tunjukkan dengan uraian sebagai berikut. Untuk menentukan impedansi keluaran kita pasang suatu sumber tegangan khayal v o , hingga arus i o yang ditarik dari v o maka

R o v o i o dari gambar R o v o i o dari gambar

R o , lb R 1 v o

o , lb

v id  v o 

A v , lt v o

A v , lb x

A v , lt v

R o , lb R 1  R 2

atau

A v , lt R 1  R 2 R o , lt

R o , lb

A v , lb 

A v , lt  R o , lt   R o , lb

R 1   //( R 2 )

A v , lb  

A v , lt  R o , lt   R  o , lb

A v , lb  

A v , lt karena R o , lb

 ( R 1  R 2 )

A v , lb

MODUL VIII & IX INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA PENGGUNAAN OP-AMP UNTUK PENGUAT INSTRUMENTASI DAN PENGUAT LOG DAN ANTILOG

Tujuan instruksional umum :

Agar mahasiswa dapat memahami tentang penguat instrumentasi

Tujuan instruksional khusus :

Dapat menjelaskan tentang rangkaian penguat instrumentasi Dapat menjelaskan bagian- bagian rangkaian penguat instrumentasi Dapat menjelaskan penurunan rumus rangkaian instrumentasi

Buku Rujukan :

a. Rangan Sarma Instrumentation Devices and Sistem

b. W. Bolton

Mechatronic

c. William D. Cooper Electronic Instrumentation and Measurement Technique

8.1 Penguat instrumentasi

Penguat instrumentasi adalah suatu penguat loop tertutup (closed loop) dengan masukan difrensial, dan penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi nisbah penolakan modus bersama (Common Mode Rejection Ratio –CMRR). Fungsi utama penguat instrumentasi adalah untuk memperkuat tegangan yang tepat berasal dari suatu sensor atau transducer secara akurat. Rangkaian ekuivalen penguat instrumentasi adalah seperti gambar 8.1

e 1 R i , dif

Gambar 8.1 Rangkaian ekuivalen suatu penguat instrumentasi

Besaran R icM adalah hambatan atau impedansi atau impedansi masukan diferensial .

e o,o adalah tegangan keluaran tanpa beban (terbuka) dan R o adalah hambatan atau impedansi keluaran. Karena penguat instrumentasi adalah penguat loop terbuka. Maka tak perlu dipasang rangkaian umpan balik untuk menggunakannya seperti halnya penguat operasioanal (op-amp). Penguat instrumentasi yang bermutu tinggi dibuat dalam bentuk hybrid yaitu campuran IC dan komponen diskrit. Satu contoh penguat instrumentasi adalah penguat Burr-Brown 3620. spesifikasi penguat ini adalah sebagai berikut ;

Drift rendah :  25  v/  c

Bising rendah : 1 Vpp CMRR tinggi 100 dB Impedansi masukan tinggi : 300 M (difrensial) dan 1 G CM(common mode) Kisaran penguatan : 1 hingga 10.000 . Penguat instrumentasi dapat dibuat dengan menggunakan op-amp. Mutu penguat ini bergantung pada mutu op-amp yang digunakan yang menyangkut offset masukan., impedansi masukan, drift pada tegangan keluaran, CMRR, PSRR dan sebagainya. Disamping itu CMRR dan ketepatan penguatan op-amp amat bergantung kepada presisi dari komponen pasif yang digunakan . marilah kita bahas dua rangkaian penguat instrumentasi menggunakan op-amp.

Rangkaian yang lazim digunakan orang untuk membuat panguat instrumentasi dengan op-amp adalah seperti pada gambar 8.2

Gambar 8.2 Suatu penguat instrumentasi

Kita dapat bagi rangkaian diatas menjadi dua bagian yaitu bagian terdiri dari OA1 dan OA2 dan bagian II terdiri dari OA3 marialh kita bahas bagian II lebih dahulu bagian kita lukiskan lagi pada gambar 8.3

Gambar 8.3 Rangkaian penguat diferensial menggunakan op-amp Oleh karena hambatan masukan difrensial dari op-amp amat tinggi maka dapat dianggap I 1 =I 4 =0 sehingga :

I a =I a ’ dan I b =I b ’ Dengan menggunakan hukum Kirchoff kita peroleh :

e b  0  ( R 5  R 7 ) I b selanjutnya kita gunakan suatu sifat op-amp yang lain yaitu bahwa masukan

inverting dan non inverting ada dalam keadaan hubung singkat virtual oleh sebab ini:

V O   I a R 6  I b R 7 dari ketiga persamaan ini kita peroleh ;

V O  ( 1  )(

agar tegangan Vo sebanding dengan selisih tegangan isyarat masukan maka hasrus dibuat agar :

 R 5 atau 2

R 5  R 7 R 2  R 6 R 7 R 6 sebaiknya digunakan R 5 =R 2 dan R 7 =R 6 maka :

RR RR

  A 6 v , dif

e a  e b R 2 Penguatan common mode dapat kita peroleh bila kita gunakan

e b  e a  e CM seperti gambar 8.4

Gambar 8.4 Penguat difrensial dengan menggunakan common mode. Persamaan menjadi

V O  ( 1  )(

) e CM ………………………………………(8.5)

seperti telah digunakan diatas jika digunakan R7=R6 dan R5=R2 kita peroleh penguat difrensial akan tetapi dalam prakteknya tidak mungkin membuat dua hambatan tepat sama. Resistor yang dijual ditoko mempunyai toelransi minimum 1 %.

