PERANCANGAN FUNCTION GENERATOR DENGAN FREKUENSI 0,1HZ ~ 2MHZ Oleh Vinlux Maria NIM: 612009001 Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga Oktober 2015
INTISARI Function generator merupakan salah satu alat yang dibutuhkan pada laboratorium elektronika guna menunjang praktikum elektronika. Data yang didapatkan dari hasil praktikum akan lebih bervariasi dan akurat apabila function generator yang digunakan memiliki jangkauan frekuensi yang cukup lebar dan akurat. Selain itu praktikan juga membutuhkan function generator yang memiliki pengaturan duty cycle, tegangan offset, atenuasi dan variasi bentuk gelombang tegangan. Oleh karena itu pada skripsi ini dibuat sebuah function generator dengan jangkauan frekuensi 0,1Hz sampai dengan 2MHz. Function generator ini juga memiliki pengaturan gelombang tegangan berupa sinus, kotak dan segitiga. Selain itu terdapat pengaturan duty cycle, tegangan offset, amplitudo, dan atenuasi. Function generator ini menggunakan IC MAX038 dimana IC ini merupakan pembangkit gelombang dengan jangkauan frekuensi 0,1Hz sampai dengan 2MHz untuk frekuensi sinus dengan amplitudo maksimum 20V pp. Sedangkan untuk gelombang kotak dari frekuensi 0,1Hz sampai dengan 500kHz dengan amplitudo maksimum 20V pp sedangkan untuk frekuensi diatas 500kHz sampai 2MHz amplitudo maksimum yang dicapai 2V pp. Untuk gelombang segitiga dari frekuensi 0,1Hz sampai dengan 1MHz memiliki amplitudo maksimum 20V pp, untuk frekuensi di atas itu, amplitudo maksimum yang dicapai 2V pp. Function generator ini juga memiliki pengaturan duty cycle dari 10,36% sampai dengan 89,94% dan tegangan offset DC ±2V. Atenuasi dapat diatur dari -50dB sampai dengan 0dB dengan step antara 10dB. Frekuensi yang diatur dapat ditampilkan pada 8 digit 7-segmen. Kata kunci: Function Generator, MAX038. i
ABSTRACT Function generator is one of the most important test equipments in an electronic laboratory. Some of the most common waveforms produced by the function generator are the sine, square, triangular shapes. However, some of generatos available in ECE Dept of SWCU can only produce sine and square waves shape. These old generators also don t have the abilities to modify the parameters of the waveforms, and their maximum frequencies are limited to 1MHz. Therefore in this final project, a function generator that can produce sine, square, and triangular shapes with wider frequency range (0.1Hz to 2MHz) was designed. This generator also has the ability to modify waveform s parameter including their amplitudes, duty cycles and can add offset voltages to these waveforms. This function generator utilized a MAX038 chip to generate those three kinds of waveforms. The results showed that the frequency of sinusoidal waveform can be adjusted from 0.1Hz to 2MHz (20V pp maximum). The square wave shape can also have a 20V pp amplitude from 0.1Hz to 500kHz and up to 2V pp for frequency above 500kHz. Finaly, the triangular waveform can reach 20V pp for 0.1Hz to 