KONVERTER - Laboratorium elektronika industri komparator analog

Alat bantu digital yang paling penting untuk teknologi kontrol proses adalah yang menerjemahkan informasi digital ke bentuk analog dan juga sebaliknya. Sebagian besar pengukuran variabel-variabel dinamik dilakukan oleh piranti ini yang menerjemahkan informasi mengenai vaiabel ke bentuk sinyal listrik analog. Untuk menghubungkan sinyal ini dengan sebuahkomputer atau rangkaian logika digital, sangat perlu untuk terlebih dahulu melakukan konversi analog ke digital (A/D). Hal-hal mengenai konversi ini haris diketahui sehingga ada keunikan, hubungan khusus antara sinyal analog dan digital. Seringkali, situasi yang sebaliknya terjadi dimana sinyal digital diperlukan untuk menggerakkan sebuah piranti analog. Dalam hal ini, diperlukan sebuah konverter digital ke analog (D/A).
KOMPARATOR
Bentuk komunikasi yang paling mendasar antara wujud digital dan analog adalah piranti (biasanya berupa IC) disebut komparator. Piranti ini, yang diperlihatkan secara skematik dalam Gambar 3.4, secara sederhana membandingkan dua tegangan pada kedua terminal inputnya. Bergantung pada tegangan man yang lebih besar, outputnya akan berupa sinyal digital 1 (high) atau 0 (low). Komparator ini digunakan secara luas untuk sinyal alarm ke komputer atau sistem pemroses digital. Elemen ini juga merupakan satu bagian dengan konverter analog ke digital dan digital ke analog yang akan didiskusikan nanti.
Gambar 2.6. Sebuah komparator merubah keadaan logika output sesuai fungsi tegangan input analog
Sebuah komparator dapat tersusun dari sebuah opamp yang memberikan output terpotong untuk menghasilkan level yang diinginkan untuk kondisi logika (+5 dan 0 untuk TTL 1 dan 0). Komparator komersil didesain untuk memiliki level logika yang dperlukan pada bagian outputnya.
Konverter Digital ke Analog (DAC)
Sebuah DAC menerima informasi digital dan mentransformasikannya ke dalam bentuk suatu tegangan ananlog. Informasi digital adalah dalam bentuk angka biner dengan jumlah digit yang pasti. Khususnya ketika dipergunakan sebagai penghubung dengan sebuah komputer, angka biner ini disebut word biner atau word komputer. Digit-digit tersebut disebut bit word. Sehingga, sebuah word 8 bit akan memberikan sebuah angka biner yang memiliki delapan digit, seperti 101101102. Konverter D/A mengonversi sebuah word digital ke dalam sebuah tegangan analog dengan memberikan skala output analog berharga nol ketika semua bit adalah nol dan sejumlah nilai maksmum ketika semua bit adalah satu. Hal ini dapat direpresentasikan secara matematis dengan memperlakukan angka biner sebagai angka pecahan.
Konverter Analog ke Digital (ADC)
Meskipun ada beberapa transduser yang memberikan output sinyal digital secara langsung dan sdang dikembangkan, sebagian besar transduser tetap hanya mengkonversi variabel dinamik ke dalamsebuah sinyal lsitrik analog. Dengan peningkatan penggunaan logika digital dan komputer di dalam kontrol proses, sangat Perlu untuk mempergunakan sebuah DAC untukmenhasilkan sebuah output yang dikodekan secara digital.
ADC PARALEL – FEEDBACK
Konverter A/D paralel-feedback menerapkan sistem umpan balik (feedback) untuk melakukan konversi seperti diperlihatkan pada Gambar 3.8. Pada dasarnya, sebuah komparator dipergunakan untuk membandingkan tegangan input Vx terhadap sebuah tegangan umpan balik VP yang berasal dari sebuah DAC seperti tampak dalam gambar. Komparator menghasilkan sinyal yang menggerakkan sebuah jaringan logika yang menaikkan output digital (dan juga input DAC) hingga komparator mengindikasikan dua sinyal adalah sama sesuai resolusi dari konverter. Pada piranti ini, susunan rangkaian logika dibuat secara successive dan menguji setiap bit, dimulai dengan bit paling penting (MSB) dari word. Kita memulainya dengan semua bit nol. Dari sini, operasi pertama adalah dengan mengeset b1 = 1 dan menguji VF = VR 2 – 1 terhadap Vx melalui komparator.
Gambar 2.7. Konverter A/D tipe pendekatan successive sangat umum digunakan dan melibatkan penggunaan konverter D/A.
Jika Vx lebih besar, maka b1 adalah satu; b2 diset ke 1 dan dilakukan test bagi Vx terhadap VV = VR(2 – 1 + 2 – 2 ), dan seterusnya.Jika Vx lebih kecil dari VR2–1, maka b1 direset ke nol; b2 diset ke 1 dan dilakukan test bagi Vx terhadap VR 2 – 2. Proses ini diulang hingga bit terendah (least significant bit) dari word. Operasi yang terjadi paling baik diilustrasikan melalui contoh.
