Transduser Dan Aplikasi

APA ITU TRANSDUSER ? Transduser merupakan perangkat yang mengubah besaran fisika (suhu, suara, cahaya, dll) menjadi sinyal listrik (tegangan, arus, dll)

Dimana Transduser bisa ditemui ? Antena  merupakan sebuah transduser dasar dan dapat dibuat dari dua pasang kawat . Antena mengubah energi elektromagnet kedalam sinyal listrik ketika menerima sinyal dan begitu juga sebaliknya. Microphone dan speaker  microphone mengubah tekanan gelombang suara menjadi arus listrik sedangkan speaker berfungsi sebaliknya.

Dimana Transduser bisa ditemui ? 3. Akselerometer adalah perangkat yang berfungsi untuk mengukur akselerasi tepat. Akselerometer yang sangat sensitif digunakan sebagai komponen sistem navigasi inersia pada pesawat tempur dan rudal. Akselerometer juga digunakan untuk mendeteksi dan memonitor getaran pada mesin putar. Selain itu, akselerometer digunakan pada komputer tablet dan kamera digital agar foto di layar selalu ditampilkan tegak.

Struktur transduser Transduser Output Sensor Input Secara umum transduser terdiri dari 3 blok diagram, yaitu : Input Sensor Output Transduser Input Sensor Output

Jenis-jenis transduser Berdasarkan fungsi dan penggunaannya transduser dapat dikelompokan menjadi 3 bagian yaitu: sensor thermal (panas) sensor mekanis sensor optik (cahaya)

Sensor thermal Sensor thermal adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala perubahan panas/temperatur/suhu pada suatu dimensi benda atau dimensi ruang tertentu. Contohnya: bimetal, termistor, termokopel, dsb. termokopel Termokopel LM35 Termistor Bimetal

Sensor Mekanis Sensor mekanis adalah sensor yang mendeteksi perubahan gerak mekanis, seperti perpindahan atau pergeseran atau posisi, gerak lurus dan melingkar, tekanan, aliran, level dsb. Contoh: strain gauge, linear variable deferential transformer (LVDT), proximity, potensiometer, load cell, bourdon tube, dsb.

linear variable deferential transformer Sensor Mekanis strain gauge Potensiometer bourdon tube load cell linear variable deferential transformer (LVDT)

Sensor Optik Sensor optik atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun bias cahaya yang mengernai benda atau ruangan. Contoh: photo cell, photo transistor, photo diode, photo voltaic, photo multiplier, pyrometer optic, dsb.

Sensor Optik photo transistor Infrared emitters LDR photo dioda

Penguat Sinyal & Buffer

Pengertian Operational Amplifier (Op-Amp) merupakan suatu komponen yang digunakan untuk menguatkan sinyal masukan ke level tertentu. + - Output Non Inverting Input Inverting Input High Supply Low Supply Simbol Op Amp Sederhana

Inverting Amplifiers Penguat operasional membalik merupakan suatu penguat yang akan menggeser fasa sinyal masukan sebesar 180o pada sinyal keluarannya. Tanda minus (-) menunjukkan bahwa fasa sinyal masukan berbeda polaritas dengan fasa sinyal keluaran.

If I- V- I1 V+ I+ Syarat Op Amp ideal 𝐼 − =0 𝐼 + =0 𝑉 − = 𝑉 + 𝐾𝑎𝑟𝑒𝑛𝑎 𝑉 + =0, 𝑚𝑎𝑘𝑎 𝑉 − =0 I- V- 𝐼 1 = 𝑉 𝑖𝑛 𝑅 𝑖 𝐼 𝑓 = 𝑉 𝑜𝑢𝑡 𝑅 𝑓 I1 V+ I+ 𝐼 − = 𝐼 1 + 𝐼 𝑓 𝐼 − = 𝑉 𝑖𝑛 𝑅 𝑖 + 𝑉 𝑜𝑢𝑡 𝑅 𝑓 0= 𝑉 𝑖𝑛 𝑅 𝑖 + 𝑉 𝑜𝑢𝑡 𝑅 𝑓 𝑉 𝑜𝑢𝑡 =− 𝑉 𝑖𝑛 𝑅 𝑓 𝑅 𝑖 𝑉 𝑜𝑢𝑡 𝑅 𝑓 =− 𝑉 𝑖𝑛 𝑅 𝑖 𝑉 𝑜𝑢𝑡 =− 𝑉 𝑖𝑛 𝐴 𝑣

