optimalisasi adc dengan rekayasa perangkat

Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
OPTIMALISASI ADC DENGAN REKAYASA PERANGKAT KERAS
PADA PENGUKURAN SUHU
Eka Mandayatma
Teknik Elektro, Politeknik Negeri Malang
[email protected]
Abstrak
ADC merupakan sebuah komponen atau sub komponen yang berfungsi mengubah data tegangan analog menjadi
data digital dengan jumlah bit tertentu. Jika data masukan merupakan data skala penuh (full scale) maka data
keluaran juga akan mencapai skala penuh dan didapatkan resolusi maksimum. Pada kenyataannya sering terjadi
bahwa data masukan mempunyai range yang kecil yang tidak memenuhi skala penuh sehingga data keluaran
juga tidak terjadi skala penuh. Hal ini akan membuat banyak bit data yang tidak terpakai, serta resolusi yang
buruk (rendah). Rekayasa perangkat lunak biasanya tidak bisa memperbaiki resolusi dari ADC. Dengan rekayasa
perangkat keras mengunakan leveling amplifier maka resolusi dapat dperbaiki karena seberapapun range
masukan bisa didapatkan data keluaran pada skala penuh dari ADC dan seluruh bit data terpakai. Dengan seluruh
bit data keluaran terpakai maka akan didapat resulusi maksimum dari ADC. Tanpa leveling amplifier, resolusi
akan bernilai tetap yakni (5-0)/255 sedang dengan leveling amplifier resolusi akan lebih baik dan tergantung
input (Vimax – Vi min)/255. Dari hasil pengamatan untuk digitalisasi pengukuran suhu menggunakan sensor
LM35 dengan range 20°C - 40°C, tanpa leveling diperoleh resolusi 2,22°C/step sementara dengan leveling
diperoleh resolusi sebesar 0,08°C/step.
Kata kunci : ADC, resolusi, leveling amplifier
pembacaan suhu akan mempunyai resolusi yang
rendah.
1. PENDAHULUAN
Resolusi yang rendah pada penggunaan ADC
disebabkan salah satunya adalah tidak tercapainya
rentang skala penuh baik pada masukan (input) dan
keluaran (output). Rentang skala penuh bisa
diperoleh jika masukan berada pada rentang skala
penuh untuk mendapatkan rentang skala penuh
pada keluaran ADC maka dipelukan pula rentang
masukan dalam skala penuh pula. Dengan kata lain
pada situasi ini diperlukan pergeseran level untuk
membawa level output sensor agar span sesuai
untuk input ADC [4]. Untuk ADC 8 bit, agar output
bernilai 1111 1111 (FF skala penuh) diperlukan
masukan tegangan analog 0 sampai 5 Volt dengan
referensi ½ Vcc. Permasalahan yang ada ialah tidak
semua masukan ADC berada pada rentang 0 sampai
5 volt, artinya tidak berada pada rentang skala
penuh. Hal ini berarti data keluaran juga tidak
berada pada rentang skala penuh. Hal ini
menyebabkan inefisiensi dari ADC. Akibat lain
yang timbul adalah resolusi pengukuran rendah.
Rekayasa perangkat keras (hardware) bisa dibuat
untuk mendapatkan rentang skala penuh.
Pengukuran suhu dengan menggunakan sensor
LM35 merupakan cara cukup mudah bila digabung
dengan ADC karena keluaran dari sensor tesebut
suddah dalam bentuk tegangan. Tegangan keluaran
dari LM 35 tidak selalu berada pada jangkauan
skala penuh dari masukan ADC. Jika keluaran
LM35 langsung dimasukkan kedalam ADC maka
tidak didapat rentang skala penuh dimana berakibat
2.KAJIAN PUSTAKA
Pada pengolahan sinyal analog menggunakan
komputer atau mikroprosesor akan selalu
dibutuhkan komponen atau sub komponen
pengubah data analog menjadi data digital yang
dikenal dengan Analog to Digital Convertion
(ADC). Dalam penggunaan ADC ada batasanbatasan tentang data (tegangan) masukan dan data
keluaran. Jika diambil salah satu contoh ADC yang
mempunyai rentang data analog masukan 0 – 5
Volt serta data keluaran merupakan data 8 bit, maka
bisa dikatakan bahwa rentang masukan adalah
tegangan analog 0 sampai 5 Volt sedang keluaran
data biner 0000 0000 sampai 1111 1111.
