EMM 3412

Penyesuaian Isyarat

(Signal Conditioning)

• Definasi: Operasi yang dijalankan keatas

sesuatu isyarat untuk menukarkan dalam

bentuk yang sesuai diterima oleh unit

paparan (display unit) atau sistem kawalan

(control system)

• Contoh : Sel Beban (load cell)

• Lazimnya magnitud isyarat daripada

transduser adalah kecil (sbg contoh ;mikro

volt) sedangkan julat paparan atau sistem

kawalan adalah besar (Volt).

• Amplifier diperlukan untuk PENYESUAIAN

ISYARAT

• Jenis penyesuaian isyarat yang lazim;

a) Litar penguat/penurun (amplifier/attenuator)

b) Litar penapis (filter circuit)

c) Litar pembandingan isyarat (comparator)

d) Litar penimbal (buffer)

e) Litar peka arus dan litar peka voltan

f) Litar titi (bridge circuit)

g) Litar antara muka transduser (transducer interface circuit)

h) Penukar analog/digital dan digital/analog (AD and DA convertor

i) Litar instrumentasi

Penguat (Amplifier)

-menguatkan atau membesarkan isyarat

yang keluar dari transduser tanpa

mengubahkan sifat asli isyarat tersebut.

-Juga boleh berfungsi sebagai penapis

(filter),pembeza (differential),penimbal

(buffer) bergantung kepada parameter

sistem instrumentasi

output EMF besarInput EMF kecil

Amplifier

-Rajah menunjukkan isyarat elektrik AC yang

dikuatkan.

Contoh lain: Load Cell – amplifier - Gagescope

Several general types of signal

conditioning1. Signal level and bias changes

> Involves adjusting the level (magnitude)

and bias (zero value) of some voltage

2. Linearization

> Provides an output that varies linearly with

some variable even if the sensor output

does not ( through logarithmic circuit or

software)

3. Conversions

i) Circuits can be used to converts the

resistance change to a voltage/current

ii) Signal transmission ( V to I , I to V)

iii) Digital interface ( use ADC/DAC)

4. Filtering & Impedance Matching

i) Filtering > High-pass, Low-pass, or notch filters

are used to eliminated unwanted signals from

the process control loop

> Can be accomplished by passive filters (

resistors, capacitors & inductors) or active

filters ( gain & feedback)

5. Concept of loading

The loading of one circuit by another is

important

Loading occurs when something is

connected to an open circuit

The output voltage of the element drops to

some value Vy<Vx

Circuit that used for signal

conditioning > Passive Circuit• Bridge and divider circuits are two passive

techniques that have been extensively

used for signal conditioning.

• Example..

Litar Titi (Bridge)

Digunakan untuk menukar perubahan

galangan kepada perubahan voltan.

Kebaikan- boleh direka untuk mengeluarkan

voltan yang berubah pada nilai sifar

Litar yang lazim : Titi arus terus (dc)

Wheatstone

Daripada rajah dibawah

Pengesan voltan digunakan untuk mengukur perbezaan voltan diantara titika dan b.Pengesanan ini mempunyai galangan yang tinggi

Jika galangan infini, Dimana Va =voltan di a berbanding dgn c, Vb ialah voltan di b berbanding dengan c.

c

Nilai Va dan Vb ialah

Digabungkan persamaan berikut;

∆ V akan menjadi sifar apabila

Jadi

Litar Titi (samb)

Jika berlaku perubahan pada satu resistor,

ini akan menyebabkan ofset iaitu delta V

tidak sifar.

Katakan R3 berubah sebanyak ∆R3 maka

persamaan

Boleh dihuraikan menjadi

Jika R1=R2=R3=R maka

Menunjukkan hubungan keluaran titi dengan

semua rintangan lengan yg sama

terhadap perubahan rintangan satu lengan

Operational Amplifier

-komponen elektrik yg biasa digunakan

sebagai penguat

-selalunya terdiri daripada perintang,diod

dan kapasitan.

