BAB III PENGKONDISIAN SINYAL DIGITAL

Transkripsi

1 BAB III PENGKONDISIAN SINYAL DIGITAL TUJUAN PEMBELAJARAN Dalam bab ini, prinsip-prinsip dasar dari elektronika digital dan pemrosesan sinyal digital dibahas dengan penekanan khusus pada teknik konversi digital ke analog dan analog ke digital (A/D), dan sistem akuisisi data. Setelah membaca hal ini, anda diharapkan dapat: 1. Mengembangkan persamaan Boolean untuk sebuah permasalahan sederhana alarm proses kontrol. 2. Mengimplementasikan sebuah desain alarm kontrol proses dengan rangkaian digital dan komparator. 3. Menentukan representasi suatu biner pecahan dan bilangan desimal. 4. Membuat diagram dasar DAC dan menjelaskan cara kerjanya. 5. Membuat diagram suatu pendekatan successive ADC dan menjelaskan cara kerjanya. 6. Menentukan resolusi konversi dari ADC dan DAC. 7. Membuat sistem akuisisi data. 3.1 PENDAHULUAN Alasan untuk konversi ke dalam elektronika digital adalah keinginan perkembangan untuk mempergunakan komputer digital dalam proses industri. Secara normal, komputer memerlukan informasi yang dikodekan dalam bentuk digital sebelum dapat dipergunakan. Pertanyaan mengenai kebutuhan untuk pengkondisian sinyal digital menjadi sebuah pertanyaan mengapa komputer sangat banyak digunakan di dalam industri. Hal ini benar-benar hal kompleks dan banyaknya dapat ditulis berulang-ulang. Dengan menyebutkan beberapa alasan yang akan dinyatakan, seperti yang akan didiskusikan lebih lanjut yaitu. (1) kemudahan dengan menggunakan untuk mengendalikan suatu sistem kontrol proses multivariabel, (2) melalui pemrograman komputer, nonlinieritas di dalam output transduser dapat dilinierkan, (3) persamaan kontrol yang rumit dapat diselesaikan untuk menentukan fungsi kontrol yang diperlukan, dan (4) kemampuan untuk mengubah rangkaian pemroses digital yang kompleks dalam bentuk mikro seperti integrated circuits (IC). Sungguh, dengan pengembangan chip mikroporsesor, seluruh komputer dapat diimplementasikan pada satu papan rangkaian tercetak (PCB). Teknologi ini tidak hanya mengurangi ukuran fisik, namun juga dapat mengurangi konsumsi daya serta rata-rata kegagalan. 3.2 DASAR-DASAR DIGITAL Pekerjaan untuk meahami aplikasi dari teknik digital pada kontrol proses memerlukan sebuah dasar mengenai elektronika digital dasar. Desain dan implementasi dari sistem logika kontrol dan sistem kontrol mikrokomputer memerlukan pemahaman mendalam yang hanya dapat diperoleh setelah melewati kursus yang berkaitan dengan hal tersebut. Dalam tulisan ini, kami harap untuk para pembaca memiliki latar belakang yang cukup sehingga dapat menyadari fitur penting dari desain elektronika digital dan aplikasinya pada kontrol proses. 33

