Cara Kerja GPS (Global Positioning Sistem)

          Sobat blogger pada pertmuan kali ini kita lanjutkan dengan membahas cara kerja GPS.  Oke sobat blogger bahwasannya terdapat beberapa perbedaan metoda untuk menentukan posisi dengan menggunakan GPS. Metoda yang digunakan tergantung pada tingkat keakuratan yang dikehendaki pemakai dan jenis penerima GPS . Secara teknik metode-metose tersebut dapat dikelompokkan menjadi 4 metode dasar yaitu:

Gambar 1. Pendeteksian posisi kapal laut

1. Koreksi Perbedaan Posisi

          Sebagaimana telah diketahui, data GIS dan DGPS, mempunyai keakuratan dalam menentukan posisi antara 0.5 sampai 5 m. Biasanya digunakan untuk navigasi kapal di dekat pantai, akusisi data GIS, membentuk presisi dan sebagainya.

Gambar 2. Pendeteksian posisi orang di tengah lautan

          Navigasi autonomous menggunakan receiver single stand-alone, digunakan oleh pejalan kaki, kapal yang jauh ditengah lautan dan militer. Akurasi posisi lebih baik dari pada 100 m untuk pemakaian sipil dan sekitar 20 m untuk pemakaian militer. Sedangkan untuk pemakaian pengukuran/pemetaan tanah, kontrol mesin diperoleh perbedaan posisi dengan ketelitian 0.5–20 m.

Gambar 3. Pemanfaatan GPS untuk pengukuran/pemetaan tanah

2. Navigasi Sederhana

          Ini merupakan teknik atau metode yang sangat sederhana, dengan receiver GPS untuk sesaat memberikan posisi, ketinggian aman atau waktu yang akurat pada pemakai. Akurasi yang diperoleh lebih baik dari pada 100 m (biasanya sekitar 30-50m) untuk pemakaian sipil dan 5-15 untuk pemakaian militer. Alasan perbedaan tingkat akurasi antara pemakaian sipil dan militer akan diulas dalam pembahasan selanjutnya. Receiver GPS yang digunakan untuk operasi dengan metode jenis ini pada umumnya bentuk fisiknya relatif kecil, dapat dibawa (portable) dan harganya terjangkau (murah).

Gambar 4. GPS portable sederhana

          Semua posisi GPS didasarkan pada pengukuran satelit ke receiver GPS di bumi. Jarak ini ke setiap satelit dapat ditentukan dengan receiver GPS. Ide dasarnya adalah seperti prinsip yang digunakan pada pengukuran/pemetaan tanah dalam bekerja setiap harinya . JIka sobat blogger tahu 3 buah tiitik relatif terhadap posisi sobat blogger, maka sobat blogger dapat menentukan posisi sobat blogger sendiri relatif terhadap 3 titik tersebut. Dari jarak ke satelit diketahui bahwa posisi receiver harus pada beberpa titik permukaan dari ruang imaginer yang merupakan asli bagi satelit. Dengan membuat perpotongan ke 3 titik ruang imaginer posisi receiver dapat ditentukan.

Gambar 5. Penentuan posisi dengan 3 satelit

          Masalahnya hanya menggunakan pseudorange dan lamanya waktu yang sampai pada receiver, sedangkan jarak dapat ditentukan . Jadi terdapat 4 hal yang tidak diketahui untuk menentukan posisi (X,Y, Z) dan waktu perjalanan sinyal . Pengamatan 4 satelit menghasilkan 4 persamaan yang dapat diselesaikan, sehingga memungkinkan untuk ditentukan besarnya.

Gambar 6. Penentuan posisi dengan 4 satelit

3. Menghitung Jarak Satelit

          Pada tingkat penghitungan jarak masing-masing satelit, menggunakan salah satu rumus Issac Newton yaitu tentang gerak, Jarak = Kecepatan X Waktu. Dengan persamaan tersebut memungkinkan untuk menghitung jarak sebuah kererta api yang sedang berjalan jika diketahui kecepatan perjalanan kereta api dan waktu yang digunakan pada kecepatan tersebut.

          GPS memerlukan receiver untuk menghitung jarak dari receiver ke satelit. Kecepatan yang digunakan sama dengan kecepatan gelombang radio. Gelombang radio berjalan pada kecepatan cahaya 290 000 Km/detik. Sedangkan waktu adalah waktu yang digunakan sinyal radio berjalan dari satelit ke receiver GPS. Hal ini sedikit lebih sulit untuk dihitung, karena harus diketahui sinyal kapal meninggalkan satelit dan kapan sinyal sampai di receiver.

Perhitungan Waktu

         Sinyal satelit merupakan isyarat yang mempunyai dua kode, yaitu kode C/A dan kode P. Kode C/A didasarkan pada waktu pemberian clock atomic yang sangat akurat. Receiver juga mempunyai sinyal clock yang digunakan untuk membangkitkan kode C/A yang sesuai. Reeiver GPS mampu menyesuaikan atau mengkaitkan kode sinyal satelit yang datang untuk membangkitkan kode receiver.

Gambar 7. Hubungan pulsa/sinyal receiver dan pulsa/sinyal satelit

          Kode C/A merupakan kode digital yang muncul secara acak. Dalam kenyataannya ini tidak acak, berulang seribu kali perdetik. Dengan cara ini waktu dihitung, diambil perjalanan sinyal dari satelit ke receiver GPS.

4. Perhitungan Posisi

          Pada prinsipnya mengukur waktu perpindahan sinyal (evaluasi cakupan semu). Dalam receiver GPS, menentukan posisi memiliki sinyal penerima dari 4 satelit yang berbeda. (saluran 1 sampai saluran 4) yang memungkinkan untuk menghitung t1 sampai t4.

