Osilator Nonsinusoidal Tujuan

Osilator Nonsinusoidal 1.Tujuan
2.Mengamati dan mengenali prinsip pembangkitan sinyal nonsinusoidal dengan umpan balik rangkaian tunda dan komparator
3.Merancang dan mengimplementasikan pembangkit gelombang segitiga dan persegi
4.Merancang dan mengimplementasikan pembangkit gelombang segitiga
5.Mengamati dan menganalisa osilator cincin (ring oscillator)
6.Pengetahuan Pendukung dan Bacaan Lanjut Prinsip Pembangkitan Gelombang Nonsinusoidal Prinsip Umum
Secara umum osilator nonsinusoidal atau juga dikenal sebagai astable multivibrator dapat memanfaatkan fungsi penunda sinyal, inverting, dan/ atau komparasi dengan histeresis atau bistable multivibrator. Bagian-bagian tersebut dapat Bagian-bagian tersebut dirangkai dalam loop tertutup dengan keseluruhan loop bersifat inverting. Alternatif pembentukan loop tersebut ditunjukkan pada Gambar .
Komparator
dengan histeresis/ Bistable MV
(inverting)
Rangkaian Penunda
(noninverting)
Komparator
dengan histeresis/ Bistable MV
(noninverting)
Rangkaian Penunda
(inverting)
Gambar Prinsip Dasar Pembangkitan Gelombang
Fungsi komparator dengan histeresis atau bistable multivibrator adalah mempertahankan keadaan pada status tertentu sehingga ada sinyal luar yang memaksa perubahan status tersebut. Fungsi penunda adalah untuk memberikan selisih waktu antara perubahan pada output komparator atau multivibrator kembali ke input komparator atau multivibrator tersebut. Secara keseluruhan fungsi dalam satu loop haruslah bersifat inverting atau membalikkan sinyal.
Komparator dengan Histeresis
Alternatif cara untuk memperoleh komparator dengan histeresis adalah dengan menggunakan penguat operasional dan resistor pembagi tegangan. Gambar menunjukkan rangkaian komparator dengan histeresis non inverting berikut kurva karakteristik alih tegangan (VTC)-nya. Rangkaian komparator dengan histeresis inverting berikut kurva karakteristik alih tegangan (VTC)-nya ditunjukkan pada Gambar . Pada kedua gambar tersebut VS menyatakan tegangan saturasi keluaran penguat operasional.
R1
R2
VOut
VIn
VOut
VIn
+Vs
-Vs
0
-VsR1/R2
VsR1/R2
(a) (b)
Gambar (a) Komparator dengan Histeresis dan
(b) Kurva Karakteristik Alih Tegangangannya
R1
R2
VOut
VIn
VOut
VIn
+Vs
-Vs
0
-VsR1/( R1+R2)
VsR1/( R1+R2)
(a) (b)
Gambar (a) Komparator dengan Histeresis Inverting dan
(b) Kurva Karakteristik Alih Tegangangannya
Rangkaian Tunda
Rangkaian tunda dapat diimplementasikan dengan beberapa cara. Rangkaian tunda inverting dapat dibangun dengan integrator dengan penguat operasional dan rangkaian tunda noninverting dapat dibangun dengan rangkaian resistor dan kapasitor orde satu (RC orde 1 sebagai filter frekuensi rendah LPF). Penggunaan integrator memberikan skala waktu tunda linier sedangkan rangkaian RC orde 1 memberikan waktu tunda mengikuti fungsi eksponensial negatif.
Rangkaian Pembangkit Gelombang Nonsinusoidal
Rangkaian pembangkit gelombang segitiga dapat dibangun dengan memanfaatkan komparator dengan histeressis noninverting dan rangkaian integrator. Rangkaian ini tampak pada Gambar .
R1
R2
VOut
R
C
Gambar Pembangkit Gelombang Segitiga
Rangkaian pembangkit gelombang segitiga ini akan memberikan sinyal dengan frekuensi dan amplituda pada persamaan berikut.
Persamaan
Persamaan
Untuk memastikan komparator berfungsi baik maka nilai harus dipenuhi resistansi R2 > R1. Selain menghasilkan gelombang segitiga, rangkaian tersebut juga menghasilkan gelombang persegi pada output komparatornya dengan tegangan +Vs dan -Vs.
Rangkaian pembangkit gelombang segitiga dapat dibangun dengan memanfaatkan komparator dengan histeressis inverting dan rangkaian RC orde 1. Rangkaian ini tampak pada Gambar .
R1
R2
VOut
R
C
Gambar Pembangkit Gelombang Persegi
Rangkaian pembangkit gelombang segitiga ini akan memberikan sinyal dengan frekuensi sbb.:
Persamaan
Gelombang persegi yang dihasilkan mempunyai tegangan +Vs dan -Vs.
