BAB III PERANCANGAN ALAT Pada bab tiga ini akan dijelaskan mengenai perancangan dari perangkat keras dan perangkat lunak yang digunakan pada alat ini. Dimulai dari uraian perangkat keras lalu uraian perancangan perangkat lunak. Perangkat keras yang digunakan pada alat ini terdiri dari Modul Pembangkit Gelombang, Modul Pengaturan Duty Cycle, Modul Pengaturan Amplitudo, Modul Pengaturan Tegangan Offset DC, Modul Pengaturan Atenuasi, Modul Switch Pemilihan Gelombang, dan Arduino Uno. Sedangkan pada perancangan perangkat lunak akan dijelaskan cara pemilihan gelombang dan pembacaan frekuensi untuk ditampilkan pada modul 7-segmen. 3.1. Gambaran Sistem Pada Gambar 3.1 menunjukan blok diagram sistem dari keseluruhan alat yang dibuat. Gambar 3.1. Blok Diagram Sistem Alat. 17
Pada Gambar 3.1 terlihat jelas bahwa sistem ini memiliki tujuh bagian utama rangkaian modul, yaitu Modul Pembangkit Gelombang, Modul Pengaturan Duty Cycle, Modul Pengaturan Amplitudo, Modul Pengaturan Tegangan Offset DC, Modul Pengaturan Atenuasi, Modul Switch Pemilihan Gelombang, dan Mikrokontroler Arduino Uno. 3.2. Gambaran Kerja Alat Modul utama pada function generator ini adalah Modul Pembangkit Gelombang menggunakan MAX038. Modul Pembangkit Gelombang merupakan pusat terjadinya proses osilasi untuk menghasilkan gelombang tegangan. Hasil osilasi menghasilkan gelombang tegangan segitiga. Dalam Modul Pembangkit Gelombang juga terdapat pengubah gelombang tegangan segitiga menjadi gelombang tegangan kotak dan tegangan sinus. Dimana untuk mengubah bentuk gelombang diperlukan Modul Switch Pemilihan Gelombang untuk memberikan logika high dan low pada pin A 0 dan A 1 MAX038. Untuk memudahkan kerja Modul Switch maka Modul Switch disambungkan pada mikrokontroler untuk mengatur logika output. Frekuensi yang terbentuk dari proses osilasi ini mulai dari 0,1Hz ~ 2MHz dengan beberapa pilihan jangkauan frekuensi yang diatur dengan kapasitor. Besarnya frekuensi juga dapat diatur dengan sebuah potensio. Pada function generator terdapat pengaturan duty cycle dimana duty cycle dapat diatur dari 15% sampai dengan 85%. Modul Duty Cycle disini berisi rangkaian penguat inverting dan buffer untuk memberikan tegangan sebesar ± 2,3V pada pin DADJ atau Duty Cycle Adjust MAX038[8]. Amplitudo dari Modul Pembangkit Gelombang adalah 2V pp. Untuk menguatkan amplitudo sampai 20V pp maka diperlukan Modul Pengatur Amplitudo. Dimana pada Modul Pengatur Amplitudo menggunakan rangkaian penguat inverting. Sedangkan untuk mengatur tegangan offset DC disediakan sebuah toggle untuk mengaktifkan dan menonaktifkan pengaturan tegangan offset DC. Modul Tegangan Offset DC dihubungkan dengan Modul Pengaturan Amplitudo. Tegangan offset DC dapat bekerja minimal 2V dan maksimal +2V. Untuk mempermudah penggunaan maka besarnya frekuensi keluaran akan tertampil pada 7-segmen. Sebelum tertampil pada 7-segmen, frekuensi tersebut dimasukkan pada mikrokontroler dalam hal ini menggunakan Arduino Uno, kemudian dilakukan interrupt sehingga nilai besar frekuensinya dapat diketahui. 18
3.3. Perancangan Perangkat Lunak Perancangan perangkat lunak yang dipakai di dalam alat ini terdiri dari Program Pengaturan Switch Pemilihan Gelombang dan Program Penampil Frekuensi pada 7- segmen. Gambar 3.2. Diagram Alir Program Utama. 19
