ANALISA DAN SIMULASI BANDPASS FILTER CHEBYSHEV UNTUK FETAL DOPPLER MENGGUNAKAN TOOLS MENTOR GRAPHICS

Transkripsi

1 No Makalah : 095 Konferensi Nasional Sistem Informasi 0, STMIK - STIKOM Bali 3-5 Pebruari 0 ANALISA DAN SIMULASI BANDPASS FILTER CHEBYSHEV UNTUK FETAL DOPPLER MENGGUNAKAN TOOLS MENTOR GRAPHICS Desy Kristyawati, Dyah Nur ainingsih Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Gunadarma Jl. Margonda Raya 00 Depok 644 desy_kristyawati@staff.gunadarma.ac.id, dyahnur@staff.gunadarma.ac.id Abstrak Fetal Doppler merupakan alat pendeteksi jantung bayi dalam kandungan. Dapat diketahui bahwa detak jantung bayi dalam kandungan dalam keadaan normal berada dalam kisaran 0-40 detak per menit. Maka untuk memisahkan frekuensi detak jantung bayi dengan frekuensi detak jantung ibu, digunakan bandpass filter. Dari hasil perhitungan kisaran detak jantung bayi dalam kandungan maka dapat diperoleh frekuensi detak -3 Hz. Untuk menyaring frekuensi tersebut digunakan bandpass filter. Dilakukan percobaan dengan menggunakan jenis filter yaitu bandpass filter Chebyshev. Kemudian hasil perhitungan secara teori akan disimulasikan menggunakan tools Mentor Graphic. Kata Kunci : Bandpass filter, Op Amp, Frekuensi, Mentor Graphic. Pendahuluan Fetal Doppler merupakan alat pendeteksi jantung bayi dalam kandungan.. Belakangan ini harga Doppler yang paling murah,5 juta rupiah. Sedangkan Doppler yang bisa sekaligus mencetak harganya sekitar 40 juta. Oleh karena itu maka dibuat alat lebih murah dengan menggunakan komponen yang lebih sedikit. Dimana komponen-komponen yang telah dirancang akan di fabrikasi sehingga mendapatkan Fetal Doppler yang secara fisik lebih kecil [7]. Disini penulis membahas tentang perancangan filter dengan menggunakan bandpass filter Chebyshev. Untuk mengetahui hasil rancangan yang terbaik yang akan digunakan Fetal Doppler. Dari hasil penelitian sebelumnya diketahui bahwa detak jantung bayi dalam kandungan yang normal berkisar antara 0-40 detak per menit [6]. Cara mendengarkan detak jantung bayi dalam kandungan yang nyaris tidak terdengar disini adalah dengan menggunakan stetoskop. Tetapi kendalanya apabila menggunakan steteskop adalah suara yang ditangkap oleh stetoskop masih bercampur antara detak jantung ibu dan janin. Dengan menggunakan data detak jantung bayi dalam kandungan yang normal maka didapat bahwa frekuensi detak jantung bayi dalam kandungan berkisar antara -3 Hz[6]. Untuk memisahkan suara berdasarkan frekuensi maka digunakan bandpass filter. Dengan menggunakan rangkaian filter, memisahkan detak jantung berdasarkan rentang frekuensinya. Interferensi dari detak jantung ibu disingkirkan. Yang lolos ke tahap berikutnya hanya detak jantung janin[7]. 373 Masalah yang dibahas dalam penulisan ini adalah perancangan filter, dimana dalam perancangan ini digunakan bandpass filter Chebyshev[4]. Yang nantinya akan disimulasikan dengan menggunakan Mentor Grafik untuk mengetahui apakah hasil rancangan tersebut sesuai dengan perhitungan secara teori. Penulisan ini dibuat dengan tujuan:. Menghasilkan rancangan Bandpass Filter yang paling baik dengan hasil yang maksimal. Melakukan simulasi perancangan dilakukan dengan menggunakan Mentor Grafik sesuai dengan hasil perhitungan secara teori. Penelitian ini berguna untuk mengetahui hasil rancangan Bandpass Filter Chebyshev yang nantinya akan digunakan untuk merancang Fettal Doppler yang digunakan untuk menyaring frekuensi detak jantung janin dengan detak jantung ibunya.. Tinjauan Pustaka Transconductance CMOS OP-AMP (OTA) Fungsi op-amp pada ADC pipeline digunakan proses sample and hold (SHA) dan multiplying, syarat Spesifikasi op-amp pada ADC pipeline [Boaz.S.T,004] [J.Baker,998] [B.Razawi,00[Lisha.L,007][Xin Jiang,003][G.Palmisano,00]: Gain Open Loop (AoL) N+ V/V. Gain Open Loop (db) 0.Log N+ V/V. (.) Gain Close Loop (AcL) = V/V