Misalkan 

Maka V O  ( 1  6 )  e CM

A v , CM   ( 1  ) 

e CM R 2 dari persamaan diatas kita peroleh common mode Rejection ratio.

R 6 1 CMRR  (

tampak bila   1 % 0 . 01 dan R 2 R 6 maka CMRR =60=30 dB tampak bila   1 % 0 . 01 dan R 2 R 6 maka CMRR =60=30 dB

V PQ

Gambar 8.5 Bagian I rangkaian pada gambar 8.2

Oleh karena masukan inverting dan non inverting pada op-amp ada pada keadaan hubung singkat virtual, maka tegangan pada titik A = e a dan pada titik B = e b . disamping itu karena hambatan masukan difrensial pada op-amp mempunyai harga

sangat besar maka arus I 1 =I 2 = 0 akibatnya:

V PQ  V P  V Q  I ( R 1  R 3  R 4 ) akan tetapi V A  V B  e a  e b  IR 3

e a  e b sehingga I  R 3

sehinggs V  ( 1  )( e a  e b ) Persamaan 8.8 menyatakan bahwa bila e a =e b =

e CM maka V PQ =0 sehingga A v,CM =0, yang berarti bahwa pada rangkaian Gambar 8.2 penurunan CMRR disebabkan oleh bagian II saja. Ini berarti bahwa dipandang dari segi CMRR hanya R 2 ,R 6 ,R 5 dan R 7 yang harus mempunyai nilai yang presisi. Penguatan dari seluruh rangkaian gambar 8.2 dapat diperoleh dengan menggabungkan persamaan 8.5 dan 8.8 yaitu :

A v , dif  ( 1  )( )

suatu contoh rangkaian instrumentasi ditunjukkan pada gambar 8.6 yang digunakan adalah tipe CA 3140 yaitu CMOS-input op-amp dengan Zin(CM)=1012 , CMRR=90dB, unity gain bandwith 7,5 MHz dan PSRR = 90dB. IC CA 3240 adalah dua CA 3140 yaitu dalam satu IC ada dua op-amp seperti Ca 3140.

+15V 2n

6 OA1,0A2:CA324

OA3:CA314

-15V

Gambar 8.6 Penguat difrensial presisi

Spesifikasi penguat diatas adalah respon frekuensi (-3 dB) dc hingga 1 Mhz; slew rate =1,5 V/us, CMRR=86 dB. Penguatan = 35-60 dB.

Suatu rangkaian penguat instrumentasi lain ditunjukkan pada gambar 8.7

Eb  ( 1 R 2 R 1 )

Gambar 8.7 Suatu rangkaian penguat instrumentasi

Rangkaian diatas digunakan penguat instrumentasi buatan Burr Brown yaitu BB 3627, suatu penguat instrumentasi dengan drift amat rendah. Keuntungan disbanding dengan rangkaian pertama adalah hanya diperlukan du op-amp dan empat buah resistor. Resistor R5 tak perlu dipasang bila diinginkan penguatan tegangan sama besar.

Kita gunakan dua sifat op-amp yaitu bahwa masukan inverting dan non inverting ada dalam keadaan hubung singkat virtual, dan bahwa hambatan difrensial antara kedua masukan ini amat besar . sehingga arus yang masuk dapat diabaikan. Dari gamba r8.7 kita peroleh :

I 1  ( E a  E b )( 1  ) / R 3 R 1

I 2  ( E a  E b ) / R 5 dari hubungan-hubungan di atas kita dapatkan:

bila dibuat agar R 2 R 4  R 1 R 3 yaitu dengan memilih R 2 R 3 dan R 4 R 1 maka R R

E o   4 ( 1  4 )( E a  E b )

I 1 ( E b ( 1  )  E a ( 1   ))

R 3 R 3 R 5 R 5 R 3 R 3 R 1 R 3 R 5 R 5 R 3 R 1 R 4 R 1 R 2 R 3

( E b E a )( 1  

 ( E b  E a )( 1    2 ) R 3 R 3 R 5

 ( E b  E a )( 100  2 )

  4  atau 4 A V , diff ( 1 )

Bila R 2 R4 tidak tepat sama dengan R 1 R 3 , sehingga

R 4 R 2 dapat dituliskan

dengan   1 maka untuk isyarat E a =E b =E CM

Eo= ( )E CM Kita peroleh Common Mode Rejection yaitu :

tampak bahwa R5 tidak mempengaruhi Av,CM sehingga dapat digunakan untuk mengatur penguatan tanpa mengubah CMRR. Dengan menggunakan sebuah op- amp dan beberapa buah transistor kita juga dapat membuat suatu penguat instrumentasi yaitu seperti ditunjukkan pada gambar 8.8 rangkaian ini sering dijumpai dalam instrumentasi dan juga di dalam rangkaian lain seperti IC analog multiplier. Yaitu MC 1496 dan juga IC balanced modulator MC 1495. Pada gambar diatas transistor Q1, Q2, Q3, dan Q4 sebaiknya terbuat dari IC yang berisi transistor array seperti LM 314 atau CA 3049 .

