ADC dan DAC - Di Sini Rudi Susanto

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