Gambar 8. Penentuan posisi dengan 4 satelit

          Perhitungan dipengaruhi oleh Cartesian koordinat tiga dimensi sistem dengan geometris asli. Cakupan dari pemakai 4 satelit R1, R2, R3 dan R4 dapat ditentukan dengan bantuan waktu pemindahan sinyal t1, t2, t3 dan t4 antara 4 satelit dan pemakai. Sedang lokasi Xsat, Ysat dan Zsat dari 4 satelit telah diketahui pemakai dengan demikian koordinat dapat dihitung.

Gambar 9. Perhitungan posisi ( t )

t pengukuran = t = t + t o

PSR = t pengukuran ‘X c = (t + t 0) x C

PSR = (R + t 0) x C

dimana :

R : cakupan satelit dengan pemakai yang sebenarnya

C : kecepatan cahaya

t : waktu perpindahan sinyal dari satelit pada pemakai

t 0 : perbedaan antara clock satelit dan clock pemakai.

PSR: cakupan semu. pseudo-range_

Jarak R dari satelit ke pemakai dapat dihitung dalam sistem Cartesian sebagai berikut :

R = (XSat - XUser) + (YSat - YUser) + (ZSat - ZUser)

Berikut ini valid untuk empat satelit (I = 1 sampai 4)

Konfigurasi GPS (Global Positioning Sistem)

          Setelah kita bicarakan tentang sejarah perkembangan GPS, pada pertemuan kali ini akan kita bahas tentang konfigurasi GPS. Untuk tetap semangat dan simak uraian berikut ini. Sobat blogger konfigurasi GPS meliputi tiga segmen yaitu : 

1. Segmen ruang orbit satelit di bumi (semua fungsi dijalankan satelit), 

2. Segmen kontrol posisi pemancar di equator bumi untuk mengontrol satelit. (semua stasiun bumi yang berkaitan dengan pemantauan sistem, stasiun master kontrol, stasiun monitor, dan stasiun kontrol ground),

3. Segmen pemakai yaitu siapapun yang menerima dan menggunakan sinyal GPS (pemakai sipil maupun militer).

          Baiklah berikut ini merupakan penjelasan dari segmen-segmen yang telah dikemukakan tersebut di atas.

A. Segmen Ruang

          Segmen ruang dirancang terdiri dari 24 satelit yang mengorbit di bumi sekitar 20180 Km selama 12 jam. Pada waktu menulis terdapat 26 operator satelit yang mengorbit di bumi. Kumpulan satelit tersebut dalam konfigurasi ditunjukkan pada gambar 1 di bawah ini.

Gambar 1. Segmen ruang

1. Gerakan Satelit

          Segmen ruang dirancang minimum 4 satelit yang dapat melihat ke atas dengan sudut 15 derajat dibanyak titik permukaan bumi dalam satu waktu. Minimum 4 satelit tersebut harus dapat melihat untuk banyak aplikasi. Pengalaman menunjukan bahwa biasanya terdapat sekurang-kurangnya 5 satelit yang dapat melihat ke atas dengan sudut 15 derajat dalam waktu yang lama bahkan seringkali terdapat 6 sampai 7 satelit.

Gambar 2. Posisi satelit

Satelit mengorbit pada ketinggian 20.180 Km di atas permukaan bumi dan pada posisi 55 derajat equator. Satelit mengelilingi bumi dengan kecepatan 7000 mil/jam selama 12 jam dua putaran. Satelit akan kembali mengawali posisinya dalam waktu hampir 24 jam (tepatnya 23 jam 56 menit), perjalan rotasinya ditunjukkan seperti pada gambar 3 di bawah ini.

Gambar 3. Cakupan efektif perjalanan satelit

Untuk dapat melihat obyek setidaknya dilakukan oleh 4 sampai 5 lebih satelit. Gambar penempatan satelit dapat dilihat seperti pada gambar 4 di awah ini..

Gambar 4. Posisi 28 satelit pada jam 12 UTC tanggal 14 april 2001

Satelit GPS menggunakan sumber daya dengan energy solar cell. Sebagai energi cadangan digunakan baterai yang dipasang pada papan untuk menjalankan satelit bila matahari terhalang gerhana, bila tidak ada daya solar cell pendorong roket kecil pada masing-masing satelit mempertahankannya terbang pada alur yang benar.

2. Konstruksi GPS Satelit

          Kontruksi satelit ditunjukkan seperti pada gambar 5, sedangkan diagram rangkaian GPS dasar ditunjukkan sepert pada gambar 6a yang terdiri dari antene, filter frekuensi tinggi, mixer, osilator, filter IF, AGC, Kristal sebagai acuan frekuensi, timing, IF digital dan sinyal prosesor. Masing-masing mempunyai fungsi yang berbeda seperti diuraikan di bawah ini. Namun demikian selain yang ditunjukkan seperti pada gambar 6, diagram rangkaian GPS banyak macamnya antara lain seperti yang ditunjukkan pada gambar 6b dan 6c berikut ini.

Gambar 5. Konstruksi satelit

Gambar 6. Macam-macam diagram rangkaian dasar GPS

Filter HF : Lebar sinyal GPS sekitar 2 MHz. Filter HF mengurangi dampak interferensi. HF Stage dan Sinyal prosesor sebenarnya menampilkan rangkaian khusus GPS.

