BAB01-Sistem Akuisisi Data

1. Sistem Akuisisi Data Sebuah Data-Acquisition Sebuah Data-Acquisition System (DAS), secara aktual berupa interface antara lingkungan analog dengan lingkungan digital. Lingkungan analog meliputi transduser  dan  signal conditioner   dengan segala kelengkapannya, sedangkan lingkungan digital meliputi Analog meliputi Analog to Digital Converter (ADC) dan selanjutnya digital processing   atau command unit   yang dilakukan oleh mikroprosesor mikroprosesor atau sistem sistem berbasis mikroprosesor. mikroprosesor. Tujuan bab ini adalah mempelajari macam DAS, dengan titik berat  pada sistem sistem dan elemen elemen penyusun penyusun dari DAS yang berbasis mikroprosesor.

1.1. Struktur DAS

Struktur  Data Acquisition System meliputi jumlah besaran fisik yang akan diambil diambil,,

variasi kecepatan kecepa tan perubahan , serta sert a tujuan atau fungsi fungsi dari

sistem. Berdasarkan strukturnya ada beberapa macam : 1.1.1. One Way DAS

Sistem dengan one-way mempunyai mempunyai struktur struk tur yang sederhana. Sistem Sistem dengan struktur one-way  one-way  ini dapat berupa open-loop  open-loop  , dimana kegunaan atau fungsi dari sistem ini terbatas hanya untuk pembacaan besaran fisik yang diukur secara digital untuk selanjutnya ditampilkan pada display (LCD, CRT dan sebagainya) dan merekamnya sebagai off-line processing  (berupa  (berupa file pada disk ) atau mencetaknya mencetaknya pada printer. Jika sistem ini berupa closed loop, loop, hasil pembacaan digunakan untuk  pengontrolan

Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

suatu besaran

tertentu, tert entu, untuk melakukan melakukan  setting   suatu

1

 besaran pada level level yang yang ditentukan atau

secara sederhana sederhana dapat dikatakan

untuk meregulasi suatu besaran tertentu tert entu .

heating program

uP

  error 

heating control

       n   .

 ADC instrumentation amplifier 

termocople

 A

oven oven temperatur temperatur e

gambar 1.1 Closed-loop one-way DAS

Gambar 1.1 menunjukkan diagram blok sistem closed-loop  closed-loop  dengan struktur one-way DAS .

1.1.2. Multikanal DAS

Jika sejumlah besaran harus dibaca secara simultan maka time divison multiplexing   digunakan untuk mengontrol pembacaan input. Multiplekser adalah komponen yang tersusun dari sejumlah saklar analog yang mempunyai output terhubung secara bersama membentuk output tunggal dan inputnya menentukan jumlah input komponen tersebut. Membuka atau menutupnya saklar dikontrol dengan address channel input , dimana logika input dikodekan dengan sejumlah bit. Satu bit address Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

2

channel   dapat mengontrol 2 kanal, dan n bit dapat mengontrol sejumlah 2 n kanal. anaolque multiplexer  channel 0 signal conditioner 

 ADC

n

bit data

S/H

channel n

 

signal conditioner 

   

S/H control  

EOC START

channel addressing microprocessor  system

Gambar 1.2 Multichannel DAS

Multiplekser yang umum mempunyai 4, 8 atau 16 kanal. Sebuah multiplekser 16 kanal mempunyai 16 kanal yang disimbulkan dengan kanal 0 sampai dengan kanal 15. Pada gambar 1.2 ditunjukkan diagram blok multi kanal DAS. Dalam konfigurasi seperti dalam gambar tersebut mikroprosesor menghasilkan menghasilkan : 

sinyal kontrol untuk rangkaian sample-hold  rangkaian sample-hold 



sinyal  start   untuk  start   konversi ADC, akhir konversi ADC ditandai dengan keluarnya sinyal EOC, sinyal EOC ini sebagai indikasi data valid.



sinyal address channel  untuk   untuk pengontrolan input multiplekser.

Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

3

Dengan

mensuplai

sinyal-sinyal

tersebut

mikroprosesor

mengorganisasi dan mengontrol operasi dari komponen-komponen sistem. Jika kita perhatikan diagram blok gambar 1.2, operasi  sample-hold  dilakukan oleh sebuah rangkaian  sample-hold   setelah multiplekser analog. Dengan konfigurasi seperti ini terdapat kelemahan pada sistem dengan struktur ini, yakni tidak dapat melakukan pembacaan data lebih dari satu kanal dalam waktu yang bersamaan, maksudnya dalam sekali operasi  sample-hold  melakukan operasi pembacaan secara bergantian.

1.1.3. Synchronous DA S 

Seperti disebutkan di atas tentang keterbatasan pada struktur sistem sebelumnya (multichannel (multichannel DAS ), ), adalah mungkin untuk memindahkan rangkaian  sample-hold   ke depan multiplekser analog pada masing-masing input, sehingga dibutuhkan rangkaian  sample-hold   sebanyak n buah sesuai dengan jumlah input yang ada. Diagram blok sistem dengan struktur ini ditunjukkan pada gambar 1.3 di bawah ini. Pada sistem seperti ini pengaturan input lebih baik karena dapat melakukan pembacaan dua input atau lebih selama rangkaian  sample-hold  dalam mode hold   . Hal ini ini dapat dirasakan secara praktis prakt is dalam sinkronisasi antara kontrol S/H dan start konversi ADC.

Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

4

anaolq anaolq ue multipl exer  channel channel 0 signal conditioner 

S/H

 ADC  ADC

channel channel 1 signal conditioner 

S/H

signal conitioner 

S/H

n

bit data

channel channel 2 EOC

channel channel 3 signal conditioner 

 

S/H  

S/H control    

START

channel addressing

microprocessor  system

Gambar 1.3. Synchronous DAS

1.1.4. F ast ast D AS

Seringkali kita menghadapi sejumlah sinyal dengan fluktuasi yang sangat cepat. Dalam menghadapi sinyal seperti ini, tidak hanya cukup menggunakan multi channel DAS channel  DAS dengan menggunakan

ADC yang serupa

dengan sistem sebelumnya, sejumlah FLASH ADC dengan rangkaian  samplehold  pada  pada tiap-tiap t iap-tiap ADC seperti pada gambar 1.4.

Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

5

channel channel 0 FAST  ADC

S/H

n bit data

n

channel channel 1 FAST  ADC

S/H

bit data

n bit data

Digital Mux channel channel 2

FAST  ADC

S/H

EOC EOC

 

n bit data

START

   

S/H CONTROL

channel addressing (2 bit)

microprocessor  system

START

EOC EOC

Gambar 1.4 Fast DAS

Output digital

flash  flash  ADC di-multiplek dengan sebuah digital

multiplekser, dalam gambar 1.4 ditunjukkan tiga sinyal dengan fluktuasi yang sangat cepat diinputkan pada FLASH ADC melalui rangkaian sample-hold  rangkaian sample-hold , ke12 bit data dari tiap-tiap FLASH ADC diinputkan pada multiplekser digital. Karena ADC yang diguanakan jenis FLASH ADC, dimana kelebihan dari jenis ini adalah waktu konversi yang sangat cepat, ditambah lagi dengan konfigurasi struk tur tur ‘ synchronous’  synchronous’ secara fisik dan pengontrolannya, maka sistem ini dapat melakukan akuisisi data dengan lebih baik terhadap sinyalsinyal dengan fluktuasi yang sangat cepat sekali. 1.2. Elemen-elemen Penunjang DAS Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

6

Sistem terdiri dari sejumlah elemen atau komponen yang saling  berhubungan  berhubungan satu dengan yang yang lain lain melakukan melakukan suatu kerja sehin sehingga gga tujuan atau fungsi sistem tercapai. Elemen-elemen  Data Acquisition System , yang saling  berhubungan  berhubungan satu dengan yang yang lain lain adalah adalah sebagai berikut :



Transduser

Transduser adalah elemen yang berfungsi untuk merubah suatu besaran fisik menjadi besaran listrik. Tranduser mengubah besaran mekanik menjadi  besaran listri listrik k yang dapat berupa tegangan atau arus, tranduser suhu mengubah mengubah  besaran temperatur (derajat panas) menjadi menjadi besaran listrik listrik berupa tegangan atau arus. Dalam praktik banyak sekali contoh-contoh tranduser yang dipakai dalam DAS, misalnya  Physically Displacement Transduser, Humidity Transduser, Thermocouple, Accelerometer, Tachometer, Strain Gauge Transduser dan sebagainya. Spesifikasi penting dari transduser adalah kecepatan, ketelitian ketelitian dan keandalan. keandalan. 

