Laporan Praktikum SP - 03 Konversi Analog ke Digital.pdf PDF

Preview

Summary

LAPORAN PRAKTIKUM SISTEM PENGUKURAN (TKF 2416) MODUL SP 03 KONVERSI ANALOG KE DIGITAL Kelas/ Kelompok: Teknik Fisika A/ 11 Arum Nafi (16/399935/TK/44949) Arya Wijaya Kesuma (16/399936/TK/44950) Damar Suryo Wicaksono (16/399937/TK/44951) Dinta Dwi Agung Wijaya (16/399938/TK/44952) Duwi Purwanto (16/3...

Description

LAPORAN PRAKTIKUM SISTEM PENGUKURAN (TKF 2416) MODUL SP 03 KONVERSI ANALOG KE DIGITAL

Kelas/ Kelompok: Teknik Fisika A/ 11 Arum Nafi (16/399935/TK/44949) Arya Wijaya Kesuma (16/399936/TK/44950) Damar Suryo Wicaksono (16/399937/TK/44951) Dinta Dwi Agung Wijaya Duwi Purwanto

(16/399938/TK/44952) (16/399939/TK/44953)

Tanggal praktikum: 15 Mei 2018 Asisten: Nesty Alisa

(14/367558/TK/42542)

LABORATORIUM TEKNOLOGI ENERGI NUKLIR DEPARTEMEN TEKNIK NUKLIR DAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA 2018

A. Tujuan Mahasiswa memahami prinsip konversi nilai analog ke digital.

B. Dasar Teori Praktikum menggunakan Arduino sebagai media pengamatan. Arduino adalah platform open-source yang digunakan untuk membangun proyek-proyek elektronik. Arduino terdiri dari papan sirkuit yang dapat diprogram secara fisik (sering disebut sebagai mikrokontroler) dan perangkat lunak, atau IDE (Integrated Development Environment) yang berjalan di komputer, digunakan untuk menulis dan mengunggah kode komputer ke physical board. Platform Arduino sangat populer bagi orang-orang yang baru mulai belajar elektronik. Tidak seperti kebanyakan papan sirkuit yang dapat diprogram sebelumnya, Arduino tidak memerlukan perangkat keras terpisah., cukup menggunakan kabel USB untuk memuat kode baru ke papan. Selain itu, Arduino IDE menggunakan versi C++ yang disederhanakan, membuatnya lebih mudah untuk dipelajari. Arduino juga menyediakan faktor bentuk standar yang memecah fungsi pengendali mikro menjadi paket yang lebih mudah diakses. Arduino yang dipakai untuk praktikum adalah Arduino Uno yang merupakan salah satu seri dari Arduino. Arduino Uno sendiri adalah board berbasis mikrokontroler pada ATmega328. Board ini memiliki 14 digital input/ output pin (dimana 6 pin dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input analog, 16 MHz osilator kristal, koneksi USB, input listrik tombol reset. Seluruh pin diperlukan untuk mendukung mikrokontroler, hanya terhubung ke komputer dengan kabel USB atau sumber tegangan bisa didapat dari adaptor AC-DC atau baterai untuk menggunakannya. Board Arduino Uno memiliki fitur-fitur baru sebagai berikut: 1,0 pinout: tambah SDA dan SCL pin yang dekat ke pin aref dan dua pin baru lainnya ditempatkan dekat ke pin RESET, dengan IO REF yang memungkinkan sebagai buffer untuk beradaptasi dengan tegangan yang disediakan dari board sistem. Pengembangannya, sistem akan lebih kompatibel dengan prosesor yang menggunakan AVR, yang beroperasi pada tegangan 5V dibanding dengan Arduino yang beroperasi pada tegangan 3.3V. Adapun spesifikasi Arduino Uno ditunjukkan pada tabel 2.1 berikut,

Tabel 2.1 Spesifikasi Arduino Uno

Rangkaian yang digunakan pada praktikum ini merupakan rangkaian Analog to Digital Converter (ADC). Sinyal analog adalah sinyal data dalam bentuk gelombang yang kontinyu, yang membawa informasi dengan mengubah karakteristik gelombang. Sedangkan inyal digital merupakan sinyal data dalam bentuk pulsa yang dapat mengalami perubahan yang tiba-tiba dan mempunyai besaran 0 dan 1. Sinyal digital hanya memiliki dua keadaan, yaitu 0 dan 1, sehingga tidak mudah terpengaruh oleh derau/noise. Kedua sinyal diatas merambat dalam waktu kontinyu mulai dari 0 sampai tak hingga.