HF Stage : Menguatkan sinyal GPS untuk selanjutnya dicampur dengan frekuensi dari osilator. Sinyal IF difilter untuk menjaga kestabilan amplitude dan hasil digitalisasi melalui pengatur penguatan amplitude (Amplitude Gain Control / AGC).

Filter IF : Frekuensi menengah difilter keluarannya dengan menggunakan lebar band 2 MHz.

Sinyal prosesor : Membedakan lebih dari 16 sinyal satelit yang berhubungan dengan pengkodean pada waktu yang bersamaan. HF Stage dan sinyal prosesor secara serentak disaklar pada sinyal sinkronisasi. Sinyal prosesor ini memiliki basis waktu (time base) sendiri untuk memastikan semua data yang dipancarkan dan direferensikan sebagai sumber data. Sinyal prosesor dapat dioffset oleh kontroler melalui jalur control untuk difungsikan dalam mode operasi yang bervariasi.

Kontroler : Menggunakan sumber data, mengontrol perhitungan posisi, waktu, kecepatan. Ini mengontrol sinyal prosesor dan relay, harga dihitung dan diperagakan. Informasi penting seperti posisi saat itu dikodekan dan disimpan dalam RAM. Algoritma program dan perhitungan disimpan dalam ROM.

Keyboard : Dengan menggunakan keyboard pengguna dapat memilih menggunakan system koordinat atau parameter (angka dari satelt yang melihat) diperagakan.

Peraga : Posisi hasil perhitungan (longitude, dan ketinggian) harus dapat disediakan untuk pengguna. Ini dapat diperagakan dengan menggunakan seven segmen atau ditunjukkan pada layar diproyeksikan pada peta. Posisi yang telah ditentukan dapat disimpan.

Sumber arus : Power supply memberikan tegangan yang dibutuhkan.

3. Sinyal Satelit

          Berikut ini merupakan informasi navigasi pesan yang ditranmisikan oleh satelit pada kecepatan 50 bit per detik yaitu :

- Waktu satelit dan sinyal sinkronisasi

- Data orbit tepat

- Informasi koeksi waktu untuk menentukan waktu satelit dengan pasti

- Data orbit pendekatan untuk semua satelit

- Sinyal koreksi untuk menghitung waktu pemindahan sinyal

- Data ionosphere

- Informasi keadaan satelit

          Waktu yang diperlukan untuk mengirim semua informasi adalah 12,5 menit dengan menggunakan navigasi pesan, penerima mampu menentukan waktu transmisi dari masing-masing sinyal satelit dan posisi pasti dari transmisi saat itu. Setiap pemancar satelit ditandai secara unik. Tanda tersebut terdiri dari Pseudo Random Noise, Code, PRN dari 1023, zero dan 1 yang muncul secara acak.

Gambar 7. Pseudo random noise (PRN)

B. Segmen Kontrol

          Segmen kontrol (sistem kontrol operasi ) terdiri dari stasiun master kontrol, bertempat di Colorado dengan lima stasiun pemantau menggunakan clock atomic yang tersebar disekitar belahan bumi di dekat katulistiwa dan 3 stasiun kontrol ground yang mengirimkan informasi ke satelit . Tugas utama dari segemen kontrol adalah :

- Mengamati gerakan satelit dan menghitung data orbit (empiris).

- Memantau jam satelit dan meprediksi performansinya

- Menyerempakkan waktu pada papan satelit

- Menyiarkan data orbit akurat yang diterima dari satelit komunkasi

- Menyiarkan data orbit pendekatan dari semua satelit.

- Menyiarkan lebih jauh lagi informasi yang meliputi keadaaan satelit , kesalahan clock.

          Segmen kontrol juga mengatur distorsi tiruan dari sinyal (SA) dalam susunan bertingkat, sistem penentu posisi pemakaian sipil. Tigkat ketelitian sistem dengan sengaja diturunkan untuk alasan politik dan taktik departemen Pertahanan AS. Segmen kontrol melacak satelit GPS, memperbaharui posisi, mengkalibrasi dan menyerempakkan clock yang digunakan. Lebih jauh lagi fungsi penting segmen kontrol adalah menentukan orbit setiap satelit dan memprediksi jalur untuk diikuti selama 24 jam. Informasi ini di “upload” setiap satelit dan sesudah itu dipancarkannya. Ini memungkinkan GPS menerima untuk diketahui dimana setiap satelit dapat diperoleh. Sinyal satelit dibaca pada Ascension, Diedo Garcia dan Kwajalein. Hasil pengukuran kemudian dikirimkan ke Master kontrol di Colorado dimana sinyal ini diolah untuk menentukan adanya kesalahan di setiap satelit. Informasi hasil olahan dikirim kembali untuk 4 stasiun monitor untuk melengkapi dengan ground antenna dan diupload untuk satelit.

Gambar 8. Posisi lokasi segmen kontrol

C. Segmen Pemakai

          Segmen pemakai terdiri dari para penerima GPS, menerima sinyal GPS dan menentukan posisi dan waktu. Aplikasi tipikal segmen pemakai adalah navigasi tanah untuk pejalan kaki, lokasi kendaraan, pengukuran tanah untuk pemetaan, navigasi kapal, navigasi wilayah, kontrol mesin dan sebagainya.

Gambar 9. Bidang implementasi GPS

          Sinyal ditranmisikan oleh satelit untuk mencapai penerima membutuhkan waktu sekitar 67 ms. Sinyal berjalan dengan kecepatan cahaya waktu pemindahan tergantung pada jarak antara satelit dan pemakai. Empat perbedaan sinyal dibangkitkan dalam penerima, keempat sinyal dari keempat satelit diukur perbedaan waktunya ( t ) untuk menentukan waktu perpindahan sinyal.