-simbol Umum Op-Amp

Operational Amplifier 741

-berfungsi membesarkan perbezaan voltan

diantara 2 masukan. Juga dikenali sebagai

penguat kebezaan (differential amplifier)

-Simbol op-amp ini boleh ditunjukkan pada

rajah (a) dan cirinya (b)

Rajah (b) menunjukkan diantara 2 voltan masukan dan terbitan voltan

keluaran. (V2-V1) ialah kebezaan voltan masukan.

Jika V2 >V1 maka (V2-V1) > 0, jadi keluaran akan mengalami ketepuan

dgn sedikit voltan negatif, -Vsat

Jika V1>V2 maka (V2-V1) < 0, jadi keluaran akan mengalami ketepuan

dgn sedikit voltan positif, +Vsat

Ref:080114HKN Operational Amplifier 20

Op-Amp Properties(1) Infinite Open Loop gain

- The gain without feedback

- Equal to differential gain

- Zero common-mode gain

- Pratically, Gd = 20,000 to 200,000

(2) Infinite Input impedance

- Input current ii ~0A

- T- in high-grade op-amp

- m-A input current in low-grade op-amp

(3) Zero Output Impedance

- act as perfect internal voltage source

- No internal resistance

- Output impedance in series with load

- Reducing output voltage to the load

- Practically, Rout ~ 20-100

+V1

V2

Vo

+Vo

i1~0

i2~0

+

Rout

Vo'Rload

outload

load

oloadRR

RVV

Galangan kemasukan (input impedance)

-galangan yang dilihat oleh litar bekalan

voltan yang masuk ke op-amp.

Jika galangan masukan tinggi, bekalan

voltan hanya perlu bekal arus kecil ke

terminal masukan.

Simbol : Z

Galangan Keluaran (Output Impedance)

-ialah galangan yang dilihat oleh litar

keluaran op-amp.

Ref:080114HKN Operational Amplifier 22

Common-Mode Operation

+

Vo

Vi ~

• Same voltage source is applied

at both terminals

• Ideally, two input are equally

amplified

• Output voltage is ideally zero

due to differential voltage is

zero

• Practically, a small output

signal can still be measured Note for differential circuits:

Opposite inputs : highly

amplified

Common inputs : slightly

amplified

Common-Mode Rejection

4. Nisbah Penolakan Ragam Sepunya atau Common Mode Rejection Ratio (CMRR)

CMRR ialah kebolehan op –amp menangkis isyarat ragam sepunya (common mode) spt voltan riak (ripple voltage) yang berpunya daripada bekalan voltan dan gangguan dari motor elektrik dan kebisingan.

Unit dalam dB (decibel)

Contoh:

Nilai CMRR op-amp 741 ialah 90dB atau pada nisbah 30,000 kepada 1.

-Maksud: isyarat masukan kebezaan akan mempunyai nilai output (keluaran) 30,000 kali lebih besar dari masukan ragam sepunya

Ref:080114HKN Operational Amplifier 24

Common-Mode Rejection Ratio

(CMRR)Differential voltage input :

VVVd

Common voltage input :

)(2

1VVVc

Output voltage :

ccddo VGVGV

Gd : Differential gain

Gc : Common mode gain

)dB(log20CMRR 10

c

d

c

d

G

G

G

G

Common-mode rejection ratio:

Note:

When Gd >> Gc or CMRR

Vo = GdVd

+Noninverting Input

Inverting Input

Output

Rumus CMRR , dimana Gc ialah gandaan

sepunya

cG

GCMRR log20

Atau boleh juga dinilaikan dalam unit decibel:

Def. Gandaan (Gain)

gain is a measure of the ability of a circuit to increase the amplitude

or power of a signal.

It is usually defined as the mean ratio of the signal output of a system

to the signal input of the same system.

Contoh:

5. Offset sifar

Menukar kpd nilai sifar ketika melakukan

penyesuaian isyarat. Contoh ketika

keluaran penderia adalah 0.2V, tolakkan

nilai 0.2 daripada bacaan cerapan.

6. Kadar slu (slew) tinggi

-kadar yg menunjukkan berapa cepat voltan

keluaran berubah dlm volt per mikrosaat.