2 3.3.1 Detektor Kesalahan Penggunaan teknik digital dalam kontrol proses memerlukan pengukuran variabel dinamik dan informasi yang dikodekan ke dalam suatu bentuk digital. Sinyal digital sendiri merupakan level dua keadaan (biner) dari tegangan pada suatu kabel. Kemudian kita membahas informasi digital sebagai kondisi high (H atau 1) atau kondisi rendah (L atau 0) pada suatu kabel yang membawa sinyal digital. WORD DIGITAL Diberikan suatu informasi biner yang sederhana yang dibawa oleh sinyal digital, sangatlah jelas bahwa suatu penyusunan yang lebih kompleks harus digunakan untuk menyatakannya ke dalam bentuk analog. Pada umumnya, hal ini dilakukan dengan mempergunakan suatu susunan level digital untuk menyusun suatu word. Level digital tunggal disebut sebagai bit suatu word. Misalnya, suatu word 6-bit terdiri 6 level digital yang tidak bergantung satu sama lain yaitu yang bisa dianggap sebagai bilangan 6 digit dengan basis dua. Pertimbangan yang utama adalah bagaimana informasi kontrol proses didekodekan ke dalam word digital ini. BILANGAN BULAT DESIMAL Salah satu hal umum untuk mengkodekan data analog ke dalam suatu word digital adalah mempergunakan perhitungan langsung representasi desimal (basis 10) dan biner. Prinsip dari hal ini dibahas dalam Lampiran A-2 bersama-sama dengan representasi oktal dan heksadesimal. BILANGAN HEXA DAN OKTAL Sangatlah tidak praktis bagi manusia untuk bekerja dengan word digital yang diekspresikan sebagai angka dalam representasi biner. Untuk alasan inilah dipergunakan representasi oktal (basis 8) atau heksadesimal (basis 16, disebut hex) yang dijelaskan dalam Lampiran A-2. Bilangan oktal terbentuk dari pengelompokan tiga digit biner, dimana adalah 0 8 dan adalah 7 8. Sehingga sebuah bilangan biner adalah ekivalen dengan Bilangan heksadesimal diperoleh secara mudah dari pengelompokan empat digit biner, sehingga adalah 0h dan adalah FFh. Huruf h kecil dipergunakan untuk menandakan suatu bilangan heksadesimal daripada penggunaan subskrip 16. Perlu diingat bahwa urutan penghitungan heksadesimal adalah 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, dan F yang mencakup semua kondisi yang mungkin. Karena mikrokomputer seringkali mempergunakan word 4-bit, 8-bit, atau 16- bit, notasi heksadesimal sangat sering dipergunakan. Di dalam heksadesimal, sebuah angka biner seperti dapat ditulis sebagai B6h Bilangan Biner Pecahan Meskipun jarang dipergunakan, sangatlah mungkin untuk menentukan sebuah bilangan biner pecahan dengan cara yang sama seperti bilangan bulat hanya dengan mempergunakan 1 dan 0 dari sistem perhitungan. Bilangan semacam itu, seperti dalam kerangka kerja desimal, merepresentasikan pembagian dari sistem perhitungan yang menghasilkan nilai kurang dari satu. Dimana N 10 b 1 b 2... b m-1 b m N 10 = b b b m 2 -m (3-1) = bilangan basis 10 kurang dari satu = bilangan basis 2 kurang dari satu 34

3 m = jumlah digit dalam bilangan basis 2 Konversi suatu bilangan basis 10 yang kurang dari 1 menjadi ekivalen biner malewati suatu prosedur dimana dilakukan perkalian berulang dengan 2. Hasil dari masing-masing perkalian akan menjadi bagian pecahan dan termasuk bagian bulat 1 dan 0, yang menentukan apakah digit tersebut adalah 0 dan 1. Perkalian pertama menghasilkan bit b 1, sedangkan terakhir perkalian terakhir yang maenghasilkan 0 atau 1 adalah untuk bit b m Aljabar Boolean Di dalam dunia industri, suatu kondisi analog hadir secara relatif terhadap pengaruh internal dan eksternal pada proses manufakturing, dan ketika kita mengendalikan sebuah proses kita sedang mengajari suatu respon sistem kontrol pada harga observasi benar/salah. Pengajaran ini dapat terdiri dari desain rangkaian elektronik yang secara logis (logically) dapat mengevaluasi kondisi harga benar/salah dan menentukan beberapa aksi kondisi awal yang sesuai. Untuk mendesain sistem elektronik semacam itu, pertama-tama kita harus dapat mengekspresikan input secara matematis, evaluasi logika, dan output yang berhubungan. Aljabar Boolean adalah sebuah prosedur mateematis yang memungkinkan kombinasi kondisi benar/salah dalam bermacam operasi logika sehingga konklusi dapat diturunkan. Untuk mencapai tujuan ini, kita tidak memerlukan keahlian dalam teknik Boolean tidak lebih hanya suatu pendekatan dengannya untuk mengaplikasikannya pada lingkungan kontrol proses. Sebelum sebuah permasalahan khusus di dalam industri dapat diimplementasikan dengan menggunakan elektronika digital, permasalahan ini harus dianalisa di dalam bentuk yang sesuai dengan sifat biner dari teknik digital. Secara umum, hal ini dilakukan dengan menyatakan permasalahan di dalam bentuk suatu kondisi harga benar/salah yang harus diaplikasikanuntuk menurunkansejumlah hasil yang diinginkan. Harga-harga kondisi ini kemudian dinyatakan ke dalam bentuk satu atau lebih persamaan Boolean. Kita akan melihat di dalam subbab berikutnya bahwa persamaan Boolean sudah dalam bentuk yang siap diimplementasikandengan rangkaian logika yang ada. Pendekatan matematis dari aljabar Boolean membantu kita untuk menulis sebuah ekspresi analitis untuk merepresentasikan ketentuan tersebut. Gambar 3.1 Kondisi untuk aplikasi contoh SubBab

