1 ANALISA, SIMULASI DAN RANCANG BANGUN BANDPASS FILTER UNTUK FETAL DOPPLER MENGGUNAKAN PSPICE Desy Kristyawati, ST Hartono Siswono, Dr Bumi Panggugah Jl Cempaka No.12 Ciomas-Bogor (d3si04@yahoo.com ) ([email protected]) Kata Kunci : Bandpass filter, Frekuensi, Op Amp Fetal Doppler merupakan alat pendeteksi jantung bayi dalam kandungan. Dapat diketahui bahwa detak jantung bayi dalam kandungan dalam keadaan normal berada dalam kisaran 120- 140 detak per menit. Maka untuk memisahkan frekuensi detak jantung bayi dengan frekuensi detak jantung ibu, digunakan bandpass filter. Dari hasil perhitungan kisaran detak jantung bayi dalam kandungan maka dapat diperoleh frekuensi detak 2-3 Hz. Untuk menyaring frekuensi tersebut digunakan bandpass filter. Dan untuk mengetahui rancangan terbaik maka dilakukan percobaan dengan menggunakan 2 jenis filter yaitu bandpass filter butterworth dan bandpas filter chebyshev. Kemudian hasil perhitungan secara teori akan disimulasikan menggunakan PSPICE. PENDAHULUAN Belakangan ini harga Doppler yang paling murah 1,5 juta rupiah. Sedangkan Doppler yang bisa sekaligus mencetak harganya sekitar 40 juta. Oleh karena itu maka dibuat alat lebih murah dengan menggunakan komponen yang lebih sedikit. Dimana komponen-komponen yang telah dirancang akan di fabrikasi sehingga mendapatkan Fetal Doppler yang secara fisik lebih kecil. Disini penulis membahas tentang perancangan filter dengan menggunakan bandpass filter Butterworth dan Chebyshev. Untuk mengetahui hasil rancangan yang terbaik yang akan digunakan Fetal Doppler. Dari hasil lintas fakultas maka diketahui bahwa detak jantung bayi dalam kandungan yang normal berkisar antara 120-140 detak per menit. Cara mendengarkan detak jantung bayi dalam kandungan yang nyaris tidak terdengar disini adalah dengan menggunakan stetoskop. Tetapi kendalanya apabila menggunakan steteskop adalah suara yang ditangkap oleh stetoskop masih bercampur antara detak jantung ibu dan janin. Dengan menggunakan data detak jantung bayi dalam kandungan yang normal maka didapat bahwa frekuensi detak jantung bayi dalam kandungan berkisar antara 2-3 Hz. Sedangkan menurut Mokhamad Solihul Hadi, mahasiswa Teknik Elektro Universitas Brawijaya yang juga membuat Fetal Doppler mengatakan bahwa berdasarkan lintas jurusan fetal Doppler menggunakan bandpass filter yang menyaring frekuensi 12-20 hz. Untuk memisahkan suara berdasarkan frekuensi maka digunakan bandpass filter. Dengan menggunakan rangkaian filter, memisahkan detak jantung berdasarkan rentang frekuensinya. Interferensi dari detak jantung ibu disingkirkan. Yang lolos ke tahap berikutnya hanya detak jantung janin. Penulisan ini dibuat dengan tujuan: 1. Dapat menghasilkan rancangan yang paling baik dengan hasil yang maksimal 2. Simulasi yang dilakukan dengan menggunakan PSPICE sesuai dengan hasil perhitungan secara teori. TINJAUAN PUSTAKA
27
Embed
analisa, simulasi dan rancang bangun bandpass filter
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
ANALISA, SIMULASI DAN RANCANG BANGUN BANDPASS FILTER UNTUKFETAL DOPPLER MENGGUNAKAN PSPICE
Fetal Doppler merupakan alat pendeteksi jantung bayi dalam kandungan. Dapat diketahuibahwa detak jantung bayi dalam kandungan dalam keadaan normal berada dalam kisaran 120-140 detak per menit. Maka untuk memisahkan frekuensi detak jantung bayi dengan frekuensidetak jantung ibu, digunakan bandpass filter. Dari hasil perhitungan kisaran detak jantung bayidalam kandungan maka dapat diperoleh frekuensi detak 2-3 Hz. Untuk menyaring frekuensitersebut digunakan bandpass filter. Dan untuk mengetahui rancangan terbaik maka dilakukanpercobaan dengan menggunakan 2 jenis filter yaitu bandpass filter butterworth dan bandpas filterchebyshev. Kemudian hasil perhitungan secara teori akan disimulasikan menggunakan PSPICE.