Osilator Cincin (Ring Oscillator)
Osilator cincin dapat dibangun dengan sejumlah ganjil inverter CMOS dan penunda waktu yang disusun dalam satu loop. Secara alamiah setiap inverter juga mempunyai waktu tunda dengan demikian sejumlah ganjil inverter yang disusun dalam satu loop juga akan membentuk osilator seperti ditunjukkan pada Gambar . Untuk memperoleh frekuensi yang lebih rendah waktu tunda tiap inverter dapat diperbesar dengan menambahkan kapasitor yang terhubung dengan ground pada output inverter.
Gambar Osilator Cincin
Frekuensi sinyal yang dihasilkan oleh osilator cincin ini adalah
Persamaan
Dalam hal ini n adalah jumlah inverter dan td adalah delay rata-rata inverter.
Pengaturan Duty Cycle
Rangkaian osilator di atas menghasilkan gelombang simetris dengan duty cycle 50%. Untuk menghasilkan gelombang asimetris atau duty cycle bukan 50% dapat dengan mudah dilakukan dengan mengatur nilai waktu tunda yang berbeda saat naik dan saat turun. Cara ini dapat dilakukan dengan menggantikan resistor rangkaian tunda pada integrator atau rangkaian RC orde 1 dengan dua buah resistansi yang berbeda masing-masing terhubung seri dengan dioda yang berlawanan arah. Contoh untuk pembangkit gelombang segitiga dengan waktu naik dan turun berbeda tampak pada Gambar . Resistansi RA akan menentukan waktu tunda naik dan resistansi RB menentukan waktu tunda turun.
R1
R2
VOut
RA
C
RB
D1
D2
(a)
RA
RB
D1
D2
R1
R2
VOut
C
(b)
Gambar Pembangkit Gelombang Asimetrik (a) Segitiga dan (b) Persegi
Prinsip yang sama dapat digunakan pada rangkaian pembangkit sinyal persegi dengan menggantikan resistansi rangkaian orde 1 dengan dua resistansi masing-masing terhubung seri dengan dioda yang berlawanan arah.
Pada rangkaian pembangkit segitiga resistor RA menentukan lama sinyal naik dan tegangan negatif pada output komparator. Sedangkan resistor RB menentukan lama sinyal turun atau tegangan positif pada komparator. Dengan merujuk duty cycle pada output sinyal persegi dari komparator rangkaian pada Gambar (a), nilai resistansi tersebut dapat ditentukan dengan persamaan berikut:
Persamaan
Persamaan
dengan D duty cycle dan f frekuensi gelombang yang dibangkitkan. Sedangkan untuk rangkaian pada Gambar (b) nilai resistansi dapat ditentukan dengan persamaan berikut:
Persamaan
Persamaan
Bacaan Lanjut
Sedra, A dan Smith, K. Microelectronic Circuits, International 6th Edition, Oxford University Press, 2011 Bab ... tentang Osilator.
7.Komponen dan Peralatan -
Breadboard
-
Komponen aktif Opamp 741 dan Inverter CMOS 4007
-
Komponen pasif Resistor, dan kapasitor
-
Kabel AWG 22
-
Aerosol udara terkompresi
8.Generator Sinyal
9.Osiloskop
10.Multimeter (minimum 2 bh)
11.Catu Daya Ter-regulasi (2 bh)
12.Kabel dan asesori pengukuran
13.Persiapan
14.Bacalah Data Sheet LM741. Perhatikan dan pelajari batas saturasi tegangan outputnya. Pada percobaan ini gunakan tegangan catu VCC 15Volt.
15.Rancanglah sebuah pembangkit gelombang segitiga seperti pada Gambar dengan pilihan frekuensi dan amplituda seperti tercantum dalam .
Tabel Pilihan Spesifikasi Frekuensi dan Amplituda Pembangkit Sinyal Segitiga.
Pilihan
|
Frekuensi (kHz)
|
Amplituda (Vpp)
|
1
|
1,0
|
9
|
2
|
1,0
|
10
|
3
|
1,0
|
12
|
4
|
1,2
|
9
|
5
|
1,2
|
12
|
6
|
1,2
|
15
|
7
|
1,5
|
10
|
8
|
1,5
|
15
|
9
|
5,0
|
12
|
10
|
5,0
|
15
|
16.Rancanglah sebuah pembangkit gelombang persegi seperti pada Gambar dengan pilihan frekuensi seperti tercantum dalam Tabel Pilihan Spesifikasi Frekuensi Pembangkit Sinyal Persegi.