4 Mari kita anggap sebuah contoh sederhana bagaimana persamaan Boolean dapat dihasilkan dari suatu permasalahan praktis. Anggap sebuah tangki pencampur yang memiliki tiga variabel yang penting: level cairan, tekanan, dan temperatur. Permasalahan adalah dimana kita harus memberi sinyal sebuah alarm ketika kombinasi tertentu dari kondisi yang terjadi di antara variabel-variabel ini. Dengan melihat Gambar 3.1, kita notasikan level dengan A, tekanan dengan B, dan temperatur dengan C, dan anggap bahwa nilai batas telah diberikan untuk masing-masing variabel sehingga variabel Boolean 1 atau 0 sebagai kuantitas fisik di atas atau di bawah nilai batas. Alarm akan dipicu ketika variabel Boolean D menuju ka kondisi logika true. Kondisi alarm adalah: 1. Level rendah dengan tekanan tinggi. 2. Level tinggi dengan temperatur tinggi. 3. Level tinggi dengan temperatur rendah dan tekanan tinggi. Sekarang kita menentukan sebuah ekspresi Boolean yang akan memberikan D = 1 untuk masing-masing kondisi 1. D = A B akan memberikan D = 1 untuk kondisi (1). 2. D = A C akan memberikan D = 1 untuk kondisi (2). 3. D = A C B akan memberikan D = 1 untuk kondisi (3). Persamaan logika akhir dihasilkan oleh menggabungkan semua ketiga kondisi tersebut sehingga jika ada yang berlogika benar (true) alarm akan berbunyi (D = 1). Hal ini dapat digunakan dengan operasi OR D = A B + A C + A C B (3-2) Sekarang, persamaan ini akan membentuk langkah awal untuk mendesain rangkaian elektronika digital yang akan melakukan operasi yang ditunjukkan Elektronika Digital Blok elektronika pembangun dari elektronika digital didesain untuk bekerja pada level biner yang muncul pada jalur sinyal digital. Blok pembangun yang dimaksud berdasar pada beberapa tipe rumpun rangkaian elektronika, seperti yang dibahas dalam Lampiran A-2, yang memiliki ketentuan spesifik mengenai suplai daya dan level tegangan dari kondisi 1 dan 0. Strukur dasar melibatkan penggunaan logika AND/OR dan logika NAND/NOR untuk mengimplementasikan persamaan Boolean. CONTOH Kembangkan sebuah rangkaian digital dengan menggunakan gerbang AND/OR yang mengimplentasikan persamaan yang dikembangkan dalam SubBab SOLUSI Masalah yang diragakan dalam SubBab (dengan Gambar 3.1) memiliki sebuah solusi persamaan Boolean D = A B + A C + A C B (3-2) 36

5 Implementasi persamaan ini dengan mempergunakan erbang AND/OR yang diperlihatkan dalam Gambar 3.2. Perlu diketahui bahwa AND, OR, dan inverter dipergunakan dalam implementasi yang jelas dari persamaan ini. Gambar 3.2. Solusi untuk Contoh diatas 3.3 KONVERTER Alat bantu digital yang paling penting untuk teknologi kontrol proses adalah yang menerjemahkan informasi digital ke bentuk analog dan juga sebaliknya. Sebagian besar pengukuran variabel-variabel dinamik dilakukan oleh piranti ini yang menerjemahkan informasi mengenai vaiabel ke bentuk sinyal listrik analog. Untuk menghubungkan sinyal ini dengan sebuahkomputer atau rangkaian logika digital, sangat perlu untuk terlebih dahulu melakukan konversi analog ke digital (A/D). Hal-hal mengenai konversi ini haris diketahui sehingga ada keunikan, hubungan khusus antara sinyal analog dan digital. Seringkali, situasi yang sebaliknya terjadi dimana sinyal digital diperlukan untuk menggerakkan sebuah piranti analog. Dalam hal ini, diperlukan sebuah konverter digital ke analog (D/A) Komparator Bentuk komunikasi yang paling mendasar antara wujud digital dan analog adalah piranti (biasanya berupa IC) disebut komparator. Piranti ini, yang diperlihatkan secara skematik dalam Gambar 3.4, secara sederhana membandingkan dua tegangan pada kedua terminal inputnya. Bergantung pada tegangan man yang lebih besar, outputnya akan berupa sinyal digital 1 (high) atau 0 (low). Komparator ini digunakan secara luas untuk sinyal alarm ke komputer atau sistem pemroses digital. Elemen ini juga merupakan satu bagian dengan konverter analog ke digital dan digital ke analog yang akan didiskusikan nanti. Gambar 3.4 Sebuah komparator merubah keadaan logika output sesuai fungsi tegangan input analog 37

