Tutorial – 04
Sensor
Lucky Saputra [3 AE C]
213 341 062
JURUSAN TEKNIK OTOMASI MANUFAKTUR DAN MEKATRONIKA
POLITEKNIK MANUFAKTUR NEGERI BANDUNG
2015
AKURASI
a. Accuracy (akurasi)
Akurasi adalah tingkat kedekatan pengukuran kuantitas terhadap nilai yang sebenarnya (true value / reference value). Akurasi juga merupakan ukuran yang menyatakan nilai maksimum keseluruhan eror yang diperkirakan muncul dalam pengukuran suatu variable. Akurasi biasanya dinyatakan sebagai inakurasi (ketidak telitian). Akurasi dapat ditulis dalam bentuk variable yang diukur, persentase terhadap pembacaan skala penuh (Full Scale- FS), persentase terhadap span(kisaran/ range pengukuran), dan dalam bentuk persentase terhadap nilai pembacaan.
Contoh :
1. Akurasi + 2oC menyatakan adanya ketidak pastian sebesar + 2oC dalam setiap nilai suhu yang diukur
2. Akurasi + 0,5%FS pada sebuah volmeter yang mempunyai kisaran skala penuh 5 volt, berarti dalam setiap pengukuran terdapat ketidak pastian sebesar + 0,025V
3. Akurasi +3% dari span untuk kisaran pengukuran tekanan antara 20 – 50 psi adalah (0,03)(50-20)psi = 0,9 psi
4. Akurasi +2% dari pembacaan pada hasil pengukuran 2 volt menyatakan ketidak pastian sebesar +0,04 volt.
5. Dalam variabel pengukuran contoh ; Termometer skala 0OF –100oF dengan akurasi 1 OF Artinya jika pengukuran menunjukkan 60 OF, maka nilai sebenarnya adalah 59OF – 61oF
6. Dalam presentase span contoh : pressure transmitter range 100 – 400 psi. akurasi 0,5 % span akurasi = 0,5 % x (400 – 100) = 1,5 psi Jika pengukuran menunjukkan 200 psi, maka sebenarnya adalah 198,5 – 201,5 psi.
7. Dalam presentase skala maksimum contoh voltmeter skala maksimum 200 V dg akurasi 1% FS (full scale) akurasi = 1 % x 200 = 2 V2.
8. Dalam presentase pembacaan contoh Level transmitter mempunyai akurasi 5 % output jika sinyal menunjukkan 40 %, maka akurasi adalah 40 x 5 % = 2 %, sehingga nilai sebenarnya 38 – 42 % jika sinyal menunjukkan 60 %, maka akurasi adalah 60 x 5 % = 3 %, sehingga nilai sebenarnya 57 – 63 %
PRESISI
b. Precision / Repeatability
Adalah yang menyatakan seberapa jauh alat ukur dapat mengulangi hasilnya untuk harga yang sama atau yang berjarak dekat pada pengukuran berulang singkat. Dengan kata lain, alat ukur belum tentu akan dapat memberikan hasil yang sama jika diulang, meskipun harga besaran yang diukur tidak berubah. Hal diatas berarti bahwa jika suatu mikrometer menghasilkan angka 0,0002 mm, dan hasil yang sama akan diperoleh kembali meskipun pengukuran diulang-ulang, dikatakan bahwa mikrometer tersebut sangat Cermat. Contoh lain: voltmeter mempunyai repeatability 0,2 %. jika pengukuran sebenarnya 100 v, maka ketika pengukuran diulang – ulang ( misal 20 kali) maka pembacaan akan berkisar 99,8 – 100,2 V
RESOLUSI
c. Resolution (Resolusi)
Resolusi (umumnya dalam megapiksel) menyatakan jumlah piksel dari sensor, semakin besar maka foto yang dihasilkan semakin detail (terkait ukuran cetak maksimal), namun ukuran file foto akan semakin besar. Kamera generasi sekarang punya sensor beresolusi minimal 10 MP. Resolusi kamera yang dipaksakan terlalu tinggi malah berpotensi membuat hasil foto kurang baik, bahkan saat ini kamera non DSLR sepertinya membatasi diri untuk tidak melebihi resolusi di atas 14 MP.
SENSITIVITAS
Example of Sensitivity
Sensitifitas adalah rasio antara perubahan pada output terhadap perubahan pada input. Pada alat ukur yang linier, sensitivitas adalah tetap. Dalam beberapa hal harga sensitivitas yang besar menyatakan pula keunggulan dari alat ukur yang bersangkutan. Alat ukur yang terlalu sensitif adalah sangat mahal, sementara belum tentu bermanfaat untuk maksud yang kita inginkan.
