Abstrak —  Pada  sebuah  pengukuran  seringkali  dibutuhkan pemulihan  sinyal  sensor  yang  kecil  yang  terbenam  dalam  sinyal derau.  Penelitian  ini  merancang  dan  membuat  penguat lock-in digital  yang  berbasis  komputer  untuk  mengolah  sinyal  yang berasal  dari  sensor  gas  karbon  monoksida.  Mikrokontroler Arduino Mega2560 digunakan sebagai penerima data sensor dan mengirimkannya  ke  komputer.  Seluruh  proses  utama  dalam sistem  penguat lock-in digital,  seperti  proses mixing dan penyaringan yang  menggunakan low pass filter dilakukan secara digital.  Hasil  pengujian  menunjukkan  bahwa  penguat lock-in digital  ini  dapat  meningkatkan  nilai  Signal-to-Noise  Ratio  dari sensor gas karbon monoksida sebesar 12 dB.
Kata Kunci —Arduino Mega2560, Penguat Lock-in Digital, Sensor gas.

## I. PENDAHULUAN
EMULIHAN  sinyal  secara  optimal  dari  pengaruh  derau merupakan  masalah  yang  sering  dijumpai  dibidang elektronika dan masih menjadi salah satu fokus dari beberapa penelitian.  Hasil  pengukuran  sensor  mengalami  penurunan diakibatkan  oleh  derau.  Secara  teori,  sinyal  keluaran  yang berasal dari tranduser resistif memiliki derau yang sulit untuk dihilangkan.  Derau  yang  dapat  diminimalisir  hampir  selalu terdapat  pada  keluaran  transduser.  Dengan  demikian  maka menguatkan sinyal yang tercampur derau tidak membuat sinyal asli  terbebas  dari  derau.  Pengukuran  sinyal  elektrik  yang memiliki  amplitude  rendah  yang  disebabkan  oleh  suplai tegangan yang rendah, merupakan hal yang sulit dilakukan. Hal ini  disebabkan  oleh  interferensi  derau  yang  tinggi.  Salah  satu teknik  yang  digunakan  untuk  mengembalikan  sinyal  yang diinginkan  adalah  dengan phase  sensitive  (lock-in)  detection [1].
Perancangan  penguat lock-in secara  digital  dilakukan karena  respon  filter  yang  didapatkan  pada  penguat lock  in digital  lebih  mendekati  ideal  dibandingkan  dengan  penguat lock-in analog.  Pada  penguat lock-in analog,  untuk mendapatkan  respon  filter  yang  ideal  membutuhkan  banyak sekali  rangkaian.  Semakin  besar  orde  filter  maka  semakin banyak pula rangkaian analog yang diperlukan. Penguat lock-in digital memiliki fisik yang jauh lebih sederhana karena semua proses dilakukan secara digital. Selain itu pada penguat lock-in digital, sinyal keluaran lebih stabil atau tidak memiliki arus drift dan atau dc couple seperti pada analog serta memiliki akurasi sudut  yang  lebih  akurat  dibandingkan  dengan  rangkaian penguat lock-in analog [2].

## II. TEORI PENUNJANG

## A. Sensor Gas Semikonduktor
Sensor gas berfungsi untuk mengukur senyawa gas polutan yang  ada  di  udara  seperti  karbon  monoksida,  hidrokarbon, nitrooksida, dan lain-lain. Elemen sensor menggunakan bahan- bahan  seperti  timah  oksida  SnO 2 ,  wolfram  oksida  WO 3 ,  dan lainnya, tergantung pada gas yang hendak dideteksi [3]. Prinsip kerja  dari  sensor  ini,  semakin  tinggi  kosentrasi  gas  maka resistansinya  semakin rendah. Gas oksigen yang ada di sekitar permukaan  luar  kristal  akan  tertarik  oleh  muatan  negative permukaan  luar  kristal,  sehingga  menghambat  laju  aliran electron [4].
Dalam lingkungan adanya gas pereduksi, kerapatan oksigen teradsorpsi  yang  bermuatan  negatif  pada  permukaan semikonduktor sensor menjadi berkurang, sehingga ketinggian penghalang  pada  batas  antar  butir  berkurang.  Ketinggian penghalang  yang  berkurang  menyebabkan  berkurangnya tahanan sensor butir dalam lingkungan gas [5].

## B. Sensor Gas MQ-7
MQ-7  merupakan  sensor  gas  yang  digunakan  dalam peralatan untuk mendeteksi gas karbon monoksida (CO) dalam kehidupan sehari-hari, industri, atau mobil. Fitur dari sensor gas MQ-7 ini adalah mempunyai sensitivitas yang tinggi terhadap CO, stabil, dan berumur panjang. Sensor ini menggunakan catu daya heater dan rangkaian sebesar 5V DC, kisaran pengukuran konsentrasi gas adalah 20-2000 ppm [6].