 

Gambar 10. Sinyal satelit, sinyal receiver dan tanda waktu receiver

          Dalam menentukan posisi pemakai radio komunikasi diperlukan 4 satelit. Jarak ke satelit ditentukan oleh waktu perpindahan sinyal. Receiver menghitung garis lintang, garis bujur, ketinggian anan ( h ) dan waktu ( t ) dari cakupan serta posisi yang diketahui dari empat satelit. Hubungan ini diekspresikan dalam persamaan matematika bahwa 4 variabel yang tidak diketahui ?, h dan t ditentukan dari jarak dan posisi yang telah diketahui dari ke 4 satelit.

Sejarah Perkembangan GPS (Global Positioning Sistem)

A. Pengantar

          Sobat blogger sumpah pemuda merupakan tonggak sejarah bersatunya pemuda-pemuda di seluruh wilayah nusantara 85 tahun yang lalu. Untuk itu penulis juga ingin mengucapkan selamat memperingati hari Sumpah Pemuda. Ada gak ya hubungannya sumpah pemuda dengan pokok bahasan yang akan kita bahas pada pertemuan kali ini. Ternyata ada sobat bolgger yang pertama yaitu sama-sama membicarakan tentang sejarah dan yang kedua untuk menyatukan seluruh wilayah nusantara dalam arti secara pemetaan atau wawasan nusantara kita memerlukan alat yang biasa dikenal dengan nama GPS (global positioning sistem). Itu tadi hanya sekedar pengantar sobat blogger sekarang marilah kita masuk pada pokok materinya  untuk itu ikuti dan simak uraian berikut ini.

          GPS merupakan kependekan dari NAVTAR GPS, yaitu NAVigation Sistem Time Ranging Global Positioning Sistem. Awalnya merupakan proyek percobaan (pilot project) Departemen Pertahanan Amerika Serikat yang ditujukan untuk memandu pasukan perang digurun pasir. Kemudian berkembang untuk navigasi kapal laut dan pesawat udara bahkan kendaraan darat. GPS berguna untuk menentukan koordinat posisi obyek berdasarkan olah data beberapa satelit diukur terhadap titik obyek relatip yang sudah diketahui sehingga dapat ditentukan besarnya latitude, longitude dan ketinggian dari permukaan laut.

          Dalam perkembangannya GPS sekarang ini merupakan gambaran sempurna gabungan antara teknik pengukuran, teknik telekomunikasi dan teknik informatika. Pengukuran jarak didasarkan pada teknik pengukuran refleksi gelombang ranah waktu atau Time Domain Reflectometry (TDR). TDR banyak digunakan untuk pengukuran dalam menentukan letak kerusakan kabel transmisi frekuensi tinggi berdasarkan refleksi gelombang. Pada TDR refleksi gelombang tersebut terjadi karena penghantar yang terhubung singkat atau terbuka. Jarak kerusakan dihitung sama dengan perkalian perjalanan gelombang ketempat kerusakan kabel dengan kecepatan rambat gelombang. Sedang jenis kerusakan penghantar hubung singkat atau terputus dilihat dari bentuk gelombang yang direfleksikan. Sedangkan pada GPS sinyal kembali dikarenakan adanya pemancaran kembali oleh pemancar yang ada di satelit.

          Seiring dengan perkembangan teknologi telekomunikasi dan teknik informatika, informasi telah dikembangkan tidak sekedar dipancarkan kembali namun juga diolah dalam pencitraan yang baik, sehingga posisi obyek dapat ditampilkan pada layar monitor GPS lengkap dengan peta yang mudah dibaca. Teknologi informatika memberi pengaruh pada layanan informasi yang selalu mampu memperbaharui data, sehingga dapat menampilkan obyek dalam peta yang berjalan sesuai kecepatan perjalanan obyek. Interface dibuat menarik, navigasi mudah diikuti, dan informasi lengkap sesuai kebutuhan perjalanan. Oleh karena itu GPS dan mesin tester sebagai pasangan yang populer banyak dijadikan sebagai asesoris mobil mewah yang difungsikan sebagai pemandu perjalanan disamping sebagai alat komunikasi.

Gambar 1. Macam-macam tampilan GPS

B. Sejarah Perkembangan Teknologi GPS

          Matahari dan bintang tidak dapat dilihat bila berawan. Selain itu dengan pengukuran posisi meskipun teliti, posisi tidak dapat ditentukan secara akurat. Setelah perang dunia II, peralatan ini muncul di Departemen Pertahanan Amerika Serikat dan menjadi solusi dari permasalahan posisi ini dengan akurat dan pasti. Beberapa proyek dan eksperimen dilakukan selama 25 tahun termasuk di dalamnya Transit, Timaton, dan Loran. Semua proyek ini diarahkan untuk penemuan secara akurat dan berfungsi.yang dimulai pada tahun 1970. Konsep ini untuk memenuhi pemerintah Amerika Serikat, yang menjanjikan bahwa akan mampu menentukan suatu posisi secara akurat pada titik permukaan bumi, kapanpun dan dalam kondisi bagaimanapun.

