document11

INSTRUMENTASI ELEKTRONIK DAN TEKNIK PENGUKURAN_EDISI KE-2

11

INSTRUMEN UNTUK PEMBANGKITAN DAN ANALISIS BENTUK-

BENTUK GELOMBANG

11.1. RANGKAIAN DASAR OSILATOR

Sebuah osilator uji atau generator sinyal merupakan sebuah alat yang sagat

diperlukan dalam pekerjaan perbaikan alat-alat elektronik, dalam laboratorium penelitian, atau

produksi. Karena melengkapi teknisi dengan berbagai jenis sinyal uji guna melakukan suatu

jangkauan operasi yang luas seperti halnya pengukuran respons frekuensi dari sebuah

penguat, karakteristik pita pelewat dari sebuah filter, penyesuaian radio penerima atau

pesawat televisi, atau penyelusur kerusakan di dalam sebuah peralan elektronik.

11.1.1. OSILATOR DENGAN RANGKAIAN TANGKI LC

Prinsip kerja dari osilator ini sangat sederhana, yaitu sebuah kombinasi

parallel LC dieksitasi agar berisolasi dan tegangan ac pada rangkaian LC ini

diperkuat oleh sebuah penguata transistor. Sebagian tegangan ac yang diperkuat

tersebut diumpankan kembali ke rangkaian tangki melalui gandengan induktif atau

kapasitif guna mengimbangi kehilangan daya di dalam rangkaian tangki.

Umpan balik regenerative ini menghasilkan tegangan keluaran dengan

amplitudo yang konstan pada frekuensi resonansi rangkaian tangki yang dinyatakan

oleh persamaan

f = 12π √ LC

Osilator-osilator rangkaian tangki LC dapat bekerja pada frekuensi-frekuensi

yang sangat tinggi,sampai beberapa ratus megahertz. Tabung-tabung yang dirancang

secara khusus seperti klystron dan magneton memperbesar rangkuman frekuensi

dalam daerah gigahertz. Contoh osilator LC antara lain : osilator Amstrong, osilator

Hartley, osilator Colpitts.

11.1.2. OSILATOR JEMBATAN WIEN

Osilator ini adalah salah satu dari rangkaian-rangkaian standar yang

digunakan untuk mebangkitkan sinyal-sinyal gelombang sinus dalam rangkuman

frekuensi audio. Pada dasarnya adalah penguat umpan balik dengan sebuah jembatan

Iradona Rahmawati_I1A004065


Wien sebagai jaringan umpan balik antara terminal keluaran dan terminal masukan

penguat.

Penguat isi akan berisolasi bila criteria Barkshausen untuk osilasi dipenuhi,

yang dinyatakan sebagai berikut :

a) Penguatan tegangan sekitar penguat dan simpul umpan balik yang disebut

penguatan simpal (loop gain) harus sama dengan satu, Avβ = 1.

b) Pergeseran fasa antara tegangan masukan vi dan tegangan umpan balik vf

yang disebut pergeseran fasa simpal (loop phase shift) harus nol.

Gambar 11.1. Rangkaian jembatan Wien.

Jembatan Wien mempunyai suatu gabungan RC seri dalam satu lengan dan

gabungan paralel dalam lengan sebelahnya. Lengan-lengan lainnya adalah tahanan

murni. Persamaan kesetimbangan jembatan memberikan :

Z1 Z 4=Z2 Z3 atau Z3=Z1 Z4 Y 2

dimana Z1=R1− j /ωC1 , Y 2=1 /R2+ jωC2, Z3=R3, dan Z4=R4.