Operasional Amplifier

Tegangan atau arus yang dihasilkan oleh transduser biasanya kecil. Sedangkan komponen ADC yang digunakan dalam praktik bekerja pada skala  penuh 0 s/d 5 volt, -5 s/d +5 volt, 0 s/d 10 volt dan sebagainy sebagainyaa tergantung mode input dan spesifikasi komponen yang dipakai. Oleh karena itu diperlukan  signal conditioner ,

yang memperlakukan sinyal sinyal keluaran dari transduser tra nsduser

cukup besar untuk diinputkan pada ADC. Rangkaian-rangkaian dengan menggunakan operasional amplifier merupakan bagian utama dari  signal conditioner . 

Instrumentasi Amplifier

Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

7

Instrumentasi amplifier diperlukan bila data analog harus ditransmisikan melalui jarak yang cukup jauh dan juga untuk meredam interferensi. Karakteristik penting dari instrumentasi amplifier adalah CMMR (common mode rejection ratio) yang tinggi, impedansi input yang tinggi, dan gain yang dapat diprogram.



Isolator

 Isolation

transformer,

optical

isolation,

transformer

coupled

diperlukan sebagai pemisah antara antar a sumber sumber sinyal sinyal dengan sistem sistem data, untuk isolasi dalam sistem digital digunakan  solid state opto-coupler   atau  fiber optic.



Rangkaian fungsi analog

Untuk fungsi-fungsi yang tetap , rangkaian analog lebih sederhana dan lebih real time, time,

dibandingkan pemroses digital. digital. Fungsi-fungsi yang bisa

diwujudkan dengan rangkaian analog antara antar a lain multiplier, divider, adder,  subtractor dan fungsi-fungsi non linier yang lainnya.



Multiplekser analog

Jika sinyal sinyal analog yang harus diproses berasal dari banyak sumber atau dari kanal komunikasi yang sama, melewati  single converter   , sebuah multiplekser analog

diperlukan untuk meng-kopel meng-kop el dan mengatur sinyal sinyal

tersebut.



Rangkaian sample/hold

Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

8

Rangkaian  sample/hold   diperlukan karena dalam banyak hal sinyal analog bervariasi cukup cepat, cepat ,

sementara

konversi sinyal sinyal dari analog ke

digital mengambil selang waktu yang tertentu dan ADC tidak dapat mendigital-kan input analog dengan sangat segera, sehingga perubahan yang cukup  besar pada sinyal sinyal input input selama proses konversi dapat mengakibatkan mengakibatkan kesalahan kesalahan yang cukup besar.



Analog to Digital Converter (ADC)

ADC melakukan konversi data analog menjadi data digital yang  bersesuaian.  bersesuaian. Spesifikasi Spesifikasi utama ADC adalah ketelitian ketelitian absolut dan relatif, relatif, linearitas, resolusi, kecepatan konversi, stabilitas, no-missing code  code  dan harga komponen. Hal lain lain yang berhubungan ialah ialah batas tegangan input, output out put kode digital, teknik

interfacing , multiplekser internal, pengkondisi sinyal dan

memori.



Digital to Analog Converter Converter (DAC)

Data yang telah diolah mengalami pemrosesan, penyimpanan dan bahkan transmi tra nsmisi si secara digital. Mengkonversikan kembali dari bentuk digital digital menjadi menjadi analog dilakukan oleh DAC.



Prosesor data digital

Prosesor ini mengolah secara digital data hasil konversi ADC.



