ADC DAN DAC

1. Analog to Digital Converter (ADC)

          ADC adalah kepanjangan dari  Analog To Digital Converter yang berfungsi untuk mengubah input analog menjadi kode – kode digital. ADC banyak digunakan sebagai Pengatur proses industri, komunikasi digitaldan rangkaian pengukuran/atau pengujian.Umumnya ADC digunakan sebagai perantara antara sensor yang kebanyakan analog dengan sistim komputer seperti sensor suhu, cahaya, tekanan atau berat, aliran dan sebagainya kemudian diukur dengan menggunakan sistim digital (komputer).

      Secara singkat prinsip kerja dari konverter A/D adalah semua bit-bit diset kemudian diuji, dan bilamana perlu sesuai dengan kondisi yang telah ditentukan. Dengan rangkaian yang paling cepat, konversi akan diselesaikan sesudah 8 clock, dan keluaran D/A merupakan nilai analog yang ekivalen dengan nilai regiser SAR.

Apabila konversi telah dilaksanakan, rangkaian kembali mengirim sinyal selesai konversi yang berlogika rendah. Sisi turun sinyal ini akan menghasilkan data digital yang ekivalen ke dalam register buffer. Dengan demikian, keluaran digital akan tetap tersimpan sekalipun akan di mulai siklus konversi yang baru.

Jenis-jenis dari ADC dan fungsi dari masing-masing jenisnya

·      Tipe Tracking Tipe tracking menggunakan prinsip up down counter (pencacah naik dan turun). Fungsinya adalah : Binary counter (pencacah biner) akan mendapat masukan clock secara kontinyu dan hitungan akan bertambah atau berkurang tergantung pada kontrol dari pencacah apakah sedang naik (up counter) atau sedang turun (down counter).

·             Tipe flash / paralel Tipe ini dapat menunjukkan konversi secara lengkap pada kecepatan 100 MHz dengan rangkaian kerja yang sederhana. Berfungsi untuk mengatur masukan inverting dari tiap-tiap konverter menuju tegangan yang lebih tinggi dari konverter sebelumnya, jadi untuk tegangan masukan Vin, dengan full scale range, komparator dengan bias dibawah Vin akan mempunyai keluaran rendah.

·        Tipe successive approximation Tipe successive approximation merupakan suatu konverter yang paling sering ditemui dalam desain perangkat keras yang menggunakan ADC. Tipe ini memiliki kecepatan konversi yang cukup tinggi, meskipun dari segi harga relatif mahal. Prinsip kerja konverter tipe ini adalah, dengan membangkitkan pertanyaan-pertanyaan yang pada intinya berupa tebakan nilai digital terhadap nilai tegangan analog yang dikonversikan.

·     Tipe Integrating, menawarkan resolusi tertinggi dengan biaya terendah. ADC tipe ini tidak dibutuhkan rangkaian sample hold. Tipe ini memiliki kelemahan yaitu waktu konversi yang agak lama, biasanya beberapa milidetik.

      contoh Fungsi dari ADC adalah untuk mengubah data analog menjadi data digital yang diaplikasiakn pada komponen digital misalkan pada mikrokontroller AT89S51. Inputan dari ADC ini ada 2 yaitu input positif (+) dan input negatif (-). ADC 0804 ini terdiri dari 8 bit microprocessor Analog to Digital Converter.

            V (+) dan V (-) adalah inputan tegangan analog differensial sehingga data tegangan yang akan diproses oleh ADC adalah selisih antara Vi (+) dan Vi (-). Vref adalah tegangan referensi ADC yang digunakan untuk mengatur tegangan input pada Vi+ dan Vi-. Besarnya tegangan referensi ini adalah setengah dari tegangan input maksimal. Hal ini bertujuan agar pada saat inputan maksimal data digital juga akan maksimal. Frekuensi clock dari ADC dapat diatur dengan komponen R dan C eksternal pada pin Rclk dan Cclk dengan ketentuan :

Fclk = 1 / (1,1 RC)

           Chip select fungsinya untuk mengaktifkan ADC yang diaktifkan dengan logika low. Read adalah inputan yang digunakan untuk membaca data digital hasil konversi yang aktif pada kondisi logika low. Write berfungsi untuk melakukan start konversi ADC diaktifkan pada kondisi logika low. Instruksi berfungsi untuk mendeteksi apakah konversi telah selesai atau tidak, jika sudah selesai maka pin instruksi akan mengeluarkan logika low. Data outputan digital sebanyak 8 byte (DB0-DB7) biner 0000 0000 sampai dengan 1111 1111, sehingga kemungkinan angka decimal yang akan muncul adalah 0 sampai 255 dapat diambil pada pin D0 sampai D7. DB0-DB7 mempunyai sifat latching.

Gambar : Konfigurasi Pin ADC 0804

Deskripsi Fungsi Pin ADC 0804 :

• WR, pulsa transisi high to low pada input input write maka ADC akan melakukan konversi data, tegangan analog menjadi data digital. Kode 8 bit data akan ditransfer ke output lacht flip – flop.
• INT, bila konversi data analog menjadi digital telah selesai maka pin INT akan mengeluarkan pulsa transisi high to low. Perangkat ADC dapat diopersikan dalam mode free running dengan menghubungkan pin INT ke input WR.
• CS, agar ADC dapat aktif , melakukan konversi data maka input chip select harus diberi logika low. Data output akan berada pada kondisi three state apabila CS mendapat logika high.
• RD, agar data ADC data dapat dibaca oleh sistem mikroprosessor maka pin RD harus diberi logika low.
• Tegangan analog input deferensial, input Vin (+) dan Vin (-) merupakan input tegangan deferensial yang akan mengambil nilai selisih dari kedua input. Dengan memanfaatkaninput Vin maka dapat dilakukan offset tegangan nol pada ADC.
• Vref, tegangan referensi dapat diatur sesuai dengan input tegangn pada Vin (+) dan Vin (-), Vref = Vin / 2.

