ADC dan DAC Rudi Susanto
Analog To Digital Converter Sinyal Analog : sinyal kontinyu atau diskontinyu yang didasarkan pada waktu. Sinyal analog dapat dihasilkan oleh alam atau buatan.
Contoh sinyal analog : suara, bunyi, cahaya, warna, tegangan ac/dc dsb. Sinyal Digital : sinyal yang tersusun dari kodekode biner (digital).
Proses konversi Analog ke Digital (1) Volt
1.
Sinyal Analog 2 detik
0 -2
2. Volt Volt
Sinyal Dinaikkan 4
Sinyal pencuplik 1
detik 0
detik 0
Proses konversi Analog ke Digital (2) Volt
3.
Sinyal dicuplik 4
detik 0
4. Biner
Desimal
11111111
255
10000000
128
00000000
0
Sinyal dikuantisasi dan dikodekan
detik
Persamaan untuk ADC
• Keluaran ADC dapat juga dinyatakan dalam bentuk:
dengan : N = keluaran ADC dalam basis 10 INT( ) = nilai integer dari besaran dalam kurung
Contoh 1 • Sebuah sensor yang mempunyai keluaran 0,02 V/°C digunakan untuk mengukur suhu 0 sampai 100°C. Sebuah ADC digunakan untuk mengonversi tegangan keluaran sensor menjadi data digital. Tentukan besarnya tegangan acuan dan besarnya word ADC yang diperlukan agar diperoleh resolusi 0,1 °C.
Penyelesaian • Tegangan keluaran sensor pada suhu maksimum (100°C): (0,02 V/°C) (100°C) = 2V Oleh karena itu digunakan tegangan acuan VR = 2V (pendekatan) • Resolusi suhu 0,1 °C akan menghasilkan resolusi tegangan : (0,02 V/°C) (0,1 °C) = 2 mV
• Besarnya word dapat diperoleh dari persamaan:
Besarnya word yang diperlukan = 10 bit, yang memberikan resolusi tegangan: V = (2) (2-10) = 0,00195 V = 1,95 mV
Contoh 2 Dalam suatu pengukuran suhu digunakan sensor yang keluarannya 6,5 mV/°C dan harus dapat mengukur hingga 100°C. Sebuah ADC 6-bit dengan tegangan acuan 10 V digunakan untuk mengkonversi tegangan pengukuran menjadi data digital (a) Rancanglah sebuah rangkaian untuk interface antara sensor dan ADC (b) Berapa resolusi dalam pembacaan suhu ?
Penyelesaian Tegangan keluaran sensor pada 100 °C: (6,5 mV/°C) (100°C) = 0,65 V. (a). Rangkaian interface harus memberikan gain sedemikian rupa sehingga pada suhu 100°C keluaran ADC menunjukkan 111111. Tegangan masukan yang meng-hasilkan keluaran sebesar ini adalah
Jadi besarnya gain yang diperlukan:
Rangkaian yang dimaksudkan adalah:
(b). Perubahan tegangan masukan DV yang menghasilkan perubahan 1 bit LSB: Perubahan tegangan tersebut bersesuaian dengan perubahan tegangan keluaran sensor sebesar:
Jenis-jenis ADC • Flash ADC
Masukan Analog
Keluaran Komparator C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0
Keluaran Encoder D2 D1 D0
0 – 1/7 Vr
0
0
0 0
0
0
0
0
0
0
1/7 – 2/7 Vr
0
0
0 0
0
0
1
0
0
1
2/7 - 3/7 Vr
0
0
0 0
0
1
1
0
1
0
3/7 - 4/7 Vr
0
0
0 0
1
1
1
0
1
1
4/7 - 5/7 Vr
0
0
0 1
1
1
1
1
0
0
Successive Aproximation Register ADC (SAR)
0,52V
SAR ADC (2) Pembanding Kedua Pembanding Pertama
3/4V
7/8V
111
110
5/8V 1/2V
Pembanding Ketiga
101
100 3/8V
1/4V
011
010
Pembanding Terakhir
7/8V
111
6/8V
110
5/8V
101
4/8V
100
3/8V 0 1 1 2/8V 0 1 0 1/8V 0 0 1
1/8V
001
0V
000
Ramp ADC
Tracking ADC
Perbandingan : • Jenis ADC SAR Tracking Flash V/F
8 bit rate 100-8000 kHz 4 kHz 100 MHz 40 Hz
Digital To Analog Converter
Digital To Analog Converter (DAC)
• DAC menerima informasi dalam bentuk digital dan mengubah-nya menjadi tegangan analog
• Sebuah DAC biasanya dinyatakan dalam bentuk kotak hitam.
Fungsi Terminal DAC (1). Terminal Masukan : pada umumnya masukannya berupa kata biner dengan level logika TTL (2). Catu daya : bipolar yang berkisar dari ±12V ke ±18V, atau menggunakan catu daya tunggal (3). Catu tegangan acuan : diperlukan untuk memperoleh kisaran tegangan keluaran dan resolusi konverter (harus stabil dan ripple-nya rendah). Ada juga yang menggunakan acuan internal.
