ALAT PENGGAMBAR TANGGAPAN MAGNITUDO TAPIS DALAM RENTANG FREKUENSI AUDIO Irwanto 1, Bambang Sutopo 2 1 Penulis, Mahasiswa S-1 Jurusan Teknik Elektro UGM 2 Dosen Pembimbing, Staf Pengajar di Jurusan Teknik Elektro UGM ABSTRACT Frequency response of analog filter consists of magnitude response and phase response. Magnitude response is reinforcement or dilution function of signal to frequency which is usually expressed in the form of graph. This graph can be obtained theoretically or practically. Theoretically, graph obtained by draw the Bode Plots of filter transfer function, while practically, graph can be obtained by this device. This device can yield magnitude response graph without need to know the transfer function of the filter. This device consist of sine generator, digital voltmeter, and parallel port interface with EPP 1.7 mode to interact with computer. The sine generator is a microntroller based system. The digital voltmeter consists of precission rectifier and ADC. Magnitude respons graph is displayed at computer and can be printed on a paper with printer. The software to display the graph is made with DELPHI 5.0. INTISARI Tanggapan frekuensi tapis analog terdiri dari tanggapan magnitudo dan tanggapan fase. Tanggapan magnitudo berupa fungsi penguatan atau pelemahan sinyal terhadap frekuensi yang biasanya dinyatakan dalam bentuk grafik. Grafik ini bisa diperoleh secara teori maupun praktek. Secara teori, grafik diperoleh dengan menggambar Bode Plots dari fungsi alih tapis, sedangkan secara praktek, grafik bisa diperoleh dengan alat ini. Alat ini bisa menghasilkan grafik tanggapan magnitudo tanpa perlu mengetahui fungsi alih tapis. Alat ini terdiri dari pembangkit sinus, pengukur tegangan digital, dan antarmuka port paralel dengan mode EPP 1.7 untuk berinteraksi dengan komputer. Pembangkit sinus yang digunakan adalah sistem berbasis mikrokontroler. Pengukur tegangan digital terdiri dari penyearah presisi dan ADC. Grafik tanggapan magnitudo ditampilkan pada komputer dan bisa dicetak pada kertas dengan printer. Perangkat lunak untuk menampilkan grafik dibuat dengan DELPHI 5.0. Kata kunci : grafik, mikrokontroler, pembangkit sinus, tapis 1. Pendahuluan Tapis (filter) adalah pengolah sinyal yang bergantung pada frekuensi. Tanggapan frekuensi tapis terdiri dari tanggapan magnitudo dan tanggapan fase. Tanggapan magnitudo berupa fungsi penguatan atau pelemahan sinyal terhadap frekuensi, sedangkan tanggapan fase berupa fungsi pergeseran fase terhadap frekuensi. Kedua tanggapan ini sering dinyatakan dalam bentuk grafik. Grafik tanggapan magnitudo bisa diperoleh secara teori maupun praktek. Secara teori, grafik diperoleh dengan menggambar Bode Plots dari fungsi alih tapis, sedangkan secara praktek, grafik bisa diperoleh dengan langkah-langkah berikut : 1. Pemberian gelombang sinus dengan frekuensi tertentu pada masukan tapis. 2. Pengukuran tegangan sinus pada masukan dan keluaran tapis. 3. Penghitungan gain tegangan dengan persamaan Av = 20 log (Vout / Vin) db......(1.1) 4. Pengulangan langkah 1 sampai 3 dengan frekuensi yang berbeda untuk mendapatkan pasangan data (frekuensi, Av) yang lain. 5. Penyajian data ke dalam bentuk grafik. 1
