Praktikum Pengolahan Sinyal Signal Generator Modul 4

Transkripsi

1 MODUL 4 Signal Generator 1. Pendahuluan Didalam laboratorium, anda pernah bekerja menggunakan function generator, alat yang dapat menghasilkan beberapa bentuk sinyal seperti sinyal sinusoida, sinyal persegi dan sinyal segitiga. Secara analog, anda dapat membuat rangkaiannya menggunakan rangkaian op-amp. Pada praktikum ini anda akan mencoba membuat function generator secara digital. Yang anda butuhkan adalah sebuah sistem prosesor dan sebuah DAC. Sistem prosesor yang digunakan bisa berupa mikroprosesor atau mikrokontroler. Tetapi untuk praktikum, tentu saja anda akan menggunakan DSP. Lalu bagaimana cara membuat sinyal-sinyal yang diinginkan? Cukup dengan memprogram prosesor tersebut untuk menghasilkan nilai-nilai tertentu yang nantinya akan diterjemahkan oleh DAC menjadi sebuah sinyal analog. Ya, dengan sebuah program. Untuk menghasilkan bentuk sinyal yang bermacam-macam, anda tidak perlu merombak atau menambahkan komponen (hardware). Hardware-nya tetap. Cukup melakukan modifikasi pada program yang anda buat. Bila program diubah maka bentuk sinyal berubah, sederhana bukan? Programmable, itulah salah satu kelebihan bila anda bekerja didunia digital. 2. Tujuan Setelah menyelesaikan praktikum ini, yang anda peroleh adalah : dapat membuat program untuk menghasilkan sinyal persegi dapat membuat program untuk menghasilkan sinyal segitiga dapat membuat program untuk menghasilkan sinyal gigi-gergaji dapat membuat program untuk menghasilkan sinyal sinusoida 3. Gambaran Disain Tugas DAC adalah mengubah sinyal digital menjadi sinyal analog. Anda memberikan sebuah nilai kepada DAC maka output DAC akan menghasilkan tegangan yang sesuai. Misalnya begini, bila input DAC diberi nilai 200 maka pada output DAC apabila diukur dengan voltmeter akan menghasilkan tegangan sebesar +0.8 volt. Bila diberi nilai 400 akan menghasilkan tegangan +1.6 volt dan seterusnya. Board DSK yang anda gunakan mempunyai DAC yang berada didalam IC codec. DAC ini bekerja dalam format bilangan 15-bit bertanda (15-bit signed integer). Program yang anda buat haruslah menghasilkan nilai untuk DAC dalam kisaran sampai Didalam program, anda akan membuat pola-pola tertentu untuk menghasilkan bentuk gelombang yang diinginkan. Perlu diperhatikan bahwa pada praktikum kali ini anda akan mengambil banyak data, jadi pahami teori pembangkitan sinyalnya terlebih dahulu sehingga anda paham yang akan dilakukan dan tentunya bahasa-c! hary@eepis-its.edu 1

2 4. Dasar Teori Sinyal persegi Sinyal persegi mempunyai duty-cycle 50% dan terdiri dari dua level tegangan. Level tegangan bawah (V L ) dan level tegangan atas (V H ). Perhatikan gambar 1. Lingkaran-lingkaran biru menunjukkan nilai-nilai level tegangan yang diberikan pada kecepatan sampling yang telah ditentukan. Gambar 1. Ilustrasi pembangkitan sinyal persegi dengan duty-cycle 50% Algoritma untuk menghasilkan sinyal persegi adalah : 1. Isi variabel dengan nilai V L 2. Keluarkan isi variabel ke DAC sebanyak N kali 3. Isi variabel dengan nilai V H 4. Keluarkan isi variabel ke DAC sebanyak N kali 5. Ulangi langkah 1-4 Level tegangan V L dan V H yang diberikan menentukan amplitudo sinyal persegi. Frekuensi sampling yang digunakan oleh DAC dan pengulangan sebanyak N kali akan menentukan frekuensi dari sinyal persegi yang dibuat. Sinyal gigi-gergaji Sinyal gigi-gergaji terdiri dari dua bagian yaitu, bagian linier dan titik diskontinyu. Perhatikan gambar 2. Bagian linier dapat anda hasilkan dengan cara menambahkan sebuah bilangan konstan (V K ) pada bilangan awal (V I ) yang selalu tetap. Penambahan ini berlangsung terus sampai pada batas yang anda tentukan. Bila batas ini tercapai maka hasil penjumlahan dikembalikan ke V I. Algoritma untuk menghasilkan sinyal gigi-gergaji adalah : 1. Isi variabel dengan nilai awal V I 2. Keluarkan isi variabel ke DAC 3. Tambahkan variabel dengan nilai konstan V K 4. Bila nilai variabel melebihi batas yang ditentukan, kembali ke langkah nomor-1 5. Bila nilai variabel belum melebihi batas, kembali ke langkah nomor-2 hary@eepis-its.edu 2

