Praktikum proses sampling and hold bertujuan untuk menggambarkan proses sampling sinyal analog dan menjelaskan fungsi kapasitor hold. Proses sampling dilakukan dengan mencacah sinyal secara berkala sesuai syarat Nyquist. Kapasitor hold berfungsi menyimpan nilai sinyal ter-sample selama periode hold sebelum dilakukan kuantisasi. Rangkaian sampling and hold terdiri dari buffer amplifier, switch, kapasitor hold, dan output buffer yang bekerja secara berkala unt

1. PRAKTIKUM
PROSES SAMPLING AND HOLD
1. Judul:
PROSES SAMPLING AND HOLD
2. Tujuan:
- Dapat menggambarkan proses sampling sinyal informasi analog
- Dapat menggambarkan kegunaan kapasitor hold pada rangkaian Sample and Hold
3. Teori:
Proses pencacahan (sampling) dilakukan dengan mencacah sinyal analog dalam periode
waktu tertentu disebut dengan priode pencacahan (Ts). Kebalikan dari periode pencacahan
adalah frekuensi pencacahan (fs), yaitu fs=1/Ts. Semakin tinggi frekuensi pencacahan, atau
semakin kecil periode pencacahan maka sinyal hasil cacahan akan semakin menyerupai sinyal
analog asli. Sinyal hasil cacahan seringkali disebut juga istilah sinyal Pulse Amplitude
Modulation (PAM). Namun, semakin tinggi frekuensi pencacahan membawa konsekuensi pada
harga keseluruhan dalam proses pencacahan semakin tinggi. Sebaliknya, menggunakan
frekuensi pencacahan rendah akan menurunkan harga proses pencacahan tetapi mengandung
konsekuensi pada represensitasi sinyal PAM yang kurang dapat mewakili sinyal analog asli.
Karena itu secara natural akan muncul pertanyaan, berapa frekuensi terendah yang dapat
digunakan agar hasil pengkodean digital nantinya dapat dikembalikan ke bentuk asli dari sinyal
analog? Pertanyaan ini dijawab oleh Teorema Nyquist yang berbunyi demikian:
“frekuensi pencacah harus minimal dua kali frekuensi tertinggi (bukan bandwidth) yang
dikandung oleh sinyal asli.”
Dengan menggunakan representasi domain frekuensi tersebut kita dapat melihat frekuensi
tertinggi yang dikandung oleh suatu sinyal. Oleh sebab, itu kita dapat menarik acuan umum
bahwa proses pencacahan hanya dapat dilakukan apabila sinyal memiliki bandwidth terbatas
(bandlimited). Apabila bandwidth dari suatu sinyal tak terbatas, maka pencacahan tidak dapat
dilakukan. Dengan kata lain, akan dibutuhkan frekuensi tak terhingga untuk mencacah sinyal
dengan bandwidth tak terbatas.

2. Gambar 1. Pencacahan dengan berbagai frekuensi pencacah
Efek dari variasi frekuensi pencacah ditunjukkan dalam Gambar 1. Gambar sebelah
kanan atas adalah contoh pencacahan sinyal dengan menggunakan frekuensi pencacah sama
dengan frekuensi yang disyaratkan oleh Nyquist, yaitu:
fs = 2fmax
Gambar bawah sebelah kiri adalah pencacahan dengan frekuensi pencacah kurang dari syarat
Nyquist. Karena jumlah sinyal pencacah kurang dari syarat minimal, maka sinyal pencacah
tidak akan dapat merepresentasikan sinyal analog asli. Sedangkan pada gambar terakhir terlihat
bahwa frekuensi pencacah jauh di atas syarat Nyquist, karena itu sinyal pencacah dapat
merepresentasikan sinyal analog asli dengan sangat baik.
Proses pencacahan seperti dalam Gambar 1 disebut dengan pencacahan ideal.
Pencacahan ideal tidak mungkin dicapai dalam aplikasi nyata, sebab membutuhkan peralatan
yang dapat menghasilkan periode waktu setiap cacahan pendek sekali (setiap cacahan hanya
berupa garis). Pencacahan natural akan menghasilkan cacahan berupa persegi panjang dengan
tinggi sesuai dengan amplitudo geombang, dan lebar sesuai dengan periode cacahan. Lihat
ilustrasi dalam Gambar 1.2. Namun perangkat elektronik pencacah seringkali menggunakan
metode Sample and Hold daripada menggunakan pencacahan ideal atau pencacahan natural.

