FISIKA INSTRUMENTASI

Wahyu Widanarto

e-mail : wahyu.widanarto@unsoed.ac.id

Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Teknik Unsoed

Jl. dr. Soeparno No. 61 Purwokerto

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

GBPP

1. Teori Pengukuran: Standart dan Kalibrasi, Modifikasi dan Interferensi Sinyal Input, Kesalahan dalam Pengukuran, Analisis Validitas Data Pengukuran.

2. Teori alat ukur: Sensor / Transduser.

3. Pengola Isyarat: Penguat Instrumentasi, Op-Amp, Band Pass Filter,

High Pass Filter, Low Pass Filter.

4. Sistem Antarmuka: ADC, DAC, PPI, GPIB, Rangkaian Jembatan, sistem komunikasi serial dan pararel.

5. Sistem Instrumentasi: Sistem Closed-Loop dan Open-Loop.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Definisi

Instrumentasi adalah alat-alat dan piranti (device) yang dipakai untuk pengukuran dan pengendalian dalam suatu sistem yang lebih besar dan lebih kompleks.

​

Instrumentasi mempunyai 3 fungsi utama:

​

• Alat pengukuran

(Instrumentasi survey, pengukuran suhu)

• Alat analisa

(bidang kimia dan kedokteran)

• Alat kendali

(elektronika, dan industri)

​

Instrumentasi sebagai alat pengukur merupakan bagian depan/ awal dari bagian-bagian selanjutnya (bagian kendalinya), dan bisa berupa pengukur dari semua jenis besaran fisis, kimia, mekanis, maupun besaran listrik.

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Model Instrumentasi Sederhana

Definisi Instrumen : merupakan sebuah alat yang mengubah variabel (besaran) fisik kedalam sebuah bentuk yang cocok untuk pengukuran.

Variabel Fisik

• Gaya
• Panjang
• Temperatur
• Kecepatan
• Percepatan
• Tekanan
• Frekuensi
• Kapasitas
• Tahanan
• Waktu
• dll

Variabel Sinyal

• Tegangan
• Arus
• Frekuensi

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Model Instrumentasi

Pasif sensor tidak menambahkan energy sebagai bagian dari proses pengukuran tetapi memindahkan energi dalam operasi mereka.

Contoh : Thermocouple yang mengubah temperatur kedalam sinyal listrik. Pada kasus ini gradien temperatur menghasilkan tegangan thermoelectric yang menjadi variabel sinyal.

​

Aktif sensor menambahkan energi sebagai bagian dari proses pengukuran

Contoh: sistem radar atau sonar

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Pemilihan Sensor

Pemilihan sensor untuk suatu aplikasi tertentu memerlukan beberapa pertimbangan sbb:

• Sifat pengukuran yang dilakukan, yaitu masukan sensor. Ini berarti pertimbangan terhadap variabel yang akan diukur, nilai nominalnya, rentang nilai, akurasi yang dibutuhkan, kecepatan pengukuran, reliabilitas yang dibutuhkan serta kondisi lingkungan dimana pengukuran dilaksanakan.
• Sifat keluaran yang diinginkan dari sensor. Hal ini menentukan pemrosesan sinyal yang dibutuhkan. Pemilihan sensor tidak dapat dilakukan terpisah dari pertimbangan terhadap bentuk keluaran yang diinginkan sistem setelah pemrosesan sinyal, sehingga harus ada kecocokan antara sensor dan pemrosesan sinyal
• Karakteristik sensor yang meliputi jangkauan kerjanya, akurasi, linearitas, kecepatan respon, reliabilitas, usia penggunaan, catu daya, ketersediaan dan harga

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Kalibrasi

Kalibrasi merupakan hubungan antara variabel input pengukuran fisik and variabel sinyal output dari sebuah sensor.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Modifikasi dan Interferensi Sinyal Input

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Akurasi dan Error

• Akurasi merupakan perluasan jangkauan dimana nilai yang diindikasikan oleh sebuah sistem pengukuran atau elemen mungkin bernilai salah. Akurasi merupakan penjumlahan dari semua error yang mungkin terjadi sebagaimana akurasi bagi sistem atau elemen yang telah dikalibarasi. Akurasi menyatakan indikator dari seberapa dekat nilai yang dihasilkan oleh suatu sistem pengukuran terhadap nilai sebenarnya.

Contoh sebuah sistem mempunyai akurasi sebesar ±1% f.s.d (full scale deflection)

Artinya jika penyimpangan skala penuhnya 10A maka akurasi sistem tersebut adalah ±0,1 A.