Gambar 3.3. Diagram Alir Program Interupsi Eksternal. Gambar 3.4. Diagram Alir Program Interupsi Timer. 20
21
Penjelasan gambar diagram alir diatas : Pada program utama dilakukan inisialisasi kemudian menunggu masukan dari switch selector gelombang. Apabila selektor gelombang aktif dan memberi logika high pada selektor gelombang sinus maka akan diberikan logika output 1 high dan output 2 high. Sedangkan apabila selector gelombang memberi logika high pada selector gelombang kotak maka akan diberikan logika output 1 low dan output 2 low. Dan apabila selektor gelombang memberi logika high pada selektor gelombang segitiga maka akan diberikan logika output 1 high dan output 2 low. Logika selektor tersebut sama seperti pada Tabel 2.1. Pada program interupsi eksternal akan aktif sebuah counter pulsa dimana akan menunggu masukan pulsa dari modul pembangkit gelombang. Pada program interupsi timer dilakukan pengambilan nilai counter setelah nilai counter diambil maka counter di-reset sehingga dapat menantikan counter selanjutnya. Sementara itu nilai counter yang diambil dikonversi agar tertampil pada 7-segmen. 3.4. Perancangan Perangkat Keras Perangkat keras yang digunakan didalam alat ini terdiri dari Modul Pembangkit Gelombang, Modul Pengaturan Duty Cycle, Modul Pengaturan Amplitudo, Modul Pengaturan Tegangan Offset, Modul Pengaturan Atenuasi, Modul Switch Pemilihan Gelombang, dan Arduino Uno. 3.4.1.Modul Pembangkit Gelombang Pada Modul Pembangkit Gelombang digunakan sebuah IC MAX038. MAX038 merupakan komponen yang dapat menghasilkan frekuensi tinggi yang presisi dengan varian gelombang tegangan kotak, segitiga, dan sinus. Sedangkan untuk mengatur jangkauan frekuensi yang diinginkan pada modul ini menggunakan variasi nilai C f dan untuk mengatur besar kecil frekuensi menggunakan potensio R IN [8]. Jangkauan frekuensi dapat dipilih dengan menaruh kapasitor (C f ) diantara pin COSC dan pin GND. Osilasi pada pin tersebut dipicu dengan pengisian dan pengosongan C f. Agar dapat bekerja dengan maksimal pemilihan komponen disesuaikan dengan yang dianjurkan pada datasheet[8]. 22
Untuk mengetahui frekuensi keluaran maka dapat menggunakan rumus yang tertera pada datasheet, yaitu: dengan: f o R IN C f Gambar 3.5. Operating Circuit pada Datasheet MAX038[8]. = frekuensi output (Hz) = resistor pada kaki IN (50 kω) f o = 2 2,5 R IN C f (3.1) = kapasitor yang terhubung pada pin COSC dan GND (F) 3.1. Maka untuk menghitung nilai C f yang digunakan dapat menggunakan Persamaan Tabel 3.1. Range Frekuensi terhadap Nilai Kapasitor. Frekuensi C f (farad) (Hz) 0,1 1000 µ 1 100 µ 10 10 µ 100 1 µ 1 k 0,1 µ 10 k 10 n 100 k 1 n 990,09 k 101 p 1,79 M 56 p 23
Jangkauan frekuensi pada Tabel 3.1 berfungsi untuk menentukan batas rendah frekuensi yang ingin digunakan. Kapasitor-kapasitor pada Tabel 3.1 disambungkan pada sebuah rotary switch yang dapat diputar sesuai keinginan user untuk menentukan jangkauan frekuensi mana yang diinginkan. Gambar 3.6. Rangkaian Modul Pembangkit Gelombang. 24