Filter

Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

9

Untuk menghilangkan

noise  noise  yang ada, digunakan filter untuk

melewatkan sinyal dengan frekuensi yang diinginkan dan menolak komponen frekuensi yang lain. Filter dapat diwujudkan secara hardware  hardware  maupun  software.  software.

1.3. Operasi sample and hold

Penguat  sample-hold  mempunyai mempunyai 4 komponen utama, yaitu

input

 buffer  buffer amplif amplifier, ier, komponen penyimpan penyimpan energi berupa ‘hold capacitor ’, ’, output  buffer  buffer ampli amplifi fier er dan rangkaian rangkaian sw  switching  itching  seperti  seperti pada gambar 1.5 di bawah ini. Input Buffer amplifier mempunyai impedansi yang tinggi dan menghasilkan  penguatan arus untuk mengisi mengisi hold capacitor   . Dalam mode track , hold  capacitor  menentukan respon frekuensi dari penguat ini. Dalam mode hold , hold  c  apacitor  apacitor  menahan   menahan tegangan sebelum hubungan ke input buffer amplifier dilepaskan. Output buffer amplifier memberikan impedansi yang tinggi pada hold  capacitor

untuk menghindari tegangan yang ada discharge  discharge  sebelum

waktunya. input buffer  amp

i

analog input

analog output

switch

output buffer  amp hold capacitor 

control

 

switching circuit

Gambar 1.5 Penguat sampel/hold Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

10

1.3.1 Spesifikasi Spesifikasi Penguat Sample-Hold Sample-Hold

Terdapat 4 spesifikasi yang menggambarkan karakteristik penguat  samplehold , yakni : 

Mode Track

Dalam mode operasi track   atau sample, penguat  sample-hold   adalah sebuah penguat

dengan bandwidth yang bandwidth yang terbatas. Spesifikasi utama pada

mode operasi track  adalah  adalah : 

offset : menyatakan deviasi keluaran terhadap nol.



non-linearitas : menyatakan deviasi dari plot sinyal input-output

terhadap ter hadap garis lurus yang seharusnya. Ini biasanya biasanya dinyatak dinyatakan an dalam prosentase full-scale prosentase full-scale.. 

gain : faktor pengali yang melambangkan transfer function input

- output  

settling time  : waktu yang diperlukan oleh output untuk

mencapai nilai akhirnya dalam daerah pecahan dari  full-scale yang tertentu bila dimasukkan input step input step analog full-scale full- scale.. 

Bandwidth

:

menggambarkan respon respo n frekuensi dalam

hubungannya dengan peredaman output pada frekuensi tinggi,  biasany  biasanyaa dikarakteristikkan dikarakteristikkan pada -3 dB.



Transisi Track ke Hold 

menyatakan an waktu wakt u yang diperlukan untuk waktu aperture : menyatak melepaskan hubungan

hold capacitor 

dari input buffer

amplifier.

Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

11

 

+ FS

 

 

ANALOG INPUT

 

JITTER

APERTURE ERROR

 

- FS EFFECTIVE APERTU APERTU RE DELAY TIME

   

HOLD

HOLD   COMMAND

+ FS   

TRACK

TRANSIENT AMPLITUDE    

 ANALOG  ANALOG OUTPUT

 

TRACK

SWITCH DELAY TIME

TRANSIENT SETTLING TIME

  FEEDTHROUGH Vpt P-P

DROP RATE

- FS

SLEW RATE

 ACQUISITION  ACQUISITION TIME TO SPECIFIED  ACCURACY

Gambar 1.6 Kesalahan pada penguat sample/hold

VOLTAGE ON HOLD CAPACITOR V HELD

te

ta ANALOG IN tda

tda = ANALOG DELAY TIME tde = CONTROL DELAY DELAY ta = APERTURE TIM E te = EFFECTIVE EFFECTIVE APERTURE APERTURE DELAY DELAY TIME t = tde + ta/2 - tda

 

ENCODE (CONTROL)

 

 

SWITCH

tde

t

Gambar 1.7 Pewaktuan internal penguat sample/hold

Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

12



offset sample ke hold  : terjadi kesalahan step , karena nilai

tegangan pada saat hold   berbeda dengan nilai terakhir pada waktu sample. 

