PENGKONDISIAN SINYAL SIGNAL CONDITIONING

Sinyal output dari sensor pada sistem instrumentasi harus diproses dengan beberapa cara agar cocok dengan tahap operasi berikutnya. Sinyal output barangkali sangat kecil sehingga harus dikuatkan, tidak linier sehingga perlu dilinierkan, bentuk analog sehingga harus diubah menjadi digital, berupa perubahan tahanan sehingga dibuat menjadi perubahan tegangan, mengandung noise sehingga perlu difilter dan lain-lain.

Semua perubahan ini disebut pengkondisian sinyal (signal conditioning). Sebagi contoh, output dari thermocouple adalah perubahan hambatan yang sangat kecil sehingga pengkondisian sinyal perlu dilakukan seperti pengubahan ke perubahan tegangan, penguatan, penghilangan noise dan lain-lain.

Proses pengkondisian sinyal Proteksi Proteksi bertujuan untuk mencegah kerusakan pada elemen berikutnya, seperti mikroprosesor, sebagai akibat dari arus atau tegangan yang tinggi. Proteksi bisa berupa resistor pembatas arus, isolasi, sekering (fuse) untuk memutus arus jika terlalu tinggi, polarity protection dan rangkaian pembatas tegangan.

Proses pengkondisian sinyal Mendapatkan tipe sinyal yang betul Ini dapat berarti membuat sinyal menjadi tegangan atau arus dc. Sebagai contoh perubahan tahana dari strain gauge harus diubah menjadi perubahan tegangan. Ini dapat dikerjakan dengan jembatan wheatstone.

Proses pengkondisian sinyal Mendapatkan level sinyal yang betul Sebagai contoh sinyal dari thermocouple sangat kecil berada pada skala milivolt. Jika sinyal ini dimasukkan dalam analog- to digital converter (ADC) sebagai input dari mikroprosesor maka sinyal ini harus dikuatkan terlebih dahulu menjadi skala volt. Untuk menguatkan sinyal digunakan amplifier.

Mengeliminasi dan meruduksi noise Sebagai contoh menggunakan filter untuk mengeliminasi noise dari sinyal. Memanipulasi sinyal Sebagai contoh membuat sinyal menjadi fungsi linier.

Operational Amplifier Operational amplifier merupakan dasar dari beberapa modul pengkondisian sinyal. Operational amplifier merupakan penguatan tegangan DC dengan penguatan yang tinggi, penguatan ini bisa mencapai 100000 kali atau lebih.

Operational Amplifier LM358 Low Power Dual Operational Amplifiers

Inverting amplifier Gambar disamping memperlihatkan rangkaian amplifier ketika digunakan sebagai inverting amplifier. Input diambil dari input inverting melalui resistor R1 dengan non-inverting dihubungkan ke ground. Jalur feedback menghubungkan output R2 dengan inverting input. Operational amplifier ini mempunyai penguatan 100000 dan perubahan tegangan output dibatasi ±10V. Tegangan input harus berada diantara +0.0001V dan -0.0001V. Vin = I1R1

Inverting amplifier Gambar disamping memperlihatkan rangkaian amplifier ketika digunakan sebagai inverting amplifier. Input diambil dari input inverting melalui resistor R1 dengan non-inverting dihubungkan ke ground. Jalur feedback menghubungkan output R2 dengan inverting input. Operational amplifier ini mempunyai penguatan 100000 dan perubahan tegangan output dibatasi ±10V. Tegangan input harus berada diantara +0.0001V dan -0.0001V. Vin = I1R1

Operational amplifier mempunyai impedan yang sangat tinggi pada terminal input sehingga tidak ada arus yang mengalir melalui X. maka arus I1 melalui R1 sama dengan arus melalui R2 Beda potensial pada R2 adalah (Vx-Vout). Karena Vx adalah nol maka beda potensial pada R2 adalah –Vout. -Vout = I1R2 Penguatan tegangan (gain)

Non inverting amplifier Gambar disamping memerlihatkan rangkaian non inverting amplifier. Tegangan Vx adalah pembagian R1/(R1+R2) dari tegangan output.

