JTERA - Jurnal Teknologi Rekayasa, Vol. 3, No. 2, Desember 2018, Hal. 295-302           p-ISSN 2548-737X DOI: 10.31544/jtera.v3.i2.2018.295-302

## Generator Pulsa Spike Terprogram untuk Pemicu Transduser Ultrasonik
Darmawan Hidayat, Taofik Ismail, Nendi Suhendi Syafei, Bambang Mukti Wibawa Departemen Teknik Elektro, Fakultas MIPA, Universitas Padjadjaran Jl. Raya Bandung-Sumedang KM. 21 Jatinangor 45363, Jawa Barat, Indonesia darmawan.hidayat@unpad.ac.id

## Abstrak
Salah  satu  metode  pembangkitan  gelombang  ultrasonik  berbasis  piezoelektrik  adalah  dengan  memicu  transduser oleh  pulsa  singkat  dan  tegangan  tinggi.  Pulsa  ini  dapat  dibangkitkan  dengan  pensaklaran  ( switching )  tegangan  tinggi searah (DC) oleh pulsa penggerak ( drive ). Makalah ini  menyajikan perancangan dan fabrikasi generator pulsa-singkat tegangan-tinggi  repetitif  terprogram  dengan  berbasis  mikrokontroler  ATMEGA  128.  Pulsa  dibangkitkan  dari mikrokontroler  ATMEGA  128  sehingga  interval  dan  skala  repetisi  dapat  diatur  melalui  tombol input .  Parameter- parameter pulsa tersebut ditampilkan pada peraga LCD ( Liquid Crystal Display ) untuk mempermudah pengguna dalam operasional  generator.  Pulsa  dari  mikrokontroler  diubah  menjadi  lebar  pulsa  yang  lebih  singkat  melalui  sebuah multivibrator monostabil. Pulsa dari multivibrator selanjutnya diubah menjadi sinyal  singkat level +15V sebagai input gerbang MOSFET untuk pensaklaran tegangan tinggi DC lalu dikonversi menjadi sinyal spike negatif. Hasil pengujian menunjukkan  bahwa  pulsa  singkat  repetitif  terprogram  dapat  dibangkitkan  untuk  pensaklaran  tegangan  DC  oleh MOSFET.  Lebar pulsa sinyal spike negatif dibangkitkan hingga 100 ns.  Sinyal ini  mampu  memicu transduser 1  MHz untuk  pembangkitan  gelombang  ultrasonik.  Berdasarkan  pengujian,  dapat  disimpulkan  bahwa  generator  dapat membangkitkan  sinyal spike negatif  dengan  repetisi  yang  terprogram  dan  sesuai  dengan  frekuensi  kerja  transduser ultrasonik.
Kata Kunci: generator pulsa, pulsa-singkat, terprogram, mikrokontroler, ultrasonik

## Abstract
One of piezoelectric-based ultrasonic wave generation method is by exciting an ultrasonic transducer using a short- and  high-voltage  electrical  pulse.  This  pulse  is  may  generated  by  switching  a  DC  high  voltage  using  a  pulse-driven switching  transistor.  This  work  presents  a  design  and  fabrication  of  a  microcontroller-based  short-  and  high-voltage pulse  generator.  An  ATMEGA  128  microcontroller  is  programmed  to  generate  pulses  of  which  the  pulses  interval  is programmable. The interval time of adjacent pulses is set using a 4-pushbutton as the input interface. In principle, the pulses generated from the microcontroller are converted into shorter pulses by a monostable multivibrator.  A Schmitt- trigger circuit converts the TTL of these pulses into +15V for switching a MOSFET circuit in order to pulsating a DC high  voltage.  A  waveform  circuit  after  MOSFET  consist  of  a  resistor-diode-capacitor  network  converts  the  pulsated DC-high  voltage  into  a  negative  spike  pulse.  The  test  results  demonstrated  that  a  programmed  repetitive  short-  and high-voltage pulse is generated and driving the MOSFET switching circuit. A 100-ns width spike pulse is generated to excite a 200 KHz ultrasonic transducer. In conclusion, the spike pulse generator works properly in the generation of an ultrasonic wave .
Keywords: pulse generator, short-pulse, programmed, microcontroller, ultrasonic