Kepekaan (sensitivitas) menyatakan berapa besarnya harga pengukuran untuk setiap satuan harga sinyal input. Sinyal input yang paling kecil yang memberikan sinyal output dan dapat diukur dinamakan sensitivitas alat ukur.
Contoh timbangan : Capacity 250 g Sensitive to 1 mg , Artinya timbangan dapat digunakan sampai 250 g dan perubahan massa yang dapat dideteksi sebesar 1 mg
Gambar diatas merupakan contoh dari sensitivitas yang diterapkan pada peralatan telekomunikasi (Handphone)
DYNAMIC RANGE CALCULATION
Rentang dinamis (Inggris: dynamic range) adalah istilah yang dipakai di berbagai bidang untuk menjelaskan rasio sekumpulan bilangan dari nilai terbesar dan terkecil. Ukuran yang dipakai adalah rasio, base-10 (decibel), base-2 (doubling, bits dan stops).
Contoh dynamic range
Mata manusia memiliki rentang dinamis visual yang sangat tinggi. Mata dapat melihat obyek di siang hari dan obyek yang teriluminasi 1/1.000.000.000 nya dengan jelas, walaupun untuk itu mata membutuhkan waktu penyesuaian. Hingga saat ini, peralatan elektronik masih belum dapat mendekati rentang dinamis visual manusia,
Layar LCD yang bermutu memiliki rentang dinamis 1000:1 (contrast ratio adalah nama komersial rentang dinamis, yang berarti kapasitas rasio luminasi antara nilai maksimum dan minimumnya)
Beberapa sensor CMOS muktahir saat ini memiliki rasio 11.000:1.
Perhitungan dynamic range :
Contoh : jika the ceiling of a device adalah 5V (rms) dan the noise floor adalah 10µV (rms) dan rentang dinamisnya adalah 500000:1, or 114 dB:
Dalam teori audio digital rentang dinamis dibatasi oleh kesalahan kuantisasi. Maksimum rentang dinamis dicapai untuk sistem audio digital dengan Q-bit uniform quantization dihitung sebagai rasio terbesar gelombang sinus rms ke rms kebisingan:
Rasio signal-to-noise dicapai maksimum (SNR) untuk sistem audio digital dengan Q-bit uniform quantization adalah :
16-bit compact disc memiliki dynamic range teoritis dari sekitar 96 dB (atau sekitar 98 dB untuk sinyal sinusoidal, per rumus). Audio digital dengan 20-bit digitalisasi secara teoritis memiliki kemampuan 120 dB rentang dinamis,. Sama, 24-bit digital audio yang menghitung 144 dB rentang dinamis. Semua rekaman audio digital dan rantai pemutaran termasuk input dan output konverter dan sirkuit analog terkait, secara signifikan membatasi rentang dinamis praktis. Diamati 16-bit digital rentang dinamis audio sekitar 90 dB.
TRANSFER FUNCTION
Transfer function (juga disebut fungsi alih, fungsi sistem, atau fungsi jaringan) adalah representasi matematika mengenai analisa ruang dan frekuensi untuk menggambarkan hubungan antara perbandingan output dan input. Fungsi transfer yang umum digunakan dalam analisis sistem seperti single-input tunggal-output filter, biasanya dalam bidang pemrosesan sinyal, teori komunikasi, dan teori control. Istilah transfer function sering digunakan secara eksklusif untuk mengacu pada sistem linear,time-invariant (LTI). Kebanyakan sistem nyata memiliki non-linear input / output karakteristik, tapi banyak sistem ketika dioperasikan dalam parameter nominal (tidak "over-driven") memiliki perilaku yang cukup dekat dengan linear bahwa teori sistem LTI adalah representasi yang dapat diterima dari perilaku input / output.
Kalau fungsi transfer yang didapatkan itu benar, maka apapun signal yang kita berikan ke alat itu, outputnya akan dapat diprediksi, mengikuti rumus:
Output = input * [transfer function]
Fungsi transfer juga didefinisikan sebagai perbandingan antara transformasi Laplace keluaran (output) sistem dengan transformasi Laplace masukan (input) sistem dengan asumsi kondisi awal sama dengan nol.
Penentuan fungsi transfer dapat dilakukan melalui dua cara yaitu :
Penurunan melalui persamaan matematis.
Penentuan fungsi transfer yang dilakukan dengan penurunan persamaan secara matematis mempersyaratkan adanya model dinamika dari sistem fisis bersangkutan. Keakuratan fungsi transfer yang diperoleh bergantung pada keakuratan model dinamika fisis tersebut.