Dengan menggantikan harga-harga tersebut ke persamaan sebelumnya,

didapatkan

R3=(R1−j

ωC1)R4 ( 1

R2

+ jωC 2)sehingga menghasilkan

R3=R1 R4

R2

+ jωC 2 R1 R4−j R4

ωC1 R2

+R4 C2

C1

Pada kesetimbangan jembatan bagian-bagian nyata dan bagian-bagian khayal

harus sama. Dengan memisahkan bagian nyata memberikan

R3

R4

=R1

R2

+C2

C1



dan untuk bagian khayal memberikan

ωC2 R1=1

ωC1 R2

dimana = 2f. Persamaan tersebut dapat diselesaikan untuk mendapatkan

pernyataan bagi frekuensi tegangan masukan dan diperoleh

f = 12π √C1 C2 R1 R2

dalam hal yang lazim, komponen-komponen jembatan dipilih sedemikian sehingga

R1=R2=R dan C1=C2=C. maka persamaannya menjadi

R3

R4

=2

Dan frekuensi setimbang atau frekuensi resonansi jembatan menjadi

f = 12πRC

Sekarang jembatan Wien diperbaharui. Impedansi lengan-lengan reaktif pada

frekuensi resonansi (f=½ RC) dituliskan sebagai

Z1=R− jωC

=(1− j ) R

dan

Z2=1

1/ R+ jωC=

(1− j ) R2

Gambar 11.2. tegangan-tegangan dalam jembatan Wien yang diperbaharui.



Maka penurunan tegangan va adalah

va=Z3

Z1+Z2

v i=v i

3

Dan penurunan tegangan pada R2 adalah

vb=R4

R3+ R4

v i

Tegangan keluaran dari jembatan adalah

v0=v a−vb

Jika diinginkan suati harga nol, tegangan keluaran harus nol dan v a=vb. Untuk

mencapai harga ini, R3 dan R4 harus dipilih sedemikian sehingga vb = 1/3 vi. Berarti

R4/(R3 + R4) = 1/3 atau R3 = 2R4. Akan tetapi dalam hal ini, tegangan keluaran tidak

harus nol dan oleh karena itu perbandingan R4/(R3 + R4) harus lebih kecil dari 1/3.

Contoh :

vb

v i

=R4

R3+R4

=13−1

δ

dimana δ adalah sebuah bilangan yang lebih besar dari 3. Maka

β=vo

v i

=va−v b

v i

=va

v i

−( 13−1

δ )

Oleh sebab itu, untuk menghasilkan suatu tegangan keluaran pada frekuensi

resonansi jembatan (fa) dan dengan demikian memberikan tegangan umpan balik yang

diperlukan bagi osilasi, va/vi = 1/3 dan β = 1/δ. Maka criteria Barkhausen untuk osilasi

yaitu penguatan lup sebesar satu atau Aβ = 1, dipenuhi dengan membuat penguatan

penguat A = δ. Dalam keadaan ini dua pengamatan penting dapat dilakukan :

a) Frekuensi osilasi persis sama dengan frekuensi nol dari jembatan setimbang

yaitu fo = ½ RC.

b) Pada setiap frekuensi lainnya, va tidak sefasa dengan vi dan berarti vo tidak

sefasa dengan vi, sehingga persyaratan penguatan lup sebesar satu hanya

dipenuhi pada frekuensi resonansi.

Osilator jembatan Wien menghasilkan osilasi-osilasi stabil dengan distorsi

keluaran yang rendah. Dengan penambahan sebuah penguat daya guna memisahkan



osilator dari beban, rangkaian digunakan melengkapi sinyal-sinyal uji untuk berbagai

pemakaian.

11.1.3. OSILATOR PENGGESER FASA

Osilator RC penggeser fasa mampu membangkitkan tegangan keluaran

berbentuk sinus pada frekuensi sampai beberapa ratus kilohertz.