Tegangan masukan untuk ADC dalam
prakteknya tidak akan selalu bernilai 0 – 5 Volt,
tetapi hanya berada pada rentang tersebut. Ini
berarti ADC tidak akan bekerja full scale yang
berarti pula ada sejumlah data bit yang tidak
terpakai. Hal ini tentu merupakan kerugian yang
sebenarnya bisa dilakukan perbaikan atau rekayasa
agar semua bit data bisa dimanfaatkan. Gambar 1a
meunjukkan jika ADC bertegangan masukan skala
penuh dan data keluaran juga berskala penuh.
Sedang gambar 1b. menunjukkan jika ADC tidak
bekerja pada skala penuh.
A-96
Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Input
2.1 Penguat tak membalik
Penguat tak membalik (non inverting
amplifier) menguatkan sinyal input dengan
penguatan Vo/Vi dan tidak terjadi pembalikan
polaritas, artinya polaritas output sama dengan
polaritas input.
1111 1111
5V
ADC
output
0000 0000
0V
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
Gbr 1a. ADC dengan input skala penuh
1111 1111
Input
ADC
output
yV
yyyy yyyy
xV
xxxx xxxx
Gbr 3a. Konfigurasi penguat non inverting
Gbr 3b. Polaritas input dan output non inverting
0000 0000
Gain atau penguatan dari konfigurasi non inverting
Rf
(1)
Av  1 
Rg
2.2 Penguat Membalik
Konfigurasi lain dari penguat opamp
adalah penguat membalik (inverting amplifier).
Penguatan Av = Vo/Vi dan terjadi pembalikan
polaritas antara input dan output.
Gbr 1b. ADC dengan input range kurang dari skala penuh.
Dari gambar 1b, data output tergantung dari
masukan. Jika masukan x Volt maka data output
bernilai xxxx xxxx dan jika masukan y Volt
keluaran yyyy yyyy. Bisa dilihat bahwa bit data
antara 0000 0000 sampai xxxx xxxx dan yyyy yyyy
sampai 1111 1111 tidak terpakai dan hal ini jelas
suatu kerugian.
Rekayasa
perangkat
keras
bisa
meminimalisir kerugian tersebut dengan memanfaat
kan kombinasi rangkaian penguat, adder maupun
summing amplifier untuk membentuk rangkaian
leveling amplifier yang mampu mengoptimalkan
kerja ADC yang selalu berada pada kerja skala
penuh. Gambar 2 memperlihatkan konsep leveling
amplifier.
Gbr 4a. Konfigurasi penguat inverting, Gbr 4b. Polaritas input
dan output penguat Inverting.
Penguatan atau gain dari penguat inverting
1111 1111
5V
Input
yV
xV
ADC
Av  
R2
R1
(2)
Tanda (-) menunjukkan bahwa pada penguat
tersebut terjadi pembalikan polaritas.
output
2.3 Penguat penjumlah
0V
0000 0000
Penguat penjumlah (summing amplifier) pada
dasarnya dua buah atau lebih penguat dengan unity
gain yang dijadikan satu untuk mendapatkan fungsi
matematik penjumlahan input.
Gbr 2. Konsep leveling Amplifier
Tersedianya penguat operasional dalam
berbagai jenis akan memudahkan dalam
pembentukan
rangkaian-rangkaian
matematik
seperti perkalian maupun penjumlahan [2].
Perkalian merupakan inti dari penguat yang bisa
dibentuk dalam penguatan membalik (inverting
amplifier) maupun penguatan tak membalik (non
inverting amplifier)
Gbr 5 Penguat Penjumlah
A-97
Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
Untuk R1 = R2 = Rin, Fungsi alih dari penguat
penjumlah ini adalah
Vo  (V 1  V 2)
Rf
Rin
(3)
Jika Rf = Rin maka
Vo  (V1  V 2)
(4)
2.4 Leveling Amplifier
Secara matematis sebuah penguat akan mempunyai
fungsi alih seperti digambarkan pada gambar 6.