(4). Keluaran : tegangan yang merepresentasikan masukan digital, dengan step yang ditentukan oleh Persamaan
(5). Data latch : untuk meng-update keluaran
• Keluaran DAC diberikan oleh:
dengan : Vout = tegangan keluaran analog VR = tegangan acuan b1,b2,...bn = kata biner n - bit
• Tegangan keluaran minimum adalah nol, dan maksimumnya ditentukan oleh ukuran kata biner dan nilainya mendekati VR
• Keluaran DAC juga dapat dinyatakan sebagai:
dengan N = nilai ekivalen masukan DAC dalam basis 10.
Resolusi Konversi • Resolusi pengkonversian merupakan fungsi tegangan acuan dan banyaknya bit dalam word:
Contoh 1 Tentukan berapa banyaknya bit DAC yang diperlukan untuk menghasilkan resolusi keluaran sebesar 0,04 V bila digunakan tegangan acuan sebesar 10 V Penyelesaian • Dari persamaan (3.6) ;
y = 7,966
Contoh 2 Sebuah valve kendali mempunyai perubahan pembukaan yang linier bila tegangan masukannya berubah dari 0 sampai 10 Volt. Keluaran sebuah mikrokomputer yang mempunyai word 8 - bit digunakan untuk mengendalikan pembukaan valve tersebut melalui sebuah DAC 8 - bit. a. Berapa tegangan acuan yang diperlukan untuk memperoleh pembukaan valve penuh(10V) b. Berapa persentase pembukaan valve untuk setiap perubahan masukan 1-bit.
Penyelesaian a. Kondisi pembukaan penuh terjadi bila masukan valve 10 V
b). Perubahan tegangan keluaran DAC per-step:
Rangkaian Digital To Analog Converter
D2 D1 D0 Vo .(Vf ) 4 2 8
D2
D1
D0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
Jenis DAC • Jenis-jenis DAC yang akan dibahas dalam materi ini: – R2R – Weighted Resistor – Potentiometric
R2R DAC • Paling banyak diimplementasikan pada berbagai chip DAC / ADC • Menggunakan resistor dengan 2 nilai yaitu R dan 2R pada rangkaiannya
Rangkaian R2R
Input digital : b1,b2 … b7, output analog : Vout Cara kerja: b1,b2,..b7 mengontrol SW1 – SWn. Jika logika 1, SW diarahkan ke Vref, Tetapi jika 0, SW diarahkan ke logika 0
• Persamaan untuk rangkaian R2R adalah: Vout = Vref * Val / (2n) Dengan Vout:tegangan keluaran DAC Val:nilai digital yang dibetuk oleh masukanmasukan digital n:lebar bit masukan
• Sebagai pengganti saklar terkendali agak susah direalisasikan • Digunakan buffer/inverter digital dengan keluaran totem-pole (logic 0 benar-benar 0V dan logic 1 benar-benar 5V) U5A bx
1
2R R5 2
7404
2k R
R8 1k
Rangkaian Weighted Resistor
Menggunakan resistor dengan nilai R,2R,4R, …, 2nR yang akan membobot nilai logika bit-bit input Kelemahan : nilai R kesulitan dicari di pasaran
Potentiometric DAC
DAC 3 bit
Besarnya R pada resistor ladder sama, jumlahnya 2n , dengan n=lebar bit
Praktikum dengan EWB DIGITAL TO ANALOG CONVERTER • Binary-weighted Digital-to-Analog Converter
Isikan Tabel Berikut!
Referensi hasil
Analisisnya Sebuah rangkaian Binary-weighted DAC dapat disusun dari beberapa Resistor dan Operational Amplifier seperti gambar di atas. Resistor 20 kΩ menjumlahkan arus yang dihasilkan dari penutupan switch-switch D0 sampai D3. Resistor-resistor ini diberi skala nilai sedemikian rupa sehingga memenuhi bobot biner (binary-weighted) dari arus yang selanjutnya akan dijumlahkan oleh resistor 20 kΩ. Dengan menutup D0 menyebabkan arus 50 μA mengalir melalui resistor 20 kΩ, menghasilkan tegangan 1 V pada Vout. Penutupan masing-masing switch menyebabkan penggandaan nilai arus yang dihasilkan dari switch sebelumnya. Nilai konversi dari kombinasi penutupan switch ditunjukkan pada Tabel
• R/2R Ladder Digital-to-Analog Converter
Isikan Tabel Berikut!
Referensi hasil
Analisisnya • Prinsip kerja dari rangkaian R/2R Ladder adalah sebagai berikut : informasi digital 4 bit masuk ke switch D0 sampai D3. Switch ini mempunyai kondisi “1” (sekitar 5 V) atau “0” (sekitar 0 V). Dengan pengaturan switch akan menyebabkan perubahan arus yang mengalir melalui R9 sesuai dengan nilai ekivalen biner-nya Sebagai contoh, jika D0 = 0, D1 = 0, D2 = 0 dan D3 = 1, maka R1 akan paralel dengan R5 menghasilkan 10 kΩ. Selanjutnya 10 kΩ ini seri dengan R6 = 10 kΩ menghasilkan 20 kΩ. 20 kΩ ini paralel dengan R2 menghasilkan 10 kΩ, dan seterusnya sampai R7, R3 dan R8. Vout yang dihasilkan dari kombinasi switch ini adalah -5V. Nilai kombinasi dan hasil konversinya ditunjukkan pada tabel
Tugas
Tugas • Jelaskan proses perubahan dari sistim analog ke digital dengan membuat rangkaian ADC dari IC ADC0804 • Membuat ADC dan DAC secara Hardware
