Pengkondisi Sinyal Analog dan Digital

Suatu rangkaian yang digunakan untuk menyesuaikan keluaran sensor terhadap device yang terhubung dengannya agar data yang diambil valid.

Sensor-sensor elektronika memiliki karakteristik yang berbeda-beda, mulai dari ukuran, kepresisian, level tegangan masukan dan keluaran, dan sebagainya. Pada kali ini penulis akan membahas karakteristik yang berhubungan dengan level keluaran sensor. Keluaran sensor ada berupa sinyal analog dan ada pula yang berupa sinyal digital. Contoh sensor dengan keluaran berupa sinyal analog yaitu, sensor suhu, sensor garis, sensor arus, sensor load cell, dan sebagainya. Sedangkan contoh sensor dengan keluaran berupa sinyal digital yaitu, sensor api, sensor asap, sensor pyroelectric / passive infrared (PIR) dan lain sebagainya.

Sinyal keluaran analog dan digital memiliki perbedaan perlakuan sebelum data mereka diambil oleh suatu device, seperti misalnya device mikrokontroller. Berikut ini masing-masing penggunaan pengkondisi sinyal sensor.

1. Pengkondisi Sinyal Analog

  Sensor dengan sinyal keluaran analog dikondisikan dengan rangkaian pengkondisi sinyal analog yang umumnya berupa pembagi tegangan, jembatan wheatstone, penguat inverting dan penguat non inverting, dan sebagainya. Berikut ini adalah contoh-contoh dari pengkondisi sinyal analog.

• Pembagi Tegangan

Sebelumnya, mari kita bahas tentang pengertian sensor dan tranduser.

Sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan energi seperti energi listrik, energi kimia, energi mekanik dsb dengan masih membutuhkan komponen lain untuk menghasilkan besaran yang lain. Contoh, LDR sebagai sensor cahaya, kamera sebagai sensor penglihatan, dan lain-lain.

Sedangkan tranduser adalah alat yang digunakan untuk mengkonversi satu energi ke bentuk energi yang lain tanpa membutuhkan komponen lain. Contoh, LM35 yaitu merubah temperatur menjadi tegangan, generator yang merubah energi mekanik menjadi energi listrik, dan lain-lain.

Berikut ini adalah contoh pengkondisi sinyal analog yang menggunakan pembagi tegangan.

Gambar di atas adalah rangkaian pengkondisi sinyal sensor gas TGS 2620. Sensor ini dapat mendeteksi gas methana, CO, Iso-butan, Hydrogen dan Ethanol. Sensor ini keluarannya berupa perubahan resistansi. Sensor ini dapat dibaca oleh mikrokontroller jika keluarannya berupa tegangan. Oleh karena itu diperlukan resitor dan tegangan sumber agar keluarannya dapat dibaca oleh mikrokontroller menggunakan fitur Analog to Digital Converter (ADC).

• Jembatan Wheatstone

Jembatan Wheatstone adalah suatu rangkaian listrik yang digunakan untuk mengukur suatu tahanan yang tidak diketahui besarnya. (Suryatmo, 1986). Jembatan ini digunakan untuk memperoleh ketelitian dalam melaksanakan pengukuran terhadap suatu tahanan yang nilainya relative kecil sekali. (Pratama, 2010)

Berikut ini adalah contoh penggunaan rangkaian jembatan Wheatstone pada sensor Strain-gauge.

                          

Perubahan regangan yang terjadi pada strain gauge adalah sebanding dengan perubahan nilai hambatan pada strain gage tetapi nilai perubahan hambatannya sangat kecil sehingga dibutuhkan rangkaian jembatan wheatstone agar dapat diukur.

Alur penggunaan jembatan Wheatstone pada Strain-gauge yaitu:

Adanya tekanan atau gaya à Perubahan bentuk sensor à Perubahan resistansi sensor à Jembatan Wheatstone tidak seimbang à Tegangan muncul.

Tegangan yang muncul mempunyai rumus:

Dalam gambar, pengaruh regangan terhadap tegangan keluaran jembatan Wheatstone diilustrasikan seperti berikut ini:

• Penguat Non Inverting

Tegangan sumber mikrokontroller umumnya menggunakan tegangan 5 Volt. Sehingga untuk Vref dari ADC biasanya menggunakan 5 Volt. Untuk sensor atau tranduser yang mempunyai perubahan nilai keluaran yang kecil, misalnya LM35 dengan keluaran 10mV/ derajat Celcius, perlu dikuatkan agar dapat dengan mudah dibaca datanya. Karena mikrokontroller tegangannya tegangan single supply (0 V-5 V), maka penguatan yang digunakan umumnya adalah penguat Non Inverting yaitu penguatan yang keluarannya tidak mengubah polaritas tegangan masukannya. Jika tegangan masukan berpolaritas positif, maka keluarannya juga positif. Sebaliknya jika tegangan masukan berpolaritas negatif, maka keluarannya juga negatif. Berikut ini adalah contoh penggunaan penguat Non Inverting sebagai pengkondisi sinyal analog.

2. Pengkondisi Sinyal Digital

  Sensor dengan sinyal keluaran digital dikondisikan dengan rangkaian pengkondisi sinyal digital yang umumnya berupa level converter (pengkonversi level tegangan). Contoh konversi level tegangan misalnya, 9 V menjadi 5 V, 5 V menjadi 3,3 V, 3,3 V menjadi 5 V, 3,3 V menjadi 0 V, dan sebagainya.

Berikut ini adalah contoh level converter.

Rangkaian ini dapat dijelaskan, jika SW1 terhubung ke ground, maka transistor Q1 mati dan Q2 aktif sehingga tegangan keluaran (Out) bernilai 0 Volt. Jika SW1 terhubung ke +3,3 Volt, maka Q1 aktif dan Q2 mati sehingga tegangan keluaran bernilai +5 Volt.

Rangkaian di bawah ini juga termasuk rangkaian level converter.

Rangkaian ini dapat dijelaskan, jika SW3 terhubung ke ground, maka transistor Q4 mati sehingga tegangan keluaran (Out) bernilai 5 Volt. Jika SW3 terhubung ke +3,3 Volt, maka Q4 aktif sehingga tegangan keluaran bernilai 0 Volt.