AS S F I L TE TE R LAPORAN PERANCANGAN DAN SIMULASI H I G H P AS C H E B Y S H E V MENGGUNAKAN SOF TWA R E MULTISIM
TUGAS BESAR Laporan ini dibuat untuk menyelesaikan tugas besar mata kuliah Elektronika Telekomunikasi DISUSUN OLEH : SYIFA MELLYNDA PRISCA 1101144321
FAKULTAS TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS TELKOM BANDUNG 2017
DAFTAR ISI
ii
DAFTAR GAMBAR
iii
ABSTRAK Filter merupakan komponen yang sangat penting dalam hal pen golahan sinyal. Gelombang sinyal dapat digunakan sesuai dengan spesifikasi yang kita harapkan perlu dilewatkan ke dalam rangkaian filter terlebih dahulu untuk memotong atau meredam frekuensi – frekuensi yang tidak diperlukan. Salah satu jenis filter yang digunakan untuk mengolah sinyal adalah High Pass Filter yang mana meloloskan frekuensi diatas frekuensi cut off. Dalam perancangan rangkaian filter ini dilakukan dengan cara mengubah terlebih dahulu spesifikasi High Pass Filter yang diinginkan ke dalam bentuk Low Pass Filter ternormalisasi kemudian baru dicocokan dengan grafk responfrekuensi untuk mendapatkan orde filter dan kemudian untuk dicocokan dengan tabel harga komponen untuk mendapatkan nilai komponen ternormalisasi. Hasil keluaran rancangan berupa High Pass Filter Chebyshev yang memiliki frekuensi cut off 60 MHz dengan atenuasi pada frekuensi kerja 30 MHz sebesar 49.555 dB dan memiliki ripple 0.5 dB. Kata kunci : filter, High Pass Filter, Chebyshev, cut off
iv
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Sinyal analog merupakan sinyal yang berbentuk gelombang sinusoidal yang banyak dimanfaatkan pada banyak alat - alat elektronik. Sinyal – sinyal dapat digunakan sesuai dengan kebutuhan dengan cara mengolah sinyal tersebut. Pengolahan sinyal analog telah diterapkan sangat luas, dari alat komunikasi elektronik, televisi, komputer dan radio. Pengolahan sinyal analog salah satu nya dapat menggunakan filter. Filter adalah sebuah rangkaian yang dirancang untuk melewatkan suatu pita frekuensi tertentu. Ada berbagai jenis filter berdasarkan frekuensi yang dilewatkannya, salah satunya High Pass Filter yang hanya melewatkan sinyal input dengan frekuensi di atas frekuensi cut-off nya dan meredam sinyal input dengan frekuensi di bawah frekuensi cut-off . Dan High Pass Filter ada dua tipe yaitu, Butterworth dan Chebyshev. Filter dapat dirancang dengan menggunakan perhitungan untuk menentukan nilai setiap komponenya. Pada perancangan kali ini, penulis akan merancang sebuah High Pass Filter Chebyshev dengan ripple 0,5 dB, lalu kemudian akan di simulasikan untuk bentuk respon frekuensi terhadap gain yang dihasilkan. 1.2 Tujuan
Maksud dan tujuan dari perancangan dan simulasi ini adalah untuk 1. Memahami tahapan untuk merancang High Pass Filter Chebyshev 2. Memahami cara kerja High Pass Filter Chebyshev 3. Mengetahui pengaruh nilai setiap komponen dari High Pass Filter Chebyshev terhadap sinyal output 4. Mengetahui cara mensimulasikan rangkaian High Pass Filter menggunakan software multisim
v
1.3 Rumusan Masalah
Rumusan masalah dari perancangan dan simulasi ini adalah 1. Bagaimana tahapan untuk merancang High Pass Filter Chebyshev ? 2. Bagaimana menetukan nilai untuk setiap komponen ? 3. Bagaimana merancangan rangkaian simulasi High Pass Filter Chebyshev menggunakan software multisim ? 1.4 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam perancangan dan simulasi ini adalah sebagai berikut : 1. Jenis filter yang digunakan adalah jenis filter analog High Pass Filter Chebyshev 2. Software yang digunakan untuk melakukan perancanganadalah Multism 11 1.5 Metodologi Penelitian
Metodologi yang digunakan dalam penelitian ini adalah : 1. Studi Literatur Mempelajari literatur yang berhubungan dengan penelitian yang akan dilakukan. 2. Identifikasi Permasalahan Melakukan indentifikasi yang dibentuk dari rumusan masalah, tujuan masalah, dan batasan masalah yang ingin dicapai dalam penelitian 3. Perancangan dan Simulasi Pada tahap ini dilakukan perancangan dengan melakukan perhitungan untuk komponen penyusunnya dan kemudian dilakukan simulasi menggunakan multism untuk melihat hasil keluaran rangkaian. 4. Analisa Data Menganalisa data yang didapatkan dari hasil simulasi agar dapat mengetahui performansi dari filter analog yang digunakan. 5. Kesimpulan dan Saran Dari keseluruhan proses penfilteran, analisa, dan perbandingan yang dilakukan maka dapat diketahui manfaat dari perhitungan, sehingga dapat mengetahui kualitas dan efektifitas pemakaian dari jenis filter yang diuji bekerja sesuai keinginan atau tidak.