Gbr 7 Konfigurasi rangkaian ADC
Vi
A
v
V
o
Sehingga C  Vo(2)  Vi (2)
Vo(2)  Vo(1)
Vi (2)  Vi (1)
(10)
Gbr 6 Fungsi alih penguat
Dimana
Vo  Vi.Av  C
Dengan diketahui penguatan (pers 9) dan konstanta
(pers 10) maka didapatkan fungsi alih dari leveling
yang dikehendaki, yakni :
(5)
C adalah konstanta bebas yang berasal dari system
amplifier. Jika nilai C = 0 maka fungsi alih adalah
Vo  Vi. Av
Vo  Vi
(6)
Dan disebut sebagai penguat ideal.
Jika rentang input berada pada Vi(1) sampai Vi(2)
dan dikehendaki suatu output Vo(1) sampai Vo(2)
dimana diantaranya tidak ada nilai 0 (nol) maka
harus dilakukan dengan leveling amplifier dan tidak
bisa dilakukan dengan amplifier ideal biasa.
Sesuai dengan pers (5) jika kebutuhan input output
dimasukkan akan menjadi sbb:
2.5 ADC
ADC 0804 merupaan rangkaian terintegrasi yang
mampu mengubah masukan berupa tegangan
analog menjadi data biner 8 bit. Dalam penelitian
ini digunaan ADC diskrit untuk mempermudah
memberikan gambaran akan upaya peningkatan
atau optimalisasi ADC, meskipun dalam
aplikasinya dapat digunakan pada ADC hybrid
yang sudah terintegrasi dengan system yang lain.
Seperti pada gbr
konfigurasi standar ADC
dengan input tegangan analog pada pin 6 dan data
output D0 sd D7 pada pin 18 sd 11. Tombol start
digunakan untuk memulai konversi secara manual,
artinya setiap adda perubahan tegangan input perlu
meng-enable tombol start untuk mendapatkan
konversi. Untuk operasi normative, tegangan
referensi diberikan ½ Vcc dan Vin(-) di-ground.
Data keluaran digunakan aktif high, artinya data
logika tinggi (1) dinyatakan dengan LED yang
menyala.
Vo  Vi.Av  C
Vo(2)  Vi(2). Av  C
Vo(1)  Vi(1). Av  C
(7)
(8)
Vo(2)  Vo(1)  Vi(2)  Vi(1). Av
Vo(2)  Vo(1)
(9)
Vi (2)  Vi (1)
Persamaan 9 menunjukkan bahwa penguatan untuk
system leveling yang dikehendaki bisa dihitung
karena Vo dan Vi diketahui. Substitusi pers 9
kesalah satu persamaan 7 atau 8 untuk mencari
konstanta
Av 
Vo(2)  Vi (2)
Vo(2)  Vo(1) 
Vo(2)  Vo(1) 
 Vo(2)  Vi (2)

Vi (2)  Vi (1) 
Vi (2)  Vi (1) 
3. METODE PENELITIAN
Metode penelitian dilakukan dengan
eksperimental pada pengukuran suhu yang
melibatkan sensor suhu LM35 dan ADC 8 bit dari
type 0804. Eksperimen dilakukan pada rentang
suhu antara 20°C sampai 40°C. LM35 adalah
sensor suhu yang langsung mengkonversi besaran
suhu yang diterima menjadi tegangan keluaran
dengan fungsi alih 10 mV/°C. Data yang diperoleh
dibandingkan tingkat resolusinya antara hasil
Vo(2)  Vo(1)
C
Vi (2)  Vi (1)
A-98
Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
pembacaan ADC tanpa leveling dan dengan
leveling amplifier.
Pelaksanaan penelitian dilakukan dua tahap dimana
tahap 1 menghubungkan output LM35 langsung ke
ADC dan tahap 2 menghubungkan LM35 ke ADC
melalui rangkaian Leveling Amplifier.
LM 35
ADC
0804
20°C - 40°C
Gambar 9 memperlihatkan hasil keluaran LM35
dikonversi langsung oleh ADC, dimana output
LM35 langsung dihubungkan dengan pin input
ADC.
Dari tabel 2 bisa diamati bahwa data bit D5-D7
tidak terpakai sementara D4 hanya terpakai sekitar
50%. Sedang dari tabel 3, resolusi rata-rata dari
rentang suhu 20 - 40°C dan output analog dari
LM35 dari 202 mV hingga 406 mV adalah 19,66
mV.