3 Gambar 2. Ilustrasi pembangkitan sinyal gigi-gergaji Level tegangan awal V I dan batas atas yang diberikan menentukan amplitudo sinyal gigigergaji. Frekuensi sampling yang digunakan oleh DAC dan kecuraman yang ditentukan oleh penambahan dengan V K akan menentukan frekuensi dari sinyal persegi yang dibuat. Sinyal segitiga Sinyal segitiga dapat anda buat dengan cara menambahkan sebuah nilai konstan (V K ) terhadap nilai awal (V I ). Penambahan ini terus dilakukan sampai hasil penjumlahan mencapai batas (V MAX ) yang anda tentukan. Kemudian hasil penjumlahan dikurangi dengan V K sampai mencapai batas V I. Karena nilai penjumlahan dan nilai pengurangan adalah sama maka akan dihasilkan gelombang segitiga seperti yang tampak pada gambar 3. Gambar 3. Ilustrasi pembangkitan sinyal segitiga Algoritma untuk menghasilkan sinyal segitiga adalah : 1. Isi variabel dengan nilai awal V I 2. Keluarkan isi variabel ke DAC 3. Tambahkan variabel dengan nilai konstan V C 4. Ulangi ke langkah nomor-2 bila nilai variabel masih dibawah V MAX 5. Keluarkan isi variabel ke DAC 6. Kurangkan variabel dengan nilai konstan V C 7. Ulangi ke langkah nomor-5 bila nilai variabel belum mencapai V I 8. Ulangi ke langkah nomor-1 hary@eepis-its.edu 3

4 Level tegangan awal V I dan batas atas V MAX yang diberikan menentukan amplitudo sinyal segitiga. Frekuensi sampling yang digunakan oleh DAC dan kecepatan naik-turun yang ditentukan oleh penambahan dan pengurangan dengan V K akan menentukan frekuensi dari sinyal persegi yang dibuat. Sinyal sinusoida Gambar 4. Ilustrasi pembangkitan sinyal sinusoida Anda dapat menghasilkan sinyal sinusoida seperti yang ditunjukkan oleh gambar 4 menggunakan persamaan identitas trigonometri yang menyebutkan bahwa sin(nθ)=2cos(θ)*sin{(n-1)θ}-sin{(n-2)θ}. Persamaan tersebut menggunakan dua langkah untuk menghasilkan sinyal sinuoida. Pertama, hitung nilai cos(θ) diatas kertas. Kedua, menghasilkan sinyal itu sendiri, menggunakan satu perkalian dan satu pengurangan berdasarkan counter n. Sinyal sinus yang akan anda hasilkan diasumsikan bahwa nilai dari sin{(n-1)θ} dan sin{(n-2)θ} sudah dihitung sebelumnya dan disimpan pada variabel didalam program. Untuk menghasilkan sinyal sinusoida dengan frekuensi tertentu bergantung pada nilai awal dari cos(θ). Algoritma untuk menghasilkan sinyal sinusoida adalah: 1. Inisialisasi nilai n dengan nol 2. Tentukan nilai θ dengan persamaan (2*π*f)/fs, dimana nilai f menentukan frekuensi sinyal sinusoida yang akan dihasilkan dan fs adalah frekuensi sampling 3. Hitung dan simpan nilai dari 2cos(θ) pada variabel C, 4. Berdasarkan dari nilai n dan θ, simpan nilai awal dari sin{(n-1)θ} pada variabel A dan sin{(n-2)θ} pada variabel B 5. Hitunglah nilai dari persamaan sin(nθ) menggunakan nilai dari variabel A, B, dan C dan kirim hasilnya ke DAC 6. Simpan nilai sin{(n-1)θ} ke variabel B 7. Simpan nilai persamaan sin(nθ) yang didapat pada variabel A 8. Tambahkan n dengan 1 9. Ulangi langkah 4-7 Menghasilkan sinyal sinusoida sepertinya lebih menarik daripada ketiga sinyal sebelumnya. Perhatikan ilustrasi pada gambar 5. Mari kita coba sekarang. hary@eepis-its.edu 4

