Frekuensi Meter

Frekuensi Meter

Frekuensi meter adalah meter yang digunakan untuk mengukurbanyaknya pengulangan gerakan periodik perdetik. Gerakan periodik seperti detak jantung, ayunan bandul jam. Ada dua jenis frekuensi meter analog dan digital. Frekuensi meter analog merupakan alat ukur yang digunakan untuk mengukur besaran frekuensi dan yang berkaitan dengan frekuensi. Terdapat beberapa jenis frekuensimeter analog diantaranya jenis batang atau lidah getar, alat ukur ratio dan besi putar. Dalam mengukur frekuensi atau waktu perioda secara elektronik dapat dilakukan dengan beberapa cara.



Bentuk frekuensi meter digital Bentuk frekuensi meter analog

Prinsip kerja

Sinyal yang akan diukur frekuensinya diubah menjadi barisan pulsa, satu pulsa untuk setiap siklus sinyal. Kemudian jumlah pulsa yang terdapat pada interval waktu tertenu dihitung dengan counter elektronik. Karena pulsa ini dari siklus sinyal yang tidak diketahui, jumlah pulsa pada counter merupakan frekuensi sinyal yang diukur. Karena counter elektronik ini sangat cepat, maka sinyal dari frekuensi tinggi dapat diketahui. Blok diagram rangkaian dasar meter frekuensi digital diperlihatkan pada gambar 8-7. sinyal frekuensi tidak diketahui dimasukkan pada schmitt trigger.

Gambar 8 – 7 Rangkaian dasar frekuensimeter digital.

Sinyal diperkuat sebelum masuk Schmitt Trigger. Dalam Schmitt Trigger sinyal diubah menjadi gelombang kotak (kotak) dengan pulsa, satu pulsa untuk setiap siklus sinyal. Pulsa keluaran Schmitt Trigger masuk ke gerbang start-stop. Bila gerbang terbuka (start), pulsa input melalui gerbang ini dan mulai dihitung oleh counter elektronik. Bila pintu tertutup (stop), pulsa input pada counter berhenti dan counter berhenti menghitung. Counter memperagakan (display) jumlah pulsa yang telah masuk melaluinya antara interval waktu Untuk mengetahui frekuensi
sinyal input, interval waktu gerbang antara start dan stop harus diketahui dengan teliti. Interval waktu perlu diketahui sebagai time base rangkaian secara blok diagram ditunjukkan pada gambar 8 – 8. Time base terdiri dari osilator kristal dengan frekuensi tetap, schmit trigger, dan pembagi frekuens. Osilator diketahui sebagai osilator clock harus sangat teliti, supaya ketepatannya baik, kristal ini dimasukkan ke dalam oven bertemperatur konstan. Output dari osilator frekuensi konstan masuk ke Schmitt Trigger start dan stop. Bila interval waktu ini diketahui, kecepatan dan frekuensi pulsa sinyal input dapat diketahui. Misalnya f adalah frekuensi dari sinyal input, N jumlah pulsa yang ditunjukkan counter dan t adalah interval waktu antara start dan stop dari gerbang. Maka frekuensi dari sinyal yang tidak diketahui dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini :

F= N/t

fungsinya mengubah gelombang non kotak menjadi gelombang kotak atau pulsa dengann kecepatan yang sama dengan frekuensi osilator clock. Barisan pulsa kemudian masuk melalui rangkaian pembagi frekuensi persepuluhan yang dihubungkan secara cascade. Setiap pembagi persepuluhan terdiri dari penghitung sepuluhan dan pembagi frekuensi dengan 10. hubungan dibuat dari output setiap pembagi persepuluhan secara serie, dan dilengkapi dengan switch selektor untuk pemilihan time base yang tepat.