## C. Penguat lock-in
Secara  umum  diagram  penguat lock-in ditunjukkan  pada Gambar  1.  Sinyal  input  dimodulasi  dengan  sinyal  referensi yang  merupakan  keluaran  dari  osilator.  Kemudian  penguat lock-in  hanya  merespon  pada  sinyal  yang  memiliki  frekuensi yang sama dengan sinyal referensi.
Gambar 1. Diagram blok penguat lock-in.
Apabila  dimisalkan  sinyal  keluaran  dari  input  adalah sinusoidal, maka pada keluaran penguat berlaku persamaan:
𝑉(𝑡) = 𝑉 sin(𝜔𝑡 +  ∅) (1) Sinyal referensi sekaligus sinyal modulasi yang dihasilkan oleh

## Implementasi Penguat Lock-in Digital untuk Deteksi Gas
Diana Rofiqoh, Muhammad Rivai, dan Fajar Budiman Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Elektro,
Institut Teknologi Sepuluh Nopember e-mail : muhammad_rivai@ee.its.ac.id
P
osilator  berosilasi  pada  frekuensi  tinggi  serta  memiliki amplitudo yang tetap, dinyatakan sebagai:
𝑉 𝑅 (𝑡) = sin(Ω𝑡) (2) Pada  mixer,  sinyal  input  dikalikan  dengan  sinyal  referensi. Output  dari  pengalian  ini  menghasilkan  dua  frekuensi  yang didapat dari penjumlahan dan selisih frekuensi kedua masukan, seperti yang ditunjukkan pada persamaan  berikut ini:
𝑉(𝑡)𝑉 𝑅 (𝑡) = 𝑉 2 {𝑐𝑜𝑠[(𝜔 − Ω)𝑡 + ∅] − 𝑐𝑜𝑠[(𝜔 + Ω)𝑡 + ∅]} (3) Jika Ω = 𝜔 maka didapatkan  output berupa sinyal  sinus  yang memiliki offset DC, dinyatakan:
𝑉(𝑡)𝑉 𝑅 (𝑡) = 𝑉 2 {𝑐𝑜𝑠[∅] − 𝑐𝑜𝑠[2Ω𝑡 + ∅]}, 𝜔 = Ω (4) Jika sinyal tersebut dilewatkan ke low pass filter (LPF) maka akan diperoleh:
𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑉. cos (∅) (5) Jika sinyal terganggu dengan derau, maka keluaran dari pengali ditunjukkan pada persamaan berikut:
𝑉(𝑡)𝑉 𝑅 (𝑡) = 1 2 𝑉(𝑡)𝑐𝑜𝑠𝜙 + 1 2 𝑉(𝑡) cos(2𝜔𝑡 + 𝜙) + 𝑛(𝑡) cos(𝜔𝑡 + 𝜙) (6) Jika pada persamaan tersebut diterapkan LPF dengan frekuensi cut-off lebih kecil dari 𝜔/2 maka sinyal komponen derau akan hilang [7].

## III. PERANCANGAN SISTEM

## A. Diagram Blok Sistem
Pada  Gambar  2  dapat  dilihat  bahwa  sistem  bekerja  diawali dengan  penguatan  sinyal  sensor  gas  yang  sangat  kecil. Penguatan ini bertujuan agar sinyal sensor gas dapat dibaca oleh arduino. Pada waktu yang sama, arduino juga membangkitkan sinyal  kotak  yang  kemudian  menjadi  sinyal  modulasi  untuk sensor  dan  menjadi  sinyal  referensi  untuk  proses  perkalian sinyal.  Data  sinyal  yang  telah  dibaca  oleh  arduino  kemudian dikirim secara serial ke komputer. Data tersebut kemudian akan dikalikan dengan sinyal referensi. Output dari pengali ( mixer ) kemudian disaring menggunakan LPF.
Gambar 2. Diagram blok perancangan sistem penguat lock-in digital.

## B. Perangkat Keras
Perangkat  keras  terdiri  dari  modul  rangkaian  sensor, rangkaian  osilator,  Arduino  dan  komputer.  Sensor  gas  yang digunakan  merupakan  sensor  gas  tipe  MQ-7  yang  berfungsi untuk  mendeteksi  kadar  gas  karbon  monoksida  di  udara. Tegangan suplai yang harus diberikan ke sensor adalah 5V yang termodulasi, sedangkan tegangan heater (Vh) diberikan 5V DC. Perancangan rangkaian sensor ditunjukkan pada Gambar 3.
Perancangan  rangkaian  osilator  dilakukan  untuk  menguji sistem penguat lock-in sebelum sistem tersebut diimplementasikan  pada  sensor  gas  MQ-7.  Rangkaian  dari osilator  ditunjukkan  pada  Gambar  4.  Komponen  yang digunakan  untuk  membuat  osilator  adalah  IC  timer  LM555 yang  keluarannya  kemudian  dimodulasi  dengan  sinyal referensi. Pembangkit sinyal yang dirancang memiliki keluaran dengan frekuensi 1.4 Hz.
Gambar 3. Rangkaian gas sensor MQ-7.
Gambar 4. Rangkaian osilator menggunakan timer 555.
Gambar 5. Diagram alur program penguat lock-in digital pada komputer.