2 Konferensi Nasional Sistem Informasi 0, STMIK - STIKOM Bali 3-5 Pebruari 0 Frekuensi Unity (ƒu) 0,(N + ) ƒclock. (.) Pada gambar diagram blok penyusun dua stage op-amp CMOS dan gambar rangkaian op-amp OTA, penguat differensial (M-4) menyediakan dua masukan membalik dan tak membalik dengan menyebabkan noise dan offset. Penguatan tinggi (high gain M6-7) hampir mirip dengan gerbang not bila opamp menggerakkan beban rendah maka diikuti oleh stage penyangga (buffer), arus bersama (IM5) disediakan oleh rangkaian cermin arus. Gambar 4. Grafik Gain AoL dan PM.[ Lisha.L,007] Semua op-amp mempunyai batasan pada jangkauan tegangan operasi kerjanya, batasan CMIR (common mode input range) adalah batasan skala jangkauan tiap masukan op-amp, diluar batasan tersebut menyebabkan keluaran distorsi atau terpotong, pada gambar 5. rangkaian uji CMR. Gambar. Blok diagram -Stage Op-Amp Transconductance. [J.Baker,998] Gambar 5. Rangkaian Uji CMR OP-AMP..[J.Baker,998] Gambar. Rangkaian -stage OP-AMP Transconductance. [J.Baker,998] Op-amp ideal mempunyai karakteristik, penguatan mode terbuka tak terhingga (AoL= ~), penguatan mode tertutup (Buffer= AcL) =, impedansi masukan tak terhingga (R IN = ~Ω), impedansi keluaran hampir sama 0 (R o 0Ω), Lebar pita penguatan (GBW=~), besar Vout = A V (V + -V-), dengan Av digunakan disain pada penguatan mode terbuka (AoL). Gambar.3 rangkaian uji AoL dan Phase margin dan gambar.33 hasil pengukuran nilai AoL dan PM. Filter [4] Filter adalah sebuah rangkaian yang dirancang agar melewatkan suatu pita frekuensi tertentu seraya memperlemah semua isyarat doluar pita ini. Jaringan-jaringan filter biasa bersifat aktif maupun pasif. Jaringan-jaringan filter pasif hanya berisi tahanan, inductor, dan kapasitor saja. Fiter-filter aktif menggunalan tyransistor atau op amp ditambah tahanan, inductor, dan kapasitor. Tetapi inductor jarang digunakan dalam filter-filter aktif, sebab ukurannya besar dan mahal dan bisa memiliki komponen-komponen bertahanan dalam yang besar. Dengan Filter kita dapat menyaring frekuensi yang kita inginkan, ada beberapa jenis filter, tetapi pada penulisan ini penulis menggunakan bandpass filter Chebyshev. Karakteristik Bandpass Filter sebagai berikut: Gambar 6. Bandpass Filter Gambar 3. Rangkaian Uji Karakteristik AoL dan PM.[J.Baker,998] 374

3 Konferensi Nasional Sistem Informasi 0, STMIK - STIKOM Bali 3-5 Pebruari 0 Gambar 7. Chebyshev Lowpass Filter Keuntungan:. Memerlukan orde yang lebih dari butterworth untuk memenuhi spesifikasi tertentu Kerugian:. Terdapat ripple pada Passband. Lebih sulit dirancang Ciri ciri dari Chebyshev:. W = akhir dan ripple untuk frekuensi setengah daya untuk chebyshev adalah whp cosh cosh n. Memiliki nilai redaman (attenuation) yang lebih besar dari butterworth 3. Nilai Q lebih besar 4. Karakteristik dari phasa bertambah sifat non linearitasnya 3. Metodologi Penelitian Tahap-tahap perancangan bandpass filter Butterworth dan bandpass filter Chebychev adalah sebagai berikut : Bandpass Filter Chebychev[4] Langkah-langkah perancangan BandPass Chebychev Ωs = Gambar 8. BandPass Chebychev 4 3 ωo = Q = b = ω ω o b Dikerjakan pada LowPass Chebychev terlebih dahulu 375 Gambar 9. LowPass Chebychev min/0 0 log max/ 0 0 n = logs Jika n ganjil terdapat kutub di 0. Setiap kutub terpisah dengan yang 80 lainnya dengan n 90 Jika n genap terdapat kutub di n Ωo = max/0 / 0 n Kutub dari LowPass S = S = S = o cos osin ocos osin orde S o o orde Algoritma Geffe o Orde : B Q Orde : C D C E 4 G E 4D