Karena tidak ada arus yang mengalir pada kedua input dari amplifier maka tidak ada beda potensial pada keduanya, sehingga Vx=Vout. Maka besar penguatan (gain):

Protection Ada beberapa situasi dimana hubungan antara sensor dengan unit berikutnya seperti mikroprosesor dapat memungkinkan adanya kerusakan sebagai akibat dari arus atau tegangan yang tinggi. Arus yang tinggi dapat dilindungi dengan memasang resistor secara seri untuk membatasi arus dan sekering untuk memutus arus jika arus berada pada level yang tidak aman. Tegangan yang tinggi dan polaritas yang salah dapat dilindungi dengan menggunakan diode zener dan diode.

Diode zener seperti diode biasa dengan tegangan breakdown tertentu. Untuk memungkinkan tegangan maksimum 5 volt tetapi memberhentikan tegangan diatas 5,1 volt, maka dapat dipilih diode zener dengan range tegangan 5,1 volt.

Ada situasi dimana diinginkan isolasi yang lengkap dan menghilangkan hubungan elektrik antara bagian satu dengan bagian yang lain. Tujuan ini dapat dikerjakan dengan menggunakan optoisolator. Alat ini mengubah sinyal elektrik menjadi sinyal optic, kemudian diubah kembali menjadi sinyal elektrik. Sinyal input berupa sinyal inframerah dari Light Emitting Diode (LED). Sinyar inframerah kemudian dideteksi oleh phototransistor.

Filter Pasa sistem instrumentasi, sinyal dari sensor biasanya tercampur dengan noise atau sinyal parasit yang lain. Sinyal noise ini dapat dieliminasi dengan sebuah filter yang didesain untuk melemahkan sinyal noise yang tidak diinginkan tetapi meneruskan sinyal dari transduser tanpa mengakibatkan pelemahan dan distorsi yg berarti.

Filter adalah proses menghilangkan band frekwensi tertentu dari sinyal dan mengijinkan yang lain untuk ditransmisikan. Istilah pasif filter digunakan untuk filter yang hanya menggunakan resistor, capacitor dan inductor. Istilah aktif filter digunakan ketika filter juga menggunakan operational amplifier. Low–pass filter sangat umum digunakan pada bagian pengkondisian sinyal.

Jembatan wheatstone Jembatan wheatstone dapat digunakan untuk mengubah perubahan resistance menjadi perubahan tegangan. Ketika tegangan output Vo adalah nol, maka tegangan pada B harus sama dengan tegangan pada D.

Beda tegangan pada R1 misalnya VAB, maka harus sama dengan tegangan R3, misal VAD. Sehingga: I1R1 = I2R3 Ini berarti juga tegangan R2, misal VBC harus sama dengan tegangan R4, VDC. Karena tidak ada arus yang melewati R1 dan arus R4 sama dengan R3. maka: I1R2 = I2R4

Jika kedua persamaan dibagi maka: Dikatakan jembatan berada pada pada kesetimbangan. Tegangan supply Vs dihubungkan ke titik A dan C. jik salah satu tahanan R berubah maka, penurunan tegangan pada R1 adalah sebesar R1/(R1+R2). Tegangan pada R3:

Sehingga beda potensial antara B dan D adalah: Misal R1 berupa sensor yang mempunyai perubahan resistance, perubahan resistance dari R1 menjadi R1+δR1 memberikan perubahan output dari Vo menjadi Vo+ δ Vo dimana:

Jika δR1 jauh lebih kecil dari R1 maka persamaan diatas menjadi: Dengan pendekatan ini, perubahan pada tegangan output selanjutnya proporsional dengan perubahan resistance dari sensor.

Contoh Sensor temperatur mempunyai tahanan 100Ω pada 00C dan digunakan sebagai salah satu lengan pada jembatan wheatstone. Jembatan ini setimbang pada temperatur dimana lengan yang lain juga 100Ω. Jika koeffisien temperatur dari sensor tersebut 0,0039/0K, maka berapa tegangan output dari jembatan per derajat perubahan temperatur.

Misal tegangan supply 6 volt Misal tegangan supply 6 volt. Variasi tahanan pada platina terhadap temperatur adalah: Rt=R0(1+αt) Dimana Rt adalah tahanan pada t0C, R0 tahanan pada 00C dan adalah koeffisien temperatur, maka: Perubahan tahanan = Rt-R0 =R0 α t =100 x 0,0039 x 1 =0,39 Ω /0K Karena perubahan ini kecil jika dibandingkan dengan 100Ω, maka pendekatan persamaan dapat digunakan.

Analog to Digital/Digital to Analog Converter (ADC/DAC) Embedded IC Card

Display Computer screen 7 segment Dot matrix LCD character