Gambar 2.8. Konverter A/D slope ganda mempergunakan integrator op-amp, komparator, dan rangkaian digital yang berkaitan.
A/D RAMP
Gambar 2.8. merupakan Konverter A/D tipe ramp pada intinya membandingkan tegangan input terhadap tegangan ramp yang naik secara linier. Sebuah pencacah (counter) biner diaktifkan untuk mencacah step ramp sampai tegangan ramp sama dengan input. Ramp ini sendiri dihasilkan oleh sebuah rangkaian integrator op-amp. (http://www.elektro.undip.ac.id/sumardi/www/komponen/3_3.htm)
Sebuah komparator ini dirancang untuk menghasilkan tegangan output juga terbatas yang mudah antarmuka dengan logika digital. Kompatibilitas dengan logika digital harus diverifikasi saat menggunakan sebuah op-amp sebagai komparator. Sebuah komparator tegangan berdedikasi umumnya akan lebih cepat dari penguat tujuan umum operasional ditekan ke dalam layanan sebagai komparator. Sebuah komparator tegangan yang berdedikasi juga mengandung fitur tambahan seperti referensi, tegangan akurat internal, histeresis disesuaikan dan input gated jam. Sebuah komparator tegangan chip yang khusus seperti LM339 dirancang untuk antarmuka dengan antarmuka logika digital (untuk TTL atau CMOS). Outputnya adalah keadaan biner sering digunakan untuk sinyal dunia nyata untuk antarmuka digital sirkuit (lihat analog ke digital). Jika ada sumber tegangan tetap dari, misalnya, perangkat DC diatur di jalur sinyal, komparator hanya setara dengan kaskade amplifier. Ketika tegangan hampir sama, tegangan output tidak akan jatuh ke salah satu tingkat logika, sehingga sinyal analog akan masuk ke domain digital dengan hasil tak terduga. Untuk membuat rentang ini sekecil mungkin, kaskade amplifier adalah gain tinggi. Sirkuit yang terdiri dari terutama transistor Bipolar kecuali mungkin dalam tahap awal yang kemungkinan akan menjadi lapangan transistor efek. Untuk frekuensi yang sangat tinggi, impedansi masukan dari tahap rendah. Hal ini akan mengurangi kejenuhan, lambat besar sambungan PN transistor bipolar yang kalau tidak akan menyebabkan waktu pemulihan yang lama. Cepat kecil Schottky dioda, seperti yang ditemukan dalam desain logika biner, meningkatkan kinerja secara signifikan meskipun kinerja yang masih tertinggal dari sirkuit amplifier dengan menggunakan sinyal analog. Laju perubahan tegangan tidak memiliki arti untuk perangkat tersebut. Untuk aplikasi di flash ADC sinyal didistribusikan di seluruh 8 port cocok gain tegangan dan arus penguat setelah masing-masing, dan resistor kemudian berperilaku sebagai tingkat-shifter. LM339 melakukan pekerjaan ini dengan output kolektor terbuka. Ketika input pembalik berada pada tegangan lebih tinggi dari masukan pembalik non, output dari komparator terhubung ke catu daya negatif. Ketika input inverting lebih tinggi dari non inverting input, output 'mengambang' (memiliki impedansi yang sangat tinggi ke tanah). Sebuah komparator biasanya mengubah keadaan outputnya ketika tegangan antara input yang melintasi melalui sekitar nol volt. Fluktuasi tegangan kecil akibat kebisingan, selalu hadir pada input, dapat menyebabkan perubahan cepat yang tidak diinginkan antara kedua negara output ketika perbedaan tegangan masukan adalah mendekati nol volt. Untuk mencegah hal ini osilasi output, histeresis kecil dari beberapa milivolt diintegrasikan ke pembanding modern. Sebagai contoh, LTC6702, MAX9021 dan MAX9031 memiliki histeresis internal desensitizing mereka dari kebisingan masukan. Di tempat satu titik switching, histeresis memperkenalkan dua: satu untuk tegangan naik, dan satu untuk tegangan jatuh. Perbedaan antara nilai perjalanan tingkat tinggi (VTRIP +) dan tingkat bawah nilai perjalanan (VTRIP-) sama dengan tegangan histeresis (VHYST). Jika komparator tidak memiliki histeresis internal atau jika kebisingan input lebih besar daripada histeresis internal kemudian jaringan histeresis eksternal dapat dibangun dengan menggunakan umpan balik positif dari output ke input non-pembalik komparator. Rangkaian Schmitt memicu dihasilkan memberikan kekebalan kebisingan tambahan dan sinyal keluaran bersih. Beberapa pembanding seperti