Pengukuran langsung terhadap sistem fisis sesungguhnya, yaitu dengan mengamati keluaran sistem fisis tersebut terhadap sinyal uji/masukan tertentu. Untuk melakukan pengukuran cara ini perlu dipahami analisis sinyal dalam kawasan(domain) waktu dan kawasan frekuensi.
Transfer Function dapat ditulis seperti berikut
C(s) merupakan output, dan R(s) merupakan input
DATA AKUISISI
Sistim akuisisi data dapat didefinisikan sebagai suatu sistem yang berfungsi untuk mengambil, mengumpulkan dan menyiapkan data, hingga memprosesnya untuk menghasilkan data yang dikehendaki. Jenis serta metode yang di pilih pada umumnya bertujuan untuk menyederhanakan setiap langkah yang dilaksanakan pada keseluruhan proses. Suatu sistem akuisisi data pada umumnya dibentuk sedemikian rupa sehingga sistem tersebut berfungsi untuk mengambil, mengumpulkan dan menyimpan data dalam bentuk yang siap untuk diproses lebih lanjut. gambar 1 menunjukan diagram blok sistem akuisisi data.
Gambar 1. Diagram blok sistem akuisisi data
Gambar 2. Komputer digital untuk kebutuhan data
Pada mulanya proses pengolahan data lebih banyak dilakukan secara manual oleh manusia, sehingga pada saat itu perubahan besaran fisis dibuat ke besaran yang langsung bisa diamati panca indra manusia. Selanjutnya dengan kemampuan teknologi pada bidang elektrikal besaran fisis yang diukur sebagai data dikonversikan ke bentuk sinyal listrik, data kemudian ditampilkan ke dalam bentuk simpangan jarum, pendaran cahaya pada layar monitor, rekorder xy dan lain-lain. Sistem akuisisi data berkembang pesat sejalan dengan kemajuan dibidang teknologi digital dan komputer. Kini, akuisisi data menkonversikan besaran fisis sumber data ke bentuk sinyal digital dan diolah oleh suatu komputer. Pengolahan dan pengontrolan proses oleh komputer memungkinkan penerapan akuisisi data dengan software. Software memberikan harapan proses akuisisi data bisa divariasi dengan mudah sesuai kebutuhan. Gambar 2 menunjukan proses akuisisi data menggunakan komputer.
Gambar.3.Sistem akuisisi data kanal tunggal
Fungsi masing-masing blok dalam sistem adalah sebagai berikut:
Tranduser: berfungsi untuk merubah besaran fisis yang diukur kedalam bentuk sinyal listrik.
Amp: berfungsi untuk memperbesar amplitudo dari sinyal yang dihasilkan transduser.
LPF : berfungsi untuk membatasi lebar band frekuensi sinyal listrik dari data yang diukur.
S/H : berfungsi untuk menjaga amplitudo sinyal analog tetap konstan selama waktu konversi analog ke digital.
A/D : berfungsi untuk merubah besaran analog kedalam bentuk representasi numerik.
D/A : berfungsi untuk merubah besaran numerik kedalam sinyal analog.
Komputer : berfungsi untuk mengolah data dan mengontrol proses.
Pada konfigurasi kanal tunggal, komputer berfungsi sebagai pemroses data dan juga pengontrol penguatan sinyal.
Gambar 4. Sistem kanal banyak dengan cara ketiga
Kofigurasi Sistem Akuisisi Data
Suatu konfigurasi sistem akuisisi data sangat tergantung pada jenis dan jumlah tranduser serta teknik pengolahan yang akan digunakan. Konfigurasi ini dapat di lihat dari banyaknya tranduser atau kanal yang digunakan, kecepatan pemrosesan data dan letak masing-masing komponen pada sistem akuisisi data.
Sistem kanal tunggal.
Sistem kanal tunggal disebut juga sistem akuisisi data sederhana, ditunjukkan pada gambar 3.
Sistem Kanal Banyak
Terdapat tiga jenis metode untuk menyusun suatu sistem akuisisi data dengan banyak tranduser. Perbedaan utama pada ketiga jenis ini ditentukan oleh letak multiplexer didalam sistem. Sistem pertama meletakan multiplexer pada ujung bagian depan, sehingga sinyal analog yang mengalami proses pemilihan masuk kekanal. Pada cara kedua pemasangan multiplexer setelah terjadi pencuplikan dan holding sinyal, metode kedua lebih baik dibandingkan metode pertama. Metode ketiga merupakan metode yang terbaik, tetapi dengan penerapan masing-masing kanal mempunyai A/D sendiri mengakibatkan sistem menjadi lebih mahal dibandingkan cara sebelumnya. Gambar 4. menunjukan sistem kanal banyak metode ketiga.
