Laporan Tugas 2 Sistem Mikroprosesor Tahap 1

PERANCANGAN PENGOLAHAN SINYAL DIGITAL BERBASIS MIKROKONTROLER: RANGKAIAN ANALOG INSTRUMENTASI PENGUKUR PULSE OXIMETRY

Theo Gunawan (13215029)

Yoland Nababan (13215053)

EL3014-Sistem Mikroprosesor

Program Studi Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB

Abstrak

Percobaan ini adalah mengenai desain rangkaian analog dalam instrumentasi pengukur pulse oximetry. Pada percobaan ini dibuat sebuah rangkaian analog filter dan input yang dapat berfungsi untuk mengukur pulse oximetry. Rangkaian tersebut dibuat menggunakan LTSpice dan kemudian disimulasikan untuk dilihat keberjalannya.

Kata kunci: Pulse oximetry, rangkaian analog, LTSpice

1.         Pendahuluan

Pulse oxymetry merupakan salah satu instrumentasi yang digunakan di dunia medis. Pulse oximeter dapat digunakan untuk memeriksa saturasi hemoglobin dalam tubuh, dan bekerja dengan mendeteksi jari dan kemudian mengeluarkan sinyal berdasarkan pembacaan jari tersebut. Pada percobaan ini dibahas mengenai desain rangkaian filter implementasi pulse oximeter sederhana.

2.        Studi Pustaka

Implementasi pulse-oxymeter­ sederhana menggunakan tiga buah komponen, yaitu rangkaian preamplifier, low-pass filter, dan final amplifier dengan low-pass filter. Sinyal input berasal dari phototransistor.[1] Rangkaian lengkap dari pulse-oxymeter sederhana adalah sebagai berikut.

 Gambar 2-1 Rangkaian lengkap pulse-oxymeter

3.        Metodologi

3.1                        Komponen dan Alat

Komponen dan alat yang dipakai dalam percobaan ini adalah sebagai berikut.

• Komputer.
• Software LTSpice.

3.2                       Langkah-langkah Percobaan

Langkah-langkah yang dilakukan pada percobaan ini adalah sebagai berikut.

• Menyalakan komputer kemudian membuka software LTSpice.
• Menggunakan LTSpice, membuat rangkaian analog pulse oximetry sesuai dengan gambar 3-1.

Gambar 3-1 Rangkaian filter

Gambar 3-2 Rangkaian input yang berasal dari phototransistor

Gambar 3-3 Rangkaian lengkap pulse-oxymeter

4.        Hasil dan Analisis

Pada percobaan ini akan dirancang sensor Oximeter.  Oleh karena itu akan dihasilkan sinyal output dari rangkaian LED dan phototransistor. Sinyal  tersebut terdiri dari rangkaian sinyal DC dan tegangan sinyal kecil yang berasal dari efek detak jantung yang mengalir di ujung jari. Oleh  karena itu, sinyal informasi yang dibutuhkan adalah sinyal yang berupa sinyal kecil.

Biasanya sinyal ini sangat kecil yang dapat bernilai hingga 2% dari sinyal total. Oleh karena itu, dibutuhkan rangkaian yang berfungsi untuk menyaring sinyal informasi tersebut dan memperbesarnya sehingga dapat diproses oleh mikroprosesor. Untuk merealisasikannya, digunakan rangkaian filter DC berupa kapasitor yang nilainya cukup besar.

Kemudian, sinyal tersebut juga difilter dari sinyal sinyal noise serta sinyal gangguan lainnya. Kisaran sinyal informasi adalah dibawah 5 Hz. Oleh karena itu, frekuensi yang lebih besar dapat dihilangkan agar tidak mengganggu rangkaian.

Salah satu rangkaian tersebut adalah sinyal dengan frekuensi 50-60 Hz yang bersumber dari tegangan jala-jala. Selain itu, sinyal juga terdiri dari noise yang memiliki frekuensi yang beragam. Oleh karena itu, rangkaian filter diatur sedemikian rupa agar nilai cut offnya dapat diubah-ubah. Cara mengubahnya adalah dengan mengunakan resistor variable R13 (pada gambar 3-1) sampai memiliki nilai 150kOhm.

Untuk menghasilkan LPF tersebut, dapat digunakan dengan menggunakan rangkaian filter Butterworth orde 2. Rangkaian yang digunakan adalah rangkaian Sallen-Key seperti pada gambar 4-1 dibawah.

Gambar 4-1 Rangkaian Sallen-Key filter Butterworth

Dari rangkaian tersebut dapat diperoleh nilai frekuensi cut off dari rangkaian filter.