vi
1.6 Sistematika Penulisan
Dalam penulisan laporan ini, penulis menggunakan sistematika penulisan yang disajikan dalam 5 bab, yaitu sebagai berikut: BAB I PENDAHULUAN Bab ini berisi uraian singkat mengenai latar belakang, tujuan penelitian, rumusan masalah, batasan masalah, metode penelitian dan sistematik penulisan dari p enelitian. BAB II DASAR TEORI Bab ini membahas mengenai konsep dan teori-teori pendukung yang berhubungan dengan laporan ini.
BAB III PERANCANGAN DAN SIMULASI RANGKAIAN Bab ini berisikan penyelesaian masalah sebagaimana yang dijelaskan pada bab 1. BAB IV ANALISA Bab ini berisikan hasil dari simulasi yang dirancang pada bab 3 sehingga hasil yang diharapkan dapat dianalisa. BAB V PENUTUP Bab penutup ini terdiri dari kesimpulan.
vii
BAB II DASAR TEORI 2.1 Filter (Penyaring)
Filter adalah sebuah rangkaian yang dirancang agar mengalirkan suatu pita frekuensi tertentu dan menghilangkan frekuensi yang berbeda dengan pita ini. Istilah lain dari filter adalah rangkaian yang dapat memilih frekuensi agar dapat mengalirkan frekuensi yang diinginkan dan menahan, atau membuang frekuensi yang lain. Jaringan filter bisa bersifat aktif maupun pasif. Perbedaan dari komponen aktif dan pasif adalah pada komponen aktif dibutuhkan sumber agar dapat bekerja (op-amp dan transistor membutuhkan sumber lagi agar dapat bekerja/digunakan), sedangkan komponen pasif tidak membutuhkan sumber lagi untuk digunakan atau bekerja. 2.2 Macam-Macam Filter
2.2.1 Berdasarkan sifat penguatannya, filter bisa diklasifikasikan : a. Filter Aktif Filter Aktif adalah rangkaian filter dengan menggunakan komponen-komponen elektronik aktif. Komponen penyusunnya terdiri dari op-amp, transistor, dan komponen lainnya. Oleh karena itu filter dapat dibuat dengan performansi bagus dengan komponen yang relatif sederhana. Induktor yang akan menjadi mahal pada frekuensi audio, tidak diperlukan karena unsur aktifnya, yaitu penguat operasi, dapat dipakai untuk mensimulasi reaktansi induktif induktor. Kelebihan dari rangkaian filter aktif ini adalah ukurannya lebih kecil, ringan, lebih murah, dan lebih fleksibel dalam perancangannya. Sedangkan kerugiannya adalah pada komponen dihasilkan panas, terdapatnya pembatasan frekuensi dari komponen yang digunakan sehingga pengaplikasian untuk frekuensi tinggi terbatas. b. Filter Pasif Filter Pasif adalah rangkaian filter yang menggunakan komponen-komponen elektronik pasif saja. Dimana komponen pasif itu adalah induktor, kapasitor, dan resistor. Kelebihan dari rangkaian filter pasif ini adalah dapat tidak begitu banyak noise (sinyal gangguan yang tidak diinginkan) karena tidak ada penguatan, dan digunakan untuk frekuensi tinggi. Sedangkan kerugiannya adalah tidak dapat menguatkan sinyal, sulit untuk merancang filter yang ku alitasnya/responnya baik. 2.2.2 Berdasarkan Daerah Frekuensi Yang Dilewatkan Dibidang elektronika khusunya untuk elektronika analog. Filter sering digunakan untuk meloloskan frekuensi yang dikehendaki atau menahan frekuensi yang tidak dikehendaki. Filter yang digunakan biasanya terdiri dari tiga macam konfigurasi yang dapat dibagi sebagai berikut :
viii
1. Low Pass Filter (LPF) Low Pass Filter adalah jenis filter yang melewatkan frekuensi rendah serta meredam/menahan frekuensi tinggi. Bentuk respon LPF seperti ditunjukkan gambar di bawah ini.