​

• Istilah error digunakan untuk menyatakan selisih antara hasil pengukuran dan nilai sebenarnya dari besaran yang diukur

error = nilai terukur – nilai sebenarnya

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Error histeresis

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Kesalahan Tidak Linier

• Rectification distortion
• Saturation distortion
• Crossover distortion

Penguatan tidak linier dapat menimbulkan gangguan pada keluaran yang tdk diinginkan

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Ketelitian Pengukuran

Kesalahan (Error) didefinisikan sebagai beda antara nilai pengukuran dan nilai sebenarnya.

​

E = (nilai pengukuran)-(nilai sebenarnya)

​

X: variabel input

µ: Rata-2 dari populasi variabel X

σ : deviasi standard dari populasi

X_i: pengukuran X ke i

n: jumlah data

Distribusi Normal

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Populasi tak hingga (N=∞)

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Uniform Distribution

Deviasi standart sampel data

Deviasi standart rata-rata

L : batas plus / minus dari uniform distribution

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Sensor/Tranducer

Capacitive Displacment Sensors

​

• Dua elektroda dengan kapasitansi C
• C merupakan fungsi d (cm)
• Luas Permukaan A (cm²)
• Permitivitas/dielectric constans ε (8,85x10^-12 Fm^-1) untuk vacuum

x

Variable Distance Displacement Sensors

Outputs of the transducers

• nonlinear thd x (hyperbolic)
• Needed Linearization (signal processing)

ε_r =relative dielectric constant (di udara dan vakum ~1)

ε₀=8,85x10^-12F/m

x = Jarak antara 2 lempengan (m)

A = Luas effektif lempengan (m²)

Sensitivity of capacitance to changes x

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Sensor/Tranducer

Variable Area Displacement Sensors

w =lebar

wx = pengurangan luasan akibat perpindahan

• output linear thd x
• digunakan sebagai rotating capacitor untuk

pengukuran perubahan sudut

• pengukuran tegangan listrik sbg capacitive voltmeter

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Sensor/Tranducer

Variable Dielectric Displacement Sensors

ε₁= permitivitas relatif dari material dielektrik

ε₂= permitivitas dari perpindahan material

• Output linear thd x
• Pengukuran ketinggian fluida pada tangki

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Sensor/Transducer

Capacitive Presure Sensor

= The radius of diaphragm

t = the thickness of diaphragm

E = Young`s modulus

ν =Poisson´s ratio

Perubahan bentuk dari fleksibel diaphragm mengakibatkan berkurangnya jarak antara lempengan, sehingga menaikan kapasitansi sebesar ∆ C

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Sensor/Transducer

Capacitive Liquid Level Measurement

Syarat :

• s = r₂-r₁<r₁
• h>r₂
• nonconducting liquid

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Sensor/Transducer

Capacitive Humidity Sensor

Sensor mempunyai struktur pore atau crack untuk memberikan akses kepada uap air dalam udara atau gas mencapai material dielektrik. Karakteristik material dielektrik berubah dengan jumlah uap air yang diserap, akibatnya hambatan berkurangan dan capasitansi naik (konstata dielektrik naik). Kuantitas yang diukur dapat berupa hambatan, kapasitansi atau impedansi

Bahan: aluminium oxide sebagai dielektrik

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Permitivitas Dielektrik Bahan

Sifat dielektrik merupakan sifat yang dimiliki oleh setiap bahan. Secara umum, dielektrik dikaitkan dengan bahan isolator yang digunakan untuk mengisi ruang antara kedua keping kapasitor. Jika kedua keping tersebut diberikan beda potensial, maka ruang diantara kedua keping akan muncul medan listrik dan pada bahan akan terbentuk dipol listrik.

​

Pada saat arus listrik dialirkan melalui keping kapasitor dengan bahan dielektrik sempurna, maka arus listrik tidak dapat melintasi keping kapasitor.

