Sinyal Analog dan Digital

Instrumentasi adalah bidang studi dan pekerjaan yang berpusat pada pengukuran dan pengendalian proses fisik. Proses fisik ini meliputi tekanan, suhu, laju aliran, dan konsistensi kimia. Instrumen adalah perangkat yang mengukur dan/atau bertindak untuk mengontrol segala jenis proses fisik. Karena fakta bahwa kuantitas listrik tegangan dan arus mudah diukur, dimanipulasi, dan ditransmisikan dalam jarak jauh, mereka banyak digunakan untuk mewakili variabel fisik tersebut dan mengirimkan informasi ke lokasi terpencil.

Sebuah sinyal adalah segala jenis kuantitas fisik yang menyampaikan informasi. Pidato yang dapat didengar tentu saja merupakan semacam sinyal, karena menyampaikan pikiran (informasi) dari satu orang ke orang lain melalui media fisik suara. Gerakan tangan juga merupakan sinyal, menyampaikan informasi melalui cahaya.

Teks ini adalah jenis sinyal lain, yang ditafsirkan oleh pikiran Anda yang terlatih dalam bahasa Inggris sebagai informasi tentang sirkuit listrik. Dalam bab ini, kata sinyal akan digunakan terutama mengacu pada kuantitas listrik tegangan atau arus yang digunakan untuk mewakili atau menandakan beberapa kuantitas fisik lainnya.

Analog vs. Digital

Sebuah analog sinyal adalah jenis sinyal yang terus menerus berubah-ubah, berlawanan dengan jumlah langkah yang terbatas di sepanjang jangkauannya (disebut digital ). Contoh analog vs. digital yang terkenal adalah jam:analog adalah tipe dengan penunjuk yang berputar perlahan di sekitar skala melingkar, dan digital adalah tipe dengan tampilan angka desimal atau "jarum kedua" yang menyentak alih-alih mulus berputar.

Jam analog tidak memiliki batasan fisik seberapa halus ia dapat menampilkan waktu, karena "jarumnya" bergerak dengan mulus tanpa jeda. Jam digital, di sisi lain, tidak dapat menyampaikan satuan waktu apa pun yang lebih kecil dari yang diizinkan oleh tampilannya. Jenis jam dengan “jarum detik” yang menyentak dalam interval 1 detik adalah perangkat digital dengan resolusi minimum dari satu detik.

Baik sinyal analog maupun digital menemukan aplikasinya dalam elektronik modern, dan perbedaan antara dua bentuk dasar informasi ini adalah sesuatu yang akan dibahas secara lebih rinci nanti dalam buku ini. Untuk saat ini, saya akan membatasi ruang lingkup diskusi ini pada sinyal analog, karena sistem yang menggunakannya cenderung memiliki desain yang lebih sederhana.

Untuk ikhtisar paling dasar dari subjek ini, lihat tutorial video tentang elektronik analog dan digital ini.

Dengan banyak kuantitas fisik, terutama listrik, variabilitas analog mudah didapat. Jika besaran fisis tersebut digunakan sebagai media sinyal, ia akan mampu merepresentasikan variasi informasi dengan resolusi yang hampir tidak terbatas.

Sistem Instrumentasi Industri

Pada hari-hari awal instrumentasi industri, udara terkompresi digunakan sebagai media sinyal untuk menyampaikan informasi dari instrumen pengukuran ke perangkat penunjuk dan pengontrol yang terletak dari jarak jauh. Jumlah tekanan udara sesuai dengan besarnya variabel apa pun yang diukur. Udara bersih dan kering pada kira-kira 20 pon per inci persegi (PSI) disuplai dari kompresor udara melalui pipa ke instrumen pengukur dan kemudian diatur oleh instrumen tersebut sesuai dengan kuantitas yang diukur untuk menghasilkan sinyal keluaran yang sesuai.

Misalnya, perangkat "pemancar" tingkat pneumatik (sinyal udara) yang dipasang untuk mengukur ketinggian air ("variabel proses") di tangki penyimpanan akan mengeluarkan tekanan udara rendah saat tangki kosong, tekanan sedang saat tangki sebagian penuh, dan tekanan tinggi saat tangki benar-benar penuh.

"Indikator ketinggian air" (LI) tidak lebih dari pengukur tekanan yang mengukur tekanan udara di jalur sinyal pneumatik. Tekanan udara ini, menjadi sinyal , pada gilirannya, merupakan representasi dari ketinggian air di dalam tangki. Setiap variasi level dalam tangki dapat diwakili oleh variasi yang sesuai dalam tekanan sinyal pneumatik.

Selain dari batas praktis tertentu yang ditentukan oleh mekanisme perangkat tekanan udara, sinyal pneumatik ini sangat bervariasi, mampu mewakili tingkat perubahan apa pun di permukaan air dan, oleh karena itu, analog dalam arti kata yang sebenarnya.