5 2*cos(θ) C sin{(n-1)θ} sin{(n-2)θ} sin{(n)θ} A Gambar 5. Blok diagram penyederhanaan dari pembangkitan sinyal sinusoida. Nilai awal dari variabel A,B, dan C ditentukan pada saat inisialisasi program + - B nilai sinyal sinusoida Output Analog DAC DAC yang terdapat didalam IC codec TLC320AD50C mempunyai dua buah output diferensial, OUTP dan OUTM. Pada board DSK yang anda gunakan, konfigurasi outputnya ditunjukkan oleh gambar 6, hanya OUTP saja yang digunakan. Gambar 7 menunjukkan hubungan berikutnya sampai menuju ke jack audio output untuk speaker. Kedua gambar tersebut dapat anda lihat secara detil pada skematik dari board DSK5402 yang biasanya terletak pada direktori C:\ti\docs\pdf\5402_dsk_schem.pdf, apabila anda menginstall Code Composer Studio pada komputer anda. Gambar 6. Konfigurasi IC codec pada bagian output DAC Gambar 7. Rangkaian dari output DAC ke jack audio output untuk speaker hary@eepis-its.edu 5

6 Format data yang dapat diberikan ke DAC untuk menghasilkan nilai tegangan tertentu ditunjukkan oleh gambar 8. Informasi ini dapat anda baca secara detil pada datasheet IC codec TLC320AD50. Gambar 8. Kode data digital vs. tegangan output analog Referensi: Generation of a Sine Wave Using a TMS320C54x Digital Signal Processor (spra819), Texas Instruments, 2002 DTMF Tone Generation and Detection: An Implementation Using the TMS320C54x (spra096a), Texas Instruments, 2000 Datasheet TLC320AD50C/I (slas131e), Texas Instruments, Peralatan 1 set PC yang dilengkapi dengan software Code Composer Studio. 1 set DSK TMS320C set oscilloscope 6. Prosedur Praktikum Anda diharapkan mengikuti langkah-langkah prosedur praktikum dan apabila ada kesulitan harap bertanya kepada asisten. Langkah-langkah: 1. Menyiapkan peralatan : a. PC dalam keadaan mati. Praktikum ini tidak menggunakan function generator hary@eepis-its.edu 6

7 b. Hubungkan DSK ke PC menggunakan kabel paralel port yang tersedia. c. Hubungkan output adapator ke input power DSK. d. Hubungkan kabel power adaptor, nyalakan adaptor. e. Nyalakan PC f. Jalankan aplikasi Code Composer Studio dan pastikan dapat terhubung dengan board DSK 2. Dengan menggunakan Windows Explorer, buatlah folder baru pada direktori D:\prak_pengolahansinyal dengan kelas Anda diikuti dengan subfolder nama Anda. Perhatikan penulisan folder yang Anda buat. Kemudian salinlah direktori signalgen pada C:\ti\examples\dsk5402\dsp\signalgen kedalam direktori D:\prak_pengolahansinyal\ kelas\nama. Hal ini dimaksudkan untuk mempermudah mengembalikan isi project seperti dalam keadaan semula apabila terjadi kesalahan. 3. Pada Code Composer Studio (CCS), dengan menggunakan Project Open, bukalah file project signalgen.pjt pada direkori D:\prak_pengolahansinyal\kelas\nama\signalgen. Apabila ada file library pada project tersebut yang tidak ditemukan maka carilah library tersebut pada direktori c:\ti yang sesuai. Hal ini terjadi karena lokasi project berpindah tempat. File library yang digunakan ada tiga yaitu: 1. rts.lib pada direktori c:\ti\c5400\cgtools\lib 2. dsk5402.lib pada direktori c:\ti\c5400\dsk5402\lib 3. drv5402.lib pada direktori c:\ti\c5400\dsk5402\lib Gambar 9. File library tidak ditemukan. 4. Pilih Project Rebuild All untuk melakukan proses kompilasi. Pesan kesalahan berupa warning dapat diabaikan. Apabila timbul error, tanyakan kepada asisten. 5. Pilih File Load Program, pilih file signalgen.out. Maka CCS akan meload program pada target DSP dan membuka window dis-assembly yang memperlihatkan instruksi program dalam bahasa assembly. 6. Pilih Debug Go Main 7. Siapkan oscilloscope yang telah dikalibrasi. Atur volt/div pada 1volt dan atur time/div pada 1ms. 8. Hubungkan output dari board DSK (jack audio untuk speaker, bersebelahan dengan konektor DB9 untuk serial port) pada input dari oscilloscope. 9. Pilih Debug Run, amati display pada oscilloscope. 7