          GPS merupakan sistem berbasis satelit yang menggunakan kumpulan dari 24 satelit untuk memberikan pada pemakai posisi yang akurat. Hal ini penting untuk menetapkan titik secara akurat pada tentara yang berada di tengah gurun pasir dengan tingkat akurasi sekitar 15 m. Kapal yang berada di pertahanan pantai, dengan tingkat akurasi sekitar 5 m, sedangkan untuk pengukur tanah dengan akurasi sekitar kurang dari 1 cm. GPS dapat digunakan untuk pengukuran yang akurat pada semua aplikasi, jenis GPS dibedakan dari teknik penerima yang digunakan dan bekerjanya. GPS asli dirancang untuk keperluan militer digunakan kapan saja dipermukaan bumi. Setelah penggunaan GPS yang asli oleh militer, menyusul sipil juga dapat menggunakan GPS hasil penggandaan dan tidak hanya digunakan untuk menentukan posisi personal. Dua pemakai utama yang menggunakan GPS dalam aplikasi sipil yaitu untuk navigasi kapal dan keperluan penelitian. Sekarang aplikasi sudah berkembang sampai navigasi mobil bahkan pada konstruksi mesin otomasi.

Gambar 2. Peralatan GPS

          Dengan  menggunakan GPS dapat menetapkan posisi titik pada permukaan bumi, dua hasl dapat ditentukan dimanapun pada permukaan bumi yaitu : Lokasi secara pasti (garis bujur, garis lintang dan keketinggianan koordinat) secara akurat untuk cakupan dari 20 m sampai mendekati 1 mm (Zogg Jean-Marie : 2001:9). Waktu dapat ditentukan secara akurat (Waktu dan koordinat) dari 60 ns sampai 5 ns. Kecepatan dan arah perjalanan dapat diturunkan dari koordinat sebaik waktu. Koordinat dan waktu ditentukan oleh 28 satelit yang mengorbit di bumi.

Gambar 3. Fungsi dasar GPS

Pengukuran Beda Fasa Menggunakan CRO

          Pengukuran beda fasa dapat dilakukan dengan dua cara yaitu secara langsung dan dengan model lissajous.

A. Pengukuran Beda Fasa Secara Langsung

          Pengukuran beda secara langsung dapat dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut :

1. Lakukan setting-up dan kalibrasi CRO seperti yang telah dijelaskan pada pertemuan sebelumnya

2. Siapkan function generator (AFG) dan pilih pada bentuk sinus
3. Kedua sinyal dihubungkan pada masukan kanal X dan kanal Y

Gambar 1. Pengukuran beda fasa secara langsung

B. Pengukuran Beda Fasa Dengan Model Lissajous

          Pengukuran beda fasa dengan model lissajous dapat dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut :

1. Lakukan setting-up dan kalibrasi CRO

2. Siapkan function generator (AFG), pilih pada bentuk sinus

3. Kedua sinyal dihubungkan pada kedua terminal masukan CRO

4. Dengan saklar pemilih channel ke DUAL lihatlah beda fasa pada layar CRO

5. Untuk melihat pola lissajous atur saklar SWEEP time/divisi pada posisi XY. Tampilan peraga berdasarkan perbandingan dan perbedaan fasa ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 2. Perbandingan frekuensi 1 : 3 beda fasa 90 derajat

Gambar 3. Pola lissajous menampilkan beda fasa sinyal input-output

Rumus yang dipakai untuk mencari sudut beda fasa ( Δ φ ) adalah :

	Φ = arc sin Vo / Vin

 

 Dimana , Vo = Xc / (Rpot + Xc) Vin

                 Xc = 1 / ( 6,28 f C )

Pengukuran Frekuensi Menggunakan CRO

PENGUKURAN FREKUENSI DENGAN MENGGUNKAN

 CATHODE RAY OSCILOSCOPE (CRO)

A. Pengukuran Frekuensi Lansung

          Pengukuran frekuensi langsung dapat dilakukan dengan langkah-langkah seperti berikut :

1. Melakukan setting-up dan kalibrasi CRO dengan prosedur seperti dalam pengukuran tegangan pada pertemuan sebelumnya.

2. Probe dihubungkan dengan keluaran sinyal generator.

3. Frekuensi di atur pada harga yang diinginkan berdasarkan keperluan, sebagai acuan baca penunjukan pada skala sinyal generator.

4. Atur Volt divisi untuk mendapatkan simpangan amplitudo maksimum tidak cacat (terpotong).

5. Time/div diatur untuk mendapatkan lebar sinyal maksimum tidak cacat (terpotong).

6. Lebar sinyal diukur dari sinyal mulai naik sampai kembali naik untuk siklus berikutnya.

Gambar 1. Pengukuran frekuensi langsung

Gambar 2. Rangkaian pengawatan pengukuran frekuensi langsung

B. Pengukuran Frekuensi Model Lissajous

          Pada pengukuran jenis ini diperlukan osiloskop dua kanal dan sinyal yang telah diketahui frekuensinya, pengukuran dapat dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut :

1. Sinyal yang telah diketahui dihubungkan pada kanal yang kita tandai sebagai acuan misalnya pada kanal X.

2. Sinyal yang akan diukur dihubungkan pada kanal yang lain, misalnya kanal Y.

3. Amplitudo diatur untuk mendapatkan amplitudo yang sama besarnya bila penyamaan tidak dapat dicapai dengan pengaturan Volt/div, tombol kalibrasi diatur untuk mencapai kesamaan amplitudo. Kesamaan ini penting supaya diperoleh bentuk lissajous sempurna.

4. Misalnya sebelum di-lissajous-kan kedua sinyal mempunyai amplitudo sama frekuensi berbeda seperti gambar 1 di atas, time/div diatur dipindahkan pada posisi lissajous. Jika sinyal warna hijau adalah masukan X dan merah Y pada layar akan menunjukkan perbandingan seperti gambar 3 berikut.

