ADC da dan DAC Rudi Susanto
Analog To Digital Converter sinyal konti ontin nyu at atau au disk diskon onti tin nyu Sin Sinyal Anal Analog og : sin yang ang didas didasar ark kan pada pada waktu aktu.. Siny Sinyal anal analog og dapat dihasilkan oleh alam atau buatan. Cont Contoh oh sin sinyal anal analog og : suara, bunyi, cahaya, warna, warna, tegang tegangan an ac/dc dsb. sinyal yang ang tersu ersusu sun n dari dari kodeodeSinyal Di Siny Digit gital al : sin kode ode bine binerr (dig (digit ital al)).
Pros Pr oses es kon onv ver ersi si An Anal alog og ke Di Digi gittal (1 (1)) Volt
1.
Sinyal Analog
2
detik
0 -2
2. Volt Volt
Sinyal Dinaikkan 4
Sinyal pencuplik 1
detik 0
detik 0
Pros Pr oses es kon onv ver ersi si An Anal alog og ke Di Digi gittal (2 (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: mV/°C) (100°C) = 0,65 V.
(6,5
(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
Keluaran Encoder
C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0
D2 D1 D0
0
0
0 0
0
0
0
0
0
0
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
0
–
1/7
1/7 Vr –
Successive Aproximation Register ADC (SAR)
0,52V
SAR ADC (2) Pembanding Kedua
Pembanding Pertama
7/8V
Pembanding Ketiga
111
110 3/4V 5/8V 1/2V
101
100 3/8V 1/4V
Pembanding Terakhir
7/8V
111
6/8V
110
5/8V
101
4/8V
100
3/8V
011
2/8V
010
1/8V
001
0V
000
011
010 1/8V
001
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 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, …, 2 nR 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