4 Konferensi Nasional Sistem Informasi 0, STMIK - STIKOM Bali 3-5 Pebruari 0 Q E G D Q k k k o o o Q o o o Q o Rangkaian BandPass Chebychev yang digunakan adalah menggunakan rangkaian Delyiannis & Friends seperti dibawah ini o Gambar 0. Rangkaian Delyiannis & Friends ( Sumber : Operational Amplifiers and Linier Integrated Circuits) Bandpass Filter Chebyshev 7. o k 8. o Q k 9. Rancang k Rangkaian BandPass Chebyshev yang digunakan adalah menggunakan rangkaian Delyiannis & Friends seperti gambar diatas. 4. Hasil dan Pembahasan Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui secara teori hasil perancangan filter yang telah dilakukan yaitu BandPass Filter Chebyshev. Yang nantinya hasil rancangan filter yang didapat akan digunakan untuk pembuatan alat Fetal Doppler. Digunakan filter Bandpass karena frekuensi yang akan diambil adalah frekuensi tertentu yang berkisar antara -3 hz berdasarkan perhitungan. Dari hasil rancangan yang didapat juga disimulasikan dengan menggunakan software Mentor Grafik yang apabila hasil rancangan yang dibuat sesuai dengan teori yang ada maka, kemudian dibuat secara fisik filter tersebut. Bandpass Filter Chebyshev -3 Hz[4] Perancangan dengan menggunakan Bandpass filter Chebyshev yang menyaring frekuensi - 3 Hz dengan menggunakan 0.µF. Langkah-langkah merancang Chebyshev:. n min/0 0 cosh max/0 0 cosh s / p. max/ whp cosh cosh n 4. Tentukan k untuk chebyshev 5. a sinh n 6. Tentukan kutub chebyshev k cosk sinh a s k k k sink cosh a Gambar. Kurva Chebyshev Bandpass Filter -3 Hz 0.5 3,4rad / s,566rad / s 3 8,850rad / s 5 3,46rad / s 3 rad/s 3 rad/s 9 rad/s 3 rad/s 376

5 Konferensi Nasional Sistem Informasi 0, STMIK - STIKOM Bali 3-5 Pebruari 0 Gambar. Kurva ω, rad/s Chebyshev Bandpass Filter -3 Hz b 9 3 6rad / s o 3*9 5.76rad / s 6rad / s 3 3 s 4, E wo B D.667 C G E 4D Gambar 3. Kurva Chebyshev Lowpass Filter -3 Hz 0 cosh 0 n cosh min/0 max/0 cosh /0 0.5 /0 s / p cosh / Q D k E G Q Untuk meminimalkan ripple maka harus didapatkan ε yang besar (0.349 ) hp cosh cosh n cosh cosh sinh a k cosk sinh a cos 45 sinh k sink cosh a sin 45 cosh k k o o rad / s rad s o o / Gambar 4. Blok Diagram Rangkaian Chebyshev Bandpass Filter -3 Hz s & s Orde : C Ti Q oi oi o Q 377

6 Konferensi Nasional Sistem Informasi 0, STMIK - STIKOM Bali 3-5 Pebruari 0 T T T B A B B A B 69B A jika B = 69 A Tabel.Hasil Nilai Komponen Chebyshev Bandpass Filter -3 Hz Komponen Rangkaian Rangkaian Ωo 3 9 Q Kf 3 9 R lama 69 & R lama Clama Cbaru 0.µF 0.µF Km R baru 7MΩ &0KΩ 69KΩ R baru 5.8MΩ 4MΩ Gambar 5. Rangkaian Chebyshev Bandpass Filter -3 Hz Gambar 6 adalah hasil simulasi dengan menggunakan tools Mentor Graphics. Tampak pada gambar bahwa terdapat riak/ripple pada pass band karena menggunakan bandpass chebyshev filter. Gambar 6.Simulasi Chebyshev Bandpass Filter -3 Hz 5. Kesimpulan Dari hasil uji coba dan pengambilan data Filter Chebyshev -3 Hz berdasarkan simulasi dapat disimpulkan :. Dengan menggunakan Chebyshev Filter lebih baik dan lebih efisien dalam pemakaian komponen.. Hasil simulasi yang dilakukan dengan menggunakan Mentor graphics sesuai dengan hasil perhitungan secara teori. Daftar Pustaka []. Depari, Ganti, Pokok Pokok Elektronika, MS, April 000. []. Robert, F. Coughlin and Frederick, F. Driscoll, Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits, Prentice-Hall. [3]. Sutrisno, Elektronika Teori dan Penerapannya, Penerbit ITB, 986. [4]. Tomlison,G.H, Electrical Networks and Filters Teory and Design, Prentice Hall Europe,99. [5]. Tooley,Mike, Electronic Circuits nd Edition,Elsevier Science Ltd England,995. [6]. art.phisiology.org/cgi/reprint/75/6/h993 [7]. [8]. Purnomo, Joko; Nur ainingsih, Dyah; Afandi, Hamzah; Prasetyo, Eri, 009 Disain Penguat Operasional (Op-amp) Dua Stage Untuk Aplikasi ADC Sigma Delta ( ) Dengan Kecepatan Tinggi Menggunakan CMOS Teknologi AMS 0,35µm. Industrial Electronics Seminar 009 of Electronics Engineering Polytechnic Institute of Surabaya. [9]. Baker, Jacob; Boyce, D. E., 998, CMOS Circuit Design, Layout and Simulation. IEEE Press on Microelectronic Systems. [0]. Xin Jiang, Sanghyun Seo and Yumin Lu, A CMOS Single Stage Fully Differential OP-Amp with 0 db DC Gain, EECS 43 Fall University of Michigan,