Gambar 2.1 Respon Low Pass Filter
2. High Pass Filter (HPF) High Pass Filter (HPF) adalah jenis filter yang melewatkan frekuensi tinggi serta meredam atau menahan frekuensi rendah. Bentuk respon HPF seperti memperlemah tegangan keluaran untuk semua frekuensi di bawah frekuensi cutoff .
Gambar 2.2 Respon High Pass Filter
3. Band Pass Filter (BPF) Band pass filter (BPF) adalah filter yang akan meloloskan sinyal pada range frekuensi diatas frekuensi batas bawah (fL) dan dibawah frekuesni b atas atas (fH).
Gambar 2.3 Respon Band pass filter
4. Band Stop Filter (BSF) Band Stop Filter adalah rangkaian elektronika yang berfungsi untuk menahan sinyal dengan range frekuensi diatas frekuensi batas bawah (fL) dan dibawah range frekuensi batas atas (fH). Dan akan melewatkan sinyal den gan range frekuensi diluar range frekuensi batas bawah (fL) dan frekuensi batas at as (fH).
ix
Gambar 2.4 Respon Band Stop Filter
2.2.3 Berdasarkan Bentuk Respon Frekuensi Terhadap Gain 1. Filter Bessel (Maximally Flat Time Delay) 2. Filter Cauer (Eliptic) 3. Filter Butterworth (Maximally Flat) 4. Filter Chebyshev (Tchebycheff) Filter-filter tersebut merupakan dasar untuk mendesain bermacam-macam kegunaan yang kita kenal dalam kehidupan sehari-hari yaitu :equalizer, crossover, dan lain-lain. 2.3 Komponen Elektronika
2.3.1 Kapasitor Kapasitor adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kondensator memiliki satuan yang disebut farad, ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867). Kondensator kini juga dikenal sebagai “kapasitor”, tetapi kata “kondensator” masih dipakai hingga saat ini. Prinsip kerja kapasitor pada umumnya hampir sama dengan resistor yang juga termasuk ke dalam komponen pasif. Kapasitor sendiri terdiri dari dua lempeng logam (konduktor) yang dipisahkan oleh bahan penyekat (isolator). Penyekat atau isolator banyak disebut sebagai bahan dielektrik. (Depati.2003) 2.3.2 Resistor Resistor merupakan komponen elektronik yang memiliki dua pin dan didesain untuk mengatur tegangan listrik dan arus listrik, dengan resistansi tertentu (tahanan) dapat memproduksi tegangan listrik di antara kedua pin, nilai tegangan terhadap resistansi berbanding lurus dengan arus yang mengalir, berdasarkan hukum Ohm. 2.3.3 Induktor Sebuah induktor atau reaktor adalah sebuah komponen elektronika pasif (kebanyakan berbentuk torus) yang dapat menyimpan energi pada medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya. Kemampuan induktor untuk menyimpan energi magnet ditentukan oleh induktansinya, dalam satuan Henry.
x
BAB III PERANCANGAN DAN SIMULASI RANGKAIAN 3.1 Tahapan Perancangan Rangkaian.
Filter HPF ( High Pass Filter ) dirancang untuk memloloskan frekuensi diatas frekuensi cut off. Pada perancangan ini akan dibuat High Pass Filter dengan tipe Chebyshev. Perancangan dilakukan dengan tahapan perancangan sebagai berikut : 1. Menetukan spesifikasi High Pass Filter yang dirancang diantaranya - Resistansi sumber - Resistansi beban - Frekuensi kerja ( f ) - Frekuensi cut off (fc) - Ripple - Attenuation 2. Transformasi High Pass Filter ternormalisi untuk rasio antara frekuensi kerja dan frekuensi cut off nya ke Low Pass Filter dengan persamaan (3.1)
⁄ =
3.
