ANALISIS INSTRUMEN I SIGNAL DAN NOISE Arie BS

Signal danNoise A. SIGNAL-TO-NOISE RATIO Analisis Instrumen I Signal danNoise A. SIGNAL-TO-NOISE RATIO Pengukuran analitik terdiri dari 2 komponen, yaitu: respon instrumen fluktuasi random (noise) Noise - fluktuasi random dari perulangan pengukuran yang terjadi pada suatu basis kontinyu. - standard deviasi (s atau s) dari suatu sinyal instrumen. Signal to Noise Ratio: Arie BS

Signal-to-Noise A. SIGNAL-TO-NOISE RATIO Analisis Instrumen I Arie BS Noise High = Stand Dev. Noise Low = Stand Dev. Arie BS

Signal-to-Noise A. SIGNAL-TO-NOISE RATIO Analisis Instrumen I spektra Low Signal High Noise High Signal Low Noise Arie BS

Signal-to-Noise A. SIGNAL-TO-NOISE RATIO Analisis Instrumen I Signal-to-Noise A. SIGNAL-TO-NOISE RATIO Estimating Signal-to-Noise Ratio x = 0.9 x 10-15 A Nt = 1.0 x 10-15 A s = Nt/5 = 1.0 x 10-15/5 = 0.2 x 10-15 x = 0.9 x 10-15 S/N = x/s = 0.9 x 10-15/0.2 x 10-15 = 45 Arie BS

Signal-to-Noise B. SUMBER NOISE Analisis Instrumen I Signal-to-Noise B. SUMBER NOISE Terdapat 2 tipe noise yg akan mempengaruhi analisis: Chemical Noise Instrumental Noise Chemical Noise - berasal dari banyak variabel yg mempengaruhi sifat kimia sistem yg diamati. Sumber chemical noise: • Temperatur • Tekanan • Kelembaban • Interaksi kimia Chemical Noise sangat tergantung pada metode yg digunakan (preparasi sampel, penyimpanan sampel, dll) Arie BS

Signal-to-Noise B. SUMBER NOISE Analisis Instrumen I Signal-to-Noise B. SUMBER NOISE Terdapat 2 tipe noise yg akan mempengaruhi analisis: Chemical Noise Instrumental Noise Instrumental Noise - tiap komponen instrumen (sumber, input transducer, output transducer, dll.) berkontribusi pada noise total dalam sinyal analitik suatu instrumen. Instrumental noise sangat kompleks dan sulit dikarakterisasi, hanya beberapa jenis saja yg bisa dimengerti. • Thermal Noise • Shot Noise • Flicker Noise • Environmental Noise Arie BS

Signal-to-Noise B. SUMBER NOISE Instrumental Noise Analisis Instrumen I Signal-to-Noise B. SUMBER NOISE Instrumental Noise 1. Thermal Noise Disebabkan oleh perubahan termal dari elektron atau pembawa muatan lain dalam komponen elektronik (mis: resistor, kapasitor, radiation transducer, dll). Sering disebut juga : Johnson Noise Thermal Noise tidak terjadi pada 0oK (- 273oC) Magnitude of thermal noise : nrms= root-mean-square noise voltage k = Boltzmann constant (1.38 x 10-23 J/K) T = Temperature (K) R = Resistance of a resistive element (W) Df = frequency bandwidth (Hz) Arie BS

Signal-to-Noise B. SUMBER NOISE Instrumental Noise Analisis Instrumen I Signal-to-Noise B. SUMBER NOISE Instrumental Noise 1. Thermal Noise Magnitude of thermal noise : magnitude of thermal noise bergantung pada frequency bandwidth, bukan pada frequency sinyal. Df bergantung pada response time dari suatu instrumen. tr = response time Cara untuk mereduksi thermal noise: 1) Persempit bandwidth 2) Kurangi jumlah resistive element 3) Kurangi temperatur komponen electronik Arie BS

Signal-to-Noise B. SUMBER NOISE Instrumental Noise Analisis Instrumen I Signal-to-Noise B. SUMBER NOISE Instrumental Noise 2. Shot Noise Disebabkan oleh fluktuasi arue karena elektron melewati junction (tempat yg tidak semestinya). Magnitude of shot noise : irms = root-mean-square current fluctuations I = average direct current (A) e = charge of an electron e- (1.60 x 10-9 C) Df = frequency bandwidth (Hz) Arie BS

Signal-to-Noise B. SUMBER NOISE Instrumental Noise Analisis Instrumen I Signal-to-Noise B. SUMBER NOISE Instrumental Noise 3. Flicker Noise Merupakan kebalikan dari frekuensi dari sinyal. tergantung pada frekuensi. signifikan pada frekuensi < 100 Hz dapat direduksi dengan penggunaan resistor khusus (metalik) Arie BS