3. Gambar 1.2. Pencacahan Natural dan metode Sampling and Hold (Forouzan, 2007)
Pada Natural Sampling, Jika w(t) adalah bentuk gelombang analog bandlimited untuk B
hertz sinyal PAM yang memakai natural sampling adalah :
w(t) = w(t)S(t)
dimana S(t) adalah sebuah gelombang persegi switching waveform. Spektrum untuk natural
sampling adalah relatif lebih mudah diturunkan karena hanya memerlukan menggunakan analog
switch yang ada pada CMOS hardware. Spectrum sinyal PAM dengan natural sampling adalah
di dalam bentuk spektrum analog gelombang masukan. Bentuk gelombang analog asal bisa
didapatkan kembali dari sinyal PAM melalui low pass filter gelombnag, analog tidak dapat
kembali tanpa berdampak spektrum overlap yang disebut aliasing. Sinyal analog juga bisa
didapat kembali dari sinyal PAM dengan memakai produk detector.
PAM Instaneous Sampling (Flat-Top Sampling) lebih mudah dipergunakan untuk
diturunkan dan dipakai dalam aplikasi yang lain. Tipe sinyal PAM dikatakan terdiri dari
instantaneous sample dan sinyal Flat-Top PAM dapat diturunkan memakai tipe circuit
elektronik Sample and Hold. Potongan pulsa yang lain dari potongan sinyal persegi, tetapi hasil
gelombang PAM tidak dapat mencapai Flat-Top. Hanya batas pada potongan menjadi di luar,
agar pulsa tidak tumpang tindih. Spektrum untuk Flat-Top dihasilkan oleh Fourier transform.
Rangkaian dasar untuk proses Sampling and Hold ditunjukkan pada Gambar 2 yang
terdiri dari buffer amplifier, transistor JFET, hold kapasitor, output buffer, serta sample clock
(switch). Saat sampling diberikan dengan frekuensi yang memenuhi syarat Nyquist, switch
dalam keadaan on. Sesaat kemudian, switch dikontrol untuk membuka (off) yang periodanya
disebut hold. Pada saat perioda hold ini, sinyal dengan level tertentu yang tercuplik (sampled),
dikuantisasi. Kuantisasi atau pemberian level tergantung dari jumlah pernyataan bit yang
digunakan. Rumus kuantisasi adalah: 2n
; dimana n = jumlah bit.
Misalnya untuk sistem 4 bit setiap sample, maka jumlah level kuantisasi adalah 24
atau 16
level. Demikian juga untuk sistem 8 bit/sample, maka level kuantisasi adalah 28
atau sebanyak
256 level. Pemberian level ini ditentukan oleh tegangan tangga seperti ditunjukkan pada
Gambar 1.3 beserta penjelasannya.

4. Gambar 1.3. Pulsa control bagi switch
Diantara beberapa spesifikasi yang dimiliki oleh sistem Sample and Hold adalah,
aperture time dan aquisition time. Untuk aperture time didefinisikan sebagai maksimum waktu
tunda antara saat perintah off untuk 'switch' (hold) dengan saat sesungguhnya off terjadi. Untuk
waktu aperture time ditentukan nilainya sangat lebih kecil dari perioda sampling atau tap <<
1/fs , dimana fs = frekuensi sampling. Sedangkan aquisition time didefinisikan sebagai waktu
yang sangat singkat setelah perintah sample diberikan. Pada perioda itu, perintah hold dapat
diberikan sehingga sinyal output mempunyai nilai yang sangat mendekati sekali dengan nilai
input analognya pada titik sampling bersangkutan. Jadi bila diurutkan proses itu adalah sebagai
berikut, sampling dilakukan pada saat switch on yang kemudian diikuti oleh perioda aquisition
time. Pada perioda aquisition time ini, diberikan perintah hold yang diikuti oleh perioda
aperture time. Akhir perioda aperture time yang singkat itu, terjadilah hold yang sebenarnya.
Pada perioda hold ini, terjadilah proses kuantisasi. Dengan melihat Gambar 1.3, maka perioda
waktu hold adalah kurang lebih sama dengan 1/fs.
Dari kedua spesifikasi sistem Sampling and Hold di atas, akan jelas bahwa proses
konversi sinyal analog ke digital akan mengalami error walaupun dalam batas-batas yang dapat
diterima. Dapat dilihat pada Gambar 1.4 misalnya, error terjadi karena adanya perioda waktu
aperture time. Demikan juga untuk perioda aquisition time seperti ditunjukkan pada Gambar
1.5.
Gambar 1.4. Periode aperture-time dan akibatnya