Mode Hold

Selama mode hold   terdapat kesalahan akibat ketidaksempurnaan saklar, output buffer amplifier dan hold capacitor . 

droop : konstanta hanyutan dari tegangan output karena

kebocoran muatan dari hold capacitor . 

feedthrough  : bagian dari sinyal input yang tampak pada output

saat hold , terutama ter utama disebabkan oleh kapasitansi kapasita nsi pada saklar.



Transisi dari Hold ke Sample 

penguat  sample-hold  harus   harus tetap pada mode acquisition time : lama penguat sample-hold   sample agar  sample agar hold capacitor  mendapatkan  mendapatkan input step input step full-scale. full-scale .

1.4. Konvers K onversii Analog ke Digital

Proses konversi data analog menjadi data digital merupakan proses  penting dalam sistem akuisisi akuisisi data. dat a. Proses konversi ini dilakukan dilakukan oleh sebuah komponen yang dinamakan Analog to Digital Converter, selanjutnya dalam  buku ini ini disingkat disingkat ADC. Pemili Pemilihan han komponen sesuai dengan kebutuhan sangatlah penting dalam konversi analog ke digital.

1.4.1. Jenis-jenis ADC

Terdapat beberapa jenis ADC yang dapat dibagi menjadi empat kelompok,

Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

13

dimana pemilihan ADC disesuaikan dengan penggunaan, yang di dalamnya diperhitungkan resolusi, waktu konversi dan ketelitian.



Successive Approximation

Konverter analog ke digital jenis  successive approximation  approximation  atau pendekatan  berturut-turut  berturut-t urut

banyak banyak

digunakan digunakan

khususnya khususnya untuk

interfacing interfacing dengan

komputer.



Integrasi

Pada ADC jenis ini terdapat konversi yang tidak langsung, pertama konversi sebagai fungsi waktu, kemudian dari fungsi waktu ke digital dengan menggunakan sebuah pencacah. Jenis ini seperti dual-ramp dan quad slope, sesuai untuk penggunaan yang memungkinkan konversi cukup lama. Jenis yang lain adalah single ramp dan konversi tegangan ke frekuensi.



Pencacah dan Servo

Pada konverter jenis ini waktu konversinya tergantung dari perubahan tegangan input. Input analog dibandingkan dengan output DAC dengan input digital yang berasal dari pencacah. Variasi dari konverter ini adalah jenis servo yang menggunakan pencacah naik turun. 

Paralel

n Konverter paralel atau flash  menggunakan 2 - 1 komparator. Penggunaan

konversi paralel memungkinkan kecepatan hanya dibatasi oleh waktu switching dari komparator dan gate. Bila input berubah, kode output berubah segera sehingga konverter jenis ini merupakan yang tercepat. Namun jumlah elemen

Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

14

internal bertambah secara geometris dengan resolusi.

   

ANALOG   INPUT SIGNAL

+

COMPARATOR

 

ANALOG REFERENCE

 

DA CONVERTER

   

START CONVERSION SHIFT REGISTER, CONTROL LOGIC,  AND OUTPUT REGISTER

STATUS STATUS (BUS Y)

SERIAL OUTPUT CLOCK CLOCK OUTPUT

Gambar 1.8 Diagram blok A/D successive approximation

1.4.2. ADC Successive Approximation Approximation

ADC Successive Approximation  Approximation  mempunyai kelebihan-kelebihan antara lain mudah untuk interfacing   dengan komputer, waktu konversi tetap, kecepatan konversi yang cukup tinggi dan memungkinkan untuk resolusi tinggi. Cara kerja ADC jenis ini adalah sebagai berikut: 

Konversi dilakukan dengan cara membandingkan input yang tidak diketahui dengan sebuah tegangan atau arus presisi yang dibangkitkan oleh sebuah DAC, seperti terlihat pada gambar 1.8. Input dari DAC berasal dari output digital ADC. Pembandingan dilakukan bit demi bit mulai dari MSB. Sesudah perintah konversi diberikan diberikan

Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

dan konverter telah direset, output 15

DAC dibandingkan dengan sinyal input. Bilamana input lebih besar dari MSB tersebut, bit ini akan bernilai '1' dan bit berikutnya diuji. Bila input kurang dari MSB, bit tersebut akan bernilai '0', Bila bit kedua tidak dapat membuat output DAC lebih besar dari input analog bit ini akan diset '1', bit ketiga dites. Bila pemberian '1' pada bit kedua membuat output DAC kali ini lebih besar dari input analog maka bit ini bernilai '0'. Proses ini  berlangsung  berlangsung secara terus-menerus terus-menerus sampai sampai LSB.