Tabel 3.2. Daftar Komponen pada Modul Pembangkit Gelombang. Nama Nilai Komponen C f Lihat Tabel 3.1 R IN Potensio 50 kω R 1 10 kω R 2 50 Ω R 7 50 Ω C 1 1 µf C 2 1 µf C 3 1 µf C 14 1 nf C 15 1 nf 1 nf C 16 Gambar 3.7. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.6. 3.4.2. Modul Pengaturan Duty Cycle Pada MAX038 terdapat pengaturan duty cycle sehingga memudahkan dalam perancangan. Duty cycle dapat diatur melalui pin DADJ (Duty Cycle Adjust Input) pada MAX038. Tegangan pada pin DADJ mengatur duty cycle pada function generator ini. Pada kondisi normal tegangan pada pin DADJ adalah 0V, pada kondisi ini keluaran dari function generator menghasilkan duty cycle sebesar 50%[8]. Untuk memvariasikan duty cycle maka diperlukan sebuah rangkaian penguatan inverting untuk mengatur tegangan pada pin DADJ. Menurut datasheet MAX038, untuk mengatur duty cycle sebesar 15% sampai dengan 85% diperlukan tegangan sebesar -2,3V sampai dengan +2,3V pada pin DADJ. Rangkaian penguat inverting tersebut mendapatkan tegangan referensi sebesar 2,5V dari pin REF MAX038[8]. 25
Gambar 3.8. Rangkaian Modul Pengaturan Duty Cycle. Untuk mencari nilai duty cycle maka dapat menggunakan Persamaan 2.7. Keluaran pertama dari LM324 pada Gambar 3.8 menghasilkan tegangan keluaran -2,5V sesuai dengan rumus rangkaian penguatan inverting. Menurut Persamaan 2.8 maka didapatkan: 100 k V o = 2,5 = 2,5volt 100 k Sementara untuk keluaran kedua dari LM324 yang merupakan rangkaian buffer akan menghasilkan tegangan -2,3V sampai dengan +2,3V dimana besarnya tegangan diatur dengan resistor variabel/ potensio sebesar 10 kω. Tabel 3.3. Daftar Komponen pada Modul Pengaturan Duty Cycle. Nama Komponen R 1 R 2 R 3 R 4 R 7 Potensio C 7 Nilai Komponen 100 kω 100 kω 330 Ω 330 Ω 10 kω 10 nf 26
Gambar 3.9. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.8. 3.4.3. Modul Pengaturan Amplitudo Amplitudo merupakan salah satu faktor penting pada sebuah function generator. Amplitudo merupakan nilai tertinggi dari suatu gelombang tegangan. Untuk mengatur amplitudo maka diperlukan sebuah rangkaian penguat inverting dengan tegangan catu daya ±15V dimana dapat menguatkan amplitudo gelombang tegangan tersebut sampai dengan 20V pp. Supaya modul pengaturan amplitudo dapat bekerja pada semua jangkauan frekuensi, maka digunakan IC op-amp LM7171 karena memiliki wide unity-gain bandwidth 200MHz. Dengan menggunakan Persamaan 2.8, maka diperoleh: 20 = R 2 1k 2 R 2 = 10 kω dengan : V o R 2 R 1 = tegangan keluaran (V) = resistor umpan balik (Ω) = resistor masukan (1 kω) 27
Gambar 3.10 Rangkaian Penguat Inverting Modul Pengatur Amplitudo. Tabel 3.4. Daftar Komponen pada Modul Pengaturan Amplitudo. Nama Komponen R 1 R 2 Potensio Nilai Komponen 1 kω 10 kω Gambar 3.11. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.10. 3.4.4. Modul Pengaturan Tegangan Offset Pengaturan tegangan offset merupakan salah satu spesifikasi pada function generator ini. Pada penerapannya, terdapat sebuah toggle untuk mengaktifkan pengaturan tegangan offset. Apabila toggle pada kondisi off dimana terdeteksi 0V maka gelombang tegangan tidak akan ter-offset baik positif ataupun negatif. Namun apabila toggle dalam kondisi on maka gelombang tegangan akan ter-offset antara 2V sampai dengan +2V. 28