Gambar 3. Pengukuran frekuensi model lissajous

Pengukuran Tegangan Listrik Menggunakan CRO

PENGUKURAN TEGANGAN LISTRIK DENGAN MENGGUNAKAN 

CATHODE RAY OSCILOSCOPE (CRO)

A. Pengukuran Tegangan DC

          Sebelum pengukuran tegangan DC, lakukan kalibrasi dengan langkah-langkah seperti yang telah diuraikan pada pertemuan sebelumnya (prosedur pengoperasian CRO). Selanjutnya lakukan langkah-langkah sebegai berikut :

1. Posisikan saklar pemilih posisi AC, DC, ground pada posisi  gound, kemudian amati berkas dan atur tepat berimpit dengan sumbu X seperti terlihat pada gambar 1 berikut ini.

Gambar 1. Berkas elektron senter di tengah

2. Hubungkan probe dengan kutub baterei positip ground dengan kutub betere negatip, pindahkan saklar pemilih posisi ke DC sehingga berkas akan berpindah pada posisi keatas. Besarnya lompatan dihitung dengan satuan kolom sehingga harga penunjukan adalah = jumlah kolom loncatan X posisi Volt/div. Bila Volt/div posisi 1 maka harga penunjukan adalah = 6 kolom div x 1Volt/div = 6 Volt DC.

Gambar 2. Loncatan berkas pengukuran tegangan DC

B. Pengukuran Tegangan AC

          Seperti halnya pada pengukuran tegangan DC, sebelum pengukuran tegangan AC, lakukan setting-up dan kalibrasi dengan langkah-langkah seperti yang telah diuraikan pada pertemuan sebelumnya (prosedur pengoperasian CRO). Selanjutnya lakukan langkah-langkah sebegai berikut :

1. Posisikan saklar pemilih pada posisi AC, bila hanya digunakan satu kanal tetapkan ada kanal satu atau kanal dua.

2. Sumber tegangan AC dapat digunakan sinyal generator, yang dihubungkan dengan masukan CRO pengawatan ditunjukkan gambar 3 berikut ini.

Gambar 3. Rangkaian pengukuran dengan sinyal fuction generator

3. Frekuensi sinyal generator di atur pada frekuensi 1 kHz dengan mengatur piringan pada angka sepuluh dan menekan tombol pengali 100 seperti yang ditunjukkan pada gambar 4 di bawah ini.

Gambar 4. Pengaturan frekuensi sinyal function generator

4. Tekan tombol power (tombol merah) untuk mengaktifkan sinyal generator, kemudin amati bentuk gelombang pada layar dan baca harga amplitudonya. 

Gambar 5. Bentuk gelombang V/div kurang besar

Bila amplitudo terlalu besar tidak terbaca penuh, naikkan volt/div pada harga yang lebih besar atau putar tombol berlawanan arah jarum jam

Gambar 6. Bentuk gelombang intensitas terlalu besar

Dan bila gambar terlalu terang, atur intensitasnya sehingga diperoleh gambar yan mudah dibaca, dan intensitas baik seperti terlihat pada gambar 7 berikut ini.

Gambar 7.Bentuk gelombang sinus yang dapat terbaca dengan jelas

5. Cara lain dengan menempatkan time/div pada XY diperoleh peragaan sinyal garis lurus sehingga pembacaan kolom lebin teliti. Saklar time/div diatur dengan memutar ke kanan searah jarum jam. Untuk peragaan seperti ini intensitas jangan terlalu terang dan jangan berlama-lama.

Gambar 8. Bentuk gelombang mode XY

Prosedur Pengoperasian Osciloscop (CRO)

PROSEDUR PENGOPERASIAN CATHODE RAY OSCILOSCOPE (CRO)

          Sobat blogger yang berbahagia, pada kesempatan yang baik ini perkenankanlah penulis mengucapkan selamat hari raya Idul Adha 1434 H kepada seluruh sobat blogger yang merayakannya. Pada pertemuan kali ini penulis akan membahas tentang prosedur penggunaan atau pengoperasian osciloscop (CRO). Untuk mengetahui prosedur pengoperasian osciloscop (CRO) tersebut langsung saja simak uraian berikut ini.

     Cathode Ray Oscilloscope yang lebih dikenal dengan sebutan CRO, atau ada yang menyebut sebagai Osiloskop Sinar Katoda atau Osiloskop saja, merupakan sebuah alat ukur elektronik yang penting bagi teknisi atau montir listrik dan elektronik dalam menyelesaikan pekerjaannya. Manfaatnya adalah untuk mengukur besaran-besaran: tegangan, frekuensi, periode dan beda fasa. Bentuk sinyal listrik juga dapat dilihat dengan CRO. Ada berbagai bentuk sinyal listrik, yaitu sinusoida, segitiga atau triangle, kotak atau square, denyut atau pulse. Berbagai bentuk sinyal listrik tersebut dapat dengan mudah diukur tegangannya, periodenya dan dapat ditentukan berapa frekuensinya. CRO ada dua jenis, jenis 1 kanal dan jenis 2 kanal. Dengan CRO 2 kanal bisa menampilkan 2 signal secara serempak dalam layar, yaitu masuk kanal X dan kanal Y.