Contoh kadar slu op-amp = 0.5V/mikrosaat.

Jika kadar perubahan isyarat masukan

adalah lebih cepat dari kadar slu, isyarat

keluaran akan terherot dan menjejaskan

bacaan isyarat.

Slew Rate

• Maximum rate of change of output

voltage (when typically a step voltage is

given at the input terminal)

Step

Input

Vout

t

dVout / dt

Slew Rate (cont…)

• Slew rate is caused by the finite response

time of the circuit elements of an op amp

• It limits the highest possible frequency of

operation

Vin

Vout

Expected

Voltage

t

• Slew Rate (SR):

– Change of maximum rate of output voltage with time.

• For sinusoidal, if Vout = Vo sin ωt, where ω = 2 π f, rate of

output voltage is

– dVout/dt = ω Vo cos ωt

– The maximum attained when cost ωt=1, so dVout/dt = ω Vo= 2 π f Vo

7. Hanyut (Drift) sifar

-voltan keluaran tidak berubah dgn

perubahan suhu dan sebagainya

-juga dikenali sebagai perubahan secara

beransur-ansur sehingga kekal didalam

sesuatu rintangan dalam titi dan litar yang

berkaitan dengan terikan

Ref:080114HKN Operational Amplifier 34

8. Frequency-Gain Relation

• Ideally, signals are amplified

from DC to the highest AC

frequency

• Practically, bandwidth is

limited

• 741 family op-amp have an

limit bandwidth of few KHz.

• Unity Gain frequency f1: the gain at

unity

• Cutoff frequency fc: the gain drop

by 3dB from dc gain Gd

(Voltage Gain)

(frequency)

f1

Gd

0.707Gd

fc0

1

GB ( Gain Bandwidth) Product : f1 = Gd fc

20log(0.707)=3dB

Ref:080114HKN Operational Amplifier 35

GB ProductExample: Determine the cutoff frequency of an op-amp having a unit gain

frequency f1 = 10 MHz and voltage differential gain Gd = 20V/mV

Sol:

Since f1 = 10 MHz

By using GB production equation

f1 = Gd fc

fc = f1 / Gd = 10 MHz / 20 V/mV

= 10 106 / 20 103

= 500 Hz

(Voltage Gain)

(frequency)

f1

Gd

0.707Gd

fc0

1

10MHz

? Hz

Ref:080114HKN Operational Amplifier 36

GB ProductExample: Determine the cutoff frequency of an op-amp having a unit gain

frequency f1 = 10 MHz and voltage differential gain Gd = 20V/mV

Sol:

Since f1 = 10 MHz

By using GB production equation

f1 = Gd fc

fc = f1 / Gd = 10 MHz / 20 V/mV

= 10 106 / 20 103

= 500 Hz

(Voltage Gain)

(frequency)

f1

Gd

0.707Gd

fc0

1

10MHz

? Hz

Ref:080114HKN Operational Amplifier 37

Ideal Vs Practical Op-Amp

Ideal Practical

Open Loop gain A 105

Bandwidth BW 10-100Hz

Input Impedance Zin >1M

Output Impedance Zout 0 10-100

Output Voltage VoutDepends only

on Vd = (V+ V )

Differential

mode signal

Depends slightly

on average input

Vc = (V++V )/2

Common-Mode

signal

CMRR 10-100dB

+

~

AVin

Vin Vout

Zout=0

Ideal op-amp

+

AVin

Vin Vout

Zout

~

Zin

Practical op-amp

Litar Penggunaan Op-Amp1. Amplifier

2. Differential amplifier

3. Non inverting amplifier

4. Inverting amplifier

5. Active filter

Low pass

High Pass

Band Pass

6.Comparator

7. Voltage follower

8. I to V / V to I converter

1. Amplifier ; Gandaan Op-AmpKatakan I1 = arus perintang R1

I2 atau If = arus perintang R2

Is= arus titik keseluruhan

Dengan mengganggapkan voltan pada titik keseluruhan (summing point adalah sifar)

I1 + If = Is

Apabila Is = 0

Disebabkan oleh

gandaan infiniti op-amp

I1+ If = 0

Rumus : V=IR

Litar ini akan menjadi penguat terbalik

(inverting amplifier) dengan gandaan

R2/R1 dimana ia telah dianjakan pada fasa

180o daripada masukan (input).