Sistem Berkecepatan Tinggi
Sistem akuisisi data yang menggunakan komputer digital sebagai pengolah data kecepatannya ditentukan oleh proses pengubahan sinyal analog ke digital. Untuk mempercepat akuisisi data biasanya digunakan suatu konverter analog ke digital yang berkecepatan tinggi yang disebut dengan FLASH A to D. Bila kecepatan akuisisi masih ingin dipercepat, maka dapat digunakan teknik seperti yang diperlihatkan pada gambar 5. Cara ini digunakan dua buah A/D yang bekerja secara bergantian
Gambar 5. Sistem berkecepatan tinggi
Gambar 6. Sistem akuisisi data pada saluran analog
Gambar 7. Sistem akuisisi jarak jauh pada saluran ISDN
ADC&DAC HARDWARE, SOFTWARE
ANALOG TO DIGITAL CONVENTER (ADC)
Konverter
Alat bantu digital yang paling penting untuk teknologi kontrol proses adalah yang menerjemahkan informasi digital ke bentuk analog dan juga sebaliknya. Sebagian besar pengukuran variabel-variabel dinamik dilakukan oleh piranti ini yang menerjemahkan informasi mengenai vaiabel ke bentuk sinyal listrik analog. Untuk menghubungkan sinyal ini dengan sebuah komputer atau rangkaian logika digital, sangat perlu untuk terlebih dahulu melakukan konversi analog ke digital (A/D). Hal-hal mengenai konversi ini harus diketahui sehingga ada keunikan, hubungan khusus antara sinyal analog dan digital.
Konverter ADC
Analog To Digital Converter (ADC) adalah pengubah input analog menjadi kode – kode digital. ADC banyak digunakan sebagai Pengatur proses industri, komunikasi digital dan rangkaian pengukuran/ pengujian. Umumnya ADC digunakan sebagai perantara antara sensor yang kebanyakan analog dengan sistim komputer seperti sensor suhu, cahaya, tekanan/ berat, aliran dan sebagainya kemudian diukur dengan menggunakan sistim digital (komputer). ADC (Analog to Digital Converter) memiliki 2 karakter prinsip, yaitu kecepatan sampling dan resolusi. Kecepatan sampling suatu ADC menyatakan seberapa sering sinyal analog dikonversikan ke bentuk sinyal digital pada selang waktu tertentu. Kecepatan sampling biasanya dinyatakan dalam sample per second (SPS).
Gambar 1. ADC dengan kecepatan sampling rendah dan kecepatan sampling tinggi
Resolusi ADC menentukan ketelitian nilai hasil konversi ADC. Sebagai contoh: ADC 8 bit akan memiliki output 8 bit data digital, ini berarti sinyal input dapat dinyatakan dalam 255 (2n –1) nilai diskrit. ADC 12 bit memiliki 12 bit output data digital, ini berarti sinyal input dapat dinyatakan dalam 4096 nilai diskrit. Dari contoh diatas ADC 12 bit akan memberikan ketelitian nilai hasil konversi yang jauh lebih baik daripada ADC 8 bit. Prinsip kerja ADC adalah mengkonversi sinyal analog ke dalam bentuk besaran yang merupakan rasio perbandingan sinyal input dan tegangan referensi. Sebagai contoh, bila tegangan referensi 5 volt, tegangan input 3 volt, rasio input terhadap referensi adalah 60%. Jadi, jika menggunakan ADC 8 bit dengan skala maksimum 255, akan didapatkan sinyal digital sebesar 60% x 255 = 153 (bentuk decimal) atau 10011001 (bentuk biner).
signal = (sample/max_value) * reference_voltage
= (153/255) * 5
= 3 Volts
Komparator
Bentuk komunikasi yang paling mendasar antara wujud digital dan analog adalah piranti (biasanya berupa IC) disebut komparator. Piranti ini, yang diperlihatkan secara skematik dalam Gambar 2, secara sederhana membandingkan dua tegangan pada kedua terminal inputnya. Bergantung pada tegangan mana yang lebih besar, outputnya akan berupa sinyal digital 1 (high) atau 0 (low). Komparator ini digunakan secara luas untuk sinyal alarm ke komputer atau sistem pemroses digital. Elemen ini juga merupakan satu bagian dengan konverter analog ke digital dan digital ke analog yang akan didiskusikan nanti.
Gambar 2. Sebuah komparator merubah keadaan logika output sesuai fungsi tegangan input
analog
Sebuah komparator dapat tersusun dari sebuah opamp yang memberikan output terpotong untuk menghasilkan level yang diinginkan untuk kondisi logika (+5 dan 0 untuk TTL 1 dan 0). Komparator komersil didesain untuk memiliki level logika yang dperlukan pada bagian outputnya.