## I. P ENDAHULUAN
Proses  pembangkitan  gelombang  ultrasonik berbasis  piezoelektrik  dapat  dilakukan  dengan memicu  transduser  oleh sinyal  listrik  dalam  bentuk pulsa.  Teknik  ini  memberikan  fleksibilitas  dalam implementasi  dan  akusisi  sinyal  [1].  Sistem  tipikal
evaluasi  dan  pengukuran  tak-merusak  berbasis gelombang ultrasonik dengan mode pulse-echo dan mode  transmisi  telah  dilaporkan  pada  penelitian sebelumnya  [2].  Sistem  tipikal  ini memiliki  tiga komponen  elektronik  utama  yaitu:  (1)  generator pulsa untuk membangkitkan pulsa dengan pengaturan lebar pulsa dan interval repetisi pulsa; (2)
sumber  tegangan  tinggi  DC  untuk  menyediakan tegangan  tinggi  DC  sebagai  sumber  daya  bagi transduser  pemancar  [2],  [3];  dan  (3)  rangkaian penyaklaran  ( switching )  yang  berfungsi  untuk mencacah  tegangan  tinggi  DC  kontinyu  menjadi pulsa-pulsa tegangan tinggi dengan lebar pulsa yang singkat untuk pemicu tranduser ultrasonik.
Transduser  ultrasonik  mengubah  pulsa  listrik menjadi  energi  dalam  bentuk  gelombang  akustik. Transduser  bervibrasi  jika  dieksitasi  pulsa  spike tegangan-tinggi.  Pulsa  ini  dapat  dibangkitkan dengan  penyaklaran  tegangan  tinggi  searah  (DC) oleh  pulsa  penggerak  ( drive )  [4].  Vibrasi  tersebut dirambatkan ke objek atau medium uji. Gelombang ultrasonik  merambat  dalam  medium  dan  terpantul kembali  ke  transduser.  Bahan  piezoelektrik  di dalam  transduser  penerima  mengubah  gelombang ultrasonik  yang  diterima  tersebut  menjadi  sinyal listrik.  Sinyal  tersebut  selanjutnya  dikuatkan,  filter dan  didigitasi,  direkam,  dan  terakhir  ditampilkan pada osiloskop digital atau layar komputer.
Terdapat  empat  jenis  generator  ultrasonik  yang digunakan untuk pembangkitan gelombang ultrasonik,  yaitu:  pulsa spike ,  pulsa  kotak,  pulsa bipolar  tone  burst ,  dan  pulsa step [5],  [6].  Eksitasi pulsa spike banyak digunakan dalam pengujian dan pencitraan  berbasis  ultrasonik,  industri,  dan kesehatan.  Dengan  eksitasi spike ,  transduser memancarkan pulsa singkat yang dapat meningkatkan  resolusi  spasial  pengukuran  [7],  [8]. Pulsa spike dapat  digambarkan  oleh  waktu-singkat (orde  waktu  mikrosekon  hingga  nanosekon)  dan pita  frekuensi  lebar  (orde  megahertz).  Pulsa spike , ( ) dapat dinyatakan dengan persamaan (1) [9].
( )   { [ ] ( )
(1)
dengan ( ) ⁄ .  Parameter , , , dan adalah  amplitudo spike ,  karakteristik  naik,
dan  turun.  Beberapa  sistem  generator  pulsa menggunakan  pengaturan manual  analog  dilakukan untuk  penentuan  parameter  pulsa,  seperti  lebar pulsa  dan  jarak  interval  repetitif  pulsa  [10].  Untuk keperluan  pengembangan  menjadi  generator  pulsa secara  digital,  perlu  dikembangkan  pembangkitan pulsa  secara  digital  agar  memudahkan  dalam pengaturan parameter pulsa.
Makalah  ini  menyajikan  perancangan  dan fabrikasi  generator  pulsa-singkat  tegangan-tinggi repetitif terprogram berbasis mikrokontroler ATMEGA  128.  Parameter  pulsa  seperti  jarak repetisi  dan  rentang  waktu  kerja  diatur  melalui antarmuka  tombol  tekan.  Kinerja  generator  diuji pada  transduser  ultrasonik  frekuensi  1-MHz  dalam mode transmisi.