Contoh Jika diberikan Sinyal Input 500 mV dan diharapkan sinyal keluaran – 5 V, maka tentukan besarnya Gain (penguatan) ? Jawab : 𝑉 𝑜𝑢𝑡 =− 𝑉 𝑖𝑛 𝑅 𝑓 𝑅 𝑖 𝑉 𝑜𝑢𝑡 𝑉 𝑖𝑛 =− 𝑅 𝑓 𝑅 𝑖 5 0,5 =− 𝑅 𝑓 𝑅 𝑖 ∴10= 𝑅 𝑓 𝑅 𝑖 𝐽𝑎𝑑𝑖 𝑗𝑖𝑘𝑎 𝑅 𝑖 =10 𝑘Ω, 𝑚𝑎𝑘𝑎 𝑅 𝑓 =100 𝑘Ω

Non -Inverting Amplifiers Stages Penguat operasional tidak membalik merupakan suatu penguat yang memiliki polaritas sinyal keluarannya sama dengan polaritas sinyal masukkannya. 𝑉 + = 𝑉 𝑖𝑛 Dengan menggunakan prinsif pembagi tegangan diperoleh : 𝑉 − = 𝑅 𝑖 𝑅 𝑓 + 𝑅 𝑖 𝑉 𝑜𝑢𝑡 𝑘𝑎𝑟𝑒𝑛𝑎 𝑉 + = 𝑉 − 𝑚𝑎𝑘𝑎 𝑑𝑖𝑝𝑒𝑟𝑜𝑙𝑒ℎ : 𝑉 𝑖𝑛 = 𝑅 𝑖 𝑅 𝑓 + 𝑅 𝑖 𝑉 𝑜𝑢𝑡 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑅 𝑓 + 𝑅 𝑖 𝑅 𝑖 𝑉 𝑖𝑛 𝑉 𝑜𝑢𝑡 𝑉 𝑖𝑛 = 𝐴 𝑣 = 𝑅 𝑓 + 𝑅 𝑖 𝑅 𝑖

Contoh Jika diberikan Sinyal Input 500 mV, 𝑅 𝑓 =100 𝑘Ω dan 𝑅 𝑖 =10 𝑘Ω, maka tentukan besarnya 𝑉 𝑜 ? Jawab :

Differential Amplifiers Penguat Diferensial merupakan kombinasi dari penguat membalik dan penguat tidak membalik. 𝑉 𝑜𝑢𝑡1 =− 𝑉 2 𝑅 𝑓 𝑅 𝑖 …….(1) Jika V2 di short/diketanahkan, menggunakan konsep pembagi tegangan) diperoleh: 𝑉 + = 𝑅 𝑓 𝑅 𝑓 + 𝑅 𝑖 𝑉 1 = 𝑉 − 𝑉 − = 𝑅 𝑖 𝑅 𝑓 + 𝑅 𝑖 𝑉 𝑜𝑢𝑡2 𝑅 𝑓 𝑅 𝑓 + 𝑅 𝑖 𝑉 1 = 𝑅 𝑖 𝑅 𝑓 + 𝑅 𝑖 𝑉 𝑜𝑢𝑡2 𝑅 𝑓 + 𝑅 𝑖 𝑅 𝑖 𝑅 𝑓 𝑅 𝑓 + 𝑅 𝑖 𝑉 1 = 𝑉 𝑜𝑢𝑡2 𝑅 𝑓 𝑅 𝑖 𝑉 1 = 𝑉 𝑜𝑢𝑡2 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑉 𝑜𝑢𝑡1 + 𝑉 𝑜𝑢𝑡2 𝑉 𝑜𝑢𝑡 =− 𝑉 2 𝑅 𝑓 𝑅 𝑖 + 𝑅 𝑓 𝑅 𝑖 𝑉 1 Sinyal input diberikan di input membalik dan input tidak membalik. 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑉 1 − 𝑉 2 𝑅 𝑓 𝑅 𝑖 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑉 1 − 𝑉 2 𝐴 𝑣