Medan Listrik antara 2 plat pararel

Beda tegangan antara 2 plat dapat dinyatakan dalam kerja yang dilakukan muatan positif ketika bergerak dari plat positif ke negatif

Kapasitansi

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Efek Dielektrik

Konstanta dielektrik atau permitivitas listrik relatif, adalah sebuah kostanta yang melambangkan rapat fluks elektrostatik dalam suatu bahan bila diberi potensial listrik.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Pengukuran Dielektrik

• Step Voltage
• Lissajous Method
• Schering Bridge
• Resonant Cavity Method

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Medan Magnet

a : vektor satuan sepanjang r

r : jarak antara sumber medan

magnet dengan titik pengukuran

m : momen dipole magnetik

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Skematik Sensor Medan Magnet

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

SQUID Magnetometer�

Superconducting quantum interference device (SQUID) terdiri dari dua superkonduktor yang dipisahkan oleh lapisan sekat yang tipis membentuk 2 pararel Josephson Junction. Piranti ini dibuat sebagai sebuah magnetometer untuk mendeteksi medan magnet yang sangat kecil. Cukup kecil untuk mengukur medan magnet dalam makluk hidup yang sangat kecil. Squid telah digunakan untuk mengukur medan magnet dalam otak tikus untuk menguji apakah ada kemagnetan yang menghubungkan kemampuan navigasinya tehadap kompas internal.

Jika arus bias yang konstan dijaga dalam divais SQUID, tegangan yang terukur berosilasi dengan perubahan fase pada kedua sambungan, yang tergantung pada perubahan fluk magnetik. Penghitung osilasi dapat digunakan untuk mengevaluasi perubahan fluk yang telah terjadi

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Efek Hall Gaussmeter

n : Rapat muatan pembawa

I : Arus

e : Muatan

d : Tebal Plat

B : Medan Magnet Luar

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Piezoelektrik

• Piezoelektrik merupakan suatu kemempuan beberapa material (khususnya Kristal dan keramik) yang dapat memberikan arus ketika mendapatkan perlakuan berupa tekanan
• Efek Piezoelektrik adalah merubah nilai besaran deformasi suatu bahan kedalam bentuk sinyal elektrik

​

Material-material dengan sifat piezoelektrik:

Kristal Alami:

• Barlinite (AlPO₄)
• Quartz ( SiO₂)

​

Keramik Buatan Manusia:

• Barium Titanate (BaTiO₃)
• Lead Titanate (PbTiO₃)
• Lead Zirconate Titanate (Pb(ZrTi)O₃)

atau lebih dikenal PZT

​

Polimer:

• Polyvinydine Flouride (PVDF)

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Aplikasi Piezoelektrik

• Piezoelektrik digunakan sebagai pendeteksi adanya getaran pada block mesin.
• Inkjet printers: kristal piezoelektrik digunakan untuk mengontrol keluarnya tinta dari catridge ke kertas.
• Elemen piezoelektrik digunakan untuk mendeteksi dan menaikan gelombang suara.
• Bahan piezoelektrik digunakan sebagai filter pada frekuensi tinggi contoh BAW

(Bulk Acoustic Wave).

• Ultrasonic Transducers : Jika sebuah osilasi elektrik dikenakan pada piezoelektrik jenis keramik, maka keramik tersebut akan merespon dengan getaran mekanik yang menghasilkan sumber suara uletrasonik dengan frekuensi 20-40 kHz.
• Lead zirconate titanate merupakan material piezoelektrik untuk ultrosonic medical imaging dengan frekuensi 1-20 MHz.
• Sensor tekanan

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Mikrophone/Sensor Suara

• Mikrophone merupakan sebuah sensor yang mendeteksi sinyal-sinyal suara dan menghasilkan sebuah gambaran elektrik dari suara.
• Mikrophone menghasilkan sebuah tegangan atau arus yang sebanding dengan sinyal suara.
• Jenis-Jenis Mikrophone

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Crystal Mikrophone

Prinsip Kerja:

• Mikrophone ini menggunakan kepingan tipis dari sebuah material piezoelektrik yang dihubungkan dengan sebuah diaphragma.
• Kedua sisi kristal mendapatkan atau menerima muatan yang berbeda ketika kristal dibelokkan oleh diaphragma.
• Muatan-muatan tersebut sebanding dengan perubahan bentuk.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Dynamic Mikrophone

Prinsip Kerja:

• Suara bergerak ke kerucut dan koil kawat bergerak dalam medan magnet
• Tegangan (ggl induksi) yang dihasilkan menggambarkan variasi tekanan suara.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Ribbon Microphone

Prinsip kerja:

• Udara yang bergerak akibat suara menggerakan pita metal dalam medan magnet.
• Tegangan yang dihasilkan antara ujung-ujung pita sebanding dengan kecepatan pita yang dikatakterisasi sebagai sebuah velocity microphone

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Condenser Microphone

Prinsip Kerja:

• Mikrophone terdiri dari sebuah membran metal yang tipis dan sebuah plat referensi tersusun secara pararel dengan celah sebesar d.
• Keduanya membentuk sebuah kapasitor
• Tekanan suara mengubah jarak celah sehingga plat dimuati dengan total muatan Q=CV.
• Perubahan jarak celah menyebabkan perubahan Q dan mendorong arus mengalir ke R.
• Arus yang mengalir menggambarkan atau sebanding dengan tekanan suara.