1MHz, and 2V pp for frequency above 1MHz. The waveform s frequency is diplayed in 8 digits, using 7- segments. The duty cycles of each waveforms can be varied from 10.36% to 89.94% and an offset voltage can be added gradually up to ±2V. The function generator also has an attenuator than be can adjusted from -50dB to 0dB with 10dB step, to control the amplitude of the waveforms along with an amplitude dial. Key words: Function Generator, MAX038 ii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala karunia yang senantiasa penulis terima dalam menyelesaikan perancangan serta penulisan skripsi sebagai syarat untuk menyelesaikan tugas akhir di Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana. Pada kesempatan ini penulis juga mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang baik secara langsung maupun tidak, yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini : 1. Bapak Ir.F.Dalu. Setiaji, MT. dan Bapak Deddy Susilo, S.T., M. Eng sebagai pembimbing I dan pembimbing II, terima kasih atas kesabaran dalam bimbingan, pengarahan dan solusi selama mengerjakan skripsi ini. 2. Papih (Alm.) Lie Koen Hok, Mamih Lindawati yang selalu mendoakan dan mensupport penulis agar selalu tetap kuat untuk menyelesaikan kuliah di Fakultas Teknik Elektro dan skripsi ini. 3. Teman teman FTEK 2009. 4. Teman khususnya yang membantu dalam proses pengerjaan skripsi: Wikan, Yuli, Ivan, Hendro, Angga, Astu, Anne, Grace, Mas Daniel, Ka Deka, Mas Kumis. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran dari pembaca sekalian sehingga skripsi ini dapat berguna bagi kemajuan teknik elektronika. Salatiga, Oktober 2015 Penulis iii
DAFTAR ISI INTISARI... ABSTRACT... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... DAFTAR ISTILAH... i ii iii iv vii xii xiv BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Tujuan... 1 1.2. Latar Belakang Permasalahan... 2 1.3. Spesifikasi Alat... 2 1.4. Sistematika Penulisan... 3 BAB II LANDASAN TEORI... 4 2.1. Tinjauan Pustaka... 4 2.2. Function Generator... 4 2.3. Osilator... 5 2.4. MAX038... 10 2.5. Rangkaian Operasional Amplifier... 12 2.6. Arduino Uno... 14 BAB III PERANCANGAN ALAT... 17 iv
3.1. Gambaran Sistem... 17 3.2. Gambaran Kerja Alat... 18 3.3. Perancangan Perangkat Lunak... 19 3.4. Perancangan Perangkat Keras... 21 3.4.1. Modul Pembangkit Gelombang... 21 3.4.2. Modul Pengaturan Duty Cycle... 24 3.4.3. Modul Pengaturan Amplitudo... 26 3.4.4. Modul Pengaturan Tegangan Offset... 27 3.4.5. Modul Pengaturan Atenuasi... 29 3.4.6. Modul Switch Pemilihan Gelombang... 33 3.4.7. Modul Mikrokontroler... 34 BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA... 28 4.1. Pengujian Modul Pembangkit Gelombang dan Amplitudo... 37 4.1.1. Gelombang Tegangan Segitiga... 37 4.1.2. Gelombang Tegangan Sinus... 48 4.1.3. Gelombang Tegangan Kotak... 57 4.2. Pengujian Duty Cycle... 67 4.3. Pengujian Pengaturan Tegangan Offset... 71 4.4. Pengujian Pengaturan Atenuasi... 73 4.5. Pengujian dengan Impedansi Keluaran 50 Ω... 77 4.6. Pengujian Keluaran 5V pp (Sync Output)... 78 v