6 Sebuah komparator dapat tersusun dari sebuah opamp yang memberikan output terpotong untuk menghasilkan level yang diinginkan untuk kondisi logika (+5 dan 0 untuk TTL 1 dan 0). Komparator komersil didesain untuk memiliki level logika yang dperlukan pada bagian outputnya Konverter Digital ke Analog (DAC) Sebuah DAC menerima informasi digital dan mentransformasikannya ke dalam bentuk suatu tegangan ananlog. Informasi digital adalah dalam bentuk angka biner dengan jumlah digit yang pasti. Khususnya ketika dipergunakan sebagai penghubung dengan sebuah komputer, angka biner ini disebut word biner atau word komputer. Digit-digit tersebut disebut bit word. Sehingga, sebuah word 8 bit akan memberikan sebuah angka biner yang memiliki delapan digit, seperti Konverter D/A mengonversi sebuah word digital ke dalam sebuah tegangan analog dengan memberikan skala output analog berharga nol ketika semua bit adalah nol dan sejumlah nilai maksmum ketika semua bit adalah satu. Hal ini dapat direpresentasikan secara matematis dengan memperlakukan angka biner sebagai angka pecahan. Dalam konteks ini, output dari konverter D/A dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan (3.1) yang memberikan skala dari sejumlah tegangan referensi. V x = V R [b b b n 2 n ] (3-3) Dimana V x = output tegangan analog V R = tegangan referensi b 1 b 2... b n = word biner n-bit Perlu diketahui bahwa minimum dari V x adalah nol, dan harga maksimum ditentukan oleh ukuran dari word biner, karena dengan semua bit yang diset berharga satu, ekivalen desimal mendekati harga V R sesuai dengan peningkatan jumah bit. Sehingga sebuah word 4-bit memiliki harga maksimum V max = V R [ ] = V R Sedangkan sebuah word 8-bit mamiliki harga maksimum V max = V R [ ] = V R RESOLUSI KONVERSI Resolusi konversi juga merupakan sebuah fungsi jumlah dari bit-bit yang ada dalam word. Lebih banyak bit, lebih kecil perubahan di dalam output analog untuk perubahan 1-bit di dalam word biner sehingga resolusi semakin besar. Perubahan terkecil yang mungkin terjadi secara sederhana dinyatakan oleh V x = V R 2 n (3-4) Dimana V x = perubahan output terkecil V R = tegangan referensi n = jumlah bit-bit di dalam word sehingga, sebuah konverter D/A word 5-bit dengan tegangan revferensi 10 volt akan menghasilkan perubahan sebesar V x = (10) (2 5 ) = volt per volt. 38

7 Gambar 3.6 Diagram yang memperlihatkan input dan output dari konverter digital ke analog (DAC) n-bit. KARAKTERISTIK DAC Untuk aplikasi modern hampir semua DAC berupa rangkaian terintegrasi (IC), yang diperlihatkan sebagai kotak hitam memiliki karakteristik input dan output tertentu. Dalam Gambar 3.6, kita lihat elemen penting dari DAC dengan input dan output yang diinginkan. Karakteristik yang berkaitan dapat diringkas oleh referensi dari gambar ini. 1. Input Digital. Secara khusus, jumlah bit dalam sebuah word biner paralel disebutkan di dalam lembar spesifikasi. Biasanya, level logika TTL dipergunakan kecuali dikatakan lain. 2. Catu Daya. Merupakan bipolar pada level ± 12 V hingga ± 18 V seperti yang dibutuhkan oleh amplifier internal. 3. Suplai Referensi. Diperlukan untuk menentukan jangkauan tegangan output dan resolusi dari konverter. Suplai ini harus stabil, memiliki riple yang kecl. Dalam beberapa unit, diberikan referensi internal. 4. Output. Sebuah tegangan yang merepresentasikan input digital. Tegangan ini berubah dengan step sama dengan perubahan bit input digital dengan step yang ditentukan oleh Persamaan (3-4). Output aktual dapat berupa bpolar jika konverter didesain untuk menginterpretasikan input digital negatif. 5. Offset. Karena DAC biasanya diimplementasikan dengan op-amp, maka mungkin adanya tegangan output offset dengan sebuah input nol. Secara khusus, koneksi akan diberikan untuk mendukung pengesetan ke harga nol dari output DAC dengan input word nol. 6. Mulai konversi. Sejunlah rangkaian DAC memberikan sebuah logika input yang mempertahankan konversi dari saat terjadinya hingga diterimanya sebuah perintah logika tertentu (1 atau 0). Dalam ini, word input digital diabaikan hingga diterimanya input logka tertentu. Dalam sejumlah hal, sebuah buffer input diberikan untuk memegang (hold) word digital selama dilakukannya konversi hingga selesai, bahkan word ini sendiri dapat muncuk pada jalur input hanya dalam waktu singkat. Buffer-buffer ini biasanya 39