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Photodioda

• Photodioda merupakan sensor intensitas cahaya yang terbuat dari sambungan semikonduktor tipe p & n.
• Photodioda mengubah energi foton (cahaya) menjadi arus listrik atau tegangan.
• Ketika Semikonduktor tipe p dan n dihubungkan maka material mempunyai sifat yang berbeda dengan sifat material itu sendiri.
• Arus akan mengalir hanya satu searah, hal ini merupakan konsep dasar DIODA.
• Fenomena ini muncul dari sifat alami proses tranport mauatan dalam dua tipe material yang berbeda.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Prinsip Kerja

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Karakteristik Photodioda

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Ultrasonic Blood Flowmeter

Ultrasonik adalah suara atau getaran dengan frekuensi diatas batas ambang pendengaran manusia yaitu 20kHz.

Tranduser ultrasonik merupakan suatu device yang mengubah sinyal gelombang ultrasonik dengan prinsip efek piezoelektrik.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Ultrasonik Blood Flowmeter adalah suatu alat yang berfungsi untuk mengukur kecepatan aliran darah menggunakan gelombang ultrasonik.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

• Salah satu prinsip dasar yang dapat digunakan dalam sebuah ultrasonik blood flowmeter adalah beam deflection.
• Sudut akibat pembelokkan beam, θ, diberikan oleh persamaan :

​

​

dimana = kecepatan suara dan

= kecepatan aliran darah.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Sinyal Keluaran

Waktu perpindahan sinyal ultrasonik yang berpindah dari satu tranduser ke tranduser yang lain, yaitu :

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Sinyal Keluaran

• Perbedaan waktu antara upstream dan downstream :

​

​

• Jika (untuk aliran darah pada umumnya) :

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Sinyal Keluaran

Fase upstream :

​

Fase downstream :

​

​

Perbedaan fase :

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Ultrasonik Blood Flowmeter

Specification of Advance Ultrasonic Blood Flow Meter

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Ultrasonik Blood Flowmeter

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Sistem Instrumentasi

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Scanning Electron Microscope

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

While all these signals are present in the SEM, not all of them are detected and used for information. The signals most commonly used are the secondary electrons, the backscattered electrons and X-rays.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Secondary Electrons and Detection

An electron detector is used with the SEM to convert the radiation of interest into an electrical signal for manipulation and display by signal processing electronics, which to you and me is much like a television. Most SEM's are equipped with an Everhart-Thornley (E-T) detector. It works in the following manner: �

The scintillator material is struck by an energetic electron. This collision produces photons which are conducted by total internal reflection in a light guide to a photomultiplier. These photons are now in the form of light so they can pass through a vacuum environment and a quartz glass window. The photon is then converted back into an electron current where a positive bias can attract the electrons and collect them so that they will be detected.

​

Secondary electrons are specimen electrons that obtain energy by inelastic collisions with beam electrons. They are defined as electrons emitted from the specimen with energy less than 50ev.

​

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Gambar SEM

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Energy Dispersive X-Ray

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Penguat Diferensial

Penguat diferensial adalah suatu penguat yang bekerja dengan memperkuat sinyal yang merupakan selisih dari kedua masukannya

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Penguat operasional

• Penguat operasional (Op Amp) adalah suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat diferensial.
• Penguat operasional memiliki dua masukan dan satu keluaran serta memiliki penguatan DC yang tinggi.
• Untuk dapat bekerja dengan baik, penguat operasional memerlukan tegangan catu yang simetris yaitu tegangan yang berharga positif (+V) dan tegangan yang berharga negatif (-V) terhadap tanah (ground).

Karakteristik Op Amp ideal:

¨      Penguatan tegangan lingkar terbuka (open-loop voltage gain) A_V = ~

¨      Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) V_O = 0 jika V₁=V₂

¨      Hambatan masukan (input resistance) R_I = ~

¨      Hambatan keluaran (output resistance) R_O = 0

¨      Lebar pita (band width) BW = ~

¨      Waktu tanggapan (respon time) = 0 detik

¨      Karakteristik tidak berubah dengan suhu

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Inverting Amplifier

• Pengubah tanda jika R₁=R₂
• Pengubah skala jika R₂/R₁=k
• Penggeser fasa jika R₁=R₂ tetapi berbeda sudutnya

Resistansi pada pada terminal inverting sangat tinggi, sehingga tidak arus yang mengalir melalui terminal tsb. Pada pin 2, arus yang masuk sama dengan arus yang keluar. Oleh karena itu arusnya sama dengan arus yang melalui R1 dan R2.