PENDAHULUANBelakangan ini harga Doppler yang paling murah 1,5 juta rupiah. Sedangkan Doppler yang
bisa sekaligus mencetak harganya sekitar 40 juta. Oleh karena itu maka dibuat alat lebih murahdengan menggunakan komponen yang lebih sedikit. Dimana komponen-komponen yang telahdirancang akan di fabrikasi sehingga mendapatkan Fetal Doppler yang secara fisik lebih kecil.
Disini penulis membahas tentang perancangan filter dengan menggunakan bandpass filterButterworth dan Chebyshev. Untuk mengetahui hasil rancangan yang terbaik yang akandigunakan Fetal Doppler. Dari hasil lintas fakultas maka diketahui bahwa detak jantung bayidalam kandungan yang normal berkisar antara 120-140 detak per menit. Cara mendengarkandetak jantung bayi dalam kandungan yang nyaris tidak terdengar disini adalah denganmenggunakan stetoskop. Tetapi kendalanya apabila menggunakan steteskop adalah suara yangditangkap oleh stetoskop masih bercampur antara detak jantung ibu dan janin. Denganmenggunakan data detak jantung bayi dalam kandungan yang normal maka didapat bahwafrekuensi detak jantung bayi dalam kandungan berkisar antara 2-3 Hz. Sedangkan menurutMokhamad Solihul Hadi, mahasiswa Teknik Elektro Universitas Brawijaya yang jugamembuat Fetal Doppler mengatakan bahwa berdasarkan lintas jurusan fetal Dopplermenggunakan bandpass filter yang menyaring frekuensi 12-20 hz. Untuk memisahkan suaraberdasarkan frekuensi maka digunakan bandpass filter. Dengan menggunakan rangkaian filter,memisahkan detak jantung berdasarkan rentang frekuensinya. Interferensi dari detak jantung ibudisingkirkan. Yang lolos ke tahap berikutnya hanya detak jantung janin. Penulisan ini dibuatdengan tujuan:
1. Dapat menghasilkan rancangan yang paling baik dengan hasil yang maksimal2. Simulasi yang dilakukan dengan menggunakan PSPICE sesuai dengan hasil perhitungan
secara teori.
TINJAUAN PUSTAKA
2
OP Amp LM741Penguat adalah suatu rangkaian yang menerima sebuah isyarat di masukkan dan
mengeluarkan isyarat tak berubah yang lebih besar di keluarannya. Sedangkan nama penguatoperasional diberikan kepada penguat gain, yang dirancang untuk melaksanakan tugas-tugasmatematis seperti penjumlahan, pengurangan perkalian dan pembagian. Penerus modern daripenguat op amp rangkaian terpadu linier. Op amp ini mewarisi namanya, bekerja pada teganganyang lebih rendah, dan paling tidak sama baiknya. Beberapa penggunaan op amp pada masa kiniadalah di bidang-bidang pengendalian proses, komunikasi, komputer, sumber daya dan isyarat,sistem peragaan, dan sistem pengukuran atau sistem pengujian. Op amp mempunyai limaterminal dasar : dua untuk suplay daya, dua untuk isyarat masukkan, dan satu untuk keluaran.