8 berupa flip-flop (FF) yang yang dimasukkan di antara terminal-terminal input dari konverter dan jalur digital. STRUKTUR DAC Jelasnya, sebuah DAC dipergunakan sebagai kotak hitam (black box), dan tidak ada pengetahuan mengenai cara kerja internal diperlukan. Ada beberapa hal penting ntuk menunjukkan bagaimana konversi dapat diimplementasikan. Konversi yang paling sederhana mempergunakan sebuah suatu deretan op-amp ntuk input dengan tujuan dipilih penguatan yang memberikan suatu output sesuai dengan Persamaan (3-3). Macam yang paling umum adalah mempergunakan sebuah jaringan ladder resistif untuk menghasilkan fungsi transfer. Jaringan ini diperlihatkan dalam Gambar 3.7 dalam hal konverter 4-bit. Dengan pilihan resistor R-2R, dapat diperlihatkan malaui analisis jaringan dimana teganganoutput diberikan oleh Persamaan (3-4). Saklar merupakan saklar analog elektronik. Gambar 3.7 Jaringan ladder merupakan suatu contoh untuk sebuah rangkaian umum untuk konverter D/A. DAC SERIAL Dalam sejumlah kasus, word digital merupakan tipe serial pada jalur input selain bit paralel. Dalam hal ini, diperlukan baik konverter serial maupun konverter serial ke paralel, dengan output bufer Konverter Analog ke Digital (ADC) Meskipun ada beberapa transduser yang memberikan output sinyal digital secara langsung dan sdang dikembangkan, sebagian besar transduser tetap hanya mengkonversi variabel dinamik ke dalamsebuah sinyal lsitrik analog. Dengan peningkatan penggunaan logika digital dan komputer di dalam kontrol proses, sangat [erlu untuk mempergunakan sebuah DAC untukmenhasilkan sebuah output yang dikodekan secara digital. Fungsi transfer dari ADC dapat diekspresikan dengan cara yang sama denga Persamaan (3-3) dalam sejumlah tegangan analog yang diberikan sebagai nput, dan konverter mendapatkan sebuah bilangan biner yang jika disubstitusikan ke dalam Persamaan (3-3) memberikan input analog. Sehingga 40

9 V x = V R [b b b n 2 n ] (3-5) Dimana V x = input tegangan analog V R = tegangan referensi b 1 b 2... b n = output digital n-bit Kita mempergunakan kesamaan pendekatan dalam ersamaan ini karena tegangan di sebelah kanan dapat berubah oleh ukuran step yang terbatas oleh Persamaan (3-4), V = V R 2 n (3-4) Hal ini berarti bahwa ada ketidakpastian dari V di dalam melakukan konversi dari tegangan analog ke snyal digital. Ketidakpastian ini harus diambil ke dalam perhitungan di dalam aplikasi desain. Jika permasalahan sesuai dengan pertimbangan menentukan suatu resolusi tertentu terhadap tegangan analog, maka ukuran word dan referensi harus dipilih ntuk mendapatkan resolusi ini dalam bilangan yang dikonversikan ke bilangan digital. STRUKTUR A/D Hampir semua ADC yang tersedia dalam bentuk rakitan rangkaian terintegrasi (IC) yang dapat dianggap sebagai kotak hitam (black box). Untuk dapat benar-benar mengenal karakteristik dari piranti ii, sangatlah penting untuk memeriksa teknik standar yang dipergunakan untuk melakukan konversi. Ada dua metoda yang dipergunakan untuk melakukan konversi yang merepresentasikan pendekatan yang sangat berbeda untuk permasalahan konversi. ADC PARALEL FEEDBACK Konverter A/D paralel-feedback menerapkan sistem umpan balik (feedback) untuk melakukan konversi seperti diperlihatkan pada Gambar 3.8. Pada dasarnya, sebuah komparator dipergunakan untuk membandingkan tegangan input V x terhadap sebuah tegangan umpan balik V P yang berasal dari sebuah DAC seperti tampak dalam gambar. Komparator menghasilkan sinyal yang menggerakkan sebuah jaringan logika yang menaikkan output digital (dan juga input DAC) hingga komparator mengindikasikan dua sinyal adalah sama sesuai resolusi dari konverter. Konverter paralel-feedback yang paling populer adalah pendekatan successive. Pada piranti ini, susunan rangkaian logika dibuat secara successive dan menguji setiap bit, dimulai dengan bit paling penting (MSB) dari word. Kita memulainya dengan semua bit nol. Dari sini, operasi pertama adalah dengan mengeset b 1 = 1 dan menguji V F = V R 2 1 terhadap V x melalui komparator. 41

