BAB II ANALOG SIGNAL CONDITIONING 2.1 Pendahuluan Signal Conditioning ialah operasi untuk mengkonversi sinyal ke dalam bentuk yang cocok untuk interface dengan elemen lain dalam sistem kontrol. Process Cmax ymax bmax Sensor Signal Conditioning Cmin ymin bmin Bentuk bentuk Analog Signal Conditioning : o Perubahan Level Sinyal. Misalnya dengan menguatkan atau melemahkan level tegangan. Faktor yang penting dalam pemilihan amplifeier : Impedansi input. o Linearisasi. Ada rangkaian analog yang berfungsi untuk melinearkan sinyal. o Konversi. ASC berfungsi untuk mengubah bentuk perubahan elektris tertentu ke bentuk lain. Misalnya banyak sensor yang menghasilkan perubahan resistansi akan diubah ke bentuk sinyal arus atau tegangan melalui rangkaian jembatan. o Filtering dan Impedance Matching. ASC berguna untuk menghilangkan sinyal-sinyal yang tidak diinginkan pada frekuensi tertentu. ASC juga berguna untuk menghilangkan error akibat impedansi internal transducer atau impedansi line (kabel). Hal penting yang harus diperhatikan dalam ASC ialah terjadinya loading atau pembebanan suatu rangkaian oleh rangkaian yang lain. RX X VX VY RL Element Vy Vx Persamaan :
2.2 Rangkaian Pasif 2.2.1 Rangkaian Pembagi Rangkaian ini dapat digunakan untuk mengkonversi perubahan resistansi menjadi perubahan tegangan. Gambar dan Persamaan : Hal hal yang perlu diperhatikan : o Perubahan VD terhadap R1 maupun R2 ialah nonlinier. o Impedansi ouput rendah, harus berhati-hati dengan efek pembebanan. o Akan terjadi disipasi daya pada kedua resistor (termasuk sensor), sehingga power rating dari resistor dan sensor harus diperhatikan. 2.2.2 Rangkaian Jembatan Berguna untuk mengkonversi perubahan impedansi menjadi perubahan tegangan. Keuntungannya ialah tegangan yang dihasilkan berada di sekitar nilai 0 volt, sehingga hanya dengan menguatkan tegangan akan menambah sensitivitas terhadap perubahan impedansi. Gambar dan persamaan : R3. R2 = R1. R4 Untuk sistem kontrol dimana sensor terletak pada posisi yang jauh dari control room, penggunaan kabel yang panjang dikhawatirkan akan memberi kontribusi pada perubahan resistansi sensor. Hal itu dapat diatasi dengan penggunaan rangkaian jembatan. o Gambar dan persamaan
Penggunaan rangkaian ini akan menimbulkan nonlinearitas yang besar jika kisaran perubahan resistansi besar. Namun jika perubahan resistansi kecil dan berada di sekitar nol (seperti respon sensor pada umumnya), maka respon outputnya cenderung linear. 2.2.3 RC Filter Bertujuan untuk menghilangkan sinyal noise yang tidak diinginkan dengan menahan/ mengeblok kisaran frekuensi tertentu. Critical frequency ialah frekuensi dimana rasio tegangan output dan input sebesar 0.707. Low Pass RC Filter mengeblok frekuensi tinggi dan melewatkan frekuensi rendah. o Gambar dan persamaan : High Pass RC Filter mengeblok frekuensi rendah dan melewatkan frekuensi tinggi. o Gambar dan persamaan : Hal-hal yang perlu diperhatikan o Pemilihan nilai tahanan harus tinggi (dalam k) dan nilai kapasitor harus kecil (dalam F) untuk menghindari terjadi arus yang besar sehingga menyebabkan efek pembebanan besar. o LPF dan HPF bisa dikombinasikan untuk mendapatkan band pass filter. Masingmasing LPF dan HPF juga bisa disusun seri untuk menambah kisaran frekuensi 2.3 Operational Amplifier (Op-Amp) Gambar dan persamaan : Ideal Op Amp o Jika V1 V2 ialah positif, maka V0 tersaturasi positif. Jika selisihnya negatif, maka V0 tersaturasi negatif. Pada dasarnya, op-amp hanya punya 2 output : + Vsat dan Vsat.