A. Spesifikasi CRO

            Sebelum menggunakan CRO lebih baik sobat blogger  mengetahui bagaimanakah spesifikasi CRO yang akan dipakai. Sebagai contoh berikut ini diberikan contoh spesifikasi umum seperti berikut:

1.  Vertical Axis

Sensitivity                              : 10 mV / div ~ 20 V / div ±5%

Attenuator                             : 10 mV / div ~ 20 V / div 1 - 2 - 5 step ( 1 div = 10mm)

Input Impedance                   : 1 M Ohm ± 5%

Input Capacitance                : 22 pF ± 3%

Frequency Response            : DC  :  DC ~ 10MHz (less than –3 dB)

                                                AC  :  2 Hz ~ 10 MHz ( less than – 3dB)

Rising time                            : less than  35 nsec

Overshoot                              : less than  3 % (at 100 kHz square wave )

Maximum input Voltage        : 600 Vp-p or 300 V ( DC + AC peak )

2.  sweep circuit

Sweep system                       : Triggering sweep and auto sweep (free running sweep at  no

                                                   signal time)

Sweep time                           : 1 μs / div ~ 0.5 s / div ± 5% and  EXT H: 1 – 2  – 5 step.

                                                  Fine adjustment in all 18 ranges.

Magnifier                                : 5 times ±10 % ( PULL X 5 MAG)

Linearity                                 : less than 3 %  ( 5μ s / div ~ 0.5 s / div ). Less than 5%   

                                                 ( 1μ s  / div ~ 2 μs / div )

3.  triggering

Source                                   : INT  : vertical input signal

                                                 EXT : EXT TRIG input signal

Sync section                         : NOR : positive and negative.

                                                  TV   : positive and negative

Triggering Voltage               : Amplitude on CRT screen more than 1 div

  EXT … more  than 1 Vp-p

Triggering range                  : INT  :   20 Hz ~ 10 MHz

                                                 EXT :   DC ~ 10 MHz.

4.  horizontal Axis

Operating mode                   : EXT H mode is selected by SWEEP TIME / DIV

Sensitivity                              : 150 mV / div ( within ± 20%) (HOR GAIN MAX)

Frequency response           : DC ~ 1 MHz ( less than  - 3 dB)

Input impedance                  : 100 k Ohm / 35 pF.

Calibrating voltage              : 1 Vp-p ± 5% (50 or 60 Hz square wave)

5.  intensity modulation

Input voltage                         : less than 5 Vp-p (modulation)

Input impedance                  : 10 k Ohm ± 20 %

6. power Source

Power supply voltage          : 100 / 117 / 220 / 240 V ± 10 % 50 Hz or 60 Hz

Power consumption            : 20 W

7.  dimensions and Weight

Width X Height X Depth     : 260 mm X 190 mm X 275 mm or (maximum sizes : 277 mm X 

                                                204 mm X 433 mm )

Weight                                  : 8 kg

8.  accessory 

Probe                                    : PC 21 model. Damping = 1/10 ; input imped = 10 M ohm;

 input capacitance = less than 18 pF.

Fuse                                      : 0.3 A and 0.7 A

B. Fungsi tombol kontrol  pada panel  CRO

            Pada Gambar 1. tampak sebuah CRO dan pandangan panel depan CRO. Adapun fungsi tombol-tombol kontrol  tersebut adalah :

Gambar 1. Tombol dan terminal kontrol panel depan CRO

1. Saklar on / off untuk mengaktifkan CRO dengan memutar tombol searah jarum jam.

2. CRO aktif ditandai dengan lampu indikator menyala.

3. Time/ div untuk mengatur lebar sinyal agar mudah dibaca.

4. Tombol time kalibrasi digunakan saat mengkalibrasi waktu, bila kalibrasi telah dilakukan posisi ini tidak boleh diubah-ubah lagi.

5. Terminal kalibrasi tempat dihubungkan probe pada saat kalibrasi. 

6. Posisi X digunakan untuk menggeser tampilan sinyal dalam peraga ke arah horizontal.

7. Triger digunakan untuk mengatur besarnya picu sedangkan picu negatip atau positip diatur dengan tombol kecil dibawahnya kanan positip kiri negatip.

8. Input ext, adalah tempat memasukkan sinyal dari luar yang dapat difungsikan sebagai time base.

9. Ground tempat disambungkan dengan ground rangkaian yang diukur.

10. Fokus untuk mengatur focus tampilan sinyal pada layar.

11. Posisi Y digunakan untuk mengatur posisi tampilan sinyal yang diukur pada kanal 2 arah vertikal.

12. Input kanal 2 merupakan terminal masukan untuk pengukuran sinyal.

13 Kalibrasi tegangangan perlu diatur pada saat kalibrasi agar tepat pada harga seharusnya. Bila tegangan ini telah tercapai tombol tidak boleh diubah-ubah, karena dapat mempengaruhi ketelitian pengukuran.

14. Mode operasi atau pemilih kanal, digunakan untuk memilih mode operasi hanya menampilkan kanal 1, kanal 2 atau keduanya.

15. Volt/div digunakan untuk mengatur besarnya tampilan amplitudo untuk mempermudah pembacaan dan ketelitian hasil pengukuran. Pengaturan yang baik adalah pengaturan yang menghasilkan tampilan amplitudo terbesar tanpa terpotong.

16. Pemilih AC, DC , ground diatur sesuai dengan besaran yang diukur, untuk pengukuran tegangan batere digunakan DC, pengukuran frekuensi pada posisi AC dan menepatkan posisi berkas pada posisi ground.

17. Terminal masukan kanal 1 sama fungsinya dengan terminal masukan kanal 2, tempat dihubungkannya sinyal yang akan diukur.

18. Posisi Y kanal 1 untuk mengatur tampilan sinyal pada layar kea rah vertikal dari masukan kanal 1.

19. Berkas elektron menunjukkan bentuk sinyal yang diukur, bila garis terlalu tebal dapat ditipiskan dengan mengatur focus, dan bila terlalu terang dapat diatur intensitasnya.