Signal-to-Noise B. SUMBER NOISE Instrumental Noise Analisis Instrumen I Signal-to-Noise B. SUMBER NOISE Instrumental Noise 4. Environmental Noise Kebanyakan berasal dari konduktor di instrumen yg bertindak seolah-oleh seperti antena, melakukan “pick up” sinyal dari sumber listrik, radio transmitters, dll. Disebabkan oleh induksi – aliran arus listrik melalui/dekat dengan sumber panas. Cara untuk mereduksi environmental noise: 1) pindahkan/jauhkan dari sumber noise. 2) penggunaan sumber listrik yg stabil. 3) mengontrol temperatur ruangan Arie BS

Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT Analisis Instrumen I • Beberapa metode hanya memerlukan S/N minimal (misal: MS) • Jika suatu metode membutuhkan sensitivity dan accuracy yg tinggi, S/N dapat dijadikan parameter dalam precision. • Terdapat 2 jenis metode untuk meningkatkan S/N : 1) Hardware Devices 2) Software Methods Arie BS

Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT Analisis Instrumen I Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT 1) Hardware Devices for S/N Enhancement Grounding, shielding, dan minimizing panjang sirkuit elektronik dalam instrumen untuk mereduksi environmental electromagnetic noise. Difference and instrumentation amplifiers digunakan untuk mereduksi noise dalam transducer. Analog filters digunakan untuk memilih frekuensi. Jenis analog filters: a) Low pass filters b) High pass filters c) Band pass filters Modulation – mengkonversi frekuensi sinyal analitik untuk menghilangkan noise khusus. Arie BS

Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT Analisis Instrumen I Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT 1) Hardware Devices for S/N Enhancement a. Low Pass Filter • menghilangkan high frequency noise, seperti thermal noise dan shot noise, dan mengijinkan low frequency signals untuk lewat. • digunakan dalam instrumen yg merekam low frequency analytical signals. Raw Data Filtered Data Low Pass Filter Arie BS

Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT Analisis Instrumen I Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT 1) Hardware Devices for S/N Enhancement b. High Pass Filter • menghilangkan low frequency noise, seperti flicker noise (1/f), dan mengijinkan high frequency signals untuk lewat. • digunakan dalam instrumen yg merekam high frequency analytical signals. High Pass Filter Raw Data Filtered Data Arie BS

Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT Analisis Instrumen I Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT 1) Hardware Devices for S/N Enhancement c. Band Pass Filter • menghilangkan semua frekuensi kecuali frekuensi yg diinginkan. • merupakan gabungan dari low pass filter dan high pass filter. Band Pass Filter High Pass Low Pass 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.01 0.1 10 100 1000 10,000 Frequency, Hz Relative Signal Arie BS

Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT Analisis Instrumen I Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT 1) Hardware Devices for S/N Enhancement Modulation – mengkonversi low frequency atau sinyal DC dari tranducer menjadi high frequency. Arie BS

Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT Analisis Instrumen I Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT 2) Software Methods for S/N Enhancement Metode ini diterapkan menggunakan kecanggihan komputer yang digabungkan pada suatu insrumen. Yang umum digunakan adalah : a. Ensemble averaging b. Boxcar averaging c. Digital filtering 1. Fourier transform 2. Least-squares polynomial smoothing Arie BS

Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT Analisis Instrumen I Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT 2) Software Methods for S/N Enhancement a. Ensemble Averaging sehingga: Dimana Sx = average signal (point) Si = individual measurement of the signal n = number of measurements Arie BS

Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT Analisis Instrumen I Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT 2) Software Methods for S/N Enhancement a. Ensemble Averaging Arie BS

Analisis Instrumen I Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT 2) Software Methods for S/N Enhancement a. Ensemble Averaging Contoh : pH dari suatu sampel cairan diukur berulang dengan hasil sebagai beikut: 7.034, 7.047, 7.012, 7.041, 7.026, 7.038 Hitung S/N untuk data pengukuran tersebut! Arie BS

Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT Analisis Instrumen I Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT 2) Software Methods for S/N Enhancement a. Ensemble Averaging Jawab : No. Si Sx-Si (Sx-Si)2   1 7.034 -0.001 0.000001 2 7.047 -0.014 0.000196 3 7.012 0.021 0.000441 4 7.041 -0.008 0.000064 5 7.026 0.007 0.000049 6 7.038 -0.005 0.000025 ∑ = 42.198 ∑  = 0.000776 Arie BS

Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT Analisis Instrumen I Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT 2) Software Methods for S/N Enhancement b. Boxar Averaging • digunakan untuk sinyal kompleks yg berubah cepat terhadap waktu. Arie BS

Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT Analisis Instrumen I Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT 2) Software Methods for S/N Enhancement c. Digital Filtering Fourier Transform mengkonversi data waktu menjadi frekuensi. Arie BS

Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT Analisis Instrumen I Signal-to-Noise C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT 2) Software Methods for S/N Enhancement c. Digital Filtering Least-squares polynomial smoothing Mereduksi high frequency noise menjadi bentuk low frequency. Arie BS

PENDAHULUAN SPEKTROSKOPI Materi selanjutnya………. ANALISIS INSTRUMEN I PENDAHULUAN SPEKTROSKOPI Arie BS