8 10. Pilih Debug Halt, untuk menghentikan eksekusi pada board. 11. Kerjakan tugas. 12. Tutuplah program CCS dengan memilih File Exit. 13. Lepaskan jack audio dari board, lepaskan kabel paralel pada board, lepaskan jack power suplai pada board. 14. Matikan oscilloscope dan adaptor power suplai. Lakukan prosedur shutdown PC dengan benar. Rapikan kembali kabel dan peralatan. 7. Tugas Pada praktikum ini anda akan mencoba membangkitkan empat macam sinyal. Setiap sinyal disimpan pada source file-c yang berbeda. 1. Sinyal persegi a. Bukalah file persegi.c pada Project View Project View Gambar 10. File persegi.c. Inti program untuk menghasilkan sinyal persegi sebagai berikut. /* Initialization */ N=0; flip=0; VH=16000; VL=-16000; /* Polling and digital loopback */ while (1) { /* Wait for transmitt ready from handset */ while (!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC)) {}; N++; if(n==8) { N = 0; if (flip==0) { flip=1; data=vh; } hary@eepis-its.edu 8

9 } else { flip=0; data=vl; } } /* Write to handset codec */ *(volatile u16*)dxr1_addr(handset_codec) = data; b. Modifikasi program tersebut untuk menghasilkan sinyal persegi dengan frekuensi seperti pada tabel 1. Setelah menghitung nilai N dan mengubah nilai N pada program, lakukan kompilasi dan download. Jalankan program dan catat hasilnya pada tabel 1. Tabel 1. Pembangkitan Sinyal Persegi No. Frekuensi yang diinginkan (Hz) Nilai N pada program Frekuensi hasil pengukuran pada oscilloscope (Hz) Gambar sinyal satu periode! Dari percobaan yang telah anda coba, lakukan analisa mengapa sinyal yang dihasilkan tidak mempunyai bentuk yang sempurna. Anda perlu mengingat kembali hasil percobaan praktikum sebelumnya bahwa sinyal persegi mempunyai harmonik atau dengan kata lain sinyal persegi disusun dari beberapa sinyal sinusoida. Perlu diingat kembali bahwa DAC yang terdapat didalam IC codec pada board DSK mempunyai filter low-pass dengan frekuensi cut-off sebesar 0,439 x f sampling board. Perhatikan tabel 1 nomor 7, semakin kecil frekuensi yang anda buat, seharusnya akan dihasilkan sinyal persegi yang semakin sempurna yang nyatanya tidak demikian. Hal ini disebabkan adanya kapasitor blocking yang dihubungkan sebelum sinyal keluar ke jack audio output pada board DSK (perhatikan gambar 7). Kapasitor ini berfungsi sebagai penahan sinyal DC dan berfungsi sebagai filter high-pass. Kapasitor ini pula yang menyebabkan tampilan sinyal pada osilloscope selalu simetris. Mengapa kapasitor ini terpasang? Karena output analog dari board DSK tersebut dirancang untuk aplikasi yang menggunakan speaker. 2. Sinyal gigi-gergaji a. Program pembangkit sinyal persegi harus kita lepas dari project terlebih dahulu. Pada Project View CCS, klik kanan file persegi.c kemudian pilih Remove from project. b. Kemudian pada menu utama CCS, pilih Project Add Files to Project, klik pada file gigigergaji.c lalu klik open, maka file gigigergaji.c akan masuk hary@eepis-its.edu 9