(3.1) ⁄ Menyesuaikan spesifikasi ripple, attenuation, dan rasio frekuensi LPF dengan
grafik respon frekuensi LPF Chebyshev untuk mendapatka nilai orde filter (n). 4. Dari orde filter (n) yang didapat kemudian membaca tabel harga komponen LPF Chebyshev ternormalisasi lalu ditransformasikan ke HPF ternormalisasi dengan persamaan (3.2) untuk nilai CHPF dan persamaan (3.3) untuk nilai LHPF.
CHPF = LPF LHPF = LPF
(3.2) (3.3)
5. Denormalisasi nilai HPF ternormalisasi yang didapatkan untuk mendapatkan nilai C dan L sesungguhnya dengan menggunakan persamaan (3.4) untuk mendapatkan nilai C dan persamaan (3.5) untuk mendapatkan nilai L yang sesungguhnya. Dengan C adalah nilai akhir kapasitor, L adalah nilai akhir induktor, CHPF adalah nilai kapasitor LPF ternormalisasi, LHPF adalah nilai induktor LPF ternormalisasi.R adalah nilai akhir resistor. (3.4) (3.5)
C= =
xi
3.2 Perancangan Rangkaian Filter
Filter yang akan dirancang memiliki spesifikasi sebagai berikut 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Resistansi sumber (R s) = 300 Ω Resistansi beban (R L) = 300 Ω Frekuensi kerja ( f ) = 30 MHz Frekuensi cut off (fc) = 60 MHz Ripple = 0.05 dB Attenuation = 40 dB
Normalisasi spesifikasi attenuation dengan frekuensi kerja sehingga dapat digunakan untuk mengambil nilai dari grafik respon frekuensi LPF Chebyshev. Transformasi ke LPF ternormalisasi dilakukan dengan perhitungan menggunakan persamaan (3.1) sebagai berikut.
= 30 =0.5 60
Normalisasi nilai ke rasio frekuensi Low Pass Filter.
= ℎ = 2 Dari nilai yang didapat dan attenuasi sebesar 40 dB kemudian dicocokan
dengan grafik respon frekuensi LPF Chebyshev untuk mendapatkan nilai orde filter (n) seperti pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Grafik Respon Frekuensi LPF Chebyshev
xii
Dari grafik dapat dibaca untuk nilai orde filter (n) yang didapatkan adalah 5. Kemudian menghitung nilai sebagai berikut.
= 300 Ω = 1 300 Ω Dari nilai orde filter (n) dan nilai
yang
didapatkan dicocokan dengan tabel harga
komponen LPF Chebyshev ternormalisasi pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2 Tabel harga komponen LPF Chebyshev ternormalisasi. Terbaca dari tabel untuk nilai C1 = 1.807, L2 = 1.303, C3 = 2.691, L4 = 1.303, C5=1.805. Kemudian diimplementasikan kedalam rangkaian pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Implementasi Rangkaian Low Pass Filter Ternormalisasi Dari rangkaian Low Pass Filter ternormalisasi kemudian ditransformasikan ke High Pass Filter dengan persamaan 3.2 dan persamaan 3.3 sehingga didapatkan
1 C1 = L11LPF = 1.807 1 C3 = L31LPF = 2.691 xiii
1 C5 = L51LPF = 1.807 1 L2= C21LPF = 1.303 1 L3= C31LPF = 1.303 Dengan hasil tersebut maka didapatkan rangkaian High Pass Filter ternormalisasi ditunjukan pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4 Rangkaian High Pass Filter Ternormalisasi Setelah didapatkan nilai - nilai komponen ternormalisasi untuk menghitung nilai komponen sesungguhnya dilakukan denormalisasi dengan menggunakan persamaan (3.4) untuk mendapatkan nilai C dan persamaan (3.5) untuk mendapatkan nilai L. Dengan perhitungan berikut
1 = 1.807 C1= 2π = 4.9 2π(60x10 )(300) 1 300× = 1.303 = 611 2= 2π 2π(60x10 ) 1 2.691 C3= 2π = 2π(60x10 )(300) = 3.3 1 300× 1.303 4= 2π = 2π(60x10 ) = 611 1 = 1.807 C5= 2π = 4.9 2π(60x10 )(300) Dari perhitungan diatas, kemudian dapat diimplementasikan kedalam rangkaian High Pass Filter yang telah didesain seperti pada Gambar 3.5 xiv
Gambar 3.5 Rangkaian High Pass Filter Terdesain Gambar 3.5 merupakan desain akhir rangkaian dari High Pass Filter yang di rancang untuk meloloskan frekuensi diatas 60 Mhz pada frekuensi kerja 30 MHz dengan atenuasi 40 dB dan ripple yang di toleransi sebesar 0.5 dB. 3.3 Simulasi Hasil Keluaran Rangkaian
Setelah dilakukan perancangan filter sehingga didapatkan rangkaian akhirnya, rangkaian perlu disimulasikan untuk mengetahui bagaimana kinerja rangkaian untuk menghasilkan sebuah keluaran. Untuk mengetahui respon frekuensi dari keluaran rangkaian. Simulasi dilakukan menggunakan perangkat lunak Multism. Dengan konfigurasi rangkaian ditambah dengan bode plotter pada keluaran rangkaian. Seperti desain pada Gambar 3.6.