Faktor umpan balik β yang didefinisikan sebagai perbandingan tegangan

keluaran vo terhadap tegangan masukan vi dapat diperoleh dengan menggunakan

teori jaringan konvensional terhadap gabungan RC. Analisis ini menghasilkan

β=vo

v i

= 1

1−5α 2− j (6 α−α3 )

11.1.4. KARAKTERISTIK PRESTASI

Dalam memilih sebuah osilator guna melakukan suatu fungsi tertentu di

dalam sebuah pengukuran, sebaiknya memperhatikan karakteristik prestasi sebagai

berikut :

a) Rangkuman frekuensi.

b) Daya keluaran dan tegangan keluaran yang tersedia.

c) Impedansi keluaran.

d) Resolusi cakera dan ketelitian.

e) Stabilitas frekuensi.

f) Stabilitas amplitudo.

g) Distorsi.

11.2. GENERATOR PULSA DAN GELOMBANG PERSEGI

Generator pulsa dan gelombang persegi sering digunakan bersama sebuah CRO

sebagai peralatan ukur. Perbedaan utama antara sebuah generator pulsa dan generator

gelombang persegi adalah menyangkut lamanya pembebanan (duty cycle). Lamanya

pembebanan didefinisikan sebagai perbandingan nilai rata-rata dari pulsa selama satu periode

terhadap nilai puncak pulsa tersebut. Karena nilai rata-rata dan nilai puncak berhubungan

secara terbalik dengan lamanya waktu, lamanya pembebanan dapatdisefinisikan dalam lebar

pulsa (pulse width) dan periode atau waktu pengulangan pulsa (pulse repetian time – RPT),

yaitu :

lamanya pembebanan=lebar pulsaperiode



Generator-generator gelombang persegi menghasilkan suatu tegangan keluaran

dengan waktu bekerja (ON) dan berhenti (OFF) yang sama, sehingga lamanya pembebanan

adalah 0,5 atau 50%. Lamanya pembebanan tetap pada 50% bila frekuensi osilasi berubah.

11.2.1. KARAKTERISTIK PULSA

Kualitas pulsa merupakan hal yang paling penting karena sebuah pulsa uji

dengan kualitas yang tinggo menjamin bahwa setiap kemerosotan pulsa yang

diperagakan bertalian dengan rangkaian yang diuji bukan dengan instrumen uji

sendiri.

Karakteristik-karakteristik pada suatu pulsa, antara lain :

a) Waktu naik (rise time, tr); waktu yang diperlukan pulsa agar bertambah dari

amplitudo normalnya.

b) Waktu jatuh (fall time, tf); waktu yang diperlukan pulsa agar turun dari

amplitudo maksimalnya.

c) Overshoot; lonjakan atau kenaikan amplitudo awal melebihi nilai yang

sebenarnya. Bila amplitudo maksimal dari pulsa tidak konstan tetapi

berkurang secara perlahan, pulsa disebut “droop” atau melengkung ke bawah

(sag).

11.2.2. MULTIVIBRATOR TIDAK STABIL

Multivibrator tidak stabil (astable multivibrator) atau free running digunakan

untuk pembangkitan pulsa-pulsa. Alat ini dibuat agar menghasilkan gelombang-

gelombang persegi ataupun pulsa bergantung pada pemilihan komponen-komponen

rangkaian. Pada dasarnya, rangkaian ini terdiri dari sebuah penguat tergandeng RC

dua tingkatan dengan keluaran tingkatan kedua digandengkan kembali ke masukan

tingkatan pertama melalui kapasitor.

11.3. GENERATOR SINYAL

1. GENERATOR SINYAL STANDAR

Generator sinyal standar sering digunakan untuk pengukuran penguatan, lebar bidang

(bandwidth), perbandingan sinyal terhadap derau (signal to noise ratio, S/N),



perbandingan gelombang diam (Standing Wave Ratio, SWR) dan sifat-sifat

rangkaian lainnya.

Alat ini dipakai untuk pengujian penerima radio dan pemancar. Alat ini mampu

memodulasi sebuah frekuensi pembawa (carrier) atau frekuensi tengah yang

dihasilakn oleh penyetelan cakera. Jenis sinyal modulasi yang lazim adalah

gelombang sinus, persegi dan pulsa. Sinyal keluaran dapat dimodulasi amplitudo

(amplitude modulation, AM) dan dimodulasi frekuensi (frequency modulation, FM).