LMP7300,, LTC1540 MAX931, MAX971 dan ADCMP341 juga menyediakan kontrol histeresis melalui pin histeresis terpisah. Ini pembanding memungkinkan untuk menambahkan histeresis diprogram tanpa persamaan umpan balik atau rumit. Menggunakan pin histeresis dedicated juga nyaman jika impedansi sumber tinggi karena input terisolasi dari jaringan histeresis. Ketika histeresis ditambahkan kemudian pembanding tidak dapat mengatasi sinyal dalam band histeresis. Karena pembanding (komparator) hanya dua bagian output, output mereka adalah mendekati nol atau dekat tegangan suplai. Bipolar rel-rel ke-pembanding memiliki output yang umum-emitor yang menghasilkan drop tegangan kecil antara output dan kereta api masing-masing. Itu drop sama dengan tegangan kolektor-ke-emitor dari transistor jenuh. Ketika arus output adalah tegangan keluaran cahaya, dari CMOS rel ke rel pembanding, yang mengandalkan berbagai, MOSFET jenuh lebih dekat dengan rel dari rekan-rekan bipolar mereka. Berdasarkan output, pembanding juga dapat diklasifikasikan sebagai saluran terbuka atau tarik-ulur. Pembanding dengan tingkat keluaran terbuka-drain menggunakan tarik eksternal up resistor ke suplai positif yang mendefinisikan tingkat logika tinggi. Pembanding saluran terbuka lebih cocok untuk campuran tegangan perancangan sistem. Karena output impedansi tinggi untuk tingkat logika tinggi, pembanding saluran terbuka juga dapat digunakan untuk menghubungkan beberapa pembanding ke bus tunggal. Dorong tarik keluaran tidak perlu pull up resistor dan juga dapat sumber arus tidak seperti output saluran terbuka. Sebuah detektor nol adalah salah satu yang berfungsi untuk mengidentifikasi ketika nilai yang diberikan adalah nol. Pembanding bisa menjadi jenis penguat khas untuk pengukuran perbandingan null. Ini adalah setara dengan penguat keuntungan sangat tinggi dengan yang seimbang input dan batas-batas keluaran terkontrol. Sirkuit yang membandingkan tegangan input dua, menentukan yang lebih besar. Bahwa input tegangan tidak diketahui dan tegangan referensi, biasanya disebut sebagai vu dan vr. Sebuah tegangan referensi umumnya pada input non-inverting (+), sementara vu biasanya pada input inverting (-). (Diagram sirkuit akan menampilkan input sesuai dengan tanda mereka sehubungan dengan output ketika input tertentu lebih besar dari yang lain.) Outputnya adalah baik positif atau negatif, misalnya + /-12V. Dalam hal ini, idenya adalah untuk mendeteksi ketika tidak ada perbedaan antara di tegangan input. Hal ini memberikan identitas dari tegangan yang tidak diketahui karena tegangan referensi diketahui. Bila menggunakan komparator sebagai detektor nol, ada batas-batas terhadap akurasi dari nilai nol terukur. Keluaran nol diberikan bila besarnya perbedaan tegangan dikalikan dengan gain dari penguat adalah kurang dari batas tegangan. Misalnya, jika gain dari penguat adalah 106, dan batas tegangan adalah + /-6V, maka output tidak akan diberikan jika perbedaan tegangan kurang dari 6μV. Komparator A dapat digunakan untuk membangun sebuah osilator relaksasi. Menggunakan umpan balik baik positif dan negatif. Umpan balik positif adalah konfigurasi pemicu Schmitt. Sendirian, memicu adalah sebuah multivibrator bistable. Namun, umpan balik negatif lambat ditambahkan ke pelatuk oleh rangkaian RC menyebabkan sirkuit untuk berosilasi secara otomatis. Artinya, penambahan rangkaian RC mengubah multivibrator bistable histeresis menjadi multivibrator astabil. Ketika komparator melakukan fungsi mengatakan jika tegangan input di atas atau di bawah ambang batas tertentu, itu pada dasarnya melakukan kuantisasi 1-bit. Fungsi ini digunakan di hampir semua analog ke digital converter (seperti flash, pipa, pendekatan berturut-turut, delta-sigma modulasi, lipat, interpolasi, dual-lereng dan lainnya) dalam kombinasi dengan perangkat lain untuk mencapai multi-bit kuantisasi. ( http://en.wikipedia.org/wiki/Comparator)
III.PERALATAN DAN KOMPONEN
3.1 Peralatan dan Fungsi
Multimeter digital 3 buah
Fungsi : sebagai alat yang digunakan untuk mengukur tegangan referensi, tegangan input dan tegangan output.