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Tabel 2. Hubungan temperature dengan data output ADC
T°C
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
20
0
0
0
0
1
0
1
1
22
0
0
0
0
1
0
1
1
24
0
0
0
0
1
1
0
0
26
0
0
0
0
1
1
1
0
28
0
0
0
0
1
1
1
0
30
0
0
0
0
1
1
1
1
32
0
0
0
1
0
0
0
1
34
0
0
0
1
0
0
1
0
36
0
0
0
1
0
0
1
1
38
0
0
0
1
0
0
1
1
40
0
0
0
1
0
1
0
0
Gbr 8a. Konversi output LM35 tanpa leveling
LM 35
Leveling
Amplifier
20°C - 40°C
AD
C08
04
C
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Gbr 8b. Konversi output LM 35 dengan leveling
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Reolusi tanpa leveling amplifier
Dibuat span kenaikan 2°C pada
pengamatan sensor suhu LM35
Gbr 10 Hubungan langsung output LM35 ke ADC
Tabel 3. Resolusi dalam mV tanpa leveling amplifier
T°C
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
Gbr 9 Pengujian pengukuran suhu dengan
Sensor LM35
Tabel 1 memperlihatkan hasil pengukuran respon
output dari sensor suhu LM35 langsung
menggunakan AVO meter digital. Pengukuran
dilakukan 3 kali dan Vout adalah tegangan rata-rata
hasil pengukuran.
Tabel 1. Pengujian awal LM35
Vo
(mv)
202
223
242
266
282
301
324
344
368
385
406
D
5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
D
4
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
D
3
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
D
2
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
D
1
1
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
D
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
Decim
al
11
11
12
14
14
16
17
18
19
19
20
Resolusi rata-rata (mV)
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Suhu °C
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
Vout (mV)
202
223
242
266
282
301
324
344
368
385
406
Resolu
si
18,36
20,27
20,2
19
20,1
20,25
19
19,1
19,4
20,3
20,3
19,66
Dari tabel 3 Step number yang diperoleh adalah
Step number Sn = MSB – LSB
(decimal)
= 20 – 11 = 9
A-99
Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
Resolusi dalam suhu
40  20
(12)
R(T ) 
 2,22C / step
9
4.2 Resolusi dengan Leveling Amplifier
Leveling Amplifier diharapkan bisa memberikan
output 0 Volt saat suhu 20°C (202 mV) dan 5 Volt
saat suhu 40°C (406 mV). Dari kebutuhan ini
diketahui Vi(1) = 202 mV, Vi(2) = 406 mV, Vo(1)
= 0 V dan Vo(2) = 5 V.
Mengacu pada pers. 10
Vo  Vi
Vo(2)  Vo(1) 
Vo(2)  Vo(1) 
 Vo(2)  Vi (2)

Vi (2)  Vi (1) 
Vi (2)  Vi (1) 
Vo  Vi
5000  0 
5000  0 
 5000  406

406  202 
406  202 
Vo  24,5Vi  4,95
(13)
Gbr 12 Menghubungkan LM35 ke ADC melalui leveling
amplifier.
Fungsi alih dari leveling amplifier yang diharapkan
adalah seperti pers. 13 dimana harus ada penguat
dengan penguatan Av = 24,5 dan ditambah
(summing) dengan konnstanta C = - 4,95 Volt.
Vi
R
i
1
R
f
4,95 V
24,5
R
Dari rangkaian seperti gbr 12 dan dengan rentang
suhu yang sama diperoleh data seperti pada tabel 5.