ADC Simultan
ADC Simultan atau biasa disebut flash converter atau parallel converter. Input analog Vi yang akan diubah ke bentuk digital diberikan secara simultan pada sisi + pada komparator tersebut, dan input pada sisi – tergantung pada ukuran bit converter. Ketika Vi melebihi tegangan input – dari suatu komparator, maka output komparator adalah high, sebaliknya akan memberikan output low.
Gambar 3. ADC Simultan
Bila Vref diset pada nilai 5 Volt, maka dari gambar 3 dapat didapatkan :
V(-) untuk C7 = Vref * (13/14) = 4,64
V(-) untuk C6 = Vref * (11/14) = 3,93
V(-) untuk C5 = Vref * (9/14) = 3,21
V(-) untuk C4 = Vref * (7/14) = 2,5
V(-) untuk C3 = Vref * (5/14) = 1,78
V(-) untuk C2 = Vref * (3/14) = 1,07
V(-) untuk C1 = Vref * (1/14) = 0,36
Misal :
Vin diberi sinyal analog 3 Volt, maka output dari C7=0, C6=0, C5=0, C4=1, C3=1, C2=1,
C1=1, sehingga didapatkan output ADC yaitu 100 biner
Counter Ramp ADC
Ada beberapa konsep dasar dari ADC adalah dengan cara Counter Ramp ADC, Successive Aproximation ADC dan lain sebagainya. Pada gambar 4, ditunjukkan blok diagram Counter Ramp ADC didalamnya tedapat DAC yang diberi masukan dari counter, masukan counter dari sumber Clock dimana sumber Clock dikontrol dengan cara meng AND kan dengan keluaran Comparator. Comparator membandingkan antara tegangan masukan analog dengan tegangan keluaran DAC, apabila tegangan masukan yang akan dikonversi belum sama dengan tegangan keluaran dari DAC maka keluaran comparator = 1 sehingga Clock dapat memberi masukan counter dan hitungan counter naik.
Gambar 4. Blok Diagram Counter Ramp ADC
Misal akan dikonversi tegangan analog 2 volt, dengan mengasumsikan counter reset, sehingga keluaran pada DAC juga 0 volt. Apabila konversi dimulai maka counter akan naik dari 0000 ke 0001 karena mendapatkan pulsa masuk dari Clock oscillator dimana saat itu keluaran Comparator = 1, karena mendapatkan kombinasi biner dari counter 0001 maka tegangan keluaran DAC naik dan dibandingkan lagi dengan tegangan masukan demikian seterusnya nilai counter naik dan keluaran tegangan DAC juga naik hingga suatu saat tegangan masukan dan tegangan keluaran DAC sama yang mengakibatkan keluaran komparator = 0 dan Clock tidak dapat masuk. Nilai counter saat itulah yang merupakan hasil konversi dari analog yang dimasukkan.
Kelemahan dari counter tersebut adalah lama, karena harus melakukan trace mulai dari 0000 hingga mencapai tegangan yang sama sehingga butuh waktu.
SAR (Successive Aproximation Register) ADC
Pada gambar 5 ditunjukkan diagram ADC jenis SAR, Yaitu dengan memakai konvigurasi yang hampir sama dengan counter ramp tetapi dalam melakukan trace dengan cara tracking dengan mengeluarkan kombinasi bit MSB = 1 ====> 1000 0000. Apabila belum sama (kurang dari tegangan analog input maka bit MSB berikutnya = 1 ===>1100 0000) dan apabila tegangan analog input ternyata lebih kecil dari tegangan yang dihasilkan DAC maka langkah berikutnya menurunkan kombinasi bit ====> 10100000. Untuk mempermudah pengertian dari metode ini diberikan contoh seperti pada timing diagram gambar 6 Misal diberi tegangan analog input sebesar 6,84 volt dan tegangan referensi ADC 10 volt sehingga apabila keluaran tegangan sbb :
Jika D7 = 1 Vout=5 volt
Jika D6 = 1 Vout=2,5 volt
Jika D5 = 1 Vout=1,25 volt
Jika D4 = 1 Vout=0,625 volt
Jika D3 = 1 Vout=0,3125 volt
Jika D2 = 1 Vout=0,1625 volt
Jika D1 = 1 Vout=0,078125 volt
Jika D0 = 1 Vout=0,0390625 volt
Gambar 5. Blok Diagram SAR ADC
Gambar 6. Timing diagram urutan Trace
Setelah diberikan sinyal start maka konversi dimulai dengan memberikan kombinasi 1000 0000 ternyata menghasilakan tegangan 5 volt dimana masih kurang dari tegangan input 6,84 volt, kombinasi berubah menjadi 1100 0000 sehingga Vout=7,5 volt dan ternyata lebih besar dari 6,84 sehingga kombinasi menjadi 1010 0000 tegangan Vout = 6,25 volt kombinasi naik lagi 1011 0000 demikian seterusnya hingga mencapai tegangan 6,8359 volt dan membutuhkan hanya 8 clock.