4.7. Pengujian Penampil Frekuensi... 79 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 82 5.1. Kesimpulan... 82 5.2. Saran Pengembangan... 83 DAFTAR PUSTAKA... 84 LAMPIRAN... 85 vi
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Audio Generator pada Lab BS-2... 1 Gambar 2.1. Rangkaian dan Bentuk Gelombang Output Rangkaian Osilator... Gelombang Segitiga... 5 Gambar 2.2. PWL Transfer Function... 7 Gambar 2.3. Rangkaian Positive Half-Cycle... 7 Gambar 2.4. Rangkaian Diode Wave Shaping... 8 Gambar 2.5. Transformasi Gelombang Segitiga ke Gelombang Sinus... 8 Gambar 2.6. Rangkaian Komparator Non-Inverting... 9 Gambar 2.7. Masukan dan Keluaran dari Rangkaian Komparator Non-Inverting..... 9 Gambar 2.8. High Frequency Wave Generator MAX038... 10 Gambar 2.9. Rangkaian Pengatur Duty Cycle... 12 Gambar 2.10. Rangkaian Penguat Inverting... 13 Gambar 2.11. Rangkaian Buffer... 13 Gambar 2.12. Board Arduino Uno... 15 Gambar 3.1. Blok Diagram Sistem Alat... 17 Gambar 3.2. Diagram Alir Program Utama... 19 Gambar 3.3. Diagram Alir Program Interupsi Eksternal... 20 Gambar 3.4. Diagram Alir Program Interupsi Timer... 20 Gambar 3.5. Operating Circuit pada Datasheet MAX038... 22 Gambar 3.6. Rangkaian Modul Pembangkit Gelombang... 23 Gambar 3.7. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.6... 24 vii
Gambar 3.8. Rangkaian Modul Pengaturan Duty Cycle... 25 Gambar 3.9. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.8... 26 Gambar 3.10. Rangkaian Penguat Inverting Modul Pengatur Amplitudo... 27 Gambar 3.11. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.10... 27 Gambar 3.12. Rangkaian Modul Pengaturan Tegangan Offset... 28 Gambar 3.13. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.12... 29 Gambar 3.14. Rangkaian Modul Pengaturan Atenuasi... 31 Gambar 3.15. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.14... 33 Gambar 3.16. Rangkaian Modul Switch Gelombang... 33 Gambar 3.17. Realisasi dari Rangkaian pada Gambar 3.16... 34 Gambar 3.18. Modul Arduino Uno... 34 Gambar 3.19. Modul 7-segmen... 35 Gambar 3.20. Function Generator Yang Dibuat... 36 Gambar 4.1. Gambar Gelombang Tegangan Segitiga 0,1Hz... 38 Gambar 4.2. Gambar Gelombang Tegangan Segitiga 1Hz... 40 Gambar 4.3. Gambar Gelombang Tegangan Segitiga 10Hz... 41 Gambar 4.4. Gambar Gelombang Tegangan Segitiga 100Hz... 42 Gambar 4.5. Gambar Gelombang Tegangan Segitiga 1kHz... 43 Gambar 4.6. Gambar Gelombang Tegangan Segitiga 10kHz... 44 Gambar 4.7. Gambar Gelombang Tegangan Segitiga 100kHz... 45 Gambar 4.8. Gambar Gelombang Tegangan Segitiga 1MHz... 46 Gambar 4.9. Gambar Gelombang Tegangan Segitiga 2MHz... 47 viii