## II. M ETODE P ENELITIAN

## A. Desain Perangkat Keras
Gambar  1  memperlihatkan  diagram  skematik rangkaian  generator  pulsa spike tergprogram. Komponen  utama  rangkaian  adalah  pengontrol ATMEGA  128  yang  dilengkapi  empat input saklar tekan ( push button ) dan peraga LCD 16x2.
B. Desain Perangkat Lunak
Gambar 2 memperlihatkan diagram alir perangkat lunak untuk pengaturan rentang dan nilai interval  antar  pulsa.  Pertama,  program  menunggu penekanan  tombol  U  atau  D  untuk  pemilihan  satu dari  empat  rentang  interval.  Setelah  pemilihan rentang  tertentu,  nilai  interval  dipilih  dengan menekan tombol L dan R untuk turun dan naik. Ada sepuluh  nilai  interval  pada  setiap  masing-masing rentang interval.
Pembangkitan sinyal pulsa TTL pada ATMEGA 128  dilakukan  dengan  melakukan  operasi toggle pada bit  output .  Nilai  interval  diperoleh  dengan operasi delay menggunakan looping .
Gambar 1. Diagram skematik rangkaian generator pulsa spike terprogram berbasis ATMEGA 128

## Gambar 2. Diagram alir perangkat lunak

## C. Pengujian
Pengontrol  ATMEGA  128  membangkitkan sinyal  pulsa  repetitif.  Pengukuran  waktu  interval pada  masing-masing  nilai  dilakukan  dengan menggunakan osiloskop (GW-Instek 2104A). Interval  pulsa  diukur  melalui  pengukuran  jarak pulsa berdampingan.