ADC dalam bentuk IC
Chip ADC yang banyak digunakan serta tersedia dipasar adalah jenis ADC 0804, ADC 0808 dan 0809 chip ini dibuat dengan technologi CMOS mempunyai kemampuan melakukan konversi sebanyak 8 buah chanel input analog secara multiplexing. Adapun data keluaran digital yang dihasilkan adalah 8 bit bersifat tristate output. Chip ini menawarkan beberapa keistimewaan antara lain high speed ( kecepatan tinggi ), konsumsi daya yang rendah. Karenanya chip ini banyak digunakan pada proses control peralatan mesin-mesin serta aplikasi automotif. ADC 0804 merupakan salah satu Analog to Digital Converter yang banyak digunakan untuk menghasilkan data 8 bit. Adapun metode pengukur aras tegangan cuplikan dan mengubahnya ke dalam sandi biner menggunakan metode pengubahan dengan tipe pembanding langsung atau successive approximation.
IC ADC 0804 mempunyai dua input analog, Vin(+) dan Vin(-), sehingga dapat menerima input diferensial. Input analog sebenarnya (Vin) sama dengan selisih antara tegangan-tegangan yang dihubungkan dengan ke dua pin input yaitu Vin = Vin(+) – Vin(-). Kalau input analog berupa tegangan tunggal, tegangan ini harus dihubungkan dengan Vin(+), sedangkan Vin(-) digroundkan. Untuk operasi normal, ADC 0804 menggunakan Vcc = +5 Volt sebagai tegangan
referensi. Dalam hal ini jangkauan input analog mulai dari 0 Volt sampai 5 Volt (skala penuh), karena IC ini adalah SAC 8-bit, resolusinya akan sama dengan
(n menyatakan jumlah bit output biner IC analog to digital converter) IC ADC 0804 memiliki generator clock internal yang harus diaktifkan dengan menghubungkan sebuah resistor eksternal (R) antara pin CLK R/CLK OUT dan CLK IN serta sebuah kapasitor eksternal (C) antara CLK IN dan ground digital. Frekuensi clock yang diperoleh sama dengan :
Untuk sinyal clock ini dapat juga digunakan sinyal eksternal yang dihubungkan ke pin CLK IN. ADC 0804 memiliki 8 output digital sehingga dapat langsung dihubungkan dengan saluran data mikrokomputer. Input Chip Select (aktif LOW) digunakan untuk mengaktifkan ADC 0804. Jika berlogika HIGH, ADC 0804 tidak aktif (disable) dan semua output berada dalam keadaan impedansi tinggi. Input Write atau Start Convertion digunakan untuk memulai proses konversi. Untuk itu harus diberi pulsa logika 0. Sedangkan output interrupt atau end of convertion menyatakan akhir konversi. Pada saat dimulai konversi, akan berubah ke logika 1. Di akhir konversi akan kembali ke logika 0.
ADC ini relatif cepat dan mempunyai ukuran kecil. Keuntungan tambahan adalah setiap cuplikan diubah dalam selang waktu yang sama tidak tergantung pada arus masukan dan secara keseluruhan ditentukan oleh frekuensi yang mengendalikan detak dan resolusi dari pengubah. Sebagai contoh, pengubah 8 bit digunakan untuk menentukan arus logika setiap bit secara berurutan mulai dari bit signifikan terbesar jika frekuensi detak 10 KHz, waktu pengubahan 8 x periode detak = 8 x 0,1 mdetik. Jika frekuensi detak dinaikkan menjadi 1 MHz, waktu pengubahan akan berkurang menjadi 8 udetik.
Kekurangan pengubahan jenis ini adalah mempunyai kekebalan rendah terhadap derau dan diperlukan adanya pengubah digital ke analog yang tepat dan pembanding dengan unjuk kerja yang tinggi, Sebuah contoh diagram pin ADC 0804 adalah ditunjukkan pada gambar 7, IC ADC 0804 adalah sebuah CMOS 8bit dan IC ADC ini bekerja dibawah 100 us. Gambar 8 ditunjukkan sebuah pengetes rangkaian yang menggunakan IC ADC 0804 dimana input tegangan analog dimasukkan dengan mengatur potensio 10 Kohm yang dihubungkan dengan ground dan tegangan (+5 volt). Hasil dari ADC adalah 1/255 (28 - 1) dari skala penuh tegangan 5 Volt. Untuk setiap penambahan 0,02 volt (1/255 x 5 volt = 0,02 volt ). Jika input analog diberi 0,1 volt maka keluaran binernya = 0000 0101 ( 0,1 volt/0,02 volt = 5 maka binernya = 0000 0101 ).