10 Gambar 3.8 Konverter A/D tipe pendekatan successive sangat umum digunakan dan melibatkan penggunaan konverter D/A. Jika V x lebih besar, maka b 1 adalah satu; b 2 diset ke 1 dan dilakukan test bagi V x terhadap V V = V R ( ), dan seterusnya. Jika V x lebih kecil dari V R 2 1, maka b 1 direset ke nol; b 2 diset ke 1 dan dilakukan test bagi V x terhadap V R 2 2. Proses ini diulang hingga bit terendah (least significant bit) dari word. Operasi yang terjadi paling baik diilustrasikan melalui contoh. A/D RAMP Konverter A/D tipe ramp pada intinya membandingkan tegangan input terhadap tegangan ramp yang naik secara linier. Sebuah pencacah (counter) biner diaktifkan untuk mencacah step ramp sampai tegangan ramp sama dengan input. Ramp ini sendiri dihasilkan oleh sebuah rangkaian integrator op-amp, yang didiskusikan dalam SubBab Gambar 3.9 Konverter A/D slope ganda mempergunakan integrator op-amp, komparator, dan rangkaian digital yang berkaitan. 42

11 A/D RAMP SLOPE GANDA ADC ini merupakan tipe yang paling umum dari konverter ramp. Diagram yang disederhanakan dari piranti ini diperlihatkan pada Gambar 3.9. Prinsip kerjanya berdasar pada kemampuan sinyal input untuk menggerakkan integrator untuk waktu tetap T 1, sehingga menghasilkan sebuah output 1 V 1 = V x dt (3-6) RC atau karena V x adalah konstan, 1 V T x RC V 1 = 1 (3-7) Setelah waktu T 1, input integrator secara elektronis tersaklar pada suplai referensi yang bernilai negatif. Kemudian komparator melihat sebuah tegangan input yang berkurang dari V 1 sebagai 1 V2 = V1 V R dt (3-8) RC atau, karena V R adalah konstan dan V 1 diperoleh dari Persamaan (3-7), 1 1 V2 = T1V x t VR (3-9) RC RC sebuah pencacah diaktifkan pada waktu T 1 dan mencacah hingga komparator mengindikasikan V 2 = 0 pada waktu t x, Persamaan (3-9) mengindikasikan bahwa V x sebesar V t x x = VR (3-10) T1 Sehingga, waktu pencacah t x adalah linier terhadap V x dan juga tidak bergantung pada karakteristik integrator, yaitu R dan C. Prosedur ini diperlihatkan dalam diagram waktu pada Gambar 3.10 konversi dimulai sinyal digital konversi mulai (start) dan selesai (complete) jugadipergunakan dalam piranti ini, dan (dalam beberapa kasus) referensi internal atau eksternal dapat dipergunakan. Gambar 3.10 Konverter A/D slope ganda mencacah waktu yang diperlukan untuk zero crossing output integrator dari sebuah input yang diketahui. KARAKTERISTIK UMUM Sejumlah besar fitur umum yang mungkin dimiliki oleh konverter A/D, yang penting dalam aplikasi: 43