Gambar 8-8. Blok diagram pembentukan time base

Pada blok diagram gambar 8-8. frekuensi osilator clock adalah 1 MHz atau 106 Hz. Jadi output Schmitt Trigger 106 pulsa per detik. Pada setiap 1x dari switch ada 106 pulsa per detik, dan interval waktu antara dua pulsa yang berturutan 10-6 detik atau 1μdetik. Pada tiap 10-1x, pulsa telah melalui satu pembagi persepuluhan, dan berkurang dengan faktor 10, dan sekarang ada 105 pulsa perdetik. Jadi interval waktu diantaranya adalah 10 μdetik. Dengan cara yang sama, ada 104 pulsa per detik pada tap 10-2 x dan interval waktunya 100 μdetik; 103 pulsa per detik pada tap 10-3x dan interval waktu 1 mdetik; 102 pulsa per detik pada tap 10-4x dan interval waktu 10 mdetik; 10 pulsa perdetik pada tap 10-5 dan interval waktu 100 mdetik; satu pulsa per detik pada tap 10-6x dan interval waktunya 1 detik. Interval waktu antara pulsa-pulsa ini adalah time base dan dapat dipilih dengan switch selektor (switch pemilih). Pernyataan simbolik dari rangkaian flip-flop (FF) digambarkan pada gambar 8 - 9. Flip-flop berfungsi sebagai gerbang start dan stop, dan rangkaian flip-flop diperlihatkan pada gambar 8-10. ini adalah rangkaian multivibrator bistable dan mempunyai dua keadaan seimbang.



Gambar 8 – 10 Rangkaian flip-flop (multivibrator bistable)

Keadaan 0 (state 0) Bila output Y pada tegangan positif dan output Y pada tegangan 0
Keadaan 1 (state 1) Bila output Y pada tegangan nol dan output Y pada tegangan positip
Tegangan negatif diberikan pada set terminal S, merubah flip-flop ke keadaan 1. bila sekarang pulsa negatip diberikan pada terminal reset R, flip-flop berubah menjadi keadaan 0. perlu dicatat dalam hal pulsa positif digunakan untuk merubah flip-flop dari satu keadaan ke yang lain, suatu inverter harus digunakan pada terminal input untuk merubah pulsa trigger positif menjadi pulsa negatif. Pada langkah ini akan diketahui cara kerja gerbang AND, karena ini digunakan pada rangkaian instrumen digital.



Gambar 8 - 11 Rangkaian AND

Gerbang AND lambang gerbang AND diperlihatkan pada gambar 8-11. Input A dan B sedang outputnya A.B, dibaca sebagai “A dan B”. Bila input dalam bentuk pulsa tegangan positif, input A dan B “Reverse Bias” semua dioda (pada gambar 8-11), dan tidak ada arus melalui tahanan sehingga outputnya positif. Bila salah satu input 0, ada arus melalui dioda karena mendapat bias maju dan output 0. bila dua input tersebut berubah terhadap waktu, respon rangkaian AND diperlihatkan pada gambar 8 - 12. Tabel kebenaran untuk rangkaian ini diberikan pada gambar 8 - 12, 0 menyatakan tidak ada input atau output, dan 1 menyatakan ada input dan output.


Gambar 8-12. Tabel Kebenaran dari suatu gerbang AND

Secara singkat gerbang AND mempunyai dua input dinyatakan dengan simbol A dan B. Bila tegangan positif diberikan pada salah satu terminal input, gerbang terbuka dan tetap terbuka selama tegangan positif tetap pada input tersebut. Dengan gerbang terbuka pulsa, positif yang diberikan pada inpit lainnya dapat muncul sebagai pulsa positif pada output (pada gambar 8 -12). Sebaliknya bila gerbang ditutup, pulsa tidak dapat melaluinya. Rangkaian lengkap untuk pengukuran frekuensi diperlihatkan pada gambar 8 - 13.



Gambar 8 – 13 Rangkaian untuk mengukur frekuensi.