R
Tabel 5 Output data setelah menggunakan leveling amplifier
NoT°C Vo1 Vo2
Vo3 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Dec
1 200,208 -5,096 0,146 0 0 0 0 0 1 1 1 7
2 22 0,218 -5,341 0,391 0 0 0 1 0 1 0 0 20
3 24 0,244 -5,978 1,028 0 0 1 1 0 1 0 1 53
4 28 0,290 -7,105 2,155 0 1 1 0 1 1 1 1 111
5 30 0,31 -7,595 2,645 1 0 0 0 1 0 0 0 136
6 32 0,326 -9,987 3,037 1 0 0 1 1 1 0 0 156
7 34 0,344 -8,428 3,478 1 0 1 1 0 0 1 0 178
8 36 0,358 -8,771 3,821 1 1 0 0 0 1 0 0 196
9 38 0,385 -9,432 4,48 1 1 1 0 0 1 1 0 230
10 40 0,406 -9,947 4,997 1 1 1 1 1 1 1 1 255
Vo
R
Vo1
Gbr 11. Realisasi leveling amplifier dengan
Av = 24,9 dan C = - 4,9
Tabel 4. Perhitungan output
Vi (mV)
202
406
Vo1(Volt)
- 4,95
- 9,95
-
Vo2(volt)
-0,05
5,05
Dari tabel 5 diperlihatkan untuk rentang
pengukuran suhu 20°C - 40°C didapatkan tegangan
output (Vo3) adalah 0,146 – 4,997. Nilai ini
mendekati yang diharapkan yakni 0 – 5 Volt.
Output dari leveling amplifier menjadi input dari
ADC (pin 6) sehingga input analog ADC akan
berkisar pada rentang 0,146V – 4,997 V. Jika
diamati pada pin out data (D0 – D7) semua pin
tersisi yakni dari 0000 0111 sd 1111 1111 (07h –
FFh). Jumlah step dari ouput data ini adalah nilai
decimal MSB – Nilai decimal LSB
Dari tabel 4 maka kebutuhan input untuk ADC
sudah terpenuhi untuk skala penuh dan sudah
terjadi perubahan level dimana pada saat input
(suhu 20°C) 202 mV output – 0,05 (0 V0lt) dan
pada saat input (suhu 40°C) 406 mV maka output
5,05 V (5 Volt). Pada gbr.11, nilai Resistor (Rid an
Rf) adalah nilai perbandingan. Aplikasi dari gbr 11
digabung dengan ADC adalah seperti gbr 12.
Step number Sn = MSB – LSB
(decimal)
= 255 – 7
= 248 step.
Resolusi dalam suhu
T max  T min
R(T ) 
Sn
A-100
(14)
Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
40  20
 0,08C / step
248
Resolusi dalam tegangan output LM35
R(T ) 
R (v ) 
(15)
406  208
 0,798mV / step
255  7
Artinya dengan cara leveling ini ADC mampu
meningkatkan resolusi dalam suhu dimana setiap
kenaikan satu bit data sama dengan kenaikan
0,08°C. Bisa dibandingkan hasil seperti pers 11 dan
pers 14, pada pemakaian ADC tanpa leveling
amplifier didapat resolusi pengukuran suhu sebesar
2,22°C/step sedangkan dengan leveling amplifier
resolusi
naik
secara
significant
menjadi
0,08°C/step. Ini berarti system menjadi lebih teliti
dalam mengukur suhu karena semua bit data output
semuanya terpakai. Sementara untuk resolusi dalam
tegangan output LM35, untuk tanpa leveling
diperoleh 19,66 mV/step sedang dengan leveling
amplifier diperoleh 0,798 mV/step.
5. KESIMPULAN
Leveling amplifier bisa memperbaiki
kinerja ADC dengan meningkatkan resolusi tiap
step bit secara perangkat keras (hardware). Dari
percobaan yang dilakukan, tanpa leveling amplifier
didapatkan resolusi pengukuran suhu untuk rentang
20°C - 40°C adalah 2,22°C/step sedangkan dengan
leveling amplifier didapat resolusi 0,08°C/step. Ini
adalah peningkatan lebih dari 200%. Dan dengan
leveling amplifier semua bit data output terpakai.
6. DAFTAR PUSTAKA
[1]Curtis
D
Johnson,
Process
Control
Instrumentation Technology, second edition, John
Wiley & Sons 1982
[2]Dafid F, Stout, Handbook of Operational
Amplifier Circuit Design, McGraw-Hill Book
Company, 1976
[3]Chandrashekhar Mithlesh, A.S Umesh, Design
and Simulation of
Op Amp Integrator and Its Applications,
International Journal of Engineering and Advanced
Technology (IJEAT) ISSN: 2249–8958, Volume-1,
Issue-3, February 2012
[4]Ron Mancini, Sensor to ADC-Analog Interface
Design, Analog Application Journal, Texas
Instrument,
2005,
http://www.ti.com/lit/an/slyt173/slyt173.pdf
A-101
Volume 7 – ISSN: 2085-2347