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Perangkat  generator  pulsa  ini  dibuat  dalam empat pilihan rentang interval yaitu 0-10  s, 0-1 ms, 0-1  s,  dan  0-10  s.  Dalam  masing-masing  rentang, dibuat  sepuluh  nilai  interval.  Pemilihan  rentang dilakukan dengan tombol U untuk rentang turun dan D untuk rentang naik. Nilai interval dipilih melalui tombol L untuk nilai turun dan R untuk nilai naik. Gambar 3 memperlihatkan bentuk pulsa keluaran  dari  ATMEGA  128  pada  rentang  0-10  s dengan  pemilihan  nilai  interval  1  s  pada  Gambar 3(a)  dan  10  s  pada  Gambar  3(b).  Peraga  LCD menampilkan  nilai  interval  1  s  pada  rentang  0-10  s.  Jarak  interval  pulsa  berdampingan  ditampilkan
pada  osiloskop  Gambar  3(c)  adalah  1  s  sesuai dengan  pemilihan  pengaturan.  Ketika  nilai  interval dipilih  10  s  pada  rentang  0-10  s,  bentuk  pulsa yang  dibangkitkan  dapat  dilihat  pada  osiloskop Gambar  3(d)  menghasilkan  jarak  pulsa  berdekatan 10  s.  Hasil  pengujian  Gambar  3  menunjukkan bahwa  pada  rentang  interval  pendek  (cepat), pengontrol  ATMEGA  membangkitkan  pulsa  sesuai nilai pengaturan dan sesuai tampilan peraga LCD.
Untuk  beberapa  aplikasi,  diperlukan  interval pulsa  yang  tidak  begitu  cepat.  Untuk  itu,  perlu dibuat  rentang  interval  dalam  orde  milisekon. Gambar  4  memperlihatkan  pembangkitan  pulsa dalam  rentang  0-1  ms.  Ketika  pengaturan  nilai interval  adalah  0,1  ms  seperti  Gambar  4(a),  jarak pulsa berdekatan tampilan di osiloskop juga terukur sebesar  0,1  ms  seperti  Gambar  4(c).  Begitu  juga ketika  nilai  interval  dipilih  1,0  ms,  pengukuran osiloskop  jarak  pulsa  berdekatan  adalah  1,0  ms seperti  Gambar  4(b)  dan  Gambar  4(d).  Hasil  ini menunjukkan bahwa program pengontrol ATMEGA  128  berfungsi  sesuai  dengan  rancangan algoritma program.
Gambar 3. Pulsa keluaran dari mikrokontroler rentang 0-10  s: (a) dan (b) tampilan LCD nilai 1 dan 10  s, (c) dan (d) bentuk pulsa di osiloskop nilai interval 1 dan 10  s
Gambar 4. Pulsa keluaran dari mikrokontroler rentang 0-1 ms: (a) dan (b) tampilan LCD nilai 0,1 dan 1,0 ms, (c) dan (d) bentuk pulsa di osiloskop nilai interval 0,1 dan 1,0 ms
Gambar 5. Pulsa keluaran dari mikrokontroler rentang 0-1 s: (a) dan (b) tampilan LCD nilai 0,1 dan 1,0 s, (c) dan (d) bentuk pulsa di osiloskop nilai interval 0,1 dan 1,0 s
Gambar 6. Pulsa keluaran dari mikrokontroler rentang 0-10 s: (a) dan (b) tampilan LCD nilai 1 dan 10 s, (c) dan (d) bentuk pulsa di osiloskop nilai interval 1 dan 10 s
Untuk membangkitkan interval pulsa dalam orde yang  lebih  lebar  (orde  sekon), pengontrol menyediakan pilihan pengaturan dalam rentang 0-1 s  (Gambar  5).  Pembangkitan  pulsa  dengan  jarak interval  0,1  s  ditampilkan  sesuai  tampilan  peraga LCD  dan  hasil  pengukuran  di  osiloskop  seperti Gambar  5(a)  dan  Gambar  5(c).  Ketika  pengaturan dipilih  1,0  s,  jarak  antar-pulsa  berdekatan  juga melebar  sebesar  1,0  s  seperti  Gambar  5(b)  dan Gambar  5(d).  Hasil  ini  menunjukkan  bahwa  pada rentang  yang  lebih  lambat  0-1  s,  pengontrol berfungsi sesuai rancangan algoritma.
Untuk  jarak  interval  yang  lebih  lebar  lagi,  yaitu 0-10 s, operasi delay diperbesar dengan memperbesar  nilai looping pada delay .  Gambar  6 memperlihatkan  tampilan  LCD  dan  bentuk  pulsa dalam  rentang  0-10  s.  Pembangkitan  pulsa  dengan jarak  interval  berdekatan  0,1  s  dilakukan  dengan pemilihan  nilai  0,1  s  pada  tampilan  LCD,  sesuai dengan  pengukuran  dari  osiloskop  seperti  Gambar 6(a)  dan  Gambar  6(c).  Jarak  interval  paling  lebar yang  dapat  dibangkitkan  adalah  10  sesuai  seperti pengukuran  jarak  pulsa  oleh  osiloskop  seperti Gambar  6(b)  dan  Gambar  6(d).  Hasil  ini menunjukkan bahwa untuk nilai interval pulsa lebar, pengontrol ATMEGA 128 berfungsi sesuai algoritma yang dirancang.
Bentuk pulsa terprogram yang dibangkitkan dari pengontrol  ATMEGA  adalah  level  TTL  seperti Gambar  7(a).  Proses  konversi  TTL  menjadi  pulsa
spike dimulai  dengan  pembentukan  sinyal  lebar pulsa  melalui  multivibrator  monostabil.  Keluaran multivibrator  ini  adalah  pulsa  TTL  dengan  lebar lebih kecil sesuai nilai R dan C yang dipasang pada rangkaian  multivibrator  monostabil  seperti  Gambar 7(b).  Level  tegangan  pulsa  ini  belum  cukup  kuat untuk mengeksitasi gerbang  kaki G pada rangkaian penyaklaran  MOSFET  yang  memerlukan  tegangan sekitar  +15V.  Rangkaian  pemicu Schmitt  inverting mengubah  tegangan  negatif  dari  multivibrator menjadi  tegangan  pulsa  +14,8  V  seperti  Gambar 7(c).  Hasil  pengujian  Gambar  7  menunjukkan bahwa  konversi  pulsa  TTL  yang  dibangkitkan  dari ATMEGA  128  menjadi  pulsa  picu  penyaklaran MOSFET  dapat  berfungsi  sesuai  rancangan perangkat keras Gambar 1.
Gambar 8(a) memperlihatkan bentuk pulsa spike yang  muncul  pada  resistor  beban  di  Gambar  1. Lebar  pulsa  adalah  sekitar  107,1  ns  dengan tegangan  -740  V.  Pulsa spike ini  selanjutnya digunakan  untuk  eksitasi  sebuah  transduser  200- KHz. Bentuk gelombang ultrasonik yang dibangkitkan  akibat  eksitasi spike ini  diperlihatkan pada  Gambar  8(b).  Terlihat  gelombang  ultrasonik memiliki  karakterisitk  osilasi  teredam.  Hasil  ini menunjukkan bahwa generator pulsa spike berfungsi  normal  untuk  eksitasi  transduser  dalam pembangkitan gelombang ultrasonik.
Gambar 7. Bentuk sinyal setiap titik: (a) keluaran dari mikrokontroler, (b) keluaran dari multivibrator monostabil dan (c) keluaran dari rangkaian pemicu Schmitt
Gambar 8. Pembangkitan gelombang ultrasonik: (a) bentuk pulsa spike eksitasi dan (b) sinyal gelombang ultrasonik dibangkitkan dari transduser