Gambar 7. Pin ADC 0804 8bit
Gambar 8. Rangkaian dengan IC ADC 0804
Rangkaian ADC melalui port paralel ini tampak pada Gambar 9. Hubungan ke data komputer melalui pin data yaitu D0-D7. Sinyal status yang digunakan ialah ERROR yang digunakan dengan pin 5 ADC yaitu INTR'. Dua sinyal control yaitu STROBE' dan INIT' digunakan untuk mengaktifkan ADC. Pin 9 sebagai Vref tidak dihubungkan.
Gambar 9. Rangkaian ADC 0804 terhubung ke port paralel
Pada program diatas, digunakan alamat standar port paralel atau yang lebih dikenal sebagai port printer yaitu 378H (dalam pascal ditulis sebagai $378). Program lalu menginisialisasi variable untuk data, stat dan ctrl dengan nilai alamat masing masing. Program kemudian looping untuk mengambil data lalu ditampilkan hasilnya.
Contoh IC ADC 8 bit yang mampu menerima 8 input dan banyak digunakan ialah ADC 0808 meskipun lebih mahal dibandingkan ADC 0804 . ADC ini selain mampu diprogram untuk mulai konversi melalui pin SC (Start Conversion ), mampu juga berjalan dalam mode free running, artinya ia akan konversi terus menerus sinyal input yang masuk dengan cara menghubungkan pin EOC (End of Conversion) ke SC.
Gambar 10. IC ADC 0808
DIGITAL TO ANALOG CONVERTER (DAC)
Teori Dasar
DAC adalah perangkat yang digunakan untuk mengkonversi sinyal masukan dalam bentuk digital menjadi sinyal keluaran dalam bentuk analog (tegangan). Tegangan keluaran yang dihasilkan DAC sebanding dengan nilai digital yang masuk ke dalam DAC. Sebuah DAC menerima informasi digital dan mentransformasikannya ke dalambentuk suatu tegangan analog. Informasi digital adalah dalam bentuk angka biner dengan jumlah digit yang pasti.
Konverter D/A dapat mengonversi sebuah word digital ke dalam sebuah tegangan analog dengan memberikan skala output analog berharga nol ketika semua bit adalah nol dan sejumlah nilai maksimum ketika semua bit adalah satu. Angka biner sebagai angka pecahan. Aplikasi DAC banyak digunakan sebagai rangkaian pengendali (driver) yang membutuhkan input analog seperti motor AC maupun DC, tingkat kecerahan pada lampu, Pemanas (Heater) dan sebagainya. Umumnya DAC digunakan untuk mengendalikan peralatan computer.
Rangkaian penjumlah op-amp (summing amplifier) dapat digunakan untuk menyusun suatu konverter D/A dengan memakai sejumlah hambatan masukan yang diberi bobot dalam deret biner.
Penguat Inverting
Rangkaian untuk penguat inverting adalah seperti yang ditunjukkan Gambar 1. Penguat ini memiliki ciri khusus yaitu sinyal keluaran memiliki beda fasa sebesar 180°.
Gambar 1. Rangkaian Penguat Inverting
Penguatan rangkaian penguat inverting adalah berdasar pada persamaan berikut:
Vout = -Vin(R2/R1)
Penguat Non-Inverting
Penguat noninverting memiliki ciri khusus yaitu sinyal output adalah sefasa dengan
sinyal masukan. Rangkaian ini ditunjukkan oleh Gambar 2.
Gambar 2. Rangkaian Penguat Non-Inverting.
Penguatan dari rangkaian penguat jenis ini adalah berdasar pada persamaan berikut:
Vout = Vin((R1+R2)/R1)
Penguat Penjumlah
Penguat penjumlah memiliki ciri khusus yaitu sinyal keluaran merupakan hasil penguatan dari penjumlahan sinyal masukannya. Pada bagian ini dicontohkan penguat penjumlah berdasarkan rangkaian penguat inverting. Sehingga sinyal keluaran adalah berbeda fasa sebesar 180o. Rangkaian ini ditunjukkan oleh Gambar 3.