2. GENERATOR PENYAPU FREKUENSI

Generator penyapu frekuensi (sweep frequency generator) merupakan suatu alat yang

menghasilkan tegangan keluaran berbentuk sinus, biasanya dalam rangkuman RF,

yang frekuensinya diubah secara peka dan kontinu sepanjang keseluruhan suatu lebar

bidang frekuensi, yang lazimnya adalah pada laju audio yang rendah.

3. GENERATOR DERAU ACAK

Generator derau acak (random noise generator) adalah sebuah alat yang

menghasilkan sebuah sinyal yang amplitudo sesaatnya ditentukan sembarangan dan

dengan demikian tidak dapat diramalkan. Derau acak yang sebenarnya tidak

mengandung komponen-komponen frekuensi periodik dan mempunyai sebuah

spektrum kontinu, instrumen ini memberikan kemungkinan penggunaan sebuah

pengukuran tunggal sebagai suatu penunjukkan prestasi sepanjang suatu bidang

frekuensi yang lebar.

Pengukuran menggunakan generator ini digunakan untuk memperhalus kurva-kurva

tanggapan yang jika tidak demikian, akan sulit diinterpretasikan. Juga untuk

menstimulir getaran yang mempengaruhi pesawat dan roket dalam penerbangan, dan

digunakan dalam pengujian getaran dan keausan komponen-komponen serta rakita

pesawat ruang angkasa. Dalam pengukuran listrik, efektif untuk menemukan sinyal

yang mengandung derau.

11.4. GENERATOR FUNGSI

Generator fungsi adalah sebuah instrumen terandalkan yang memberikan suatu

pilihan bentuk yang berbeda yang frekuensinya dapat diatur sepanjang suatu rangkuman yang

lebar. Bentuk gelombang keluaran paling lazim adalah sinus, segitiga, persegi dan gergaji,

yang juga bisa diperoleh dalam waktu yang bersamaan.



Kemampuan generator fungsi adalah untuk mengunci fasa (phase lock) terhadap

sebuah sumber sinyal luar. Generator fungsi juga dapat mensuplai bentuk gelombang keluaran

pada frekuensi yang sangat rendah. Karena frekuensi rendah dari sebuah osilator RC

sederhana adalah terbatas, dalam generator fungsi digunakan pendekatan yang berbeda.

11.5. ALAT ANALISIS GELOMBANG

Alat analisis gelombang adalah sebuah instrumen yang dirancang untuk mengukur

amplitudo relatif dari komponen-komponen frekuensi tunggal dalam bentuk gelombang yang

kompleks atau cacat.

Pada dasarnya, instrumen ini bertindak sebagai sebuah voltmeter yang selektif

terhadap frekuensi yang disetalakan pada frekuensi dari satu komponen sinyal sembari

membuang semua komponen sinyal yang lainnya.

Bentuk gelombang yang akan dianalisis dinyatakan dalam komponen-komponen

frekuensi yang terpisah dan dimasukkan ke sebuah pelemah masukan yang disetel oleh

sakelar rangkuman alat ukur pada panel depan.

Pengukuran dalam daerah megahertz biasanya dilakukan dengan suatu alat analisis

gelombang lain yang khususnya cocok untuk frekuensi-frekuensi yang lebih tinggi. Sinyal

masukan yang akan dianalisi diheterodinkan ke suatu frekuensi tengah (intermediate

frequency – IF) yang lebih tinggi oleh suatu osilator lokal di dalam alat tersebut. Penyetalaan

osilator lokal menggeser berbagai komponen frekuensi sinyal ke dalam pita pelewat dari

penguat frekuensi tengah. Keluaran penguat IF diserahkan dan dimasukkan ke rangkaian

pengukuran. Sebuah instrumen yang menggunakan prinsip heterodin sering disebut voltmeter

yang disetalakan secara heterodin (heterodyning tuned frequency).