Gambar 4.10. Gambar Gelombang Tegangan Sinus 0,1Hz... 48 Gambar 4.11. Gambar Gelombang Tegangan Sinus 1Hz... 49 Gambar 4.12. Gambar Gelombang Tegangan Sinus 10Hz... 49 Gambar 4.13. Gambar Gelombang Tegangan Sinus 100Hz... 50 Gambar 4.14. Hasil Pengukuran THD dengan THD Meter Untuk Frekuensi 100Hz... 50 Gambar 4.15. Hasil Pengukuran THD dengan THD Meter Untuk Frekuensi 100Hz... 51 Gambar 4.16. Gambar Gelombang Tegangan Sinus 1kHz... 51 Gambar 4.17. Hasil Pengukuran THD dengan THD Meter Untuk Frekuensi 1kHz. 52 Gambar 4.18. Hasil Pengukuran THD dengan THD Meter Untuk Frekuensi 1kHz. 52 Gambar 4.19. Gambar Gelombang Tegangan Sinus 10kHz... 53 Gambar 4.20. Hasil Pengukuran THD dengan THD Meter Untuk Frekuensi 10kHz... 53 Gambar 4.21. Hasil Pengukuran THD dengan THD Meter Untuk Frekuensi 10kHz... 54 Gambar 4.22. Gambar Gelombang Tegangan Sinus 100kHz... 54 Gambar 4.23. Gambar Gelombang Tegangan Sinus 1MHz... 55 Gambar 4.24. Gambar Gelombang Tegangan Sinus 2MHz... 55 ix
Gambar 4.25. Grafik THD Terhadap Frekuensi pada Function Generator Yang Dibuat... 57 Gambar 4.26. Gambar Gelombang Tegangan Kotak 0,1Hz... 58 Gambar 4.27. Gambar Gelombang Tegangan Kotak 1Hz... 59 Gambar 4.28. Gambar Gelombang Tegangan Kotak 10Hz... 60 Gambar 4.29. Gambar Gelombang Tegangan Kotak 100Hz... 61 Gambar 4.30. Gambar Gelombang Tegangan Kotak 1kHz... 62 Gambar 4.31. Gambar Gelombang Tegangan Kotak 10kHz... 63 Gambar 4.32. Gambar Gelombang Tegangan Kotak 100kHz... 64 Gambar 4.33. Gambar Gelombang Tegangan Kotak 500kHz... 65 Gambar 4.34. Gambar Gelombang Tegangan Kotak 1MHz... 66 Gambar 4.35. Gambar Gelombang Tegangan Kotak 2MHz... 67 Gambar 4.36. Gelombang Tegangan Kotak dengan Duty Cycle 15% pada Frekuensi 1kHz... 68 Gambar 4.37. Gelombang Tegangan Kotak dengan Duty Cycle 40% pada Frekuensi 1kHz... 68 Gambar 4.38. Gelombang Tegangan Kotak dengan Duty Cycle 65% pada Frekuensi 1kHz... 69 Gambar 4.39. Gelombang Tegangan Kotak dengan Duty Cycle 85% pada Frekuensi 1kHz... 69 Gambar 4.40. Tegangan pada PIN DADJ Apabila Potensio Diputar Minimal dan Maksimal... 70 x
Gambar 4.41. Duty Cycle pada Frekuensi 891,50Hz... 71 Gambar 4.42. Gelombang Tegangan Kotak 1kHz... 72 Gambar 4.43. Gelombang Tegangan Sinus 1kHz... 72 Gambar 4.44. Gelombang Tegangan Segitiga 1kHz... 73 Gambar 4.45. Atenuasi 0dB pada Gelombang Tegangan Sinus 1kHz... 74 Gambar 4.46. Atenuasi -10dB pada Gelombang Tegangan Sinus 1kHz... 75 Gambar 4.47. Atenuasi -20dB pada Gelombang Tegangan Sinus 1kHz... 75 Gambar 4.48. Atenuasi -30dB pada Gelombang Tegangan Sinus 1kHz... 76 Gambar 4.49. Atenuasi -40dB pada Gelombang Tegangan Sinus 1kHz... 76 Gambar 4.50. Atenuasi -50dB pada Gelombang Tegangan Sinus 1kHz... 77 Gambar 4.51. Gelombang Tegangan Sinus 1kHz dengan Amplitudo 18V pp... 78 Gambar 4.52. Gelombang Tegangan Sinus 1kHz dengan Amplitudo 4V pp... 78 Gambar 4.53. Perbandingan Main Output dan Sync Output pada Frekuensi 1kHz..... 79 Gambar 4.54. Perbandingan Main Output dan Sync Output pada Frekuensi 10kHz... 79 Gambar 4.55. Penampil Frekuensi 1,045kHz... 80 Gambar 4.56. Penampil Frekuensi 10,27kHz... 80 Gambar 4.57. Penampil Frekuensi 101,569kHz... 80 Gambar 4.58. Penampil Frekuensi 1,045197MHz... 81 xi
DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Logika CMOS Pemilihan Gelombang... 10 Tabel 3.1. Range Frekuensi terhadap Nilai Kapasitor... 22 Tabel 3.2. Daftar Komponen pada Modul Pembangkit Gelombang... 24 Tabel 3.3. Daftar Komponen pada Modul Pengaturan Duty Cycle... 25 Tabel 3.4. Daftar Komponen pada Modul Pengaturan Amplitudo... 27 Tabel 3.5. Daftar Komponen pada Modul Pengaturan Tegangan Offset... 29 Tabel 3.6. Daftar Komponen pada Modul Pengaturan Atenuasi... 33 Tabel 3.7. Konfigurasi Penggunaan Pin/ Port Arduino Uno... 35 Tabel 3.2. Daftar Komponen pada Modul Pembangkit Gelombang... 24 Tabel 4.1. Tabel Amplitudo Terhadap Gradien pada Frekuensi 0,1Hz... 39 Tabel 4.2. Tabel Amplitudo Terhadap Gradien pada Frekuensi 1Hz... 40 Tabel 4.3. Tabel Amplitudo Terhadap Gradien pada Frekuensi 10Hz... 41 Tabel 4.4. Tabel Amplitudo Terhadap Gradien pada Frekuensi 100Hz... 42 Tabel 4.5. Tabel Amplitudo Terhadap Gradien pada Frekuensi 1kHz... 43 Tabel 4.6. Tabel Amplitudo Terhadap Gradien pada Frekuensi 10kHz... 44 Tabel 4.7. Tabel Amplitudo Terhadap Gradien pada Frekuensi 100kHz... 45 Tabel 4.8. Tabel Amplitudo Terhadap Gradien pada Frekuensi 1MHz... 46 Tabel 4.9. Tabel Amplitudo Terhadap Gradien pada Frekuensi 2MHz... 47 Tabel 4.10. THD Function Generator Yang Dibuat Terhadap Frekuensi... 56 Tabel 4.11. Perbandingan Rise Time dan OverShoot pada GFG-813 dan Function Generator Yang Dibuat pada Frekuensi 0,1Hz... 58 Tabel 4.12. Perbandingan Rise Time dan OverShoot pada GFG-813 dan Function Generator Yang Dibuat pada Frekuensi 1Hz... 59 xii
Tabel 4.13. Perbandingan Rise Time dan OverShoot pada GFG-813 dan Function Generator Yang Dibuat pada Frekuensi 10Hz... 60 Tabel 4.14. Perbandingan Rise Time dan OverShoot pada GFG-813 dan Function Generator Yang Dibuat pada Frekuensi 100Hz... 61 Tabel 4.15. Perbandingan Rise Time dan OverShoot pada GFG-813 dan Function Generator Yang Dibuat pada Frekuensi 1kHz... 62 Tabel 4.16. Perbandingan Rise Time dan OverShoot pada GFG-813 dan Function Generator Yang Dibuat pada Frekuensi 10kHz... 63 Tabel 4.17. Perbandingan Rise Time dan OverShoot pada GFG-813 dan Function Generator Yang Dibuat pada Frekuensi 100kHz... 64 Tabel 4.18. Perbandingan Rise Time dan OverShoot pada GFG-813 dan Function Generator Yang Dibuat pada Frekuensi 500kHz... 65 Tabel 4.19. Perbandingan Rise Time dan OverShoot pada GFG-813 dan Function Generator Yang Dibuat pada Frekuensi 1MHz... 66 Tabel 4.20. Perbandingan Rise Time dan OverShoot pada GFG-813 dan Function Generator Yang Dibuat pada Frekuensi 2MHz... 67 Tabel 4.21. Nilai Tegangaqn High dan Low pada Offset -2V dan +2V pada Frekuensi 1kHz... 73 Tabel 4.22.Output dari Setiap Performa Atenuasi... 74 Tabel 5.1. Output dari Function Generator... 82 xiii
DAFTAR ISTILAH AC ASCII DADJ FADJ GND IC MOSI PWM RX SCK TX Alternating Current American Standart code for Information Interchange Duty Cycle Adjusment Frequency Adjustment Ground Integrated Circuit Master Out Slave In Pulse Width Modulation Receiver Serial Clock Transmitter xiv