ANALOG SIGNAL PROCESSING USING OPERASIONAL AMPLIFIERS (PEMROSESAN SINYAL ANALOG MENGGUNAKAN PENGUAT OPERASIONAL) A. PENDAHULUAN Sinyal keluaran dari sebuah tranduser atau sensor sangat kecil hampir mendekati mikro volt. Tegangan keluran dari tranduser belum dapat dibaca oleh adc atau pengolah sinyal yang lain. Agar sinyal tersebut dapat diolah oleh pengolah sinyal, maka tegangan keluaran dari tranduser tersebut harus dimasukan kedalam pengkondisi sinyal. B. SIGNAL CONDITIONING Pengkondisi sinyal merupakan konversi sinyal ke bentuk yang sesuai dengan interface dengan elemen-elemen yang lain dalam loop kontrol proses. Efek pengkondisi sinyal sering dinyatakan dengan fungsi alihnya (transfer function). Sebuah pengkondisi sinyal mempunyai fungsi alih dari beberapa konstanta yang ketika dikalikan dengan tegangan input akan memberikan tegangan output. Pengondisi sinyal berfungsi untuk menyesuaikan sinyal keluaran transduser temperatur agar dapat diterima dengan baik oleh untai ADC. Sinyal kondisi untuk menguatkan sinyal tegangan keluaran dari trandusernya. Sinyal kondisi berfungsi agar sinyal keluaran dari tanduser dapat di baca oleh komputer atau alat ukur lain. Isyarat dari sinyal tranduser biasanya sangat lemah, untuk itu perlu dikuarkan dengan penguat awal ditempatkan di dalam satu tempat dengan tranduser. Sinyal kondisi di letakkan dalam satu tempat dengan tranduser, karena agar sinyal kondisi hanya menguatkan sinyal keluaran dari tranduser. Penguat ini menjadi unsur dasar pengolahan isyarat secara analog. Pengondisi sinyal akan dibentuk dengan memanfaatkan penguat operasional karena penguat operasional atau yang sering disebut op-amp memiliki beberapa keutamaan yaitu memiliki impedansi masukan yang sangat besar, memiliki impedansi keluaran yang rendah, memiliki nilai penguatan tinggi dan karakteristiknya tidak berubah atau dipengaruhi temperatur. C. PERUBAHAN SIGNAL LEVEL Metode paling sederhana dari pengkondisi sinyal adalah pengubahan level sinyal. Sinyal yang dihasilkan dari tranduser dan sensor mempunyai level sinyal
sangat kecil sampai mencapai mikro volt atau nano volt. Sinyal tersebut harus di ubah levelnya menjadi mili volt atau volt. Pengubah level sinyal yang paling umum adalah untuk penguatkan level tegangan. Suatu faktor penting dalam pemilihan sebuah penguat sinyal adalah impedansi input yang ditawarkan oleh penguat sinyal. Dalam memilih rangkaian penguat sinyal harus memilih penguat sinyal yang memiliki impedansi input yang rendah. Misalnya, sensor mengeluarkan tegangan keluaran sebesar 100uV. Sinyal dari sensor dimasukan ke pengubah level tegangan dengan penguat 10x. Hitung berapa tegangan keluaran dari pengubah level tegangan? Jawab : Tegangan keluaran dari pengubah level tegangan adalah : Vout A Vinput Vout 10x100 V 1mVolt D. LINIERISASI Tegangan keluaran dari sensor dan tranduser kebanyakan menghasilkan tegangan yang tidak linier. Artinya, tegangan output sensor tidak berbanding lurus dengan hasil pengukuran. Untuk itu, perlu dilakukan linierisasi dengan menggunakan pengkondisi sinyal agar tegangan output sensor berbanding lurus dengan hasil pengukuran. Linierisasi dengan menggunakan pengkondisi sinyal adalah membuat persamaan fungsi linier yang akan di aplikasikan ke pengkondisi sinyal. Fungsi linier adalah fungsi yang paling sederhana karena hanya mempunyai satu variabel bebas dan berpangkat satu pada variabel bebas tersebut, sehingga sering disebut sebagai fungsi berderajad satu. Bentuk umum persamaan linier adalah : y = a + bx; dimana a adalah konstanta dan b adalah koefisien. Atau sering dinyatakan dalam bentuk implicit berikut: Ax + By + C = 0. Fungsi linier jika digambarkan pada koordinat cartesius akan berbentuk garis lurus (linier). Kemiringan pada setiap titik yang terletak pada garis lurus tersebut adalah sama. Hal ini ditunjukkan oleh koefisien b pada persamaan y = a + bx.