Contoh Jika diberikan Sinyal Input 50 mV, 𝑉 1 =1,050 𝑣𝑜𝑙𝑡 dan 𝑉 2 =1,000 𝑣𝑜𝑙𝑡, maka tentukan besarnya 𝑉 𝑜 jika diinginkan besarnya penguatan 100 kali ? Jawab : 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑉 1 − 𝑉 2 𝐴 𝑣 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 1,050−1,000 100 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 0,050 100 𝑉 𝑜𝑢𝑡 =5 𝑣𝑜𝑙𝑡

Buffer 𝑽 𝒐𝒖𝒕 ≈ 𝑽 𝒊𝒏 𝑨 𝒗 = 𝑽 𝒐𝒖𝒕 𝑽 𝒊𝒏 =𝟏 Rangkaian buffer adalah rangkaian yang menghasilkan tegangan output sama dengan tegangan inputnya. Fungsi dari rangkaian buffer pada peralatan elektronika adalah sebagai penyangga, dimana prinsip dasarnya adalah penguat arus tanpa terjadi penguatan tegangan. Rangkaian buffer menggunakan Op-amp Dengan metode hubung singkat antara jalur input inverting dan jalur output operasional amplifier (op-amp) maka diperoleh perhitungan matematis sebagai berikut 𝑽 𝒐𝒖𝒕 ≈ 𝑽 𝒊𝒏 - Sehingga diperoleh nilai penguatan tegangan (Av) sebagai berikut: 𝑨 𝒗 = 𝑽 𝒐𝒖𝒕 𝑽 𝒊𝒏 =𝟏

Soal Sebuah Op-Amp 741 seperti gambar dibawah disupplay oleh tegangan 𝑣 𝑠 =1 𝑣𝑜𝑙𝑡, Hitung besarnya penguatan 𝑣 𝑜 𝑣 𝑠 dan arus keluaran 𝑖 𝑜

Soal 2. Terdapat sebuah rangkaian Op-Amp seperti gambar dibawah, jika 𝑣 𝑖 =0,5 𝑣𝑜𝑙𝑡, hitung : a). Tegangan keluaran ( 𝑣 𝑜 ) b). Arus pada tahanan 10 kΩ 3. Hitung besarnya 𝑣 𝑜 dari rangkaian op-amp berikut.

Soal 4. Desain sebuah differensial amplifier dengan input 𝑣 1 𝑑𝑎𝑛 𝑣 2 sehingga diperoleh 𝑣 𝑜 =− 5𝑣 1 +3 𝑣 2 5. Desain sebuah differensial amplifier sehingga diperoleh penguatan (gain) = 4.

(Analog To Digital Converter) ADC (Analog To Digital Converter)

Pengertian ADC merupakan suatu alat yang berfungsi untuk menterjemahkan sinyal analog yang ada di alam menjadi suatu sinyal digital. ADC banyak digunakan untuk pemprosesan informasi, perhitungan, transmisi data dan sistem kontrol. Hubungan antara input dan output pada ADC ditunjukkan oleh gambar berikut :

Kenapa Perlu ADC ? Mikroprosesor hanya dapat bekerja jika diberikan sinyal digital Ketika sinyal dalam bentuk digital, noise lebih mudah dihilangkan ADC menjadi antar muka antara dunia analog yang ditangkap oleh transduser dengan dunia digital khususnya pada signal processing dan data handling.

Aplikasi ADC ADC digunakan dimanapun sinyal analog akan diproses, disimpan atau diubah ke bentuk digital. Beberapa contoh penerapan ADC adalah digital Volt meter, cell phone, thermocuples, dan digital oscilloscope. Mikrokontroler umumnya menggunakan ADC 8, 10, 12 atau 16 bit.