Meskipun kelihatannya sederhana, sistem pensinyalan pneumatik semacam ini membentuk tulang punggung dari banyak sistem pengukuran dan kontrol industri di seluruh dunia, dan masih digunakan hingga sekarang karena kesederhanaan, keamanan, dan keandalannya. Sinyal tekanan udara mudah ditransmisikan melalui tabung murah, mudah diukur (dengan pengukur tekanan mekanis), dan mudah dimanipulasi oleh perangkat mekanis menggunakan bellow, diafragma, katup, dan perangkat pneumatik lainnya. Sinyal tekanan udara tidak hanya berguna untuk mengukur proses fisik, tetapi untuk mengendalikan mereka juga.

Dengan piston atau diafragma yang cukup besar, sinyal tekanan udara yang kecil dapat digunakan untuk menghasilkan gaya mekanis yang besar, yang dapat digunakan untuk menggerakkan katup atau alat pengontrol lainnya. Sistem kontrol otomatis lengkap telah dibuat menggunakan tekanan udara sebagai media sinyal. Mereka sederhana, dapat diandalkan, dan relatif mudah dimengerti. Namun, batasan praktis untuk akurasi sinyal tekanan udara bisa jadi terlalu membatasi dalam beberapa kasus, terutama saat udara terkompresi tidak bersih dan kering, dan jika ada kemungkinan kebocoran pipa.

Dengan munculnya amplifier elektronik solid-state dan kemajuan teknologi lainnya, jumlah tegangan dan arus listrik menjadi praktis untuk digunakan sebagai media sinyal instrumen analog. Alih-alih menggunakan sinyal tekanan pneumatik untuk menyampaikan informasi tentang kepenuhan tangki penyimpanan air, sinyal listrik dapat menyampaikan informasi yang sama melalui kabel tipis (bukan tabung) dan tidak memerlukan dukungan peralatan mahal seperti kompresor udara untuk beroperasi:

Sinyal elektronik analog masih merupakan jenis sinyal utama yang digunakan di dunia instrumentasi saat ini (Januari 2001), tetapi sinyal ini memberi jalan kepada mode komunikasi digital dalam banyak aplikasi (lebih lanjut tentang itu nanti). Terlepas dari perubahan teknologi, selalu baik untuk memiliki pemahaman menyeluruh tentang prinsip-prinsip dasar, sehingga informasi berikut tidak akan pernah benar-benar usang.

Langsung Nol

Salah satu konsep penting yang diterapkan di banyak sistem sinyal instrumentasi analog adalah konsep "nol hidup", cara standar untuk menskalakan sinyal sehingga indikasi 0 persen dapat dibedakan dari status sistem "mati". Ambil sistem sinyal pneumatik sebagai contoh:jika rentang tekanan sinyal untuk pemancar dan indikator dirancang menjadi 0 hingga 12 PSI, dengan 0 PSI mewakili 0 persen pengukuran proses dan 12 PSI mewakili 100 persen, sinyal yang diterima sebesar 0 persen dapat menjadi pembacaan yang sah dari pengukuran 0 persen atau itu bisa berarti bahwa sistem tidak berfungsi (kompresor udara berhenti, tabung rusak, pemancar tidak berfungsi, dll.). Dengan titik 0 persen yang diwakili oleh 0 PSI, tidak akan ada cara mudah untuk membedakan satu dari yang lain.

Namun, jika kita menskalakan instrumen (pemancar dan indikator) untuk menggunakan skala 3 hingga 15 PSI, dengan 3 PSI mewakili 0 persen dan 15 PSI mewakili 100 persen, segala jenis kerusakan yang mengakibatkan tekanan udara nol pada indikator akan menghasilkan pembacaan -25 persen (0 PSI), yang jelas merupakan nilai yang salah. Orang yang melihat indikator tersebut kemudian dapat segera mengetahui bahwa ada sesuatu yang salah.

Tidak semua standar sinyal telah disiapkan dengan baseline nol hidup, tetapi standar sinyal yang lebih kuat (3-15 PSI, 4-20 mA), dan untuk alasan yang baik.

TINJAUAN:

• Sebuah sinyal adalah segala jenis kuantitas yang dapat dideteksi yang digunakan untuk menyampaikan informasi.
• Sebuah analog sinyal adalah sinyal yang dapat terus menerus, atau tak terbatas, bervariasi untuk mewakili sejumlah kecil perubahan.
• Pneumatik , atau tekanan udara, sinyal dulunya umum dalam sistem sinyal instrumentasi industri. Ini sebagian besar telah digantikan oleh sinyal listrik analog seperti tegangan dan arus.
• Sebuah nol hidup mengacu pada skala sinyal analog yang menggunakan kuantitas bukan nol untuk mewakili 0 persen pengukuran dunia nyata sehingga setiap kerusakan sistem yang mengakibatkan keadaan "istirahat" alami dari tekanan sinyal nol, tegangan, atau arus dapat segera dikenali.