Pulsa positif dari sumber frekuensi yang tidak diketahui sebagai sinyal yang dihitung masuk pada input A gerbang utama dan pulsa positif selektor time base masuk pada input B ke “gerbang start”. Mulamula flip-flop FF, pada keadaan 1. Tegangan pada output Y dimasukkan pada input A salah satu terminal masukan dari “gerbang stop” berfungsi membuka gerbang. Tegangan 0 dari output Y flip-flop FF1 yang masuk ke input A dari “start gerbang” menutup gerbang ini. Bila “gerbang stop” terbuka, pulsa positif dari time base dapat lewat pada set input terminal S dari flipflop FF2 dan menjadikannya tetap pada Keadaan 1. tegangan 0 dari output Υ masuk pada terminal B dari gerbang utama. Karena itu tidak ada pulsa dari sumber frekuensi yang tidak diketahui, dapat lewat melalui gerbang
utama. Supaya mulai bekerja, pulsa positif disebut pulsa pembaca (“Read Pulse”) diberikan pada terminal reset R dari FF1, ini menyebabkan FF1 berubah keadaan dari 1 ke 0. Sekarang output Υ tegangan positif dan output Y nol. Sebagai hasilnya, “gerbang stop” menutup dan “gerbang start” terbuka. Pulsa pembaca yang sama diberikan pada dekade counter menyebabkannya menjadi nol dan penghitungan mulai bekerja. Bila pulsa lain dari time base masuk, ini dapat lewat gerbang start ke terminal, reset FF2 merubah dari keadaan 1 ke
keadaan 0. Tegangan positif yang dihasilkan dari input Y (disebut sinyal gating) dimasukkan pada input B dari gerbang utama, membuka gerbang tersebut. Sekarang pulsa dari sumber frekuensi yang tidak diketahui dapat lewat dan dicatat pada counter. Pulsa yang sama lewat gerbang start masuk pada set input S dari FF1 merubahnya dari keadaan 0 ke 1. Ini menyebabkan gerbang start tertutup dan gerbang stop.terbuka. Tetapi karena gerbang utama tetap terbuka, pulsa dari sumber frekuensi yang tidak diketahui tetap lewat menuju counter. Pulsa selanjutnya dari time base selektor lewat melalui “gerbang stop” yang terbuka ke terminal input set S dari FF2, merubah kembali ke keadaan 1. Input dari terminal Υ menjadi nol, dan karenanya gerbang utama menutup penghitungan berhenti. Jadi counter menghitung jumlah pulsa yang lewat gerbang utama pada interval waktu antara dua pulsa yang berturutan dari selector time base. Sebagai contoh, time base dipilih 1 detik, jumlah pulsa
yang ditunjukkan counter merupakan frekuensi sumber yang tidak diketahui dalam satuan Hz. Peralatan terdiri dari dua gerbang AND dan dua flip-flop, disebut gerbang control flip-flop.

Alat ukur frekuensi jenis batang atau lidah bergetar

Alat ukur frekuensi lidah getar prinsip kerjanya berdasarkan resonansi mekanis. Jika sederetan kepingan baja yang tipis membentuk lidah-lidah getar, masing-masing mempunyai frekuensi getar yang berbeda. Lidah-lidah getar dipasang bersama-sama pada sebuah alas fleksibel yang terpasang pada sebuah jangkar elektromagnit. Kumparan elektromagnet diberi energi listrik dari jala-jala arus bolak-balik yang frekuensinya akan ditentukan, maka salah satu dari lidah-lidah getar akan beresonansi dan memberikan defleksi yang besar bila frekuensi getarnya sama dengan frekuensi medan magnet bolak-balik tersebut.