Litar ini boleh dijadikan sebagai pengecil

(attenuator) jika R2< R1

2. Differential amplifier

Litar penguat kebezaan (differential Amp)

- Digunakan apb hendak mengambil

perbezaan nilai diantara 2 isyarat

masukan dan digandakan dengan nilai

pemalar/tertentu

Gandaan nilai litar ini boleh diubah dgn memilih

nilai R1,R2,R3 dan Rf.

Katakan;

Arus I1 melalui R1

I2 melalui R2

I3 melalui R3

If melalui R4

Gandaan voltan kedua-dua masukan mestilah

sama untuk menghasilkan kesan kebezaan.

Oleh itu nilai Rf = R3 dan nilai R1=R2

Oleh kerana litar ini lelurus; voltan keluaran

Vout = Vouty+Voutx

Voutx boleh diperolehi dgn menganggap Vy

dibumikan spt litar dibawah

Vy

Dengan merujuk pada Rajah 3.6 litar ini mempunyai kesan sama

Maka,

Vouty pula boleh diperolehi dgn menggangapkan Vx

dibumikan

Maka

Voltan yg melintangi R2 ialah Vy dan R3 ialah Vouty

Maka:

Jadi

Maka

Dengan anggapan gandaan untuk op-amp untuk

litar ini adalah sama

2

3

1 R

R

R

R f

Contoh

Penyelesaian:

3. Penguat Tak Terbalik (Non Inverting Amplifier)

Boleh diperolehi dengan menggunakan litar spt dibawah.

Gandaan litar boleh diperolehi dengan menjumlah arus

dititik sambungan s.

Disini (titik sambungan s), voltan ialah Vin supaya tidak

ada perbezaan voltan antara terminal

Maka

Oleh itu;

4. The inverting Amplifier

• Input signal is applied to the inverting (-) input

• Output is out of phase by 180o with respect to the input.

• The behaviors: Vout/R2=-Vin/R1

Vout/Vin=-R2/R1

Sensor filtering

Filters and Signals: What Does a Filter Do?

• A filter is a device (often an electric circuit) that

shapes or modifies the frequency content

(spectrum) of a signal or waveform.

• Filters are often used in electronic systems to

emphasize signals in certain frequency ranges

and reject signals in other frequency

ranges/decrease the amplitude .

• Filters can be built either using simple RC or op

amp (active filter)

Sensor filtering

Filters and Signals: What Does a Filter Do?

Signal with noise

Signal with noise removed

FILTERSignal + Noise Signal

Effect of filtering on a noisy signal

Sensor filtering

• Elimination / reduction of noise : electromagnetic (EM),

mains, vibrations, etc.

• Detection of particular signal frequencies

5.1 Low pass filter

5.2 High pass filter

5.3 Band pass filterGain

frequency, f

fc2

Gain

frequency, ffc1

fc2

frequency, f

Gain

fc1

fc = cut-off frequency

5.1 Low pass filter

• A low pass filter is a device (typically a circuit) offering very little attenuation to low-frequency content (low-frequency spectrum) of signals, while significantly attenuating (blocking) the high frequency content of those signals.

• A filter designed to pass all frequency below a given cut-off frequency

• Approximate low frequency with 0 and high frequency with - at low frequency, gain = 1, &

- at high frequency, gain = 0

Vo

R

CVi

- 3dB

fcf

Av(dB)

fc2

Am

0.707Am

Low pass filter

Noise is a high-frequency waveform

Low-pass filter will only allow low-

frequency signal to pass through

the network

Low pass filter design

x(t)

-

+

y(t)

-

+

Low-pass Filter

RCc

1

Vi(t) Vo(t)

(dB) decibalin i

o

V

V

Low pass filter

Vo

R

CVi

io VRCj1

1V

2i

o

)RC(1

1

V

Vgain

)RC2/(1fcAt cut-off frequency ZR= Zc. Therefore

CjZc

1

Cut off frequency is where the gain = 1/ 2 ( ~ 3 dB)

Rc

c

i

o

ZZ

Z

V

V

5.2 High pass filter

• A high pass filter is device (usually a circuit) that significantly attenuates the low-frequency content of a signal while passing the high-frequency content with minimal attenuation.