12 1. Input. Biasanya berupa level tegangan analog. Level yang paling umum adalah 0 10 volt atau 10 hingga +10 jika dimungkinkan konversi bipolar. Dalam beberapa kasus, level ditentukan oleh sebuah referensi suplai eksternal. 2. Output. Sebuah word biner paralel atau serial yang merupakan hasil pengkodean input analog. 3. Referensi. Stabil, sumber dengan ripple kecil terhadap konversi. 4. Suplai Daya. Biasanya, sebuah suplai bipolar ±12 hingga ±18 V diperlukan untuk amplifier analog dan komparator dan sebuah suplai +5 V untuk rangkaian digital. 5. Input Sample and Hold. Error timbul jika tegangan inputberubah selama proses konversi. Untuk alasan ini, sebuah amplifier sample and hold selalu dipergunakan pada input untuk memberikan sebuah tegangan input tetap ntuk proses konversi. 6. Sinyal digital. Sebagian besar ADC memerlukan sebuah logika input tinggi pada jalur yang diberikan untukmenginisialisasi proses konversi. Ketika konversi selesai, ADC biasanya memberikan sebuah level tegangan tinggi pada jalur lainnya sebagai indikator untuk mengikuti perlengkapan status. 7. Waktu konversi. ADC harus berurutan melalui sebuah set operasi sebelum dapat menemukan output digital yang diinginkan. Untuk alasan ini, sebuah bagian penting dari spesifikasi adalah waktu yang diperlukan untuk konversi. Waktu adalah µs bergantung pada jumlah bit dan desain dari konverter. 3.4 SISTEM OUTPUT DAN AKUISISI DATA Sebuah komputer digital dapat melakukan sejumlah besar perhitungan dalam hitungan detik, karena waktu tipikal yang diperlukan untuk mengeksekusi satu instruksi dapat hanya beberapa mikrodetik. Sebagai contoh, sebuah mikroprosesor dapat menjumlakan dua bilangan biner 8-bit dalam waktu 2 µs. sebaliknya, sebagian besar instalasi kontrol proses melibatkan variasi variabel proses dengan skala waktu hitungan menit. Untuk alasan ini dan alasan lainnya yang dibicarakan dalam Bab 10, penggunaan efisien dari komputer dalam kontrol proses dimaksudkan agar sebuah komputer tunggal dapat mengendalikan sejumlah variabel. Untuk melakukan hal ini, secara periodik komputer akan mengambil sampel harga dari masing-masing variabel, mengevaluasi harga tersebut sesuai denganoperasi kontrol terprogram, dan mengeluarkan output sebuah sinyal pengontrol yang sesuai untuk elemen kontrol final. Di bawah kontrol program, komputer memilih variabel terkontrol lainnya, mengambil sampel, mengevaluasi, dan menghasilkan output, dan begitu seterusnya untuk sema loop di bawah kontrol tersebut. Mengambil sebuah sampel angka dari dnia nyata ke dalam komputer tidaklah mudah. Hal ini membutuhkan sebuah kombinasi hardware dan software (program) untuk memungkinkan bagi komputer membaca bilangan yang merepresentasikan sejumlah variabel proses, seperti temperatur, tekanan, dan lain-lain. Keseluruhan proses melakukan hal ini, dan mengembalikannya sebagai output, semuanya ini disebut interface. Sekarang, seseorang daat mengambil sebuah ADC dan beberapa amplifier yang perlu dan menulis sebuah program yang diperlukan untuk bekerja bersama-sama dengan sebuah interface untuk sejumlah komuter untuk sebuah aplikasi proses. jika komputer dipergunakan untukmengendalikan beberapa loop, kita akan memerlukan sistem tersebut untuk masing-masing variabel sebagai input. Selain itu, untuk mengambil input kita dapat mempergunakan sebauh sistem akuisisi data (Data Acquisition System DAS) yang memungkinkan lebih dari satu variabel untuk diambil sampelnya dari beberapa sumber untuk dimasukkan ke dalam komputer dengan 44

13 pemrograman yang sesuai. Begitu juga, sebuah modul output data (Data Output Module DOM) memungkinkan komputer untuk mengeluarkan sinyal output untuk lebih dari satu sumber di bawah kontrol program. 3.5 Sistem Akuisisi Data (DAS) Ada banyak tipe yang berbeda dari sistem akuisisi data, namun sangatlah mungkin untuk generalisasi elemen paling pentingnya seperti diperlihaktan pada Gambar Paragraf di bawah menyajikan deskripsi umum dari masing-masing blok dari DAS. Perlu diketahui bahwa hampir semua sistem akuisisi data tersedia dalam bentuk modul kecil yang berisi rangkaian-rangkaian yang diperlihatkan dalam Gambar Pada umumnya, modul menerima sejumlah input analog, yang disebut kanal (channel), baik sebagai sinyal tegangan differensial (dua kawat two wire) maupun sinyal tegangan tunggal (terhadap ground). Secara khusus, sebuah sistem dapat memiliki delapan kanal input differensial atau enam belas kanal input tunggal. Kemudian komputer dapat memilih salah satu dari kanal-kanal tersebut dibawah kontrol program untuk input data di dalam kanal. Gambar 3.12 Sistem akuisisi data DEKODER ALAMAT Bagian dari DAS ini menerima sebuah input dari komputer melalui jalur alamat (16 bit untuk mikroprosesor 8-bit) yang berfungsi memilih sebuah kanal analog tertentu yang akan diambil sampelnya. Modul iniseringkali didesain sedemikian rupa sehingga gabungan dari kanal tertentu dan sebuah word alamat komputer dapat dipilih oleh pemakai (user). Dalam beberapa hal, hal ini dilakukan dengan membuat alamat kanal modul muncul pada komputer sesuai dengan alamat lokasi memori, hal ini terkadang dipilih sejmlah kanal input analog. Dengan kata lain, pemilihan kanal input adalah ekivalen dengan pembacaan isi dari sebuah lokasi memori. Dalam sistem yang lain, sebuah kode biner dikirim dari komputer melalui piranti khusus input/ output untuk memilih sebuah kanal analog dan memasukkan data melalui kanal tersebut. Dalam hal ini, pemilihan kanal dilakukan oleh sesuatu yang disebut piranti pemilih kode (device select code). 45