Gambar 3. Rangkaian Penguat Penjumlah
Penguatan dari rangkaian ini dihitung menggunakan persamaan berikut:
Vout = (-Vin1(R5/R1))+(-Vin2(R5/R2))+(-Vin3(R5/R3))
Binary Weighted DAC
Sebuah rangkaian Binary-weighted DAC dapat disusun dari beberapa Resistor dan Operational Amplifier seperti gambar 4. Resistor 20 k 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 kOhm. Dengan menutup D0 menyebabkan arus 50 uA mengalir melalui resistor 20 kOhm 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 1.
.
Gambar 4. Rangkaian Binary Weighted DAC
Keluaran Vout analog dari rangkaian Binary Weighted DAC diatas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan yang sama dengan persamaan untuk mencari Vout pada rangkaian penguat penjumlah.
Tabel 1. Konversi dari nilai digital ke nilai analog berdasarkan rangkaian gambar 1
R/2R Ladder DAC
Metode lain dari konversi Digital to Analog adalah R/2R Ladder. Metode ini banyak digunakan dalam IC-IC DAC. Pada rangkaian R/2R Ladder, hanya dua nilai resistor yang diperlukan, yang dapat diaplikasikan untuk IC DAC dengan resolusi 8,10 atau 12 bit. Rangkaian R/2R Ladder ditunjukkan pada gambar 5.
Gambar 5. Rangkaian R/2R Ladder DAC
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 R5menghasilkan 10 k . Selanjutnya 10 k ini seri dengan R6 = 10 k menghasilkan 20 k . 20 k ini paralel dengan R2 menghasilkan 10 k , dan seterusnya sampai R7, R3 dan R8. Rangkaian ekivalennya ditunjukkan pada gambar 6. Vout yang dihasilkan dari kombinasi switch ini adalah -5V.Nilai kombinasi dan hasil konversinya ditunjukkan pada tabel 2.
Gambar 6. Rangkaian Ekivalen R/2R Ladder
Untuk mendapatkan Vout analog dari rangkaian R/2R Ladder DAC diatas dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan:
Vout = (-Vref(R9/R))*((D0/16)+(D1/8)+(D2/4)+(D1/2))
Tabel 2. Konversi dari nilai digital ke nilai analog berdasarkan rangkaian gambar 2
DAC dalam bentuk IC
Salah satu IC yang didesain khusus sebagai Digital to Analog Converter (DAC) adalah IC DAC 0808 buatan national semiconductor. IC DAC 0808 ini adalah chip yang didesain sebagai Digital to Analog Converter (DAC) yang menerapkan metode egative data tangga R-2R 8 bit. IC DAC 0808 ini dilengkapi dengan pin egativ tegangan referensi yang berfungsi sebagai adjustment output DAC terhadap data input yang diberikan. Berikut adalah gambar fisik Digital to Analog Converter (DAC) tipe DAC 0808. Spesifikasi Teknis Digital to Analog Converter (DAC) 0808 Sesuai datasheet dari Digital to Analog Converter (DAC) 0808 yang dikeluarkan oleh national semiconductor spesifikasi teknis Digital to Analog Converter (DAC) 0808 adalah sebagai berikut.
Relative accuracy: ±0.19% \
error maximum Full scale current match: ±1 LSB
typ Fast settling time: 150 ns typ
Noninverting digital inputs are TTL and CMOS compatible
High speed multiplying input slew rate: 8 mA/μs
Power supply voltage range: ±4.5V to ±18V
Low power consumption: 33 mW @ ±5V
Gambar fisik IC DAC 0808
Konfigurasi kaki (pin) dari Digital to Analog Converter (DAC) 0808 adalah sebagai berikut :
Pin 1 (NC) tidak dipakai ( NC singkatan dari no connection ).
Pin 2 (GND) adalah jalur ke ground.
Pin 3 (VEE) dihubungkan ke jalur -12V.
Pin 4 adalah saluran jalur output DAC 0808, yang sifatnya adalah output membalik.
Pin 5 s/d 12 (Input) merupakan jalur input 8 bit data biner.
Pin 13 (VCC) harus dipasang pada catu daya +5V.
Pin 14 (+ Vref) berfungsi sebagai input tegangan referensi positif. Penggunaanya dihubungkan dengan catu daya positif melalui resistor atau VR.
Pin 15 (- Vref) berfungsi sebagai input tegangan referensi egative. Penggunaanya dihubungkan dengan catu daya egative atau ground melalui resistor atau VR.
Pin 16 (COMP) adalah terminal kompensator frekuensi terhadap IC DAC 0808 ini.
Aplikasinya dipasang sebuah kapasitor yang terhubung ke jalur VCC. Aplikasi dari Digital to Analog Converter (DAC) 0808 cukup sederhana dan tidak membutuhkan banyak komponen eksternal untuk membangun sebuah Digital to Analog Converter (DAC).