Protoboard
Fungsi : Sebagai tempat untuk merangkai rangkaian sementara
PSA Adjust
Fungsi : Sebagai sumber tegangan DC
Jepit buaya
Fungsi : Sebagai penghubung peralatan dengan komponen, dan peralatan dengan peralatan
Jumper
Fungsi : Sebagai penghubung antar komponen dengan komponen pada rangkaian elektronika
3.2 Komponen
1. IC LM 741
Fungsi : Sebagai pembanding dua tegangan masukan
2. Resistor 10KΩ (2 buah), 470Ω (4 buah), 1KΩ(2 buah)
Fungsi : Sebagai hambatan
3. Potensiometer 10KΩ (2 buah)
Fungsi : Sebagai hambatan variabel yang dapat divariasikan nilainya
4. LED merah
Fungsi : Sebagai indikator adanya arus mengalir pada rangkaian.
5. LED kuning
Fungsi : Sebagai indikator bahwa rangkaian komparator bekerja.
IV. PROSEDUR
1. Disiapkan semua peralatan dan komponen
2. Disusunlah rangkaian seperti pada gambar di atas
3. Dihubungkan kaki keluaran potensiometer pertama (P1) ke kaki 2 IC LM 74, sedangkan kaki inputnya dihubungkan ke kaki R1 dan kaki R2 ke ground.
4. Dihubungkan kaki keluaran potensiometer kedua (P2) ke kaki 3 IC LM, sedangkan kaki inputnya dihubungkan ke kaki R3 dan kaki ground dengan kaki R4.
5. Dihubungkan kaki 6 IC LM741 ke salah satu kaki R5 dan kaki yang lain dari R5 dihubungkan ke positif LED kuning, negatif LED kuning dihubungkan ke negatif LED merah, dan positif LED merah dihubungkan ke R6
6. Dihubungkan kaki negatif LED merah dan kaki negatif LED kuning ke R7
7. Dihubungkan kaki R6 dan kaki R8
8. Dihubungkan kaki 4 IC LM74, dan salah satu kaki R2,R4,R7 ke ground rangkaian
9. Dihubungkan kaki 7 IC LM741, dan salah satu kaki R1,R3 dan R8 ke tegangan input rangkaian
10. Dihubungkan kutub positif (+) multimeter digital I (sebagai pengukur tegangan input) pada kaki 2 IC LM741, dan kutub negatif (-) ke ground rangkaian
11. Dihubungkan kutub positif(+) multimeter digital II (sebagai pengukur tegangan referensi yang tegangannya divariasikan) pada kaki 3 IC LM741, dan kutub negatif (-) ke ground rangkaian.
12. Dihubungkan kutub positif (+) multimeter digital III (sebagai pengukur tegangan keluaran) pada kaki positif LED kuning, dan kutub negatif (-) ke ground rangkaian.
13. Dihubungkan tegangan input rangkaian ke kutub positif (+) PSA adjust, dan ground rangkaian ke kutub negatif (-) PSA adjust.
14. Dihidupkan PSA adjust dengan menghubungkannya dengan sumber arus PLN dan diatur besar tegangan masukan sebesar 3 volt
15. Di atur potensiometer I untuk menghasilkan tegangan referensi (Vreferensi) sebesar 3 volt
16. Di atur potensiometer II untuk menghasilkan tegangan input (Vinput) mula-mula sebesar 2,5 volt
17. Diamati berapa tegangan keluaran yang ditunjukkan pada multimeter keluaran (III), serta amati LED merah dan LED kuning apakah hidup atau mati.
18. Dicatat data yang diamati pada kertas data
19. Diulangi langkah 15-16 dengan memvariasikan nilai potensiometer tegangan input yaitu dengan interval 0,25 sampai pada tegangan 5 volt
20. Dicatat data yang diamati pada kertas data
21. Dimatikan PSA Adjust dan disimpan kembali semua peralatan dan komponen ke tempat semula.
VI. DATA PERCOBAAN
Tegangan masukan 4 Volt
V -(volt)
|
V+ (volt)
|
Vout (volt)
|
LED merah
|
LED kuning
|
2,7
|
2,5
|
1,30
|
Hidup
|
Mati
|
2,7
|
2,6
|
1,31
|
Hidup
|
Mati
|
2,7
|
2,7
|
1,32
|
Hidup
|
Mati
|
2,7
|
2,8
|
1,32
|
Hidup
|
Mati
|
2,7
|
2,9
|
1,32
|
Hidup
|
Mati
|
2,7
|
3,0
|
1,32
|
Hidup
|
Mati
|
2,7
|
3,1
|
1,32
|
Hidup
|
Mati
|
2,7
|
3,2
|
1,34
|
Hidup
|
Mati
|
2,7
|
3,3
|
3,06
|
Hidup
|
Redup
|
2,7
|
3,4
|
3,07
|
Hidup
|
Redup
|
2,7
|
3,5
|
3,09
|
Hidup
|
Redup
|
|