Arus

I1 = V_in/R1

I2 = V_out/R2

I = I1 + I2 = 0

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Non Inverting Amplifier

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Penjumlah

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Integrator dan Diferensiator

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Analog to Digital Converter

System A/D converter yang populer

• Pengubah A/D penghitung
• Pengubah A/D pendekatan berturutan
• Pengubah A/D komparator pararel
• Pengubah A/D due kemiringan (dual Slope)

• Pulsa bersih mengembalikan pencacah ke hitungan nol
• Pencacah merekam dlm bentuk biner jumlah pulsa dari garis jam
• Jam merupakan sumber pulsa yg mempunyai selang waktu yang sama
• Krn jumlah pulsa yang dihitung sebanding dengan waktu maka kata biner yang mewakili hitungan ini digunakan sebagai masukan dari pengubah D/A
• Pencacah berhenti jika V_a=V_d

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Successive Approximation Converter

• Sebelum konversi dilakukan semua register harus dibersihkan out put komparator harus dalam posisi tinggi (1)
• D/A converter menghasilkan tegangan analog V_a.
• Jika V_in lebih tinggi dari tegangan output D/A, maka komparator tetap tinggi, menyebabkan 1 pada output register.
• Jika V_in lebih rendah dari teg output D/A dari maka kompartor akan berubah menjadi low, output register 0
• Proses berjalan terus sampai bit terakhir dicoba.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Passive Low Pass Filter

A simple passive Low Pass Filter or LPF, can be easily made by connecting together in series a single Resistor with a single Capacitor as shown below. In this type of filter arrangement the input signal (Vin) is applied to the series combination (both the Resistor and Capacitor together) but the output signal (Vout) is taken across the capacitor only. This type of filter is known generally as a 1st order Filter, why 1st order?, because it has only "one" reactive component in the circuit, the Capacitor.

the reactance of a capacitor varies inversely with frequency, while the value of the resistor remains constant as the frequency changes. At low frequencies the capacitive reactance, (Xc) of the capacitor will be very large compared to the resistive value of the resistor, R and as a result the voltage across the capacitor, Vc will also be large while the voltage drop across the resistor, Vr will be much lower. At high frequencies the reverse is true with Vc being small and Vr being large.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

capacitive reactance of a capacitor in an AC circuit

Opposition to current flow in an AC circuit is called impedance, symbol Z and for a series circuit consisting of a single resistor in series with a single capacitor, the circuit impedance is calculated as:

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

A Low Pass Filter circuit consisting of a Resistor of 4k7Ω in series with a Capacitor of C = 47nF is connected across a 10v DC supply. Calculate the output voltage (Vout) at a frequency of 100Hz and again at frequency of 10,000Hz or 10kHz.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Respon frekuensi

The frequency increases from 100Hz to 10kHz, the output voltage (Vout) decreases from 9.9v to 0.718v. By plotting the output voltage against the input frequency, the Frequency Response Curve or Bode Plot function of the low pass filter can be found, as shown below.

The Bode Plot shows the Frequency Response of the filter to be nearly flat for low frequencies and all of the input signal is passed directly to the output, resulting in a gain of nearly 1, unity until it reaches the Cut-off Frequency point ( ƒc ). This is because the reactance of the capacitor is high at low frequencies and blocks any current flow through the capacitor. After this point the response of the circuit decreases giving a slope of -20dB/ Decade or (-6dB/Octave) "roll-off" as signals above this frequency become greatly attenuated (melemah), until at very high frequencies the reactance of the capacitor becomes so low that it gives the effect of a short circuit condition on the output terminals resulting in zero output.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Cut-Off frequency

This "Cut-off", "Corner" or "Breakpoint" frequency is defined as being the frequency point where the capacitive reactance and resistance are equal, R = Xc = 4k7Ω. When this occurs the output signal is attenuated to 70.7% of the input signal value or -3dB (20 log (Vout/Vin)) of the input.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