Pemakaian alat analisis gelombang ditemukan dalam pengukuran listrik dan analisis

bunyi dan getaran. Pada indusri digunakan untuk mengurangi bunyi dan getarn yang

dibangkitkan oleh sebuah mesin.

11.6. ALAT ANALISIS DISTORSI HARMONIK

Keluaran elemen-elemen rangkaian yang tidak linear memperlihatkan harmonik-

harmonik dari frekuensi dasar pada bentuk gelombang keluaran, dan distorsi resultan sering

disebut distrosi harmonik (harmonic distortion, HD). Historsi harmonik dinyatakan oleh

D2=B2

B1

, D3=B3

B1

, D 4=B4

B1



Dimana Dn = distorsi harmonik tertentu ke n(n = 2,3,4,…)

Bn = amplitudo harmonik ke n

B1 = amplitudo dasar

Distorsi harmonik total atau faktor distorsi didefinisikan sebagai

D=√D22+D3

2+D42+…

Salah satu cara paling tua untuk menentukan kandungan harmonik dari sebuah

bentuk gelombang adalah menggunakan sebuah rangkaian yang disetalakan seperti pada

gambar di bawah ini.

Walaupun modiifikasi terhadap rangkaian ini telah banyak dikembangkan, umumnya

alat analisis dengan rangkaian yang disetalakan memiliki dua kekurangan utama yaitu :

(a)pada frekuensi-frekuensi rendah, diperlukan nilai L dan C yang sangat besar sehingga

ukuran fisiknya menjadi tidak praktis, (b)frekuensi-frekuensi harmonik dari sinyal sering

sangat berdekatan sehingga menjadi sangat sulit untuk membedakannya.

Kesulitan rangkaian yang disetalakan diatasi dengan alat analisis jenis heterodin

dengan menggunakan sebuah filter yang frekuensinya tetap dan dipilih secara tepat. Pada

beberapa alat analisis heterodin, penunjukkan alat pencatat langsung dikalibrasi dalam

tegangan; alat analisis lain membandingkan harmonik-harmonik sinyal yang berpengaruh

terhadap tegangan referensi, biasanya dengan membuat tegangan referensi tersebut sama

dengan amplitudo frekuensi dasar.

Metoda supresi frekuensi dasar dari distorsi pengukuran digunakan apabila lebih

penting untuk mengukur distorsi harmonik total daripada distorsi yang disebabkan oleh

masing-masing komponen. Dalam metoda ini, bentuk gelombang masukan dimasukkan ke

sebuah jaringan yang menindas atau mengapkir frekuensi dasar tetapi melewatkan semua

komponen-komponen frekuensi harmonik pada pengukuran berikutnya. Instrumen ini

mempunyai keuntungan sebagai berikut : (a)distorsi harmonik yang dibangkitakan di dalam

batas-batas instrumen itu sendiri adalah kecil sekali dan dapat diabaikan, (b)persyaratan

selektivitas tidak berat sebab yang harus ditindas hanyalah komponen frekuensi dasar.

11.7. ANALISIS SPEKTRUM

Analisis spektrum merupakan penyelidikan mengenai distribusi energi sepanjang

spektrum frekuensi dari sebuah sinyal listrik yang diketahui. Dari analisis ini diperoleh



informasi tentang lebar bidang frekuensi, efek berbagai jenis modulasi, pembangkitan sinyal

yang palsu, dan sebagainya. Karena kemampuan dan keterbatasan instrumentasi, analisis

spektrum biasanya dibagi dalam dua kelompok utama, yaitu : analisis spektrum radin dan

analisis spektrum RF (radio frequency).