Gambar 8 -1 Kerja frekuensi meter jenis batang getar

Gambar 8 -2 Prinsip frekuensi meter jenis batang getar

Batang yang frekuensi dasarnya sama dengan frekuensi elektromagnet diberi energi, akan membentuk suatu getaran. Getaran batang ini dapat dilihat pada panel alat ukur berupa getaran batang ditunjukkan melalui jendela. Apabila frekuensi yang diukur berada diantara frekuensi dua batang yang berdekatan, maka kedua batang akan bergetar dan frekuensi jalajala paling dekat pada batang yang bergetar paling tinggi. Frekuensi langsung terbaca dengan melihat skala pada bagian yang paling banyak bergetar (misal 50 Hz). Pada lidah getar gaya bekerja berbanding lurus dengan kuadrat fluksi magnet tetap ¢ yang disebabkan oleh magnet permanen dan fluksi arus bolakbalik ¢m sin ωt (pada gambar 8-2). Alat ukur ini mempunyai keuntungan karena konstruksi sederhana dan sangat kokoh, tidak dipengaruhi oleh tegangan atau bentuk gelombang, penunjukannya secara bertangga dalam 0,5 atau 1 Hz. Untuk mempertahankan kalibrasi, syaratnya getaran batang-batang dipertahankan dalam batas-batas yang wajar. Kerugian alat ini penunjukan tidak cepat mengikuti perubahan-perubahan frekuensi. Sehingga alat ukur jenis ini hanya dipergunakan untuk frekuensifrekuensi komersiil.

Gambar 8 – 3 . Bentuk frekuensi meter batang getar

Alat pengukur frekuensi dari type alat ukur rasio

Dalam alat ukur frekuensi ini, kumparan-kumparan medan sebagian membentuk dua rangkaian resonansi terpisah. Kumparam medan 1 seri dengan induktor L1 dan kapasitor C1, dan membentuk sebuah rangkaian resonan yang diset ke suatu frekuensi sedikit di bawah skala terendah dari instrumen. Kumparan medan 2 adalah seri dengan induktor L2 dan kapasitor C2, dan membentuk sebuah rangkaian resonan yang diatur pada frekuensi sedikit lebih tinggi dari skala tertinggi instrumen.



i1 arus pada M1
i2 arus pada M2

Konstanta-konstanta rangkaian dipilih sedemikian rupa sehingga menyebabkan arus-arus tersebut mempunyai resonansi masingmasing 42 Hz dan 58 Hz seperti
pada gambar 8-4. Rasio dari I1 dan I2 akan berubah secara monoton dengan frekuensifrekuensi di atas dan di bawah 50 Hz.pada pertengahan skala. Kedua kumparan medan disusun seperti pada gambar 8-3 dan dikembalikan ke jala-jala melalui gulungan kumparan yang dapat berputar. Torsi yang berputar sebanding dengan arus yang melalui kumparan putar, arus ini terdiri dari penjumlahan kedua arus kumparan medan. Karena torsi yang dihasilkan oleh kedua arus terhadap kumparan putar berlawanan dan torsi tersebut merupakan fungsi dari frekuensi tegangan yang dimasukkan. Setiap frekuensi yang dimasukkan dalam batas ukur instrumen, membangkitkan torsi yang menyebabkan jarum berada pada posisi yang hasil pengukuran. Torsi pemulih dilengkapi dengan sebuah daun besi kecil yang dipasang pada kumparan yang berputar. Alat ukur ini biasanya
terbatas pada frekuensi jala-jala.

Contoh Aplikasi
Perioda gerbang 1 m detik; 10 m detik, 100 m detik, 1 detik dan 10 detik yang
melengkapi digital counter-time-frequency meter mempuny ai display 3 digit.
Perioda gating 10m detik dipilih untuk mengukur frekuensi yang tidak diketahui
dan diperoleh pembacaan 034. Berapakah harga frekuensi ? langkah-langkah
apa yang diambil untuk (a) menguji kepercayaan hasilnya ? (b) memperoleh
hasil yang lebih teliti ?

Penyelesaian
a. Frekuensi f : N/t = 0,34 / 10 X 10-3 = 3400Hz = 3,4KHz
b. Untuk menguji hasil, kita harus menggunakan waktu gatingyang lebih
rendah, misalnya 1 ms. Bila frekuensi antara 3000 dan 3499 Hz
pembacaan akan : 3000 x 1 x 10-3 = 3,499 karena meter mempunyai
display 3 digit, dapat memperlihatkan pembacaan 003 pada kedua kasus
diatas.
c. Supaya diperoleh hasil yang lebih baik (resolusi yang lebih baik) kita harus
menggunakan waktu gating yang lebih tinggi, misalnya 100m detik.