High pass filter

In this circuit arrangement, the reactance of the capacitor is very high at low frequencies so the capacitor acts like an open circuit and blocks any input signals at Vin until the cut-off frequency point (ƒc) is reached. Above this cut-off frequency point the reactance of the capacitor has reduced sufficiently as to now act more like a short circuit allowing all of the input signal to pass directly to the output as shown below in the High Pass Frequency Response Curve.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Respon frekuensi

The Bode Plot or Frequency Response Curve above is for a High Pass filter which as mentioned previously, is the exact opposite to that of a low pass filter. Here the signal is attenuated at low frequencies and the output increases at 20dB/Decade (6dB/Octave) until the frequency reaches the cut-off point (ƒc) where again R = Xc. At this frequency the output voltage is 70.7% of the input signal value or -3dB (20 log (Vout/Vin)) of the input. The phase angle ( Φ ) of the output signal LEADS that of the input and is equal to +45o at frequency ƒc.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Cut-off frequency and Phase shift

Calculate the cut-off or "breakpoint" frequency (ƒc) for a simple High Pass RC Filter that has an 82pF Capacitor connected in series with a 240kΩ Resistor.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Band pass filter

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

The Bode Plot or Frequency Response Curve shows the characteristics of the band pass filter. Here the signal is attenuated at low frequencies and the output increases at +20dB/Decade (6dB/Octave) until the frequency reaches the "lower cut-off" point ƒc(HP). At this frequency the output voltage is again 70.7% of the input signal value or -3dB (20 log (Vout/Vin)) of the input. The output continues at maximum gain until it reaches the "upper cut-off" point ƒc(LP) where the output decreases at a rate of -20dB/Decade (6dB/Octave) attenuating any high frequency signals. The point of maximum output gain is generally the geometric mean of the two -3dB value between the lower and upper cut-off points and is called the "Centre Frequency" or "Resonant Peak" value ƒr.This geometric mean value is calculated as being ƒr² = ƒc-upper x ƒc-lower.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Cut-off frequency

Resonant Frequency Equation

​

​

Where, ƒ_r is the resonant or centre frequency

ƒ_L is the lower -3dB cut-off frequency point

ƒ_H is the upper -3db cut-off frequency point

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

A 2nd order band pass filter is to be constructed using RC components that will only allow a band of frequencies to pass above 1kHz and below 30kHz. Assuming that both resistor values are 15.9kΩ´s, calculate the values of the two capacitors required.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Serial data transmission

Serial transmission technology is increasingly used for the transmission of digital data. A large number of up-to-date communications networks apply serial transmission. The numerous applications include computer networks for office communications, fieldbus systems in process, building and manufacturing automation, Internet and, finally, ISDN.

​

Serial data transmission implies that one bit is sent after another (bit-serial) on a single transmission line. Since the microprocessors in the devices process data in bit-parallel mode, the transmitter performs parallel-to-serial conversion, while the receiver performs serial-to-parallel conversion. This is done by special transmitter and receiver modules which are commercially

available for different types of networks.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Serial data transmission

Serial data transmission is suitable for communication between two participants as well as between several participants. Characteristic features of a transmission system are the direction of the data flow and the data throughput, or the maximum possible data rate.

​

Transmission systems differ as to the direction in which the data flow and when messages can be transmitted. Basically, there are three different ways of communication

​

• Simplex: data exchange in only one direction

(e.q. radio relay system)

• Half-duplex: the stations take turns to transmit data

(telex and field networks)

• Full-duplex: data can be exchanged in both directions simultaneously

(Telephone networks)

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Point-to-point connection

In two-point or point-to-point connections, the receiver and transmitter lines can be connected via two separate lines (two anti-parallel simplex channels), the receiving line of one participant is the transmitting line for the other one. The communication in such two-point systems can be controlled either by software or via control lines.

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Communications networks

In communications networks with several participants, the transmission medium often is a single line being used for transmitting and receiving data at the same time. All devices are connected in the same manner, which is often a stub line. The sequence of communication is coordinated by additionally transmitted control data which are defined in the so-called transmission protocol. These control data help identify the user data as well as the source and the destination address upon each message transmission.

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Data transmission speed

An essential criterion for determining the capacity of communication lines is the data rate, i.e. the speed at which the data can be transmitted. The data rate is characterized by the number of bits transmitted each second, measured in bps, bits per second. As data rates are extremly high nowadays, such units as »kilobit per second; kbit/s« and »megabit per second; Mbit/s« are not unusual.