Proses ADC Secara umum proses di ADC ada langkah, yaitu : Sample dan Holding (S/H) Quantization dan Encoding (Q/E)

Resolusi ADC menentukan ketelitian nilai hasil konversi ADC. Sebagai contoh: ADC 8 bit akan memiliki output 8 bit data digital, ini berarti sinyal input dapat dinyatakan dalam 255 (2n –1) nilai diskrit. ADC 12 bit memiliki 12 bit output data digital, ini berarti sinyal input dapat dinyatakan dalam 4096 nilai diskrit. Dari contoh diatas ADC 12 bit akan memberikan ketelitian nilai hasil konversi yang jauh lebih baik daripada ADC 8 bit.

Contoh : Suatu rangkaian ADC dengan IC 0804 diberikan input tegangan analog sebesar 3 volt. Tegangan referensi IC di-set di 5 volt. Berapakah data digital output dari IC? Jawab : IC 0804 adalah IC ADC dengan output 8 bit data digital. Maka maksimal data digital-nya adalah 28 – 1 = 255 Data ADC = (Vin / Vref) * Maksimal data digital = (3 / 5) * 255 = 153 = 10011001

Soal : Suatu rangkaian mikrokontroler AVR ATmega16 terhubung transduser suhu LM35. Dalam proses pembacaan data pada pin ADC-nya, data yang terbaca adalah 300(10). Berapakah suhu yang terdeteksi oleh LM35 jika pin AREF pada mikrokontroler diset di tegangan 1 volt? Jawab : Langkah pertama dalam menyelesaikan kasus ini adalah menentukan tegangan input di pin ADC yang adalah tegangan keluaran dari LM35 : Data ADC = (Vin/Vref) x Maksimal Data Digital 300 = (Vin/1) x 1023 Vin = (300 x 1 / 1023) = 0,2933 Volt Langkah berikutnya adalah menentukan suhu yang dideteksi oleh LM35. Untuk melakukan itu perlu diperhatikan sensitivitas dari LM35. Dari datasheet-nya, LM35 memiliki sensitivitas  10 mV/oC. Sehingga suhu yang terdeteksi oleh LM35 (T): T = (Vin/Sensitivitas) = (0,2933/0,01) = 29,33 oC

Metode Konversi ADC Flash (pararel/simultan) konverter Successive Approximation Register (SAR)

1. Flash/ Pararel/ Simultan Converter 𝐷 2 ( 2 2 ) 𝐷 1 ( 2 1 ) 𝐷 0 ( 2 0 )

Bila Vref diset pada nilai 5 Volt, maka dari gambar diatas didapatkan : V(-) untuk C7 = Vref * (13/14) = 4,64 volt V(-) untuk C6 = Vref * (11/14) = 3,93 volt V(-) untuk C5 = Vref * (9/14) = 3,21 volt V(-) untuk C4 = Vref * (7/14) = 2,5 volt V(-) untuk C3 = Vref * (5/14) = 1,78 volt V(-) untuk C2 = Vref * (3/14) = 1,07 volt V(-) untuk C1 = Vref * (1/14) = 0,36 volt Misalnya : Vin diberi sinyal analog 3 Volt, maka output dari C7=0, C6=0, C5=0, C4=1, C3=1, C2=1, C1=1, sehingga didapatkan output ADC yaitu 100 biner.

2. SAR (SUCCESSIVE APROXIMATION REGISTER)

Beberapa kelebihan dan kekurangan menggunakan SAR, ,yaitu : Sederhana Lebih cepat proses konversinya Through put yang tinggi Kekurangannya : Rangkaian terlalu banyak komponen sehingga memerlukan space yang banyak.