10 kedalam project yang sedang kita buka. c. Cobalah dahulu program yang terdapat didalam file gigigergaji.c. Lakukan kompilasi dengan cara memilih Project Rebuild All, kemudian bila tidak ada kesalahan lakukan download dengan memilih File Load Program. Jalankan program dengan menekan tombol F5 atau memilih Debug Run. Amati oscilloscope. Untuk menghentikan program anda dapat memilih Debug Halt. Inti program untuk menghasilkan sinyal gigi-gergaji sebagai berikut. /* Initialization */ Vi = 0; Vk = 1000; Vmax = 16000; temp = Vi; /* Polling and digital loopback */ while (1) { /* Wait for transmitt ready from handset */ while (!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC)) {}; temp+=vk; if (temp==vmax) temp=vi; data=temp; } /* Write to handset codec */ *(volatile u16*)dxr1_addr(handset_codec) = data; d. Modifikasi program tersebut untuk menghasilkan sinyal gigi-gergaji dengan frekuensi seperti pada tabel 2. Setelah menghitung nilai Vk dan mengubah nilai Vk pada program, lakukan kompilasi dan download. Jalankan program dan catat hasilnya pada tabel 2. Tabel 2. Pembangkitan Sinyal Gigi-gergaji No. Frekuensi yang diinginkan (Hz) Nilai Vk pada program Frekuensi hasil pengukuran pada oscilloscope (Hz) Gambar sinyal satu periode 3. Sinyal segitiga a. Program pembangkit sinyal gigi-gergaji harus kita lepas dari project terlebih dahulu. Pada Project View CCS, klik kanan file gigigergaji.c kemudian pilih Remove from project. hary@eepis-its.edu 10

11 b. Kemudian pada menu utama CCS, pilih Project Add Files to Project, klik pada file segitiga.c lalu klik open, maka file segitiga.c akan masuk kedalam project yang sedang kita buka. c. Cobalah dahulu program yang terdapat didalam file segitiga.c. Lakukan kompilasi dengan cara memilih Project Rebuild All, kemudian bila tidak ada kesalahan lakukan download dengan memilih File Load Program. Jalankan program dengan menekan tombol F5 atau memilih Debug Run. Amati oscilloscope. Untuk menghentikan program anda dapat memilih Debug Halt. Inti program untuk menghasilkan sinyal segitiga sebagai berikut. /* Initialization */ Vi = 0; Vk = 2000; Vmax = 16000; temp = Vi; /* Polling and digital loopback */ while (1) { /* Wait for transmitt ready from handset */ while (!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC)) {}; } temp+=vk; if ((temp==vmax) (temp==vi)) Vk=-Vk; data=temp; /* Write to handset codec */ *(volatile u16*)dxr1_addr(handset_codec) = data; d. Modifikasi program tersebut untuk menghasilkan sinyal segitiga dengan frekuensi seperti pada tabel 3. Setelah menghitung nilai Vk dan mengubah nilai Vk pada program, lakukan kompilasi dan download. Jalankan program dan catat hasilnya pada tabel 3. Tabel 3. Pembangkitan Sinyal Segitiga No. Frekuensi yang diinginkan (Hz) Nilai Vk pada program Frekuensi hasil pengukuran pada oscilloscope (Hz) Gambar sinyal satu periode hary@eepis-its.edu 11