14 MULTIPLEKSER ANALOG Elemen DAS ini pada dasarnya sebuah saklar yang mengambil sinyal alamat yang dikodekan dan memilih data pada kanal yang terpilih dengan penutupan sebuah saklar yang terhubung pada jalur input analog. Seperti diperlihatkan pada Gambar 3.13 untuk sebuah sistem akhiran tunggal, multiplekser menerima sebuah input dari dekoder alamat dan mempergunakannya untuk menutup saklar yang sesuai memasukkan sinyal kanal yang akan dilewatkan pada tahap berikutnya dari DAS. Gambar 3.13 memperlihatkan kanal 2 yang telah dipilih, yang mungkin telah dipilih oleh sebuah 10 pada jalur input. Dengan cara yang sama, 00 akan memilih kanal 0, 01 kanal 1, 10 kanal 2, dan 11 kanal 3. sehingga, dekoder alamat harus mengkonversi jalur alamat komputer pada salah satu dari empat kemungkinan tersebut ketika DAS telah dialamatkan oleh komputer. Elemen saklar aktual biasanya berupa Transisto Efek Medan (FETs) yang berada pada posisi resistansi on beberapa ratus ohm dan sebuah resistansi off ratusan hingga ribuan megaohm. Gambar 3.13 Multiplekser analog empat kanal AMPLIFIER Hampir semua sistem akuisisi data meliputi sebuah bati penguatan yang memungkinkan pengguna (uaser) untuk mengkompensasi level sinyal input. Gabungan ADC umumnya didesain untuk beroperasi dari sebuah jangkauan input unipolar definit atau bipolar sehinggalevel input harus disetel pada daerah ini. Sehingga jika input sinyal ADC harus berada pada jangkauan 0 hingga 5 volt, penguatan dengan suatu bati menjamin bahwa input berada dalam daerah ini. Jika ada perbedaan besar antara bermacam level sinyal input, sejumlah pengkondisian snyal mungkin diperlukan sinyal diberikan pada DAS. ADC Tentu saja, sebuah bagian penting dari DAS adalah konverter analog ke dgital. Konverter ini akan menerima tegangan dengan rentang jangkauan tertenu seperti yang diberikan oleh pengkondisian sinyal yang mendahuluinya. Konverter biasanya dapat dikonfigurasi untuk menerima input unipolar atau bipolar. Hal-hal seperti penyetelan offset dan penyetelan skala penuh harus dilakukan. 46

15 3.6 Modul Output Data (DOM) Paragraf sebelumnya mendeskripsikan sistem yang dipergunakanuntikmemasukkan data ke komputer. Umumnya, hal ini adalah sebuah variabel kontrol proses yang terkontrol. Baik dalam kontrol pengawasan (supervisory control) atau kontrol digital langsung (direct digital control), juga diperlukan untuk memberikan sebuah mekanisme dimana komputer dapat menghasilkan output sebuah sinyal baik sebagai penyetelan setpoint atau kepada elemen kontrol akhir. Antarmuka (interface) jenis ini dibuat untuk sistem beberapa kanal oleh Modul Output Data (Data Output Module DOM). Blok umum dari piranti ini diberikan dalam Gambar Tujuan mum dari dekoder alamat adalah sama dengan DAS, yaitu memungkinkan komputer untuk memilih sebuah kanal output tertentu. Dalam hal ini, komputer menuliskan informasi ke dalam sebuah lokasi memori atau alamat output yang dikonversikan ke sebuah tegangan analog oleh DAC. Kita mempergunakan sebuah demultiplekser yang dapat mensaklar output dari DAC ke dalam salah satu dari word data output yang berada dalam jalur data untuk beberapa mikrodetik. Pengunci (latch) menahan (hold) data ini cukup lama untuk konversi dan aplikasi dalam loop kontrol proses. Kanal output analog Jalur data komputer Multiplekser Analog Dekoder Alamat Jalur kontrol Jalur data komputer Pengunci input DAC V ref Gambar 3.14 Modul data output 47