Untuk mengubah sinyal analog ke sinyal digital diperlukan 3 tahapan : 1. Sampling

Pada proses sampling sinyal masukan berupa sinyal analog kontinyu dan keluaranya berupa sinyal diskrit. Digunakan teorema nyquis pada proses ini, yaitu (fs >= 2fi), artinya Frekuensi Sampling (Fs) harus dua kali lebih besar dari Frekuensi Inputannya(Fi). 2. Kuantisasi Keluaran hasil sampling kemudian masuk ke proses kuantisasi. Diproses ini sinyal tersebut akan dibedakan dengan beberapa level kuantisasi, Level kuantisasi disesuaikan dengan jumlah bit yang akan digunakan pada sinyal digital. Rumusnya yaitu : M = 2n dengan, n = jumlah bit contohnya: n = 3 bit, makan level kuantisasi M = 23 = 8. 3. Encoding Merupakan proses mengubah dari sinyal diskrit yang telah dinyatakan dalam level tertentu kedalam angka biner 0 dan 1. Praktikum melaksanakan pengukuran statik, dimana pada pengukuran statik, terdapat karakteristik pengukuran tersendiri. Proses perubahan sinyal pada arduino berupa perubahan dari sinyal analog menjadi sinyal digital. Proses ini dilakukan oleh komponen ADC (Analog to Digital Converter). Komponen ADC merupakan sebuah Integrated Circuit (IC) yang merubah sinyal analog menjadi sinyal digital, artinya, dari sinyal kontinu menjadi sinyal diskrit. Input analog pada sinyal bisa memiliki beberapa nilai dalam rentang pengukurannya. Namun, output yang dihasilkan selalu berjumlah 2n dari nilai diskrit. Skema ADC ditunjukkan pada gambar 2.1 berikut,

Gambar 2.1: skema ADC Pelaksanaan proses di dalam komponen ADC terdiri dari 2 tahap (umumnya), yaitu : 1. Sampling dan Holding (S/H), pada proses ini, sinyal kontinu input akan diambil dan dijadikan sampel dalam keadaan steady selama rentang waktu tertentu. Rentang minimum sampling adalah dua kali dari frekuensi maksimum data sinyal input. 2. Quantizing dan Encoding, pada proses ini, sinyal dihitung persamaannya untuk kemudian di-encode untuk mendapatkan bentuk sinyal diskrit. Quantizing merupakan proses pengelompokan sinyal kontinu menjadi beberapa kuanta sinyal diskrit untuk

kemudian dicocokkan dengan bentuk kuanta yang sesuai. Adapun, Encoding merupakan proses di mana setiap kuanta sinyal memiliki kode digital unik, kode ini akan ditetapkan dan setelah itu sinyal input akan disesuaikan dengan kode unik ini.

Ada beberapa jenis ADC, di antaranya: 1. Successive Approximation ADC 2. Dual Slope ADC 3. Pipeline ADC 4. Delta-Sigma ADC 5. Flash ADC Setiap pengukuran memiliki karakteristik masing-masing. Untuk pengukuran pada praktikum ini, diketahui ada karakteristik statis. Karakteristik statik adalah sifat sebuah instrumen yang tidak bergantung pada waktu. Karakteristik statik merupakan hubungan yang terjadi antara output (O) dan input (I) dari sebuah elemen ketika I bernilai konstan maupun berubah perlahan. Karakteristik statik sebuah elemen sistem pengukuran dapat dikategorikan menjadi dua, yaitu karakteristik sistematik dan karakteristik statistik. Karakteristik statistik merupakan perilaku elemen dalam hubungannya dengan kejadian (penyebab) yang tidak diketahui secara pasti atau yang dikenal dengan kejadian acak. Dengan demikian, karakteristik ini merupakan perilaku/ sifat yang acak/ random, yang tidak bisa dinyatakan secara sistematis dalam bentuk persamaan, namun dinyatakan dalam bentuk parameter distribusi probabilitas. Beberapa karakteristik statistik yang biasa digunakan, di antaranya: 1. Akurasi, merupakan kemampuan dari alat ukur untuk memberikan indikasi pendekatan terhadap harga sebenarnya dari obyek yang diukur. Dengan demikian, akurasi bukan merupakan karakteristik statik elemen sistem pengukuran, namun merupakan karakteristik statik sistem pengukuran. Akurasi sendiri didefinisikan sebagai beda atau kedekatan (closeness) antara nilai yang terbaca dari alat ukur dengan nilai sebenarnya. Dalam eksperimen, nilai sebenarnya yang tidak pernah diketahui diganti dengan suatu nilai standar yang diakui secara konvensional. Secara umum, akurasi sebuah alat ukur ditentukan dengan cara kalibrasi pada kondiri operasi tertentu dan dapat diekspresikan dalam bentuk ketidakakurasian (inaccuracy): plus-minus atau prosentasi skala penuh. Ketidakakurasian merupakan tingkat kesalahan pembacaan terhadap nilai benarnya. Secara matematis, ketidakakurasian dikuantifikasi menggunakan error pengukuran (E), di mana:

𝐸 = 𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑡𝑒𝑟𝑢𝑘𝑢𝑟 − 𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑏𝑒𝑛𝑎𝑟

𝐸 = 𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚 − 𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚 2. Presisi/ Repeatability/ Reproducibitlity, menyatakan derajat kebebasan sebuah instrumen dari kesalahan acak. Jika sejumlah pembacaan diambil pada besaran input yang sama menggunakan instrumen dengan presisi tinggi, maka sebaran pembacaan akan sangat kecil. Presisi seringkali, meski pun salah, disamakan dengan akurasi. Istilah repeatability (keterulangan) dan reproducibility berarti secara pendekatan sama namun diterapkan pada konteks yang berbeda. Keterulangan menjelaskan kedekatan pembacaan output ketika input yang sama diterapkan secara berulang sepanjang periode waktu pendek, dengan kondisi pengukuran yang sama, instrumen dan pengamat yang sama, lokasi sama, dan kondisi perawatan yang sama. Sedangkan, reproducibility mendeskripsikan kedekatan pembacaan output untuk input yang sama ketika terdapat perubahan pada metode pengukuran, pengamat, instrumen, lokasi, kondisi, dan waktu pengukuran. Kedua istilah tersebut menggambarkan sebaran pembacaan output untuk input yang sama. Sebaran ini dikenal sebagai keterulangan jika kondisi pengukuran tetap dan sebagai reproducibility jika kondisi pengukuran berubah. Bentuk perbedaan antara akurasi dan presisi ditunjukkan pada gambar 2.2 berikut,

Gambar 2.2: skema perbedaan akurasi dan presisi

3. Toleransi, menunjukkan kemampuan elemen memberikan output pada range atau jangkauan tertentu yang ditetapkan berdasarkan tingkat kepercataan. Konsep toleransi diterapkan pada sekumpulan elemen yang identik.

C. Hasil Praktikum terdiri dari satu percobaan. Percobaan ini adalah mengamati nilai biner dan decimal yang dihasilkan dari input pulsa tegangan yang diolah oleh Arduino. Hasil pengamatan diamati pada layar monitor laptop. Layar menampilkan hasil pengukuran nilai tegangan pada input pada Arduino dan perhitungan nilai biner dan decimal yang dihasilkan oleh pengolahan sinyal pulsa tegangan input. Adapun hasil pengamatan percobaan ditunjukkan pada tabel 3.1 berikut, Tabel 3.1 Hasil pengamatan percobaan Input Analog Multimeter (Volt) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5

Volt terbaca Arduino (Volt) 0.19 0.39 0.59 0.79 1 1.19 1.39 1.59 1.79 1.99 2.19 2.39 2.6 2.79 3 3.19 3.39 3.59 3.79 4 4.19 4.39 4.59 4.79 5

Keluaran digital 100111 1001111 1111000 10100001 11001100 11110100 100011101 101000110 101101111 110010111 111000001 111101001 1000010011 1000111011 1001100101 1010001101 1010110110 1011011111 1100001000 1100110010 1101011001 1110000010 1110101011 1111010101 1111111111