1

GAIN ERROR

7/8

111

3/4

110

5/8

101

1/2

100

3/8

011

1/4

010

1/8

001

0

000

IDEAL TRANSFER FUNCTION

D I G I T  ACTUAL  ACTUAL  A TRANSFER L FUNCTION O U T P U T 0

1/8

1/4

3/8

1/2

5/8

3/4

7/8

FS

Gambar 1.9 Fungsi transfer ADC 3 bit ideal

Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

16

1 7/8 D I 3/4 G I 5/8 T  A L 1/2 O 3/8 U T P 1/4 U T 1/8 0

GAIN ERROR

111 IDEAL TRANSFER FUNCTION

110 101 100

 ACTUAL  ACTUAL TRANSFER FUNCTION

011 010 001 000 0

1/8

1/4

3/8

1/2

5/8

3/4

7/8

FS

 ANALOG  ANALOG INPUT

gambar 1.10 Kesalahan penguatan penguatan ADC 3 bit

Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

17

1

7/8

111

IDEAL TRANSFER FUNCTION

D I

3/4

110

5/8

101

1/2

100

3/8

011

1/4

010

1/8

001

0

000

G I

 ACTUA  ACTUAL L TRANSFER

T

FUNCTION

 A L O U T P U T

0

1/8

1/4

3/8

1/2

5/8

3/4

7/8

FS

 ANA  ANALOG LOG INPUT

Gambar 1.11 Kesalahan offset ADC 3 bit

Hal utama yang perlu diperhatikan pada ADC jenis ini adalah input analog tidak boleh berubah lebih dari 1 LSB selama konversi. Untuk mengatasi hal ini pada sinyal input yang berubah dengan cepat digunakan penguat  sample-hold . Penguat ini dapat ditiadakan untuk sinyal-sinyal yang sangat lambat atau sinyal DC. Ketelitian, linearitas, dan kecepatan ADC  successive approximation terutama disebabkan disebabkan oleh sifat sifat DAC dan komparator komparato r internal.

I.4.3 Spesifikasi ADC

Fungsi transfer untuk ADC 3 bit ideal diperlihatkan pada gambar 1.9. Pada fungsi ini sinyal input analog pada sumbu horisontal dan output digital  pada sumbu sumbu vertikal. vertikal. Hal-hal yang yang berhubungan berhubungan dengan spesifi spesifikasi kasi ADC ADC adalah Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

18

sebagai berikut : 

Resolusi

Menyatakan tegangan input yang dibutuhkan untuk menaikkan output ADC antara suatu kode dengan kode berikutnya. Sebuah ADC dengan 12 bit mempunyai resolusi 1/4096 full 1/4096 full scale. scale. 

Ketelitian

Menyatakan perbedaan antara input yang sebenarnya dengan output kode biner full biner full scale. scale . 

Kesalahan penguatan

Menyatakan perbedaan kemiringan fungsi transfer ADC terhadap fungsi transfer ADC ideal. 

Kesalahan offset

Setara Seta ra dengan nilai nilai tegangan tega ngan input ADC ADC untuk membuat membuat

nol kode

output. 

Non-linearitas differensial (DNL)

Didefinisikan sebagai deviasi dalam lebar kode dari nilai 1 LSB. 

Non-linearitas integral (INL)

Adalah deviasi fungsi transfer dari garis lurus ideal. 

Monotonitas

Menyatakan ada atau tidaknya tanda (sign) kemiringan pada fungsi transfer ADC. 

Waktu konversi

Waktu yang diperlukan oleh ADC untuk membuat satu konversi.

Tekni Tekni k A kuisisi kuisisi Data

19