12 4. Sinyal sinusoida a. Program pembangkit sinyal segitiga harus kita lepas dari project terlebih dahulu. Pada Project View CCS, klik kanan file segitiga.c kemudian pilih Remove from project. b. Kemudian pada menu utama CCS, pilih Project Add Files to Project, klik pada file sinus.c lalu klik open, maka file sinus.c akan masuk kedalam project yang sedang kita buka. c. Cobalah dahulu program yang terdapat didalam file sinus.c. Lakukan kompilasi dengan cara memilih Project Rebuild All, kemudian bila tidak ada kesalahan lakukan download dengan memilih File Load Program. Jalankan program dengan menekan tombol F5 atau memilih Debug Run. Amati oscilloscope. Untuk menghentikan program anda dapat memilih Debug Halt. Inti program untuk menghasilkan sinyal sinusoida sebagai berikut. #include <math.h> //---truncated #define PI #define fs #define frek 1000 /* ubah nilai ini untuk frekuensi lain */ //---truncated int data; float ar0, ar1, ar2, value; float theta = (2*PI*frek)/fs; //---truncated /* Initialization of taylor series */ /* Anda dapat menghitung nilai awal dengan kalkulator */ /* tanpa menggunakan library pada math.h */ ar0 = cos(theta); ar1 = sin(-theta); ar2 = sin(-(2* theta)); /* Polling and digital loopback */ while (1) { /* Wait for sample from handset */ while (!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC)) {}; value = (2*ar0*ar1) - ar2; data = value*16000; ar2 = ar1; ar1 = value; } /* Write to handset codec */ *(volatile u16*)dxr1_addr(handset_codec) = data; d. Sekarang Anda akan mencoba menghasilkan sinyal sinusoida dengan frekuensi yang berbeda. Modifikasi program tersebut untuk menghasilkan sinyal sinusoida dengan frekuensi lain seperti pada tabel 4 dengan cara mengubah nilai definisi frekuensi pada baris #define frek Untuk setiap hary@eepis-its.edu 12

13 perubahan baris program yang anda lakukan, lanjutkan dengan kompilasi dan download. Jalankan program dan catat hasilnya pada tabel 4. Tabel 4. Pembangkitan Sinyal Sinusoida frek; Frekuensi No. yang diinginkan (Hz) Frekuensi hasil pengukuran pada oscilloscope (Hz) Gambar sinyal satu periode e. Berikutnya Anda akan mencoba untuk mengubah-ubah amplitudo sinyal sinusoida. Sebelumnya kembalikan nilai variabel frek menjadi 1000 #define frek 1000 /* ubah nilai ini untuk frekuensi lain */ kemudian ubahlah baris perintah berikut yang digunakan untuk mengubah amplitudo sinyal data = value*16000; dengan nilai seperti pada tabel 5. Untuk setiap perubahan baris program yang anda lakukan, lanjutkan dengan kompilasi, download dan jalankan program. Catat hasil pengamatan yang anda peroleh pada oscilloscope kedalam tabel 5. Tabel 5. Mengubah amplitudo sinyal sinusoida No. Mengubah baris program dengan 1 data = value*8000; 2 data = value*16000; 3 data = value*32000; 4 data = value*40000; 5 data = value*50000; Tegangan Vp-p hasil pengukuran pada oscilloscope (volt) Gambar sinyal satu periode Kembali ke prosedur praktikum langkah nomor 12. hary@eepis-its.edu 13

14 8. Analisa 1. Buatlah diagram alir (flowchart) untuk tiap pembangkitan sinyal yang telah anda lakukan. 2. Dari hasil percobaan, menurut anda berapakah frekuensi tertinggi yang mampu dihasilkan apabila kita membangkitkan sinyal menggunakan board DSK5402? Jelaskan! 3. Perhatikan tabel 5. Saat anda mencoba untuk memperbesar amplitudo sinyal, pada suatu saat terjadi bentuk sinyal yang mengalami distorsi pada puncaknya. Mengapa hal ini dapat terjadi? 4. Pada pembangkitan sinyal persegi dan sinyal gigi-gergaji menghasilkan bentuk sinyal yang tidak sesuai harapan. Sinyal yang dihasilkan mengalami distorsi. Sedangkan pembangkitan sinyal segitiga dan sinyal sinusoida lebih baik. Mengapa hal ini dapat terjadi? Jelaskan! 9. Pertanyaan pendahuluan 1. Gambar berikut adalah ilustrasi untuk menghasilkan sinyal persegi. Pada setengah periode pertama dikeluarkan 10 titik dengan nilai +200 kemudian pada setengah periode berikutnya dikeluarkan 10 titik dengan nilai Bila sistem tersebut menggunakan frekuensi sampling sebesar 16KHz, berapakah frekuensi sinyal persegi yang dihasilkan? 2. Pada sistem pembangkit sinyal sinusoida dengan frekuensi sampling 16KHz, dihasilkan sinyal sinusoida dengan frekuensi 1KHz. Berapa jumlah titik sampel yang dikeluarkan dalam satu periodenya? 10. Tambahan Berikan saran atau komentar guna pengembangan lebih lanjut praktikum ini. 14