Gambar 1. Grafik Fungsi Linier E. SIGNAL CONVERSION Sering kali, pengkondisi sinyal digunakan untuk mengkonversi suatu tipe variasi elektrik kepada tipe lainnya. Sehingga, satu kelas besar dari transduser transduser menyediakan perubahan tahanan dengan perubahan dalam variable dinamik. Dalam kasus ini, adalah perlu dibuat sebuah rangkaian untuk mengkonversi perubahan tahanan ini baik kedalam sinyal tegangan maupun arus. Secara umum ini dipenuhi oleh jembatan-jembatan bila perubahan sebagian tahanan adalah kecil dan/atau dengan amplifier-amplifier yang gainnya berubah terhadap tahanan. F. PENAPIS FREKUENSI Sering sinyal-sinyal gangguan dari daya yang besar muncul dalam lingkungan industri, seperti sinyal-sinyal frekuensi saluran standar 60 Hz dan 400 Hz. Transien start motor juga dapat mengakibatkan pulsa-pulsa dan sinyal-sinyal yang tidak diperlukan lainnya dalam loop kontrol proses. Dalam banyak kasus, perlu digunakan high pass, low pass, dan notch filter untuk mengurangi sinyal sinyal yang tidak diinginkan dari loop. Filter seperti ini dapat dipenuhi oleh filter pasif yang hanya menggunakan resistor, kapasitor, induktor atau filter aktif, menggunakan gain dan feedback. Penyesuai impedansi adalah sebuah elemen penting dari pengkondisi sinyal ketika impedansi internal transduser atau impedansi saluran dapat mengakibatkan error dalam pengukuran variabel dinamik. Baik jaringan aktif maupun pasif juga dipakai untuk menghasilkan penyesuai seperti ini.
G. PERBEDAAN ANALOG AND DIGITAL SIGNAL a. Analog Signal Signal analog adalah signal yang berupa gelombang elektro magnetik dan bergerak atas dasar fekuensi. Frekuensi adalah jumlah getaran bolak balik sinyal analog dalam satu siklus lengkap per detik. Satu siklus lengkap terjadi saat gelombang berada pada titik bertegangan nol, menuju titik bertegangan positif tertinggi pada gelombang, menurun ke titik tegangan negatif dan menuju ke titik nol kembali (lihat gambar). Semakin tinggi kecepatan atau frekuensinya semakin banyak siklus lengkap yang terjadi pada suatu periode tertentu. Kecepatan frekuensi tersebut dinyatakan dalam hertz. Sebagai contoh sebuah gelombang yang berayun bolak balik sebanyak sepuluh kali tiap detik berarti memiliki kecepatan 10 Hz. Gambar 2. Satu Siklus Gelombang Analog Signal analog dapat digunakan dalam media tertutup seperti kabel coaxial, TV kabel dan kabel tembaga. Signal analog dapat pula digunakan melalui medium terbuka seperti gelombang mikro, telepon rumah tanpa kabel dan telepon seluler. b. Kerugian pada Sinyal Sistem Analog Pengiriman signal analog dapat dianalogikan mengirim air lewat pipa. Aliran pipa kehilangan tenaganya saat disalurkan melalui sebuah pipa. Semakin jauh pipa semakin banyak tenaga yang berkurang dan aliran semakin menjadi lemah. Demikian pula signal analog akan menjadi lemah setelah melewati jarak yang jauh.
Selain bertambah jauh signal analog juga memungut interferensi elektrik atau noise dari dalam jalur. Kabel listrik, petir dan mesin-mesin listrik semua menginjeksikan noise dalam bentuk elektrik pada signal analog. Untuk mengatasi kelemahan tersebut maka diperlukan alat penguat signal yang disebut amplifier. c. Digital Signal Sebagai ganti gelombang maka signal pada sistem digital ditransmisikan dalam bentuk bit bit biner. Sistem biner adalah sistem on off (sistem 1 0), jadi bila ada tegangan atau on maka di angkakan 1, sedang bila tidak ada tegangan atau off maka diangkakan 0. Meski memiliki kelemahan terhadap nosie inteferensi listrik apabila jarak semakin jauh, namun signal digital masih dapat diperbaiki atau direparasi artinya dengan cara membangkitkan ulang bitbit tersebut dengan tidak meregenerasi noise. Sebagai perbedan maka dapat di lihat pada gambar di bawah ini : Gambar 3. Perbedaan Signal Analog dan Digital d. Kelebihan pada Signal Sistem Digital Signal digital memiliki kelebihan dibanding signal analog, yang meliputi : 1. Kualitas suara lebih jernih, selain lebih jelas signal digital memiliki sedikit kesalahan. 2. Kecepatan lebih tinggi. 3. Lebih sedikit kesalahan.
4. Memerlukan tenaga pendukung yang tidak terlalu kompleks. Tabel 1. Perbedaan Signal Analog dan Digital Berbagai contoh sistem digital saat ini (sebelumnya sistem analog): Audio recording (CDs, DAT, mp3) Phone system switching Automobile engine control Berbagai contoh sistem analog : Perekam pita magnetik Penguat audio.