Pembuatan grafik tanggapan magnitudo secara praktek bisa dilakukan secara manual dengan menggunakan AFG (Audio Function Generator) sebagai pembangkit sinus dan osiloskop sebagai alat pengukur tegangan. Cara ini memerlukan waktu yang cukup lama, terutama jika jumlah pasangan datanya banyak. Agar cara ini bisa dilakukan dengan cepat, maka penulis merancang dan mengimplementasikan alat untuk mengotomatisasikan langkah 1-5 tersebut. Grafik yang dihasilkan ditampilkan pada layar monitor dan bisa dicetak pada kertas dengan printer. 2. Dasar Teori Berikut ini adalah diagram kotak alat penggambar tanggapan magnitudo. PEMBANGKIT GELOMBANG SINUS MIKROKONTROLER AT89C55WD Pengubah Level Tegangan Dekoder 74LS138 DAC 0800 UNIT LPF Unit Pengatur Amplitudo Pengubah Level Tegangan Pembangkit Clock PENGUKUR TEGANGAN ADC 0809 PENYEARAH PRESISI PENYEARAH PRESISI PENGGANDENG OPTIS PC817 keluaran TAPIS NG DIGAMBAR masukan Port paralel Keterangan : aliran kendali aliran data Gambar 2.1 Diagram kotak alat penggambar tanggapan magnitudo 2.1 Pembangkit Gelombang Sinus Pembangkit gelombang sinus berfungsi untuk menghasilkan gelombang sinus dengan frekuensi dan amplitudo yang bisa diatur secara digital. Mikrokontroler bertugas mengirimkan data cuplikan sinus ke DAC. Data cuplikan ini kemudian diubah oleh DAC menjadi gelombang sinus yang patah-patah. Gelombang ini kemudian diperhalus oleh unit LPF dan amplitudonya diatur oleh unit pengatur amplitudo. Gelombang sinus ini digunakan sebagai sinyal masukan tapis yang akan digambar grafik tanggapan magnitudonya. 2
2.2 Pengukur Tegangan Pengukur tegangan digunakan untuk mengukur nilai tegangan sinus masukan dan keluaran tapis. Keluaran pengukur tegangan berupa data digital 8 bit. Kemudian data digital ini dikirim ke komputer melalui port paralel. 2.3 Unit Pengendali Sistem Unit pengendali sistem berfungsi menerima sinyal kendali dari port paralel, mengatur aliran data, dan mengatur kerja komponen-komponen penyusun alat. Unit pengendali yang digunakan adalah mikrokontroler AT89C55WD. 2.4 Penggandeng Optis Penggandeng optis berfungsi untuk memisahkan komputer dengan alat secara listrik, agar derau pada ground komputer tidak mengganggu kerja alat. 3. Metodologi Penelitian Metodologi yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Studi literatur mengenai tapis, op-amp, mikrokontroler AT89C55WD, antarmuka port paralel, dan pemrograman DELPHI. 2. Merancang serta menguji pembangkit sinus berbasis mikrokontroler. 3. Merancang serta menguji rangkaian pengukur tegangan digital. 4. Merancang dan menguji antarmuka port paralel dengan mode EPP 1.7. 5. Merancang perangkat lunak untuk mengatur sistem kendali alat dan menampilkan data dalam bentuk grafik dengan bahasa pemrograman DELPHI. 6. Menguji kinerja sistem secara keseluruhan. 7. Menganalisa hasil pengujian dan membuat kesimpulan. 4. Hasil Implementasi dan Pembahasan 4.1 Perancangan Sistem 4.1.1 Pembangkit Gelombang Sinus Pembangkit gelombang sinus yang digunakan adalah sistem berbasis mikrokontroler. Mikrokontroler bertugas untuk mengirimkan data cuplikan sinus ke port 1. Port ini dihubungkan dengan masukan DAC yang bertugas mengubah data cuplikan sinus menjadi tegangan sinus. DAC yang digunakan adalah DAC 0800. 33pF dihubungkan ke masukan DAC 0800 24 MHz 33pF RESET +5V 39 38 37 36 35 34 33 32 1 2 3 4 5 6 7 8 AT89C55WD 19 29 18 XTAL1 PSEN 30 9 XTAL2 ALE/PROG RST 31 P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P1.0/T2 P1.1/T2-EX P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 EA/VPP Gnd 20 10uF P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INTO P3.3/INT1 P3.4/TO P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD Vcc 40 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 +5V + 10uF RESET 10k V Analog +15V -15V C3 C1 LM348 RL - + C2 RL Rref Rref 15 14 13 3 RRef- RRef+ V+ -V 16 4 Comp 2 IOut+ IOut- DAC0800 VLC 1 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 5 6 7 8 9 10 11 12 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 + +5V Gambar 4.1 AT89C55WD sebagai pembangkit Gambar 4.2 Rangkaian DAC 0800 sinus 3