Sedangkan untuk nilai komponennya adalah sebagai berikut,

C = 220nF         ; n = 1

R = 500 Ohm    ; m = 100

Sehingga didapat nilai frekuensi cut off sebesar 144,68 Hz

Nilai R13 pada gambar dapat diubah sedemikian rupa sehingga nilainya adalah 50kOhm. Tujuannya adalah untuk menghasilkan frekuensi cut-off yang lebih rendah dan dapat menghilangkan noise yang lebih besar.

C = 220nF             ; n = 1

R = 50000 Ohm    ; m = 1

Sehingga didapat nilai frekuensi cut off sebesar 14,468 Hz.

Untuk frekuensi transfernya adalah sebagai berikut

Gambar 4-2 Rangkaian input untuk R13 = 50 Ohm

Gambar 4-3 Fungsi transfer untuk R13 = 50 Ohm

Gambar 4-4 Rangkaian input dengan R13 = 500 Ohm

Gambar 4-5 Fungsi transfer untuk R13 = 500 Ohm

Kemudian diberikan rangkaian untuk menghilangkan komponen DC. Yaitu menggunakan kapasitor dengan nilai 1mF seperti pada gambar di bawah.

Gambar 4-6 Rangkaian input setelah ditambah kapasitor

Gambar 4-7 Fungsi transfer setelah ditambah kapasitor

Dapat diamati bahwa nilai pada frekuensi rendah menjadi diperkecil. Kemudian dilanjutkan dengan melakukan penguatan pada rangkaian. Penguatan yang dilakukan harus cukup besar karena dapat diamati pada gambar diatas, nilai penguatan pada frekuensi 1 Hz bernilai 1 kali. Oleh karena itu, dilakukan penguatan sebesar 20 kali atau 26dB. Rangkaian yang digunakan adalah rangkaian pada gambar di bawah dan menghasilkan fungsi transfer pada gambar di bawah.

 

Gambar 4-8 Rangkaian penguat 20 kali

Gambar 4-9 Fungsi transfer setelah diberi penguat

Setelah mendapat fungsi transfer tersebut, kita dapat menyimpulkan bahwa rangkaian filter sudah berhasil diterapkan. Namun rangkaian ini, belum diuji untuk melihat apakah sinyal tersebut dapat digunakan pada penerapannya nanti. Pengujian dilakukan pada 2 frekuensi input, yaitu 100 Hz dan 2 Hz. Input yang digunakan merupakan input sinyal 9 DC + 0.12 V AC. Nilai tegangan AC akan mewakili nilai tegangan sinyal kecil yang menjadi sinyal informasi.

Kemudian hasil pengujiannya dapat dilihat pada gambar dibawah ini (hijau = output; merah = input).

Gambar 4-10 Hasil uji coba untuk frekuensi = 2 Hz dan R13 = 500 Ohm

Gambar 4-11 Hasil uji coba untuk frekuensi = 100 Hz dan R13 = 500 Ohm

Dapat diamati pada gambar di bawah, sinyal output (hijau) tidak cukup besar, namun nilai DC nya sudah difilter. Nilai penguatan yang kecil ini diakibatkan karena nilai penguatan pada frekuensi 100Hz semakin kecil, sesuai dengan gambar respons frekuensinya.

Simulasi tersebut merupakan simulasi yang cukup ideal karena tidak memiliki sinyal noise. Untuk membuat simulasi semakin mirip dengan kenyataan, maka akan ditambahkan sinyal noise seperti pada gambar di bawah ini.

Gambar 4-12 Sinyal ideal (biru) dan sinyal noise (hijau) untuk frekuensi input sebesar 100 Hz

Penggabungan sinyal noise dengan sinyal informasi dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Gambar 4-13 Penggabungan sinyal noise dengan sinyal informasi

Gambar 4-14 Sinyal output (hijau) dan sinyal input (biru) dengan frekuensi input sebesar 100Hz

Gambar 4-15 Sinyal input dan noise untuk frekuensi sebesar 2 Hz

Gambar 4-16 Gabungan sinyal input dan noise untuk f = 2 Hz

Kemudian sinyal tersebut dilewatkan pada rangkaian filter sehingga menghasilkan sinyal sebagai berikut untuk frekuensi input 2 Hz(hijau = input, biru = output)

 Gambar 4-17 Sinyal setelah melewati filter

Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa hasil yang didapatkan sudah sesuai dengan sinyal output yang diinginkan dan sudah siap diterapkan pada bagian pengolahan sinyal.

5.        Kesimpulan

Dari hasil percobaan ini dapat disimpulkan:

• Rangkaian analog pulse oximeter telah didesain dan diimplementasikan dengan baik.

Daftar Pustaka

[1]            Ihsan Hariadi, Percobaan Awal Instrumen Pulse-Oxymeter Sederhana – versi 0.0, https://www.youtube.com/watch?v=hD5Phpbus1o, diakses 27 Maret 2018.