R6 = R7 = 1211 k.1% R8 = R9 = 100 k.1% R1 = R2 = 470 R3 = R4 = 2 k. 1% R10 = 10 R5 = 1 k (pot)

Gambar 8.8 Penguat instrumentasi menggunakan transistor dan op-amp

V a  V O  I 2  R 6 akan tetapi Va=Vb sebab masukan op-amp ada dalam keadaan hubung singkat

virtual akibat kita peroleh :

bila digunakan R 9 R 8 maka V o  ( I 1 '  I 2 )' R 8

sekarang marilah kita pikirkan rangkaian transistor pada penguat di atas Dua transistor Q1 dan Q2 membentuk penguat difrensial. Sedang transistor Q3 dan Q4 membentuk sumur arus tetap (constant current sink).yang menarik arus sama yaitu I dari Q1 dan Q2. Kalau kita gunakan hokum kirchoff untuk arus –arus pada titik c dan

d kiat akan peroleh:

sehingga I 2  I 1  2 I O Kembali pada titik a dan b . V a  V cc  R 7o I 2

V b  V cc  R 6o I 1 Karena V a V b dan kita buat R 7 R 6 maka I o 1 I o 2 yang berarti I 1 '  I 1  I 2 '  I 2

I 2 '  I 1 '  I 1  I 2   2 I o selanjutnya dari persmaa di atas menjadi V O   2R I o 8

V c  V d  I O R 11 V c  V d  I O R 11

Bila Q1 dan Q2 dibuat agar mempunyai karekteristik sedekat mungkin sehingga

V BE ( Q 2 )  V BE ( Q 1 ) maka V c  V d  E a  E b akibatnya I O 

 dan R 11 R 11

persamaan di atas kita peroleh :

V o   2 ( E a  E b ) atau A v , dif   2 R 11 R 11

Nyata bahwa penguatan dapa tdibuat variable dengan memasang potensiometer untuk R 11 .

MODUL X SISTEM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA PENGOLAHAN ISYARAT DIGITAL TO ANALOG CONVERTER

Tujuan Instruksional Umum :

 Agar mahasiswa dapat memahami tentang Digital Analog converter

Tujuan Instruksional Khusus :

 Dapat menjelaskan tentang pengubahan data analog  Dapat menjelaskan bagian- bagian rangkaian DAC  Dapat menjelaskan penurunan jenis-jenis DAC

Buku Rujukan :

 Rangan Sarma Instrumentation Devices and Sistem  W. Bolton

Mechatronic

 William D. Cooper Electronic Instrumentation and Measurement Technique

Pengubahan Data Analog

Bila kita ingin memproses dari transducer yang telah diperkuat ke dalam microcontroller atau mikroprosesor diperlukan isyarat analog ke bentuk digital yang hanya sesuai dengan besaran analog. Piranti yang digunakan untuk mengubah data analog ke digital disebut ADC (Analog to Digital Converter ). Dan sebaliknya data dari digital jika ingin dirubah ke besaran analog diperlukan alat yang disebut DAC (Digital to Analog Converter).

Sebelum menjelaskan cara kerja ADC pada kuliah ini akan dibahas dulu cara kerja DAC terdapat beberapa cara kerja DAC adalah:  Multiplying DAC;MDAC  Internal refrence DAC  Companding DAC

Dasar kerja dari pada semua DAC di atas adalah perubahan arus-arus yang disaklar oleh masing-masing bit pada masukan digital diubah mejadi tegangan dengan mengunakan suatu op-amp. Contoh DAC-4 bit sederhana

I tot

Gambar 10.1

V ref V ref V ref V ref

I Tot  (  

1 1 1 V ref

V ref

V o K 2 I tot  K

Tampak bahwa tegangan keluaran Vo adalah sebanding dengan Vref dikalikan dengan nilai kode biner natural dari masukannya. DAC dengan tegangan acuan Vref di luar rangkaian, artinya tidak ada di dalam IC disebut multiplying (MDAC) Soal : Diket Vref = 5V R= 5k

D 0 ,D 1 ,D 2 ,D 3 , masing-masing urutan bit rendah ke bit tinggi

Tabe 10.1

No.

D 3 D 2 D 1 D 0 Arus keluaran Perbandingan Maksimum

Saklar arus

Gambar 10.2

Transistor di atas bisa dihidupkan (saturasi) apabila titik D 0 ,D 1 ,D 2 ,D 3 , diberi tegangan yang menghasilkan arus basis yang cukup membuat transistor saturasi sebaliknya jika