Tabel Pilihan Spesifikasi Frekuensi Pembangkit Sinyal Persegi
Pilihan
|
Frekuensi (kHz)
|
1
|
1,0
|
2
|
2,0
|
3
|
3,0
|
4
|
4,0
|
5
|
5,0
|
6
|
6,0
|
7
|
7,0
|
8
|
8,0
|
9
|
9,0
|
10
|
10,0
|
17.Bacalah Data Sheet CD4007. Perhatikan dan pelajari waktu tunda propagasi sinyal pada inverter tersebut.
18.Rancanglah pembangkit gelombang segitiga dengan frekuensi 5kHz seperti pada Gambar (a) dengan kriteria seperti pada tabel berikut
Tabel Pilihan Spesifikasi Amplituda dan duty Cycle Pembangkit Sinyal Segitiga.
Pilihan
|
Duty Cycle (%)
|
Amplituda (Vpp)
|
1
|
20
|
9
|
2
|
30
|
10
|
3
|
40
|
12
|
4
|
30
|
9
|
5
|
40
|
12
|
6
|
50
|
15
|
7
|
50
|
10
|
8
|
60
|
15
|
9
|
70
|
12
|
10
|
80
|
15
|
19.Rancanglah pembangkit gelombang persegi dengan frekuensi 5kHz seperti pada Gambar (b) dengan kriteria duty cycle dan amplituda juga seperti pada Tabel
20.Percobaan Pembangkit Gelombang Segitiga -
Susunlah rangkaian pembangkit gelombang segitiga sesuai rangkaian yang telah dipersiapkan.
-
Gunakan kanal 1 osiloskop dan mode waktu untuk mengamati keluaran integrator pada pembangkit sinyal yang telah disusun. Amati dan catat bentuk sinyal, amplituda dan frekuensinya. Pada saat yang sama amati juga sinyal tegangan pada output komparatornya pada kanal 2.
-
Putuskan hubungan antara komparator dan integrator. Hubungkan input komparator dengan generator sinyal. Berikan sinyal segitiga dengan amplituda mendekati 15Vpp. Hubungkan input komparator dengan kanal 1 osiloskop dan ouput komparator dengan kanal 2 osiloskop. Gunakan osiloskop pada mode xy untuk memperoleh kurva karakteristik alih tegangan (VTC) komparator.
Pembangkit Gelombang Persegi -
Susunlah rangkaian pembangkit gelombang persegi sesuai rangkaian yang telah dipersiapkan.
-
Gunakan kanal 1 osiloskop dan mode waktu untuk mengamati keluaran komparator pada pembangkit sinyal yang telah disusun. Amati dan catat bentuk sinyal, amplituda dan frekuensinya. Pada saat yang sama amati juga sinyal tegangan pada input komparatornya pada kanal 2.
-
Putuskan hubungan antara komparator dan rangkaian RC orde 1. Hubungkan input komparator dengan generator sinyal. Berikan sinyal segitiga dengan amplituda mendekati 15Vpp. Hubungkan input komparator dengan kanal 1 osiloskop dan ouput komparator dengan kanal 2 osiloskop. Gunakan osiloskop pada mode xy untuk memperoleh kurva karakteristik alih tegangan (VTC) komparator.
Osilator Cincin -
Susunlah rangkaian osilator cincin dengan 3 (tiga) inverter.
-
Bacalah pada kanal input BNC osiloskop nilai beban kapasitif osilokop dan baca juga data sheet untuk probe osiloskop yang digunakan terkait beban kapasitifnya.
-
Gunakan salah satu kanal osiloskop untuk mengamati sinyal output salah satu inverter. Catat frekuensi sinyal yang dihasilkannya.
-
Secara bersamaan gunakan juga kanal osiloskop lainnya untuk mengamati sinyal input pada inverter di atas dan perhatikan frekuensi yang dihasilkan.
-
Dengan hanya mengamati satu sinyal dengan osiloskop, amati dan catat frekuensi yang dihasilkan untuk osilator cincin dengan 3, 5 dan 7 buah inverter.
21.Analisis dan Diskusi
Dengan menggunakan hasil pengamatan dan pengukuran lakukanlah analisis dan diskusikan hal-hal berikut:
-
Penentu frekuensi dan amplituda pada pembangkit gelombang nonsinusoidal (segitiga dan persegi).
-
Perbandingan frekuensi yang dihasilkan pada pembangkit sinyal yang dirancang dan diukur.
-
Hubungan penambahan beban kapasitif pada osilator cincin dengan frekuensi osilasinya.
-
Hubungan jumlah inverter dengan frekuensi osilasi osilator cincin.
-
Keterkaitan antara duty cycle dan amplituda pada perancangan gelombang asimetrik.
|