Q11
Q1 Q2
Q3 Q4
Q5 Q6
Q7
R54KΩ
Q21
Q22
R15KΩ
R13450Ω
R220KΩ
R4250Ω
Q18
Q20
R310KΩ
Q19
R16120Ω
30pF
Q9
R640KΩ
Q10
620ΩQ13
Q14
Q17
Q15
Q16
R1125Ω
R1065Ω
R1475KΩ
Q12
R780KΩ
R8650Ω
Masukanpembalik
Masukan takmembalik
NolOffset
+V
-V
Keluaran
Gambar 1. Skema Op Amp
1. Teriminal Suplay dayaTerminal-terminal op amp ditandai +V dan –V yang menandakan terminal-terminal op
amp mana yang harus di hubungkan ke suplay dayanya. Suplay daya ini mempunyai tigaterminal yaitu positif, negatif dan suplay daya bersama.Terminal suplay daya bersama boleh atautidah perlu dihubungkan ke ground tanah melalui kawat ketiga dari kabelnya. Meskipundemikian sudah menjadi kebiasaan untuk memperlihatkan terminal itu sebagai simbol groundpada sebuah diagram skema. Penggunaan simbol ground adalah suatu perjanjian yangmenunjukkan bahwa semua pengukuran tegangan dilakukan terhadap ground.
Gambar 2. Hubungan Paket-Paket Op Amp2. Terminal Keluaran
Tegangan keluaran Vo diukur terhadap ground. Karena dalam sebuah op amp hanya adasatu terminal keluaran, ini disebut keluaran berujung tunggal. Batas arus yang dapat dialirkandariterminal keluaran sebuah op amp, biasanya ada pada orde sebesar 5 sampai 10 mA. Ada jugabatas pada taraf tegangan yang ditentukan oleh tegangan suplay dan oleh transistor keluaran Q16
3
dan Q11. Transistor-transistor ini memerlukan tegangan kira-kira 1 sampai 2 Volt dari kolektorke emitor untuk memastikan bahwa keduanya bekerja sebagai penguat dan bukan sebahai saklar.Jadi terminal keluarannya naik sampai sebesar 2 volt dari +V dan turun sebesar 2 V dari –V.Batas atas dari Vo disebut tegangan kejenuhan positif, +V sat, dan batas bawahnya disebuttegangan kejenuhan negatif, -Vsat. Batas arus maupun batas tegangan menentukan suatu hargaminimum pada resistansi beban RL. Beberapa op amp mempunyai rangkaian dalam yang secaraotomatis membatasi arus yang dialirkan dari terminal keluarannya, untuik mencegah kerusakanop amp bila terjadi suatu hubung singkat.
3. Terminal MasukanDua terminal masukkan, bertanda – dan +, ke duanya disebut terminal-terminal
masukkan deferensial karena tegangan keluaran Vo tergantung pada perbedaaan tegangan antarakedua terminal itu ( Ed ), dan gain dari penguatnya (AoL). Polaritas terminal keluarannya samaseperti polaritas terminal masukkan (+). Selanjutnya polaritas dari terminal keluaran berlawananatau terbalik dari polaritas terminal masukkan (-). Untuk itu masukkan (-) ditandai denganmasukan pembalik dan masukkan (+) disebut masukkan tak membalik.Polaritas Vo hanya tergantung pada perbedaan tegangan antara masukkan pembalik danmasukkan tak membaliknya. Perbedaan tegangan ini dapat dicari dengan:
Ed = tegangan masukkan (+) – tegangan keluaran (-)
Kedua tegangan masukkan ini diukur terhadap ground. Tanda Ed menyatakan polaritasmasukkan (+) terhadap masukkan (-) dan polaritas terminal keluaran terhadap ground. Satu sifatpenting dari terminal masukkan adalah impedansi yang tinggi di antara keduanya dan jugadiantara tiap terminal masukkan dengan ground.