20. Gratikul adalah skala pembacaan sinyal. Sinyal dibaca perkolom gratikual dikalikan posisi divisi. Misal mengukur tegangan amplitudo tingginya 3 skala gratikul akan terbaca 6 volt jika posisi Volt/div pada 2V.

21. Intensitas

C. Setting Up CRO

          Sebelum menggunakan CRO perlu dilakukan persiapan awal atau setting-up procedure. Untuk melakukan setting-up kita perlu memahami dengan benar semua tombol kontrol serta fungsinya,  yang telah diuraikan  pada bagian B di atas. Adapun prosedurnya adalah sebagai berikut :

Gambar 2. Posisi Tombol-Tombol Kontrol Dalam Keadaan CRO Setting-Up.

1. aturlah posisi tombol kontrol seperti pada Gambar .2 di atas

2. Pastikan tegangan kerja yang dipakai di laboratorium. Periksa apakah AC Voltage selector sudah pada posisi yang tepat.

3. kalau sudah tepat maka putar tombol POWER (7) searah putaran jarum jam sampai ON dan LED menyala.

4. Sumbu horizontal akan nampak. Bila tidak nampak pada pusat screen, maka atur position (1). Atur intensity (7). Bila tetap kurang tajam maka atur FOCUS (8).

5. osiloskop sekarang siap dipakai untuk melakukan pengukuran. Pasang tegangan input signal ke input (2). Putar tombol volt / div (4) searah jarum jam untuk mendapatkan ukuran bentuk gelombang yang dikehendaki.

6. dengan menekan tombol LEVEL(12), fungsi free running dicabut, sehingga bentuk gelombang akan hilang bila tombol diputar searah jarum jam, dan akan nampak lagi pada posisi mendekati tengah (MID). Gelombang akan hilang lagi kalau tombol diputar kearah kebalikan jarum jam dari posisi MID.

7. bila komponen signal DC yang diukur, atur tombol AC-GND-DC pada posisi DC. Bila signal positip maka signal akan bergerak naik, dan sebaliknya bila signal negatif maka akan bergerak turun. Titik referensi tegangan “0” diperiksa pada posisi GND. Kalau meleset dari titik NOL maka bentuk signal dapat ditepatkan padaposisi NOL.

D. Kalibrasi CRO

   Sebelum menggunakan CRO pada penggunaan pengukuran harus dilakukan pengkalibrasian terlebih dahulu. Kalibrasi yang dilakukan dengan langkah sebagai berikut: :

1. Kalibrasi tegangan

          Kalibrasi tegangan dilakukan apabila CRO akan dipakai untuk mengukur tegangan signal dari bentuk gelombang tertentu. Langkah kerjanya dilakukan sebagai berikut :

a. siapkan CRO dengan prosedur setting-up seperti di atas.

b. Siapkan probe CRO ( PC-21 atau yang sesuai ) atur perbandingan input pada posisi 1 : 1.

c. Hubungkan probe osiloskop pada terminal kalibrasi dan ground. Model osiloskop yang berbeda ditunjukkan pada gambar 3.

Gambar 3. Rangkaian pengawatan kalibrasi CRO

d. Atur VOLT/DIV Switch pada posisi 1 V / div. Variable Control diputar searah jarum jam penuh sampai posisi CAL dengan frekuensi 1 Khz. Atur Volt/div pada 1 Volt/div, time div diatur pada 1 ms dihasilkan peragaan seperti gambar 4. berikut. Bila penunjukkan tidak satu skala gratikul penuh atur tombol kalibrasi pada Volt/div hingga penunjukkan satu skala penuh. Demikian juga untuk waktu bila lebar tidak satu skala gratikul penuh atur tombol kalibrasi time/div agar tepat satu skala gratikul penuh. Setelah itu tombol kalibrasi jangan diubah-ubah.

Gambar 4. Bentuk gelombang kalibrasi

e. Kaitkan ujung probe ke terminal CAL 1 Vp-p. Dan pada layar akan nampak bentuk signal kotak dengan  tegangan 1 Vp-p. Bila signal tidak berhenti bergerak atur LEVEL control pada posisi PULL Auto Switch sampai signal mudah dibaca.

f. CRO selanjutnya siap dipakai untuk mengukur tegangan, jangan mengubah posisi  Variable Control. Artinya tetap pada posisi CAL.

2.    Kalibrasi waktu

          Untuk  keperluan pengukuran frekuensi dan periode harus dilakukan kalibrasi waktu. Langkah kerjanya adalah sebagai berikut :

a. siapkan CRO seperti pada prosedur setting-up.

b. Siapkan probe CRO ( PC-21 atau yang sesuai ) atur perbandingan input pada posisi 1 : 1.

c. Atur VOLT/DIV Switch pada posisi 1 V / div. Variable Control diputar searah jarum jam penuh sampai posisi CAL.

d. Kaitkan ujung probe ke terminal CAL 1 Vp-p. Dan pada layar akan nampak bentuk signal kotak dengan  tegangan 1 Vp-p. Bila signal tidak berhenti bergerak atur LEVEL control pada posisi PULL Auto Switch sampai signal mudah dibaca.

e. Atur SWEEP TIME / DIV Switch pada posisi 1 ms. Atur Variable Control pada posisi CAL (putar kanan maksimum).

f. Pada layar CRO akan nampak gelombang kotak dengan tinggi tegangan 1 Vp-p. Periodenya adalah 20 ms. Berarti frekuensinya adalah f = 1 / 20 X 1000 Hz = 50 Hz.

g. Selanjutnya CRO siap dipakai untuk mengukur frekuensi atau periode dengan tidak boleh mengubah posisi Variable Control dari SWEEP TIME / DIV  Switch pada posisi CAL.