## C. Perangkat Lunak
Perancangan  perangkat  lunak  terbagi  menjadi  dua  yaitu, perangkat  pada  arduino  dan  perangkat  lunak  pada  komputer. Pada perangkat lunak arduino terdiri dari pembacaan ADC dan pembangkitan  sinyal  kotak  yang  digunakan  sebagai  sinyal referensi. Perancangan perangkat lunak pada komputer meliputi
semua  komponen dari penguat lock-in yang terdiri dari mixer dan LPF, ditunjukkan pada Gambar 5.

## IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS
A. Pengujian Penguat Lock-in untuk Sinyal Kotak LM555
Pengujian sistem penguat lock-in dilakukan secara real-time terhadap  sinyal  yang  terganggu  oleh  derau.  Pada  pengujian awal, sinyal kotak dengan frekuensi 1.2 Hz dan amplitudo 4.4V yang berasal dari  rangkaian  LM555 digunakan sebagai sinyal input,  ditunjukkan  pada  Gambar  6.  Sinyal  input  tersebut kemudian dimodulasi dengan sinyal 900 Hz dengan amplitudo 4.8V  yang  dihasilkan  oleh  arduino.  Hasil  dari  modulasi kemudian dilewatkan ke pembagi tegangan untuk mendapatkan derau pada sinyal tersebut, ditunjukkan pada Gambar 7. Dengan menggunakan  persamaan  (7)  diperoleh  nilai  Signal-to-Noise Ratio (SNR) sebesar -18,95 dB.
SNR  =  20 log ( 𝑉𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙(𝑝𝑒𝑎𝑘) 𝑉𝑛𝑜𝑖𝑠𝑒(𝑝𝑒𝑎𝑘) ) (7)
Gambar 6. Sinyal kotak LM555.
Gambar  7.  Sinyal  kotak  LM555  yang  termodulasi  setelah  melewati  pembagi tegangan.
Gambar 8. Keluaran penguat lock-in untuk sinyal kotak LM555.
Sinyal yang telah termodulasi tersebut kemudian dikirim ke komputer  untuk  diproses  dalam  penguat lock-in digital, ditunjukkan pada Gambar 8. Dari pengujian yang dilakukan ini, sinyal  keluaran  penguat lock-in memiliki  SNR  sebesar  21,23 dB.

## B. Pengujian Penguat Lock-in untuk Sensor Gas MQ-7
Pengujian  berikutnya  adalah  mengimplementasikan  sinyal sensor  gas  MQ-7  pada  penguat lock-in .    Percobaan  diawali dengan mengamati sinyal pada saat belum diberikan gas karbon monoksida pada ruang gas uji yang ditunjukkan pada Gambar 9. Gambar 10 menunjukkan sinyal dari keluaran sensor MQ-7 ketika  diberikan  gas  karbon  monoksida  dengan  volume  1mL pada  ruang  uji  gas.  Dari  pengamatan  didapatkan  tegangan puncak  ke  puncak  dari  sinyal  asli  dan  sinyal  noise  masing- masing  35mV  dan  11mV,  sehingga  SNR  dari  sinyal  tersebut adalah  10  dB.  Sinyal  tersebut  kemudian  dimodulasi  dan diproses pada sistem penguat lock-in dengan frekuensi cut-off LPF sebesar 10 Hz. Keluaran dari penguat lock-in ditunjukkan pada Gambar 11.
Gambar 9. Sinyal sensor gas MQ-7 tanpa sampel gas.
Gambar 10. Sinyal sensor gas MQ-7 dengan sampel gas 1 mL.
Gambar 11. Keluaran penguat lock-in digital ketika ditambah gas 1 mL.
Dari pengamatan yang telah dilakukan didapatkan tegangan Vpp sinyal asli sebesar 144.7 mV dan Vpp noise sebesar 12 mV sehingga  diperoleh  nilai  SNR  sebesar  21,63  dB.  Pengujian berikutnya  dilakukan  dengan  menambahkan  gas  karbon monoksida  dengan  volume  2mL  yang  ditunjukkan  pada Gambar  12.  Dari  pengamatan  dihasilkan  nilai  Vpp  sinyal  asli
adalah 54,1 mV dan Vpp dari noise adalah 14,6 mV  sehingga diperoleh  SNR  sebesar  11,38  dB.  Gambar  13  menunjukkan keluaran penguat lock-in dengan tegangan Vpp dari sinyal asli adalah 192,5 mV dan tegangan Vpp dari noise adalah 7,5 mV sehingga diperoleh SNR sebesar 28,18 dB.
Percobaan selanjutnya dilakukan dengan menambahkan gas karbon monoksida dengan volume 3 mL kedalam ruang uji gas, ditunjukkan  pada  Gambar  14.  Tegangan  Vpp  dari  sinyal  asli adalah  90,1 mV dan tegangan Vpp dari noise adalah 9,8 mV sehingga  inyal  keluaran  sensor  gas  MQ-7  ini  memiliki  SNR 19,26 dB.
Gambar 12. Sinyal sensor gas MQ-7 dengan sampel gas 2 mL.
Gambar 13. Keluaran penguat lock-in digital ketika ditambah gas 2 mL.
Gambar 14. Sinyal sensor gas MQ-7 dengan sampel gas 3 mL.
Gambar 15. Keluaran penguat lock-in digital ketika ditambah gas 3 mL.
Gambar  15  merupakan  keluaran  penguat lock-in digital dengan  Vpp  dari  sinyal  asli  adalah  153,85  mV  dan  Vpp  dari noise  adalah  7,5  mV  sehingga  menghasilkan  SNR  sebesar 26,24 dB.
Tabel  1  menunjukkan  hasil  pengukuran  SNR  untuk  semua percobaan  yang  telah  dilakukan.  Dari  data  tersebut  dapat disimpulkan bahwa penguat lock-in digital mampu menaikkan nilai  rerata  SNR  pada  sinyal  yang  berasal  dari  sensor  gas sebesar 12 dB.