SAR (SUCCESSIVE APROXIMATION REGISTER) ADC Pada saat perintah Convert Start diberikan, blok SHA (Sample and Hold) akan berada pada mode Hold dan semua bit SAR akan di reset menjadi “0” kecuali bagian MSB yang akan di set menjadi “1”. Output dari SAR akan mengendalikan internal ADC. Trace sinyal dilakukan dengan cara mengeluarkan kombinasi MSB=1  1000 0000 Apabila belum sama atau kurang dari tegangan analog input, maka bit MSB berikutnya akan dikeluarkan MSB=1  1100 0000 Apabila tegangan analog input lebih kecil dari tegangan yang dihasilkan oleh DAC, maka langkah selanjutnya adalah menurunkan kombinasi bit  1010 0000 Hal ini akan dilakukan terus sampe diperoleh tegangan analog input = tegangan yang dihasilkan oleh DAC.

Diagram waktu dasar untuk SAR ADC seperti terlihat pada gambar berikut : Bagian akhir dari suatu konversi umumnya diindikasikan dengan EOC (end-of-convert), data ready (DR) atau busy signal. Konversi dimulai dengan memberikan sinyal High (atau Low) dan akan tetap pada kondisi tersebut sampai proses konversi selesai.

Misalnya : diberikan sinyal 𝑉 𝑖𝑛 = 5 volt, maka : 𝟐 𝟑 𝟐 𝟐 𝟐 𝟏 𝟐 𝟎 Output 1 8 Volt 4 Volt 6 Volt 5 Volt

Contoh : Jika D7 = 1  Vout=5 volt Jika D6 = 1  Vout=2,5 volt Jika D5 = 1  Vout=1,25 volt Jika D4 = 1  Vout=0,625 volt Jika D3 = 1  Vout=0,3125 volt Jika D2 = 1  Vout=0,1625 volt Jika D1 = 1  Vout=0,078125 volt Jika D0 = 1  Vout=0,0390625 volt Jika diberikan tegangan analog input = 6,84 volt dan tegangan referensi = 10 volt, tentukan besarnya data keluaran. Berapa clock gelombang yang diperlukan sampe diperoleh hasil yang diinginkan.

1 2^7 2^6 2^5 2^4 2^3 2^2 2^1 2^0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Output 5 2,5 5 2,5 7,5 1,25 6,25 0,63 6,875 0,31 6,5625 0,16 6,725 0,08 6,803125 0,04 6,842188

Soal : Bila Vref diset pada nilai 8 Volt, dengan menggunakan flash converter cari besarnya keluaran comparator dan translator

(Digital To Analog Converter) DAC (Digital To Analog Converter)

Pengertian ADC merupakan suatu alat yang berfungsi untuk menterjemahkan sinyal digital hasil proses dari sistem mikroprosesor dan ditampilkan pada suatu monitor atau display. DAC hampir sama dengan ADC banyak digunakan untuk pemprosesan informasi, perhitungan, transmisi data dan sistem kontrol. Hubungan antara input dan output pada DAC ditunjukkan oleh gambar berikut :

TEORI DASAR Rangkaian penjumlah op-amp (summing amplifier) dapat digunakan untuk menyusun suatu konverter D/A dengan memakai sejumlah hambatan masukan yang diberi bobot dalam deret biner. PENGUAT INVERTING Vout = -Vin(R2/R1)

PENGUAT NON INVERTING Vout = Vin ((R1+R2)/R1)

PENGUAT PENJUMLAH (Summing Amplifier)

BINARY WEIGHTED DAC Sebuah rangkaian Binary-weighted DAC dapat disusun dari beberapa Resistor dan Operational Amplifier seperti gambar 1 dibawah. Gambar 1. Rangkaian Binary Weighted DAC

Konversi dari nilai digital ke nilai analog berdasarkan rangkaian gambar 1 :

Soal : Jika 𝑅 𝑓 =10 𝑘Ω, 𝑅 2 =20 𝑘Ω, 𝑅 3 =40 𝑘Ω 𝑑𝑎𝑛 𝑅 4 =80 𝑘Ω. Cari keluaran analog jika diberikan masukan biner : [ 0000 ] [ 0001 ] [ 0010 ] [ 0011 ] [ 0100 ] [ 0101 ] [ 0110 ] [ 0111 ] [ 1000 ] [ 1001 ] [ 1010 ] [ 1011 ] [ 1100 ] [ 1101 ] [ 1110 ] [ 1111 ]