(a) VO menjadi positif bila masukan (+) nya positif terhadap masukan (-) nya
(b) Vo menjadi negative bila masukkan (+) nya negative terhadap masukkan (-) nyaGambar 3. Polaritas Votergantung pada polaritas tegangan masukan diferensial Ed
4
FilterFilter adalh sebuag rangkaian yang dirancang agar melewatkan suatu pita frekuensi
tertentu seraya memperlemah semua isyarat doluar pita ini. Jaringan-jaringan filter biasa bersifataktif maupun pasif. Jaringan-jaringan filter pasif hanya berisi tahanan, inductor, dan kapasitorsaja. Fiter-filter aktif menggunalan tyransistor atau op amp ditambah tahanan, inductor, dankapasitor. Tetapi inductor jarang digunakan dalam filter-filter aktif, sebab ukurannya besar danmahal dan bisa memiliki komponen-komponen bertahanan dalam yang besar.
Dengan Filter kita dapat menyaring frekuensi yang kita inginkan, ada beberapa jenisfilter, yaitu Lowpass Filter, Highpass Filter, Bandpass Filter, Bandreject Filter. Dan untuk jenisfilter tersebut juga ada beberapa jenis berdasarkan kesulitan perancangan, keuntungan dankerugian dari hasil rancangan yaitu Butterwort, Chebyshev, Invers Chebyshev dan Cauer. Tetapidalam penulisan ini penulis hanya membahas 2 jenis saja yaitu Butterworth dan Chebyshev.
Karakteristik Filter berdasarkan jenisnya adalah1. Lowpass
Gambar 4. Lowpass Filter
2. Highpass
PassBand
StopBand
Gambar 5. Highpass Filter
3. Bandpass
5
Gambar 6. Bandpass Filter
4. Bandreject
StopBand
PassBand
StopBand
Gambar 7. Band reject Filter
Berdasarkan kesulitan perancangannya, keuntungan, kerugian dalam perancangan maka filterdapat diklasifikasikan menjadi:
A. Butterworth
Gambar 8. Butterworth Lowpass FilterKeuntungan :1. Flat pada Pass Band & Stop Band2. Mudah dirancang
6
Kerugian :Memerlukan orde yang lebih tinggi untuk memenuhi spesifikasi tertentu.
Ciri-ciri Butterworth1. w = T→Frekuensi setengah daya2. Memiliki nilai redaman (attenuation) yang lebih kecil dari chebyshev3. Nilai Q lebih kecil4. Phasa lebih linier
B. Chebyshev
1
0.707
StopBand
PassBand
1 whp
Ripplemenunjukkan orde
Gambar 9. Chebyshev Lowpass Filter
Keuntungan:1. Memerlukan orde yang lebih dari butterworth untuk memenuhi spesifikasi tertentu
Kerugian:1. Terdapat ripple pada Passband2. Lebih sulit dirancang
Ciri – ciri dari Chebyshev:1. W = 1 → akhir dan ripple untuk frekuensi setengah daya untuk chebyshev adalah
1cosh
1cosh 1
nwhp
2. Memiliki nilai redaman (attenuation) yang lebih besar dari butterworth3. Nilai Q lebih besar4. Karakteristik dari phasa bertambah sifat non linearitasnya
C. Inverschebyshev
7
1
0.707
StopBand
PassBand
1 whp
Ripplemenunjukkan orde
Gambar 10. Invers Chebysev Lowpass Filter
Keuntungan:1. Memerlukan orde yang lebih rendah dari butterworth untuk memenuhi spesifikasi tertentu
(sama dengan chebyshev)Kerugian:1. Terdapat ripple di stopband2. Lebih sulit dirancang (sama dengan chebyshev)
D. Cauer
Gambar 11. Cauer Lowpass FilterKeuntungan:
1. Orde terendah
Kerugian:1. Ripple di passband dan stopband2. Paling sulit dirancang
Pada penelitian ini perancangannya menggunakan Bandpass Filter Butterworth dan Chebyshev.Berdasarkan teori yang didapat maka dapat diuraikan teori tentang bandpass filter butterworthdan bandpass filter chebyshev
METODE PENELITIANBandpass Filter ButterworthLangkah-langkah perancangan BandPass Butterworth
8
Gambar 12. BandPass Butterworth
Ωs =12
34
b = ω2 – ω1
ωo = 21 Q =b
o
Dikerjakan pada LowPass Butterworthterlebih dahulu
Gambar 13. LowPass Butterworth
n =s
log2
110
110log
10max/
10min/
Jika n ganjil terdapat kutub di 0 . Setiap kutub terpisah edngan yang lainnya
dengann
180
Jika n genap terdapat kutub din
90
Ωo = n2/110max/ 110
1
Kutub dari LowPassS2 = 22
S1 = 1
S2 = sincos oo
cos2 o
sin2 o → orde 2
oS 1
o1 →orde 1
Algoritma Geffe
9
Orde 1 :B
oqc
1
qcQ
Orde 2 : 22
22 C
qcD 22
24
qc
CE
22 4DEG
GED
Q 2
11
qc
Qk 2
12 kk
2
2
oo
Qoo
211
oo
Qoo
Rangkaian BandPass Butterworth yang digunakan adalah menggunakan rangkaianDelyiannis & Friends seperti dibawah ini
Rangkaian BandPass Chebyshev yang digunakan adalah menggunakan rangkaian Delyiannis& Friends seperti gambar 2.16.
