ADC dan DAC

Rudi Susanto

Analog To Digital Converter

Sinyal Analog : sinyal kontinyu atau diskontinyuyang 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 kode-kode biner (digital).

Proses konversi Analog ke Digital (1)

detik

Volt

0

2

-2

Sinyal Analog

detik

Volt

0

4

Sinyal Dinaikkan

detik

Volt

0

1

Sinyal pencuplik

1.

2.

Proses konversi Analog ke Digital (2)

detik

Volt

0

4

Sinyal dicuplik

detik

Biner Desimal

11111111 255

10000000 128

00000000 0

Sinyal dikuantisasi dandikodekan

3.

4.

Persamaan untuk ADC

• Keluaran ADC dapat juga dinyatakan dalam bentuk:

dengan : N = keluaran ADC dalam basis 10INT( ) = 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 untukmengonversi tegangan keluaran sensor menjadi data digital. Tentukan besarnyategangan acuan dan besarnya word ADC yang diperlukan agar diperoleh resolusi 0,1 °C.

Penyelesaian

• Tegangan keluaran sensor pada suhumaksimum (100°C):

(0,02 V/°C) (100°C) = 2V

Oleh karena itu digunakan tegangan acuan VR= 2V (pendekatan)

• Resolusi suhu 0,1 °C akan menghasilkanresolusi 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 dapatmengukur hingga 100°C. Sebuah ADC 6-bit dengan tegangan acuan 10 V digunakan untukmengkonversi tegangan pengukuran menjadidata digital

(a) Rancanglah sebuah rangkaian untukinterface 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-hasilkankeluaran 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)

1 1 1

1 1 0

1 0 0

0 1 1

0 1 0

0 0 1

0 0 0

1 0 1

1 1 1

1 0 1

0 1 1

0 0 1

1 1 0

0 1 0

1 0 01/2V

3/4V

1/4V

7/8V

5/8V

1/8V

3/8V

7/8V

5/8V

1/8V

3/8V

6/8V

4/8V

0V

2/8V

PembandingPertama

PembandingKedua

PembandingKetiga

PembandingTerakhir

Ramp ADC

Tracking ADC

Perbandingan :

• Jenis ADC 8 bit rate

SAR 100-8000 kHz

Tracking 4 kHz

Flash 100 MHz

V/F 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 denganlevel 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 masukandigital, 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, danmaksimumnya ditentukan oleh ukuran katabiner dan nilainya mendekati VR

• Keluaran DAC juga dapat dinyatakan sebagai:

dengan N = nilai ekivalen masukan DAC dalambasis 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 keluaransebesar 0,04 V bila digunakan tegangan acuansebesar 10 V

Penyelesaian

• Dari persamaan (3.6) ;

y = 7,966

Contoh 2

Sebuah valve kendali mempunyai perubahanpembukaan yang linier bila tegangan masukannyaberubah dari 0 sampai 10 Volt. Keluaran sebuahmikrokomputer yang mempunyai word 8 - bit digunakan untuk mengendalikan pembukaan valve tersebut melalui sebuah DAC 8 - bit.

a. Berapa tegangan acuan yang diperlukan untukmemperoleh pembukaan valve penuh(10V)

b. Berapa persentase pembukaan valve untuksetiap perubahan masukan 1-bit.

Penyelesaiana. Kondisi pembukaan penuh terjadi bila masukan

valve 10 V

b). Perubahan tegangan keluaran DAC per-step:

Rangkaian Digital To Analog Converter

).(2

0

4

1

8

2Vf

DDDVo

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 dalammateri ini:

– R2R

– Weighted Resistor

– Potentiometric

R2R DAC

• Paling banyak diimplementasikan padaberbagai 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 masukan-masukan 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)

bx

R

2R

R8

1k

R5

2k

U5A

7404

1 2

Rangkaian Weighted Resistor

Menggunakan resistor dengan nilai R,2R,4R, …, 2nR yang akan membobotnilai logika bit-bit inputKelemahan : 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 EWBDIGITAL TO ANALOG CONVERTER

• Binary-weighted Digital-to-Analog Converter

Isikan Tabel Berikut!

Referensi hasil

Analisisnya

Sebuah rangkaian Binary-weighted DAC dapat disusundari beberapa Resistor dan Operational Amplifier sepertigambar di atas. Resistor 20 kΩ menjumlahkan arus yang dihasilkan dari penutupan switch-switch D0 sampai D3. Resistor-resistor ini diberi skala nilai sedemikian rupasehingga memenuhi bobot biner (binary-weighted) dariarus 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 dihasilkandari switch sebelumnya. Nilai konversi dari kombinasipenutupan 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 inimempunyai kondisi “1” (sekitar 5 V) atau “0” (sekitar 0 V). Denganpengaturan switch akan menyebabkan perubahan arus yang mengalir melalui R9 sesuai dengan nilai ekivalen biner-nya Sebagaicontoh, jika D0 = 0, D1 = 0, D2 = 0 dan D3 = 1, maka R1 akan paraleldengan R5 menghasilkan 10 kΩ. Selanjutnya 10 kΩ ini seri denganR6 = 10 kΩ menghasilkan 20 kΩ. 20 kΩ ini paralel dengan R2 menghasilkan 10 kΩ, dan seterusnya sampai R7, R3 dan R8. Voutyang dihasilkan dari kombinasi switch ini adalah -5V. Nilai kombinasidan 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