Desimal 39 79 120 161 204 244 285 326 367 407 449 489 531 571 613 653 694 735 776 818 857 898 939 981 1023

Kemudian, hasil plot grafik data pada tabel 3.1 ditunjukkan pada gambar 3.1 berikut,

1200 y = 204.67x - 0.155 R² = 1

1000

Desimal

800 600 400 200 0 0

1

2

3

4

5

6

Tegangan

Gambar 3.1: plot grafik data tabel 3.1

D. Pembahasan Praktikum menggunakan tegangan sebagai input sinyal. Tegangan divariasikan menggunakan potensiometer, dari 0 hingga 5 volt. Apabila dirubah menjadi decimal, maka nilai ini menjadi dari 0 hingga 1023 bit decimal. Masukan berupa sinyal analog dikonversi menjadi sinyal digital oleh Arduino dengan cara merubah sinyal bernilai analog menjadi bernilai decimal. Kemudian, dari nilai decimal ini, dirubah menjadi bilangan biner yang merupakan sinyal digital. Pada percobaan ini, nilai tegangan terukur pada multimeter berbeda dengan nilai tegangan terukur pada Arduino, perbedaannya selalu sebesar 0,01 volt, kecuali untuk nilai yang bisa sama. Perbedaan nilai tegangan terukur ini dapat disebabkan karena hal, bisa karena praktikan yang kurang cermat mengamati nilai tegangan, baik pada multimeter atau layar monitor, atau memang sudah ada kesalahan pada komponen pengukuran, yang membuat nilainya berbeda. Proses perubahan dari nilai decimal menjadi nilai digital dilakukan dengan rumus yang telah dijelaskan pada bab landasan teori. Sebagai contoh kasus, praktikan mengambil 1 sample nilai untuk dijadikan uji coba teori. Input analog

: 0,6

Nilai decimal

: 120

Nilai biner

: 120 = 60 𝑠𝑖𝑠𝑎 0 2

60 = 30 𝑠𝑖𝑠𝑎 0 2 30 = 15 𝑠𝑖𝑠𝑎 0 2 15 = 7 𝑠𝑖𝑠𝑎 1 2 7 = 3 𝑠𝑖𝑠𝑎 1 2 3 = 1 𝑠𝑖𝑠𝑎 1 2

Dari perhitungan di atas, diketahui bahwa 120desimal = 1111000biner. Adapun, bila teknik ini dibalik, maka akan menjadi berikut, Input analog

: 0,6

Nilai digital

: 1111000

Nilai decimal

:

(26 × 1) + (25 × 1) + (24 × 1) + (23 × 1) + (22 × 0) + (21 × 0) + (20 × 0)

= 64 + 32 + 16 + 8 = 120

Hasil perhitungan di atas menunjukkan proses perubahan yang terjadi pada Arduino. Nilai di atas menunjukkan bahwa hasil penghitungan oleh Arduino telah sesuai dengan teori dan tidak ada kesalahan berarti. Kemudian, hasil dari pengamatan percobaan diplot pada grafik. Pada grafik, praktikan mendapatkan nilai R2 sebesar 1, yang menandakan tidak ada fluktuasi grafik. Adapun, persamaan yang dihasilkan adalah 204,67x – 0,155. Nilai R2 bisa menjadi indikasi bahwa pengukuran berjalan lancar dengan hasil sesuai teori. Karena, bila kenaikan bersifat konstan, maka nilai R2 selayaknya bernilai 1. Praktikum menggunakan Arduino dengan source code khusus. Source code ini menjadi bentuk perintah kepada Arduino mengenai apa yang harus dilakukannya. Source code sendiri merupakan bentuk instruksi dengan menggunakan Bahasa pemrograman C. Pada praktikum ini, digunakan source code tersendiri untuk mengolah data analog dan merubahnya menjadi data digital. Adapun, source code yang digunakan pada percobaan ini adalah,

#define VIN 3 //Pin A3 untuk membaca tegangan int val=0; //Deklarasi variable double V; //Deklarasi variable void setup() { Serial.begin(9600);