Untuk memvariasikan tegangan offset maka diperlukan rangkaian tambahan berupa rangkaian penguat inverting dan rangkaian buffer menggunakan LM324. Pada rangkaian penguat inverting terdapat sebuah resistor variabel/ potensio untuk mengatur nilai tegangan offset-nya. Keluaran dari Modul Pengaturan Tegangan Offset akan dihubungkan dengan Modul Pengaturan Amplitudo untuk mendapatkan keluaran yang diinginkan oleh user. Gambar 3.12. Rangkaian Modul Pengaturan Tegangan Offset. Modul ini menggunakan tegangan catu daya sebesar ±5V, maka untuk mengatur tegangan offset sebesar ±2V diperlukan dua buah rangkaian pelemahan inverting untuk melemahkan tegangan menjadi 2V dan +2V. Untuk pemilihan nilai komponen dapat menggunakan Persamaan 2.8. Sementara untuk memvariasikan tegangan dari 2V sampai dengan +2V maka diperlukan rangkaian buffer dengan sebuah resistor variabel guna mengatur offset yang diinginkan. Dengan menggunakan Persamaan 2.8, maka dapat dicari nilai komponen yang dibutuhkan untuk rangkaian pelemahan inverting. V o min = R 2 R 1 V in + 2 = 2 k R 1 5 R 1 = 5 kω 29
dengan : V o min = tegangan keluaran minimum (-2V) V o max = tegangan keluaran minimum (2V) R 2 R 1 R 3 R 4 = resistor umpan balik (Ω) = resistor masukan (2 kω) = resistor umpan balik (Ω) = resistor masukan (2 kω) V o max = R 4 R 3 V in 2 = 2 k R 3 5 R 3 = 5 kω Tabel 3.5. Daftar Komponen pada Modul Pengaturan Tegangan Offset. Nama Komponen R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 Potensio R 6 R 7 R 8 Nilai Komponen 5 kω 2 kω 5 kω 2 kω 10 kω 500 Ω 500 Ω 8,2 kω Gambar 3.13. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.12. 30
3.4.5. Modul Pengaturan Atenuasi Atenuasi memungkinkan terjadinya pelemahan sinyal yang diukur dalam satuan db. Pengaturan atenuasi pada function generator ini berfungsi untuk melemahkan amplitudo sinyal tegangan tanpa mengubah bentuk gelombangnya. Pada prinsipnya atenuasi menggunakan pembagi tegangan dengan media resistor. Pada function generator ini, user dapat menetukan atenuasi dari -50dB sampai dengan 0dB dengan step antara 10dB. Untuk mencari nilai atenuasi dapat menggunakan persamaan: dengan: db v = atenuasi (db) V out = tegangan keluaran (V pp ) V in = tegangan masukan sebesar 2V pp db v = 20log 10 V out V in (3.2) Dengan Persamaan 3.2, maka tegangan keluaran dapat dihitung berdasarkan nilai atenuasi yang diinginkan. Untuk atenuasi 50dB 50 = 20log 10 V out 2 V out = 3,16 10 3 2 = 6,32 10 3 V pp Untuk atenuasi 40dB 40 = 20log 10 V out 2 V out = 0,01 2 = 0,02 V pp Untuk atenuasi 30dB 30 = 20log 10 V out 2 V out = 0,0316 2 = 0,0632 V pp Untuk atenuasi 20dB 20 = 20log 10 V out 2 V out = 0,1 2 = 0,2 V pp 31
Untuk atenuasi 10dB 10 = 20log 10 V out 2 V out = 0,315 2 = 0,630 V pp Untuk atenuasi 0dB 0 = 20log 10 V out 2 V out = 1 2 = 2 V pp Gambar 3.14. Rangkaian Modul Pengaturan Atenuasi. Pemilihan nilai resistor dapat menggunakan rumus pembagi tegangan dimana pada rangkaian atenuasi ini terdapat enam buah resistor yang bernilai berbeda-beda. Berikut perhitungan nilai resistor yang digunakan: dengan: V out = R 5 V in R total (3.3) R total = R 5 + R 3 + R 2 + R 1 + R 4 + R 6 (3.4) V out = tegangan keluaran sesuai dengan pengaturan atenuasi (V pp ) V in = tegangan masukan (2V pp ) R 5 = 1 kω Dengan menggunakan Persamaan 3.3, maka diperoleh: 32