## V. KESIMPULAN
Pada penelitian ini telah dibuat sebuah sistem penguat lock- in digital  yang  terdiri  dari  sensor  gas  MQ-7,  mikrokontroler Arduino  Mega  2560,  dan  personal  komputer.  Sinyal pemodulasi  mempunyai  frekuensi  900  Hz.  Rangkaian  LPF mempunyai cut-off frequency sebesar 10 Hz.  Hasil percobaan yang  menggunakan  sampel  gas  CO  menunjukkan  bahwa penguat lock-in digital  mampu  menaikkan  nilai  rerata  SNR pada sinyal yang berasal dari sensor gas sebesar 12 dB. Hal ini membuktikan bahwa penguat lock-in digital yang telah dibuat dapat memperbaiki kualitas sinyal yang berasal dari sensor gas.
Tabel 1.
Tabel perbandingan SNR untuk setiap percobaan Percobaan Frekuensi Input Frekuensi cut-off SNR Tanpa lock-in Dengan lock-in Osilator sebagai masukan 1,4Hz 50Hz -18,95dB 27 dB MQ-7 (1mL gas buang) sebagai masukan sistem - 10 Hz 10 dB 21,63 dB Sensor MQ-7 (2mL gas buang) sebagai masukan sistem - 10 Hz 11,38 dB 28,18 dB Sensor MQ-7 (3mL gas buang) - 10 Hz 19,26 dB 26,24 dB
a SNR – Signal to Noise ratio .

## DAFTAR PUSTAKA
[1]   Ballarà G, Advisor M, Miguel J and Lopez A Lock-In Amplifier based on Virtual Instrumentation
[2]   Anon The Benefits of DSP Lock-in Amplifiers (Application Note A12) [3]   Anon  Teledeteksi  Gas  pada  Mobile  Robot  yang  Dikendalikan
Gelombang Radio
[4]   Priyanta  I  F,  Rivai  M  and  Dikairono  R  2016  Pemetaan  Distribusi  Gas Polutan  Menggunakan  Quadcopter  Berbasis  Autonomous  Waypoint Navigation J. Tek. ITS 5 A154–9
[5]   Akbar  L  A  and  Rivai  M  2016  Rancang  Bangun  Sensor  Node  pada Wireless Sensor Network Menggunakan Deret Sensor Gas dan Jaringan Syaraf Tiruan untuk Mendeteksi Kebakaran Hutan J. Tek. ITS 5 A192–7 [6]   Supeno  B  A,  Rivai  M  and  Budiman  F  2017  Rancang  Bangun  Data Logging  Berbasis  Web  Server  Pada  Robot  Balon  Udara  Untuk  Deteksi Kebocoran Pipa Gas J. Tek. ITS 5
[7]   Rahmannuri H, Rivai M and Sardjono T A 2017 Design of Digital Lock- in  amplifier  for  Low  Concentration  Gas  Detection 2017  International Seminar on Intelligent Technology and Its Applications (ISITIA) (IEEE) pp 319–22