Elemen Sampling SAD #11baru

PRINSIP KERJA RANGKAIAN SAMPLE and HOLD

Rangkaian Sample-and-Hold terdiri dari empat komponen utama, yaitu input buffer amplifier, komponen penyimpan energi berupa hold capacitor, output buffer amplifier, dan rangkaian switching, seperti terlihat pada gambar di bawah ini.

Input buffer amplifier mempunyai impedansi input yang tinggi, untuk mengurangi pembebanan pada tahap sebelumnya dan mempunyai impedansi output yang rendah untuk memungkinkan pengisian muatan dengan sangat cepat pada hold capacitor. Input buffer amplifier menghasilkan arus untuk mengisi hold capacitor.

Dalam moda track, hold capacitor menentukan tanggapan frekuensi (frequency response) dari amplifier ini. Switch merupakan analog device yang berkualitas tinggi dengan fast acting, seperti CMOS transmission gate. Hold capacitor adalah divais mempunyai karakteristik kebocoran rendah, biasanya kapssitor yang terbuat dari polystyrene, polypropylene, atau Teflon.

Dalam moda hold, hold capacitor menahan tegangan sebelum switch membuka/melepas hubungan ke input buffer amplifier.

Output buffer amplifier merupakan buffer terhadap tegangan hold capacitor. Karena itu hold capacitor harus mmpunyai arus input yang ekstrim rendah. Output buffer amplifier itu biasanya amplifier FET, yang mempunyai impedansi input yang tinggi terhadap hold capacitor untuk menghindari pembuangan muatan (discharge) sebelum waktunya.

Spesifikasi Rangkaian Sample and Hold

Terdapat empat spesifikasi yang menggambarkan karakteristik rangkaian sample and hold, yaitu:

1. moda track
   Dalam moda operasi track atau sample, rangkaian S/H merupakan sebuah amplifier dengan bandwidth yang terbatas. Spesifikasi utama pada moda operasi track adalah:
   
   • offset: menyatakan deviasi keluaran terhadap nol.
   • non-linieritas: menyatakan deviasi dari grafik sinyal input-output terhadap garis lurus yang seharusnya. Ini dinyatakan dalam persentasi full-scale.
   • gain: faktor pengali yang melambangkan transfer function input-output.
   • setting time: waktu yang diperlukan oleh output untuk mencapai nilai akhirnya dalam daerah pecahan dan full-scale yang tertentu bila dimasukkan input full-scale step analog.
   • bandwidth: menggambarkan tanggapan frekuensi (frequency response) dalam hubungannya dengan peredaman output pada frekuensi tinggi, biasanya dikarekteristik pada -3 dB.
2. transisisi track ke hold
   
   • waktu aperture: menyatakan waktu yang diperlukan untuk membuka hubungan hold capacitor dari input buffer amplifier.
   • offset sample ke hold: terjadi kesalahan step, karena nilai tegangan pada saat hold berbeda dengan nilai terakhir pada waktu sample.
3. moda hold
   Selama moda hold terdapat kesalahan akibat ketidak-sempurnaan switch, output buffer amplifier, dan hold capacitor.
   
   • droop: konstante hanyutan dari tegangan output karena kebocoran muatan dari hold capacitor.
   • feedthrough: bagian dari sinyal input yang tampak pada output saat hold, terutama disebabkan oleh kapasitansi pada switch.
4. transisi dari hold ke sample
   
   • acquisition time: lama rangkaian S/H harus tetap pada moda sample agar hold capacitor mendapatkan input full-scale step.

SAMPLING and LOW PASS FILTERING Transduser mengubah parameter fisik yang akan diukur menjadi tegangan, arus, atau resistansi. Jika yang akan diukur tidak berubah dengan cepat, sinyal masukan dapat dianggap kostan atau dc level untuk pembahasan praktis. Kadang-kadang yang akan diukur itu berubah dengan cepat, misalnya pada pengukuran getaran. Dalam hal ini, sinyal itu mengandung komponen ac. Sebagaimana sinyal dc, sinyal ac yang berubah dengan cepat harus dicuplik (sampled) dan didigitalisasi. Bila sinyal berubah mengikuti waktu digitalisasi pada saat diterima, sinyal mengubah level sebelum konversi selesai, menimbulkan substantial error. Biasanya teknik untuk menghilangkan error ini melalui pemakaian sebuah rangkaian sample-and-hold. Rangkaian sample-and-hold mampu melakukan sampling sinyal masukan dan freezing nilainya dengan jalan menyimpan sementara tegangannya dalam kapasitor hold. Kemudian A/D converter melakukan digitalisasi nilai yang tersimpan, sesudah itu sampling berikutnya dilakukan.

klik gambar untuk memperbesar

Contoh sample and hold operation terhadap bentuk gelombang sinusoida seperti di atas ini. Perhatikan bentuk gelombang ini mengalami sampled and held pada awal setiap sample time. Sinyal sinusoida asli sekarang ditunjukkan dengan sederetan sampled point yang diselingi increments of time yang sama. Menurut Nyquist criteria, sampling harus terjadi pada rate minimum dua kali lipat rate dari komponen frekuensi yang tertinggi dari sinyal itu, untuk menghindari error pada sampled data. Komponen yang tertinggi ini frekuensi cutoff dari sinyal, bukan frekuensi -3 dB seperti pada filter atau sejenisnya. Komponen frekuensi yang tertinggi ini harus mendekati -40 dB untuk menghindari yang dinamakan aliasing errors. Kriteria Nyquist dapat dinyatakan dengan persamaan:

f_s >= 2f_c

dimana: f_s = sample rate frequency (Hz) f_c = maximum frequency (Hz) Proses sampling menimbulkan spektrum harmonisa yang terpusat di sekitar multi frekuensi sampling, seperti pada gambar berikut ini. Pada ujung bagian bawah spektrum ini merupakan frekuensi cutoff untuk harmonisa pertama dari frekuensi sampling, diberi label f'_c. Seperti pada cutoff untuk spektrum sinyal, komponen paling rendah dari spektrum ini harus ada di -40 dB. Jika frekuensi maksimu dinaikkan pada cutoff untuk sinyal (f_c), lower cutoff frequency (f'_c) akan berkurang dengan besar yang sama, mengakibatkan guard band lenyap, seperti pada gambar berikut ini. Tanpa low-pass filter, kenaikan frekuensi maksimum di atas setengah sample frequency akan mengakibatkan yang dinamakan aliasing errors. Gunanya low-pass filter itu untuk menghindari aliasing errors dengan jalan guard band tetap berada di antara spektrum sinyal dan spektrum sampling. Karakteristik respon dari low-pass filter harus flat sepanjang passband dan harus roll-off curam.

IC ADC 0804 merupakan konverter analog ke digital 8-bit yang mudah di-interface-kan dengan mikroprosesor 8080. Komponen ini menggunakan ADC aproksimasi berturut-turut (successive-approximation ADC) untuk mengkonversi masukan analog dalam jangka tertentu menjadi data digital 8-bit yang setara. ADC 0804 mempunyai pembangkit pulsa internal dengan sedikit tambahan komponen eksternal, membutuhkan catu daya dengan tegangan sebesar +5 volt, dan mempunyai waktu konversi optimal sekitar 100 mikrosekon.



klik disini!! kalau mau bertanya atau kirim e-mail ke iskzkarnain68@yahoo.com

[ back ] [ atas ]