Untuk menghaluskan sinus keluaran DAC, digunakan unit LPF pada gambar 4.3 yang terdiri dari 10 buah tapis Butterworth orde 2 yang dilengkapi dengan saklar pemilih. Untuk mengatur amplitudo gelombang sinus, digunakan unit pengatur amplitudo pada gambar 4.4 yang menghasilkan sinus dengan amplitudo 13 volt, 6,3 volt, 3,6 volt, 2 volt, 1,1 volt, 0,6 volt, 0,3 volt, dan 0,2 volt. Gambar 4.3 Rangkaian unit LPF Gambar 4.4 Rangkaian unit pengatur tegangan 4.1.2 Pengukur Tegangan Pengukur tegangan terdiri dari penyearah presisi dan ADC. Penyearah presisi berfungsi mengubah tegangan bolak-balik menjadi tegangan searah. Penyearah presisi yang digunakan adalah penyearah presisi setengah gelombang seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.5. ADC berfungsi untuk mengubah tegangan analog keluaran penyearah presisi menjadi data digital 8 bit. ADC yang digunakan adalah ADC 0809 dengan rangkaian pada gambar 4.6. 4
Gambar 3.12 Rancangan penyearah presisi Gambar 4.5 Rangkaian penyearah pre- Gambar 4.6 Rangkaian ADC 0809 sisi setengah gelombang 4.1.3 Unit Pengendali Sistem Unit kendali yang digunakan adalah mikrokontroler AT89C55WD. Pin-pin pada mikrokontroler digunakan sebagai penerima dan pembangkit sinyal-sinyal kendali. Untuk menambah jumlah pin kendali, digunakan dekoder 3 ke 8, yaitu 74LS138. Berikut ini adalah gambar penggunaan pin mikrokontroler AT89C55WD sebagai unit kendali. AT89C55WD LPF 100 Hz LPF 200 Hz LPF 400 Hz LPF 800 Hz LPF 1,6 khz LPF 3,2 khz LPF 6,4 khz LPF 12,8 khz reset (pin16) 39 38 37 36 35 34 33 32 1 2 3 4 5 6 7 8 19 29 18 XTAL1 PSEN 9 XTAL2 30 RST ALE/PROG 31 P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P1.0/T2 P1.1/T2-EX P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 EA/VPP P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INTO P3.3/INT1 P3.4/TO P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 LPF 25,6 khz LPF 51,2 khz Pengosong Kapasitor Start Conversion Write (pin 1) 1 2 3 6 4 5 A B C G1 G2A G2B Data Strobe (pin 14) Address Strobe (pin 17) EOC Wait (pin 11) Masukan Dekoder ADC 0809 Latch ADC 74LS138 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 15 14 13 12 11 10 9 7 Amplitudo 0,2 volt Amplitudo 0,3 volt Amplitudo 0,6 volt Amplitudo 1,1 volt Amplitudo 2 volt Amplitudo 3,6 volt Amplitudo 6,3 volt Amplitudo 13 volt Gambar 4.7 Pin AT89C55WD yang digunakan sebagai unit kendali 4.1.4 Penggandeng Optis Penggandeng optis digunakan untuk mengisolasi alat dari komputer secara listrik. Penggendeng optis yang digunakan adalah PC 817. Berikut ini adalah rangkaian penggandeng optis yang digunakan. 5