## IV. K ESIMPULAN
Berdasarkan hasil pengujian perangkat lunak dan perangkat keras, generator pulsa dapat membangkitkan  pulsa  dengan  jarak  interval terprogram.  Pengaturan  rentang  interval  dan  nilai interval  diatur  melalui  tombol  saklar-tekan.  Jarak interval  dua  pulsa  berdampingan  hasil  pengukuran sama  dengan  nilai  tampilan  di  peraga  LCD.  Sinyal pulsa spike dapat  dibangkitkan  untuk  eksitasi transduser  ultrasonik  frekuensi  200  KHz  yang merupakan  kriteria  indikator  bahwa  pulsa  telah berfungsi  untuk  mengeksitasi  transduser  untuk pembangkitan gelombang ultrasonik. Pembangkitan gelombang  ultrasonik  dengan  frekuensi  200  KHz merupakan  indikasi  bahwa  generator  pulsa  telah berfungsi  normal.  Berdasarkan  hasil  pengujian keseluruhan  dapat  disimpulkan  bahwa  generator berfungsi  sesuai  rancangan  dan  memenuhi  kriteria untuk  digunakan  sebagai  eksitasi  transduser ultrasonik.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Penelitian  ini  didukung  oleh  Kemenristekdikti melalui skim Penelitian Terapan Unggulan Perguruan Tinggi (PTUPT) Universitas Padjadjaran tahun anggaran 2018
dengan No. 1090/UN6.D/LT/2018.

## R EFERENSI
[1] L.  Svilainis, A.  Chaziachmetovas, and  V. Dumbrava,  “Half bridge topology 500 V pulser  for ultrasonic  transducer  excitation,” Ultrasonics ,  vol. 59, pp. 79-85, 2015.
[2] D. Hidayat, et al , “Fabrikasi Transformator Step-up 1-kV  Fasa  Tunggal  untuk  Generator  Pemicu Transduser Ultrasonik,” Jurnal Teknologi
Rekayasa , vol. 3, no.1, pp. 11-16, 2018.
[3] D.  Hidayat, et  al ,  “MOSFET-based  high  voltage short  pulse  generator  for  ultrasonic  transducer excitation,” in The 1st International Conference and Exhibition  on  Powder  Technology  Indonesia (ICePTi) , 2017, pp. 030018: 1-7.
[4] V.  I.  Ingale  and  Y.  B.  Kale,  “Ultrasonic  high voltage  pulser,” International  Journal  of  Industrial
Electronics and Electrical Engineering , vol. 5, no.7, pp. 111–113, 2017.
[5] J.  Zhou, et  al ,  “A  Novel  Picosecond  Pulse Generation Circuit Based on SRD and NLTL,” Plos
One , vol. 11, no.2, pp. 1–10, 2016.
[6] D.  Campbell, et  al ,  “A  Compact  High  Voltage Nanosecond Pulse Generator,” in Proc. ESA Annual Meeting on Electrostatics , 2008, pp. 1  12.
[7] D.  I.  Zenkov, et  al ,  “A  ГИН-1200  high-voltage pulse  generator,” Instruments  and  Experimental Techniques , vol. 51, no. 3, pp. 396–400, 2008.
[8] A. Chaney and R. Sundararajan, “Simple MOSFET- based high-voltage nanosecond pulse circuit,” IEEE Transactions On Plasma Science , vol. 32, no. 5, pp. 1919–1924, 2004.
[9] Q.  Han, et  al ,  “A  high-power  ultrasonic  pulser- receiver  for  concrete  non-  destructive  testing,”  in International  Conference  on  Advances  in  Energy and  Environmental  Science  (ICAEES  2015) ,  2015, pp. 1176-1180.
[10] V.  V.  Rakhi, et  al ,  “Design  of  Microcontroller
Based Multi-Frequency Ultrasonic Pulser Receiver,” Int.  Journal  of  Engineering  Research and Applications , vol. 6, no. 2, pp. 55-58, 2016.