R total = 1000 2 = 316455,7 Ω 6,32 10 3 Setelah nilai R total diketahui maka nilai resistor lain dapat dicari menggunakan kombinasi Persamaan 3.3 dan 3.4. Mencari nilai R 3 R 3 = R 3 + R 5 = R total V out V in 316455,7 0,02 1000 = 2164,56 Ω 2 Mencari nilai R 2 R 2 = R 2 + R 3 + R 5 = R total V out V in 316455,7 0,0632 3164,56 = 6835,44 Ω 2 Mencari nilai R 1 R 1 = R 1 + R 2 + R 3 + R 5 = R total V out V in 316455,7 0,2 2 10000 = 21645,57 Ω Mencari nilai R 4 R 4 = R 4 + R 1 + R 2 + R 3 + R 5 = R total V out V in 316455,7 0,63 31645,57 = 68037,98 Ω 2 Mencari nilai R 6 R 6 = R total R 4 R 1 R 2 R 3 R 5 R 6 = 316455,7 79683,55 = 236772,15 Ω Karena keterbatasan nilai resistor yang tersedia dipasaran maka resistor yang dipergunakan bernilai mendekati nilai perhitungan. 33
Tabel 3.6. Daftar Komponen Modul Pengaturan Atenuasi. Nama Komponen R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 Nilai Komponen 22 kω 6,8 kω 2,2 kω 68 kω 1 kω 280 kω Gambar 3.15. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.14. 3.4.6. Modul Switch Pemilihan Gelombang Pemilihan bentuk gelombang pada alat ini diatur oleh pin A 0 dan A 1 pada MAX038. Untuk mengatur bentuk gelombangnya maka digunakan sebuah saklar putar tiga kondisi untuk menentukan bentuk gelombang yang diinginkan. Saklar tersebut disambungkan pada mikrokontroler untuk mengatur logika pada A 0 dan A 1. Gambar 3.16. Rangkaian Modul Switch Gelombang. 34
Gambar 3.17. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.16. 3.4.2. Modul Mikrokontroler Mikrokontroler adalah sebagai pusat sistem kendali dari pengaturan selektor gelombang dan penampil frekuensi pada 7-segmen. Pada skripsi ini mikrokontroler yang digunakan adalah Arduino Uno. Tabel 3.7. Gambar 3.18. Modul Arduino Uno. Konfigurasi penggunaan pin/port mikrokontroler Arduino Uno dapat dilihat pada 35
Tabel 3.7 Konfigurasi Penggunaan Pin/ Port Arduino Uno. Pin Port PIN 3 PIN 5 PIN 6 PIN 8 PIN 9 PIN 10 PIN 11 Keterangan Input mode kotak Input frekuensi Input mode segitiga Input mode sinus Clock 7-segmen Latch 7-segmen Data 7-segmen PIN 12 Output A 0 PIN 13 Output A 1 Logika A 0 dan A 1 pada MAX038 seperti pada Tabel 2.1 ditentukan dengan perintah switch yang diolah pada Arduino. Apabila switch selektor gelombang sinus (pin 8 Arduino) bernilai high, maka pin 12 dan 13 Arduino bernilai high. Apabila switch selektor gelombang kotak bernilai high, maka pin 12 dan 13 Arduino bernilai low. Sedangkan apabila switch selektor gelombang segitiga bernilai high, maka pin 12 bernilai high dan pin 13 bernilai low. Untuk menampilkan frekuensi pada 7-segmen maka sync output frekuensi dimasukkan pada pin 5 arduino kemudian dilakukan pembacaan counter pulsa dari periode gelombang tersebut. Sync output merupakan keluaran function generator yang berbentuk pulsa dengan amplitudo 5V pp. Frekuensi yang terbaca oleh Arduino kemudian dilakukan proses konversi untuk ditampilkan pada modul 7-segmen pada Gambar 3.19. Gambar 3.19. Modul 7-segmen. 36
Gambar 3.20. Function Generator Yang Dibuat. 37