HASIL PERANCANGAN DAN SIMULASIPenelitian ini dilakukan untuk mengetahui secara teori hasil perancangan filter yang telah
dilakukan yaitu BandPass Filter Butterworth dan Bandpass Filter Chebyshev. Yang nantinya
10
hasil rancangan filter yang didapat akan digunakan untuk pembuatan alat Fetal Doppler.Digunakan filter Bandpass karena frekuensi yang akan diambil adalah frekuensi tertentu yangberkisar antara 2-3 hz berdasarkan perhitungan, sedangkan 12-20 Hz berdasarkan fetal Doppleryang di buat oleh Solihul Hadi. Hasil rancangan yang didapat juga disimulasikan denganmenggunakan software PSPICE yang apabila hasil rancangan yang dibuat sesuai dengan teoriyang ada maka, kemudian dibuat secara fisik filter tersebut.
Bandpass Filter Butterworth 2-3 HzPerancangan dengan menggunakan Bandpass filter Butterworth yang menyaring
frekuensi 2 - 3 Hz dengan menggunakan 0.1µF.
Gambar 15. Kurva Butterworth Bandpass Filter 2-3 Hz
Gambar diatas sesuai dengan hasil perhitungan secara teori, jadi rangkaian filter bandpasschebyshev yang dirancang adalah benar
KESIMPULAN DAN SARANKesimpulan
Dari hasil uji coba dan pengambilan data Butterworth dan Chebyshev 12-20 Hzdan 2-3 Hz berdasarkan simulasi dan berdasarkan hardware dapat disimpulkan :
1. Mendapatkan hasil rancangan yang secara kurang lebih sama, tetapi hanya sajapada Butterworth flat pada passband sedangkan pada Chebyshev terdapat ripplepada passband. Sedangkan berdasarkan penggunaan komponen Chebyshevmenggunakan komponen yang lebih sedikit dibandingkan Butterworth. Jadi yanglebih baik digunakan adalah bandpass Chebyshev.
2. Hasil simulasi yang dilakukan dengan menggunakan PSPICE sesuai dengan hasilperhitungan secara teori.
SaranUntuk mendapatkan hasil terbaik dari perancangan menggunkan hardware
diperlukan nilai komponen dengan harga yang presisi dengan hasil perancangan sesuaidengan teori, karena akan mempengaruhi kurva tanggapan frekuensi filter tersebut.
DAFTAR PUSTAKA[1]. Depari, Ganti,“Pokok Pokok Elektronika”, M2S, April 2000.[2]. http://ajphe art.phisiology.org/cgi/reprint/275/6/H1993[3]. Robert, F. Coughlin and Frederick, F. Driscoll, “ Operational Amplifiers and Linear
Integrated Circuits “, Prentice-Hall.[4]. Sutrisno,”Elektronika Teori dan Penerapannya”, Penerbit ITB, 1986.[5]. Tomlison,G.H,”Electrical Networks and Filters Teory and Design”, Prentice Hall