• A filter designed to pass all frequency above a given cut-off frequency

• High-pass filters invert the frequency characteristics of low-pass filters

• Approximate low frequency with 0 and high frequency with

- at low frequency, gain = 0, &

- at high frequency, gain = 1

VoR

C

Vi

- 3dB

fc f

Av(dB)

fc1

0.707Am

Am

High pass filter

x(t)

-

+

y(t)

-

+

High-pass Filter

RCc

1

Vi(t) Vo(t)

(dB) decibalin i

o

V

V

High pass filter

VoR

C

Vi

io VRCj1

RCjV

2i

o

)RC(1

RC

V

Vgain

Cut off frequency is where the gain = 1/ 2 ( = 3 dB)

)RC2/(1fcAt cut-off frequency ZR= Zc. Therefore

Effect on filtering the high

frequency signal

Noise is a high frequency signal

Only noise is allowed to pass through

the high pass signal

FiltersLP HP

)( i

Rc

c

o VZZ

ZV

Rc

c

i

o

ZZ

Z

V

V

RCj

Cj

1

1

Cj

RCj

Cj

1

1

RCj1

1

21

1

RCV

V

i

o

)( i

Rc

Ro V

ZZ

ZV

Rc

R

i

o

ZZ

Z

V

V

RCj

R

1

Cj

RCj

R

1

21 RC

RC

V

V

i

o

RCj

RCj

1 RCj

RCj

1

0

2

22

1

)(0

RC

RC

V

V

i

o

5.3 Band pass filter

• Designed to pass all frequency that fall between fc1 and

fc2

• High pass filter followed by Low pass filter

• Gain :

R1

C1

Vi Vo

R2

C2

2

2211

12

1

2

1cc f

CRCRf,

)CR(1

1

)CR(1

CR

V

V2

22

2

11

11

i

o

Band pass filter

- 3dB

fc1 f

Av(dB)

fc2

HP LP

Band Pass Filters

Cut off frequency

fc1 = 10 Hz

fc2 = 100 Hz

- 3dB

fc1 f

Av(dB)

fc2

HP LP

10 Hz 100 Hz

After passing the High Pass filter

After passing the Low Pass filter

Contoh:

6. Litar pembanding (Comparator)

Digunakan untuk perbandingan 2 jenis isyarat

Litar ini tidak menggunakan perintang suap balik

dan beroperasi dalam mod gelung buka (open

loop).

Jika V2>V1 isyarat keluaran adalah positif dan

negatif sebaliknya.

7. Litar Penimbal (buffer) atau pengikut voltan (voltage follower)

Isyarat disambungkan ke terminal terbalik (+), maka isyarat keluaran adalah pada fasa sama dgn masukan (pengikut voltan)

Isyarat keluaran disambungkan ke terminal terbalik dan akan menghasilkan gandaan satu

Jadi

Disebabkan isyarat keluaran disuap balik,

litar ini menpunyai galangan keluaran yg

sangat rendah.

Litar ini berfungsi bagi mencegah kesan

bebanan (loading effect)

8. Penukaran Voltan ke Arus (Voltage to

Current Converter)

Dalam proses kawalan (control system),

isyarat dihantar sebagai arus, 4-20mA dan

perlu ditukar kepada voltan.

Perhubungan arus keluaran dengan voltan

masukan

Arus melalui perintang R ialah I out,maka

Penukar Voltan ke Arus

Arus melalui perintang R ialah I dan voltan

yg melintangi ialah Vout maka

Dgn syarat tidah melebihi

Voltan ketepuan op amp