Gambar 4.8 Skema rancangan penggandeng optis 4.1.5 Perancangan Perangkat Lunak pada Mikrokontroler Mikrokontroler digunakan untuk mengirimkan data cuplikan sinus ke port 1 sesuai diagram alir berikut. START INISIALISASI RUTIN PEMILIHAN LPF PORT 1 = DATA SINUS KE-1 RUTIN TUNDA PORT 1 = DATA SINUS KE-2 RUTIN TUNDA PORT 1 = DATA SINUS KE-N RUTIN TUNDA FREKUENSI HARUS DIUBAH? UBAH FREKUENSI Gambar 4.9 Diagram alir pembangkitan sinus oleh mikrokontroler 4.1.6 Perancangan Perangkat Lunak pada Komputer Komputer bertugas memberikan perintah kepada mikrokontroler untuk memberikan data digital dari tegangan sinus masukan dan keluaran tapis untuk tiaptiap frekuensi sinus. Komputer akan mengatur amplitudo sinus masukan tapis agar amplitudo keluaran tapis bisa maksimal tanpa terpotong. Berikut ini adalah diagram alir pengambilan, pengolahan, dan penampilan data dalam bentuk grafik oleh komputer. 6
MULAI i = 1 DAPATKAN DATA MASUKAN DAN KELUARAN TAPIS DAN SIMPAN SEBAGAI INPUT[i] DAN OUTPUT[i] TURUNKAN AMPLITUDO NAIKKAN AMPLITUDO OUTPUT[i] >=255? MASUKAN SUDAH MINIMAL? MASUKAN SUDAH MAKSIMAL? OUTPUT[i] < 128? NAIKKAN i i = 1935? AV = 20 LOG (OUTPUT[i] / INPUT[i]) OLAH DATA DENGAN CURVE FITTING TAMPILKAN DATA DALAM BENTUK GRAFIK SELESAI Gambar 4.10 Diagram alir pembuatan grafik tanggapan magnitudo 4.2 Hasil Pengamatan Alat penggambar tanggapan magnitudo digunakan untuk menggambar tanggapan magnitudo sebuah LPF pasif pada gambar berikut. Gambar 4.11 Contoh LPF pasif orde 1 7
Berikut ini adalah grafik tanggapan magnitudo yang dihasilkan alat dan grafik ideal LPF pada gambar 4.11. Gambar 4.12 Perbandingan grafik tanggapan magnitudo tapis ideal dan praktek Grafik tanggapan magnitudo yang dihasilkan alat cukup teliti. Frekuensi cut-off yang dihasilkan tepat. Pada daerah stop band grafik tidak halus. Hal ini disebabkan kesalahan kuantisasi ADC akibat tegangan masukan yang terlalu kecil. Alat juga digunakan untuk menggambar tanggapan magnitudo LPF pasif pada gambar 4.13. Gambar 4.13 Rangkaian LPF dengan frekuensi cut-off 1942 Hz 8
Berikut ini adalah grafik tanggapan magnitudo yang dihasilkan alat dan grafik ideal LPF aktif pada gambar 4.13. Gambar 4.14 Grafik tanggapan magnitudo tapis berdasarkan persamaan 4.2 Grafik tanggapan magnitudo yang dihasilkan alat cukup teliti. Frekuensi cut-off yang dihasilkan tepat. Gain pada frekuensi cut-off agak sedikit berbeda, yaitu pada alat diperoleh 20,5 db, sedangkan seharusnya 22,5 db. Hal ini disebabkan oleh nilai toleransi komponen resistor R 1 dan R 2 pada tapis. Pada daerah stop band, grafik tidak halus. Hal ini disebabkan oleh kesalahan kuantisasi ADC akibat tegangan masukan yang terlalu kecil. 5. Kesimpulan 1. Grafik tanggapan magnitudo yang dihasilkan alat penggambar tanggapan magnitudo cukup teliti. 2. Ketidaktepatan grafik tanggapan magnitudo pada daerah stop band disebabkan oleh kesalahan kuantisasi ADC akibat tegangan masukan yang terlalu kecil. 3. Ketidaktepatan grafik tanggapan magnitudo yang dihasilkan alat terhadap grafik ideal tapis, bisa disebabkan oleh nilai toleransi komponen. 9
Daftar Pustaka Alam, M. A. J, 2002, Belajar Sendiri Borland Delphi 6.0, Elexmedia Komputindo, Jakarta. Franco, Sergio, 1988, Design with Operational Amplifier and Analog Integrated Circuit, McGraw-Hill Book Company, Singapore. IT Center FT UGM, 2004, Modul Pelatihan DELPHI for Engineering, IT Center FT UGM, Yogyakarta. Nalwan, P.A, 2003, Teknik Antarmuka dan Pemrograman Mikrokontroler AT 89C51, PT Elex Media Komputindo, Jakarta. National Semiconductor, 1995, National Operational Amplifier Databook, National Semiconductor, Santa Clara. Pranata, Antony., 2000, Pemrograman Bordland Delphi Edisi 3, Penerbit Andi Yogyakarta, Yogyakarta. Putra, A.E, 2003, Belajar Mikrokontroler AT89C51/52/55, Gava Media, Yogyakarta. 10