​

When each bit is encoded and transmitted individually, the transmission line must be able to transmit frequencies that correspond to half of the bit transmission rate :

bit transmission rate: 100 kbit/s

transmission frequency: 50 kHz

​

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

encoding

• Encoding increases information density
• When it is necessary to achieve a high data rate, even though the transmission bandwidth is limited, several bits can be grouped and encoded together. Fig. shows how four different states (voltage levels) can be used to transmit two bits at a time. This method cuts the state changes in the signal line by half and, therefore, reduces the transmission frequency.

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Baud rate

To measure the switching speed, i.e. the number of voltage or frequency changes per unit of time, the so-called Baud rate is used.

​

When only one bit is transmitted per transmission unit, the Baud rate [Baud] is identical to the data rate ‚bit per second‘ [bps].

​

The capacity of a communication line cannot sufficiently be defined by the data rate alone. The following parameters especially for networks with several participants are important as well:

• Time period until the line is ready for transmission
• The number of data to be transmitted in addition to the proper message, such as device address, control information, and so on

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Transmission medium

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Selection criteria

• Costs and installation effort,
• Transmission safety - susceptibility to tapping, interference susceptibility,
• Error probability, etc.
• Maximum data rate
• Distances and topological position of the participants, etc.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Characteristics of wired media

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Fiber optik

An optical fiber consists of a light-transmitting core fiber embedded in a glass cladding and an external plastic cladding. When light hits the boundary layer in a small angle of incidence, the different densities of the core and the glass cladding cause total reflection.

​

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

• The light beam is reflected almost free of any loss and transmitted within the core fiber only.
• The light signals are usually supplied to the fiber via a laser LED and analyzed by photo-sensitive semiconductor on the receiver side.
• Signals transmitted in optical fibers are resistant to electromagnetic interferences and only slightly attenuated.
• This medium can be used to cover extremely long distances and achieve high data rates.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Wireless data transmission

• Wireless transmission in communications systems is well-suited to extremely long distances (radio relay systems, satellite technology, etc.) and remotecontrolled and/or mobile applications.
• Radio-based communication can be used for a lot more applications. In everyday life, mobile phones are a good example of the widespread use of radio-based communication.
• Radio communications extend not only to the field of telecommunications. There are also other communications networks such as field and automation networks which use this technology.

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Wireless data transmission

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Komunikasi Antara Muka

Contoh

​

• RS-232 (low-speed, implemented by Serial Ports)
• RS-423
• RS-485
• Universal Serial Bus(moderate-speed, for connecting computers to peripherals)
• FireWire
• Ethernet
• Fibre Channel (high-speed, for connecting computers to mass storage devices)
• InfiniBand (very high speed, broadly comparable in scope to PCI)
• Midi control of electronic musical instruments
• DMX512 control of theatrical lighting
• Serial Attached SCSI
• Serial ATA
• PCI Express
• SONET and SDH (high speed telecommunications over optical fibers)
• T-1, E-1 and variants (high speed telecommunications over copper pairs)

Komunikasi Serial : Proses pengiriman data satu bit pada satu waktu secara berturutan

Melalui sebuah saluran komunikasi atau bus komputer.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Komunikasi Antara Muka

Komunikasi Pararel : Proses pengiriman beberapa sinyal data dalam melalui sebuah saluran komunikasi pada waktu bersamaan.

​

• Computer peripheral buses: ISA , ATA , SCSI , PCI and Front side bus, and the once-ubiquitous IEEE-1284 / Centronics "printer port"
• Laboratory Instrumentation bus IEEE-488

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

GPIB (General Purpose Interface Bus)

The following restrictions are typical for normal operation:

1. A maximum separation of 4 m between any two devices and an average separation of 2 m over the entire bus

2. A maximum total cable length of 20 m

3. No more than 15 device loads connected to each bus, with no less than two-thirds powered on

The communication principle

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

DAQ (Data Aquisition)

Data Aquisition : merupakan proses pengumpulan atau penghasil informasi dari analog ke digital pada sebuah pengukuran secara otomatis.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Model-Model Sistem

Misalkan: sebuah sistem kontrol temperatur ruangan. Apakah yang terjadi terhadap temperatur ruangan jika nilai pengaturan termostat dinaikkan dari 20 menjadi 22°C

​

• Model matematika dari sistem perlu diketahui untuk memperoleh suatu persamaan matematis yang menggambarkan hubungan antara masukan dan keluaran sistem. Selanjutnya persamaan tsb digunakan untuk memprediksikan apa yang akan terjadi terhadap sistem.
• Pada kasus ini tidak hanya berapa nilai akhir dari temperatur tetapi lebih pada bagaimana nilai temperatur ruangan berubah terhadap waktu sebagai reaksi atas perubahan yang dilakukan.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Respon Statik

• Istilah respon statik ini digunakan untuk menggambarkan respon sistem terhadap suatu nilai masukan tanpa memperhatikan parameter waktu yang diperlukan oleh sistem untuk mencapai respon tersebut.