//Memulai

komunikasi

dengan

kecepatan

transmisi

9600

baud } void loop() { val=analogRead(VIN); //Membaca nilai analog di pin A3 dan menyimpannya di val V= (double(val)/1023)*5; Serial.print(val,BIN); //Menampilkan nilai val dalam bentuk biner Serial.print(" - "); Serial.print(val); Serial.print(" - "); Serial.println(V); //Menunggu

1000

milisekon

untuk

kembali

ke

perintah

awal

dari

loop

delay(1000); } pada source code yang digunakan, praktikan pertama mendefinisikan setiap variable yang digunakan pada coding. Lalu, untuk mengambil (sampling) data analog, digunakan analogRead(VIN), yang merupakan perintah membaca input sinyal analog dari tegangan. Seperti kita tahu, dalam rentang tegangan masukan, sinyal analog dirubah ke bilangan decimal untuk kemudian dipecah menjadi biner. Karena itu, nilai input sinyal dibagi 1023 lalu dikalikan 5, untuk mengembalikan pembacaan tegangan pada monitor. Kemudian, untuk menampilkan hasil pengolahan data, digunakan Serial.print bagi variable yang dikehendaki agar muncul di layar monitor. Adapun, untuk delay antar output yang ditampilkan, praktikan mengambil waktu 1 sekon. Hal ini untuk memudahkan pembacaan hasil pada layar monitor, juga agar hasil yang didapat lebih akurat, karena cukup cepat muncul.

Praktikan perlu untuk memahami error pada praktikum ini. Sesuai data pada tabel 3.1, terjadi perbedaan pembacaan tegangan antara multimeter dengan Arduino. Perbedaannya sebesar 0,01 V. Misal, kita mengambil satu sample untuk diuji nilai errornya, maka akan menjadi, 𝑒=

𝑒=

𝑀1 − 𝑀2 ∗ 100% 𝑀1

1,2 − 1,19 ∗ 100% 1,2 𝑒 = 0,83%

Praktikan mendapati bahwa error pada pengukuran tegangan sebesar 0,83%. Nilai ini sangat kecil dan berada cukup jauh di bawah batas toleransi error yang bernilai 5%. Maka, pengukuran tegangan pada percobaan ini error nya dapat diabaikan karena sangat kecil dan memenuhi toleransi error (5%). Percobaan pada praktikum juga membuktikan sensitifitas alat ukur. Sensitifitas alat ukur sendiri adalah rasio antara perubahan pada output terhadap perubahan pada input. Ada pun, nilai sensitifitas alat dapat diketahui dari hasil plot grafik data hasil pengukurannya, yaitu dari gradient atau kemiringan garis grafik. Berdasarkan plot grafik pada gambar 3.1, praktikan mengetahui bahwa nilai gradiennya adalah 204,67. Nilai ini sangat tinggi, dan ditunjang dengan bentuk grafik yang linier. Karena, percobaan pengukuran merupakan pengukuran linier dan grafik yang dihasilkan pun juga linier. Hal ini menunjukkan bahwa alat ukur telah melaksanakan pengukuran dengan baik dan dapat dipercaya. Nilai sensitifitas alat ukur ini juga secara langsung menunjukkan tingkat akurasi dan presisi pengukuran. Dengan nilai sensitifitas yang sangat tinggi dan nilai error yang sangat rendah, maka dapat dipastikan bahwa pengukuran pada percobaan ini memiliki tingkat akurasi dan presisi yang tinggi sekaligus.

E. Kesimpulan 1. Konversi analog ke digital dapat dilakukan dengan menggunakan Arduino, di mana proses yang terjadi tetap melibatkan perubahan sinyal analog menjadi bilangan decimal terlebih dahulu. 2. Pengukuran pada praktikum ini memiliki tingkat akurasi dan presisi yang tinggi.

F. Daftar Pustaka Doebelin, E. O. (2003). Measurement Systems Application and Design. New York: McGrawHill Publising. Faridah, S. M. (2018, May). Modul Ajar Teknik Kontrol Otomatis. Modul Ajar 3 Respon Waktu, pp. 33-34. https://www.electrical4u.com/analog-to-digital-converter/, diakses pada 18 Mei 2018 pukul 11.15 WIB. http://share.its.ac.id/pluginfile.php/295/mod_resource/content/1/Modul_Ajar_Berpraktikum_ 1.pdf, diakses pada 18 Mei 2018 pukul 14.10 WIB....