5. Gambar 1.5. Periode acquisition-time dan akibatnya
Terlihat pada Gambar 1.4 dan Gambar 1.5 tersebut, bahwa akibat dari pergeseran waktu
Sampling and Hold, maka level tegangan yang dihasilkan tidak mewakili level tegangan yang
seharusnya tercuplik.
4. Peralatan Yang Digunakan:
a. Generator sinyal informasi analog 1 buah
b. Generator sample pulse 1 buah
c. Oscilloscope 1 buah
d. Function Generator 1 buah
e. Sumber tegangan DC 4 buah
f. Kapasitor 100mF dan 10nF hingga 200nF 1 buah
g. Resistor 150kΩ dan 1MΩ 1 buah
h. Dioda 1N914 1 buah
i. Transistor JFET 2N4393 2 buah
j. Op-Amp LM101AH 1 buah
5. Rangkaian:
Gambar 2. Blok Diagram Sampling and Hold
Buffer
Amplifier
Output
Buffer
Hold
Capacitor+
PAM
Output
Sample
pulse
Sample
Clock
JFET
Analog
Input

6. 6. Langkah Percobaan
A. Pengamatan Natural Sampling dan Top Sampling
B. Pengamatan prinsip kerja rangkaian Sample and Hold
C. Pengamatan fungsi Kapasitor Hold pada rangkaian Sampling and Hold
D. Pertanyaan
1) Jelaskan maksud dari natural sampling dan top sampling
Jawab: Natural sampling akan menghasilkan cacahan berupa persegi panjang dengan
tinggi sesuai dengan amplitudo geombang dan lebar sesuai dengan periode cacahan.
Natural sampling ini membutuhkan peralatan yang dapat menghasilkan periode waktu
setiap cacahan pendek sekali (setiap cacahan hanya berupa garis). Top sampling adalah
salah satu proses sampling yang dapat direpresentasikan hanya dalam amplitudo tertentu
yang tidak dapat diubah sehubungan dengan sinyal analog. Bentuk sampel akan
terlambat sehingga jika ada kebisingan dapat dihilangkan dengan mudah sehingga sinyal
ditransmisikan tanpa kebisingan.
2) Jelaskan pengertian dari proses sampling and hold
Jawab: Sampling adalah proses mencacah sinyal analog menjadi potongan-potongan
sinyal dengan amplitudo sesuai sinyal asli. Hold adalah kondisi ketika ditahan, terjadilah
proses kuantisasi. Artinya, setelah didapatkan sinyal hasil sampling, sinyal tersebut
selanjutnya dikuantisasi ke bilangan integer terdekat. Tujuan dari proses Sampling and
Hold adalah untuk mencuplik secara berkala sinyal informasi analog dan
mengkonversinya menjadi deretan pulsa-pulsa PAM dengan amplitudo konstan.
3) Jelaskan fungsi dari kapasitor hold pada rangkaian sampling and hold
Jawab: Kapasitor memiliki manfaat mengisi-menyimpan (charge-storing ability). Bila di
depan buffer amplifier terdapat saklar kemudian saklar tersebut ditutup, dengan cepat
berubah ke level tegangan input. Jika sekarang saklar dibuka, Op-Amp tegangan
pengikut mengijinkan tegangan kapasitor diambil pada output tanpa mengubah muatan
kapasitor. Tegangan kapasitor dikosongkan ketika akan mengambil sample pertama.
4) Jelaskan aplikasi dari rangkaian sampling and hold
Jawab: Dalam sistem kontrol digital terdapat konverter A/D yang berfungsi mengubah
sinyal kontinyu menjadi sinyal diskrit. Proses sampling terjadi pada blok A/D dimana
sinyal error analog diubah ke sinyal digital untuk kemudian diproses oleh komputer.
5) Berikan kesimpulan dari semua hasil yang diperoleh pada percobaan ini