​

Contoh: Sebuah relasi sederhana menghubungkan keluaran terhadap masukan sistem yaitu keluaran adalah selalu sebesar 10 kali nilai masukkannya. Maka jika terdapat masukan berupa sinyal 1V maka keluaran sistem sama dengan 10V

​

​

​

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Respon Dinamik

Respon dinamik digunakan jika perubahan respon sistem terhadap waktu dipertimbangkan.

​

Contoh: Sebuah sistem yang merepresentasikan keseimbangan pegas dengan masukan sinyal beban dan keluaran berupa defleksi pegas.

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Gain / Penguat

Pada kasus sistem penguat, didapat keluaran yang secara langsung berbanding lurus dengan masukan.

​

Keluaran = G x masukan

​

Contoh

Sebuah motor memiliki karakteristik keluaran kecepatan yang berbanding lurus dengan tegangan jangkarnya. Jika keluarannya adalah 5 putaran/s, ketika masukannya sama dengan 2V maka gain sistem?

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Gain Sistem-Sistem yang terhubung Seri

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Loop Umpan Balik Negatif

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Loop Umpan Balik Positif

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Sistem Mekanik

Untuk dapat menggambarkan bagaimana keluaran sistem bergantung pada parameter masukannya serta bagaimana keluaran sistem berubah terhadap waktu ketika terjadi perubahan pada masukannya, maka diperlukan sebuah persamaan matematis yang menghubungkan masukan dan keluaran sistem

Merupakan piston yang bergerak di dalam sebuah medium kental

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Contoh

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Sistem Listrik

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Fungsi Alih

• Secara umum ketika terdapat masukan dan keluaran sistem sebagai fungsi waktu, maka hubungan antara keluaran dan masukan akan muncul dalam bentuk diferensial.
• Jika sebuah sistem yang terbentuk dari dua buah elemen dalam hubungan seri, dimana masing-masing elemen memiliki hubungan masukan keluaran yang dideskripsikan oleh pers. Diferensial, maka tidak mudah untuk melihat bagaimana keluaran sistem tersebut dapat secara keseluruhan dihubungkan terhadap masukannya.
• Transformasi Laplace

​

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Sistem Kontrol Dalam Fisika Instrumentasi

Sistem kontrol adalah suatu alat (kumpulan komponen) untuk mengendalikan, memerintah, dan mengatur keadaan dari suatu sistem. Sebuah sistem dapat diartikan suatu kumpulan komponen – komponen yang terhubung bersama dengan tujuan untuk mendapatkan suatu informasi atau data. Tujuan dari menggunakan sistem kontrol adalah untuk mendapatkan output atau hasil produksi yang sesuai dengan apa yang kita inginkan.

Misal disini kita buat suatu miniplan dalam bidang Fisika Instrumentasi yaitu sistem kontrol level ketinggian air atau sistem kontrol suhu atau temperature dalam suatu ruangan. Jadi dari sebuah miniplan tersebut objek yang dikontrol adalah air atau suhu. Bisa juga kita membuat sistem dengan objek yang dikontrol berupa besaran fisis lainnya seperti ,kelembaban, cahaya(terang – gelap) dan fluida. Dalam sistem kontrol dalam bidang Fiska Instrumentasi ini objek yang dikontrol adalah berupa besaran – besaran fisis

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Jenis Sistem Kontrol

1. Sistem kontrol loop tertutup ( close loop)

2. Sistem kontrol loop terbuka ( open loop)

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi

Sistem kontrol loop tertutup atau disebut juga sistem kontrol umpan balik ( feedback ) yang memegang peranan penting adalah sinyal kesalahan atau error signal ,perbedaan antara sinyal input dengan sinyal output yang di kirimkan ke mikrokontroler. Tujuannya adalah untuk mengurangi kesalahan yang dihasilkan melalui  sinyal output dan menjadikan sinyal output sesuai dengan hasil yang diinginkan, dapat dilihat diagram dari close loop seperti dibawah ini:

contoh dari sistem kontrol loop tertutup adalah AC ( Air Conditioner ), kulkas, pompa otomatis,dll

W. Widanarto

Fisika Instrumentasi