Gambar 3.6 Rangkaian High Pass Filter dengan Bode Plotter Setelah konfigurasi selesai maka selanjutnya rangkaian perlu dirunning simulasinya untuk melihat respon frekuensi keluaran rangkaian pada Gambar 3.7.
xv
Gambar 3.7 Screenshot Respon Frekuensi Yang Terekam Pada bode plotter.
Gambar 3.8 Screenshot Respon Frekuensi Pada 30 MHz Rangkaian yang telah didesain memiliki respon frekuensi seperti pada Gambar 3.7, yang mana menunjukan respon frekuensi rangkaian dengan cut off 60 Mhz, Dan kemudian untuk atenuasi pada frekuensi kerja 30 MHz ditunjukan pada Gambar 3.8 memiliki nilai 49.555 dB.
xvi
BAB IV ANALISIS Perancangan High Pass Filter dilakukan dengan merancang dahulu Low Pass Filter baru kemudian ditrasnformasikan ke High Pass Filter. Dalam menentukan nilai – nilai setiap komponennya didapatkan dari membaca tabel nilai komponen ternormalisasi yang untuk Low Pass Filter Chebyshev. Nilai - nilai komponen yang didapat berdasarkan spesifikasi filter yang diinginkan yaitu dengan memperhatikan faktor ripple yang diperbolehkan , atenuasi minimal yang diinginkan pada frekuensi kerjanya , frekuensi cut off, nilai beban pada sumber dan juga nilai beban pada keluaran rangkaian. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa rangkaian yang telah didesain memenuhi spesifikasi yang diinginkan dimana memiliki ripple 0.05 dB, memiliki atenuasi sebesar 49.555 dB pada frekuensi 30 MHz, dan juga memiliki frekuensi cut off pada 60 MHz. Simulasi menunjukan respon frekuensi yang dihasilkan oleh filter terdesain. Dan menunjukan bahwa frekuensi yang diloloskan oleh rangkaian adalah frekuensi diatas 60 MHz sehingga rangkaian yang terdesain merupakan rangkaian High Pass Filter. Respon frekuensi pada saat simulasi juga menunjukan adanya sedikit ripple kurang dari 0.5 dB seperti yang ditujukan pada Gambar 4.1
Gambar 4.1 Grafik Respon Frekuensi Ripple.
xvii
Gambar 4.2 Ripple Yang Muncul. Ripple yang muncul ditunjukan lebih detail pada Gambar 4.2 dengan resolusi perbesaran yg lebih besar sehingga dapat melihat ripple yang muncul. Ripple yang muncul antara -6.525 dB sampai -6.021 dB sehingga ripple yang muncul sebesar 0.5 dB. Sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan saat mendesain rangkaian. Rangkaian terdesain meloloskan frekuensi diatas 60 MHz dan memiliki ripple 0.5 dB sesuai dengan tipe High Pass Filter Chebyshev.
xviii
BAB V KESIMPULAN 5.1 Kesimpulan
1. Tahapan untuk membuat sebuah High Pass Filter Chebyshev dilakukan dengan menghitung untuk Low Pass Filter kemudian baru ditransformasikan ke High Pass Filter 2. Untuk menentukan nilai – nilai pada komponen dilakukan dengan memperhatikan nilai ripple, atenuasi, frekuensi cut off, frekuensi kerja dan dicocokan dengan grafik respon frekuensi ternormalisasi dan tabel nilai komponen. 3. High Pass Filter Chebyshev meloloskan frekuensi diatas frekuensi cut off dan memiliki ripple. 4. Telah berhasil dirancang sebuah High Pass Filter Chebyshev dengan frekuensi cut off 60 MHz dengan atenuasi pada frekuensi kerja 30 MHz sebesar 49.555 dB dan memiliki ripple 0.5 dB.
xix