Alat analisis spektrum dirancang agar secara grafis menyajikan hubungan amplitudo

terhadap frekuensi dari sebagian spektrum yang dipilih dari spektrum frekuensi yang

diselidiki. Salah satu instrumen paling pertama yang digunakan pada waktu pengembangan

teknik pulsa radar membutuhkan alat yang sedikit lebih maju daripada sebuah indicator RF

sederhana yang tidak memiliki alat-alat kontrol terkalibrasi atau liputan spektrum yang lebar

tetapi cukup untuk pekerjaan yang relatif sederhana yang tersedia. Alat analisis spektrum

modern pada dasrnya terdiri dari sebuah penerima jenis super-heterodin dengan bidang

frekuensi yang sempit beserta sebuah CRA. Secara elektronik disertakan dengan mengubah

frekuensi osilator lokal.

Gambar 11. . Elemen alat analisis spektrum.

Umumnya, sebuah CRO digunakan untuk menggambarkan sinyal-sinyal lektris

terhadap waktu. Sebagai contoh, waktu-naik-pulsa (rise time), lebar pulsa, dan laju

pengulangan dibaca langsung pada sumbu X yang terkalibrasi pada sebuah CRT, dan gambar

yang diamati adalah kurva amplitudo sinyal terhadap waktu. Pengukuran seperti ini disebut

dalam daerah waktu (time domain). Dalam alat analisis spektrum, sinyal dipotong-potong

menjadi komponen-komponen frekuensi masing-masing dan diperagakan sepanjang sumbu X

pada sebuah CRT yang dikalibrasi dalam frekuensi untuk menunjukkan amplitudo sinyal

terhadap frekuensi. Maka pengukuran ini disebut dalam daerah frekuensi (frequency domain).

Adalah membantu demi kejelasan, dengan memperhatikan spectra dari beberapa

sinyal yang umum dan peragaan-peragaan CRT yang dihasilkan bila sinyal-sinyal ini

dimasukkan kea lat analisis spektrum, antara lain :



a) Sinyal-sinyal gelombang kontinu (continous wave, CW signal). Jika osilator lokal

alat analisis menyapu melalui sebuah sinyal masukan CW secara perlahan-lahan,

respon yang dihasilkan pada layar hanyalah sebuah grafik dari pita pelewat penguat

IF. Sebuah sinyal CW murni hanya memiliki energi pada satu frekuensi dan dengan

demikian akan Nampak seperti sebuah “spike” tunggal pada layar CRT. Ini akan

terjadi asalkan lebar penyapuan RF total atau lebar spektrum lebih besar

dibandingkan lebar bidang IF di dalam alat analisis.

b) Mosulasi amplitudo. Bila amplitudo sebuah sinyal CW dengan frekuensi fc

dimodulasi oleh sebuah nada tunggal fa, pita-pita sisi (sideband) dibangkitkan pada

frekuensi Fc+fa dan frekuensi fc-fa. Selanjutnya alat analisis akan memperagakan

frekuensi pembawa fc, diapit oleh dua frekuensi pita sisi yang amplitudonya relatif

terhadap frekuensi pembawa bergantung pada presentase modulasi.

Gambar 11. Modulasi amplitudo.

c) Modulasi frekuensi. Jika frekuensi fc dari sebuah sinyal CW dimodulasi pada suatu

laju fr, akan dihasilkan sejumlah pita-sisi yang tak terbatas. Pita-pita ini berada pada

interval fc+nfr, dimana n=1,2,3,…

Gambar 11. Spektrum amplitudo dari modulasi frekuensi.



d) Modulasi pulsa. Sebuah bentuk gelombang persegi yang ideal dengan waktu naik

sebesar 0 dan tanpa overshoot atau penyimpangan lainnya, ditunjukkan pada gambar

di bawah ini. Pulsa diperlihatkan dalam daerah waktu, tetapi bila spektrum

frekuensinya akan dianalisis, harus dibagi-bagi menjadi masing-masing komponen

frekuensi.

Gambar 11. Deretan pulsa periodik persegi.


document11

Documents