o Memiliki impedansi antar input op-amp yang besarnya tak terbatas. o Memiliki impedansi output sebesar 0. Ideal Inverting Amplifier o Gambar : o Tidak ada perbedaan antara tegangan input op-amp, V+ = V-. o Tidak ada arus yang mengalir melalui terminal input op amp karena diasumsikan impedansi inputnya tidak terbatas. Sehingga jumlah arus yang mengalir pasti nol : I1 + I2 = 0 Efek Nonideal (Kondisi nyata op-amp) o Gambar : o Gain open loop yang terbatas, sebesar rasio dari V0 dan [V1 - V2]. o Impedansi input yang terbatas, sehingga ada tegangan dan arus yang melintasi terminal input op-amp. o Impedansi output yang tidak nol, meskipun hanya beberapa ohm saja. o Persamaan :
2.4 Rangkaian Op Amp dalam Instrumentasi 2.4.1 Voltage follower Mempunyai unity gain (besarnya gain ialah satu), dan impedansi input yang sangat tinggi (lebih dari 100 M). Sering digunakan untuk menaikkan impedansi input op-amp lain. 2.4.2 Noninverting Amplifier Dapat digunakan untuk menaikkan level tegangan, tetapi tidak bisa menurunkannya karena input noninverting mempunyai impedansi input tinggi dan impedansi output rendah. Gambar dan persamaan : 2.4.3 Differential Instrumentation Amplifier Differential amplifier ideal memberikan selisih dari dua tegangan input yang dikalikan dengan nilai gain tertentu. o Vout = A ( V1 V2) Differential amplifier : Karena diff. Amp di atas mempunyai impedansi input rendah. Dengan menambahkan rangkaian voltage follower dapat diberikan impedansi input tinggi dan impedansi output rendah. Kombinasi rangkaian ini dinamakan : instrumentation amplifier.
2.4.4 Voltage to Current Converter Karena sinyal dalam dunia industri sering berupa arus standar 4 20 ma, berikut rangkaian yang diperlukan untuk mengubah tegangan menjadi arus. Gambar dan persamaan :.. 2.4.5 Current to Voltage Converter Gambar dan persamaan : 2.4.6 Integrator Gambar dan persamaan : o Jika tegangan input konstan, Vin = K, sehingga persaman di atas menjadi : Vout = - (K/RC).t Mekanisme reset dengan mendischarge capacitor harus dipersiapkan, sebab jika tidak Vout akan naik dan berada pada nilai saturasi output untuk beberapa waktu.
2.4.7 Linearization Dilakukan dengan menambahkan elemen nonlinear pada feedback loop op-amp (misal: dioda) 2.5 Petunjuk Desain Analog Signal Conditioning 1. Tentukan tujuan pengukuran. a. Parameter : apakah jenis variabel yang diukur : tekanan, suhu, flow, dll? b. Range : Berapakah range pengukuran : misal 2 4 V? c. Accuracy : berapakah akurasi yang diperlukan? d. Linearity : apakah hasil pengukuran harus linear? e. Noise : berapakah level noise dan spektrum frekuensi dari lingkungan pengukuran? 2. Memilih sensor. a. Parameter : apakah nature dari output sensor: resistansi, tegangan, dll? b. Transfer function : bagaimanakah hubungan (persamaan matematis) antara output sensor dan variabel yang diukur? c. Range : berapakah range output sensor untuk range pengukuran yang telah ada? d. Power : bagaimanakah spesifikasi daya sensor? 3. Mendesain analog signal conditioning a. Parameter : apakah nature dari output yang diinginkan? b. Range : berapa range parameter output yang diinginkan? c. Input impedance : berapa impedansi input yang harus dihasilkan S/C untuk sumber sinyal tegangan. Sangat penting untuk mencegah efek pembebanan. d. Output impedance : berapa impedansi output yang harus diberikan S/C untuk rangkaian beban output. 4. Catatan untuk desain analog signal conditioning a. Jika input berupa resistansi (rangkaian pembagi jembatan), pertimbangkan efek nonlinieritas tegangan output terhadap perubahan resistansi dan efek dari arus yang melewati sensor resistif. b. Jika menggunakan op-amp, tentukan hubungan/persamaan yang menghubungkan input dan output, untuk menentukan jenis rangkaian yang akan dipakai. c. Pertimbangkan dan antisipasi kemungkinan adanya pembebanan dari sumber tegangan. Source : Process Control Instrumentation Technology, Curtis D. Johnson