Vresolusi = Vin max / 255.

• CLOCK, clock untuk ADC dapat diturunkan pada clock CPU atau RC eksternaldapat ditambahkan untuk memberikan generator clock dari dalam CLK In menggunakan schmitt triger

Resolusi dari converter menandakan nilai angka diskret yang menghasilkan range nilai analog, biasanya ditulis dalam biner dalam bit-bit. Contoh ADC dengan resolusi 8 bit dapat mengenkode masukan analog ke 256 (2⁸=256), yang merepresentasikan range dari 0 sampai 255 (unsigned integer) atau dari -128 ke 127 (signed integer) tergantung pada aplikasi.

Resolusi juga dapat didefinisikan secara elektris dan diekspresikan dalam volt. Resolusi tegangan ADC sama dengan range pengukuran tegangan dibagi dengan jumlah interval diskret, sebagaimana ditunjukkan berikut;

           Dimana Q merupakan resolusi dalam volt per step (volt per kode keluaran), E_FSR merupakan skala penuh range tegangan = V_RefHi – V_refLow, M merupakan resolusi ADC dalam bit dan N merupakan jumlah interval yang diberikan oleh kode keluaran dimana N=2^M.

            Pada prakteknya, resolusi dari converter dibatasi oleh signal-to-noise ratio terbaik yang dapat dicapai untuk digitized signal. ADC dapat menghasilkan sinyal dengan resolusi bit angka tertentu yang disebut “effective number of bits” (ENOB). Satu resolusi bit saja dapat merubah signal-to-noise ratio dari digitized signal oleh 6dB, jika resolusi dibatasi oleh ADC. Jika preamplifier digunakan pada konversi A/D makaamplifier akan berkontribusi pada hasil SNR (Signal-to-Noise Ratio).

2. Digital to Analog Converter (DAC)

             DAC (Digital to Analog Converter) adalah perangkat untuk mengkonversikan  sinyal masukan dalam bentuk digital menjadi sinyal keluaran dalam bentuk analog (tegangan, arus, muatan electrik).Tegangan keluaran yang dihasilkan DAC sebanding dengan nilai digital yang masuk ke dalam DAC.Sinyal mudah di simpan dan di transmisikan dalam bentuk digital, tapi DAC diperlukkan untu sinyal utuk diakui oleh indera manusia atau non-sistem digital.

    contohnya pada DAC0808, sebuah digital to analog converter 8-bit monolothic yang mempunyai waktu settling sekitar 150 ns. Tidak diperlukan setting arus referensi (I_REF)dalam berbagai penerapan. Pada pengaturan skala penuh arus output yang dikeluarakan umumnya 255 (I_REF/256). Arus power supply dari DAC0808 tidak bergantung pada kode bit dan akan menunjukkan karakteristik DAC yang tetap konstan pada keseluruhan jangkauan tegangan. DAC0808 mempunyai jangkauan tegangan power supply: ±4,5V sampai ±18V dengan konsumsi daya berkisar 33 mW pada tegangan ±5V. Untuk penggunaan interface ADC0808 dapat dihubungkan langsung ke level logika CMOS, TTL dan DTL.

Gambar : Konfigutasi Pin DAC0808

1. A1-A8, input digital 8 bit, data inputan yang akan dikonversikan ke besaran tegangan analog.
2. V_REF(-), V_REF(+) input tegangan referensi yang digunakan untuk mengatur levelouput tegangan analog.
3. Compensation, pin compensation dihubungkan dengan menggunakan capasitor ke V_EE atau ground untuk mempertahankan batas fase yang bersesuaian.

Gambar : Koneksi rangkaian DAC dan konverter arus ke tegangan

            Pengubahan besaran analog ke digital ditentukan oleh besar tegangan input maksimum yang diukur dalam Volt, mVolt atau uVolt, sedang nilai konversi digitalnya juga bebas ditentukan hal ini tergantung berapa bita yang digunakan untuk mengkonversinya. Begitu pula untuk pengubah digital ke analog juga sama dan hasil konversi tergantung pula pada besar tegangan referensinya.

Bila kita gunakan tegangan tertinggi untuk konversi 15 volt maka setiap kenaikan nilai konversi adalah 1 volt jadi bila nilai digital 0100 hasil konversinya adalah 4x1volt = 4 volt. Seandainya nilai tertinggi dibuat 4,5 volt maka setiap kenaikan adalah 0,3 volt sehingga bila nilai digital 0100 hasil konversinya adalah 4×0,3volt = 1,2 volt.

Gambar : Pengubah digital ke analog (DAC) 4 bit

            Dari penjelasan diatas dapat ditentukan jumlah harga tegangan atau aplitudo sebagai hasil konversi adalah tergantung pada jumlah bit digital yang dikonversikan, dan besar kecilnya harga analog hasil konversi juga ditentukan oleh besar kecilnya tegangan referensi.

            Makin banyak jumlah bit yang digunakan untuk konversi maka akan semakin banyak jumlah harga amplitudo yang di dapat, dan dengan semakin banyaknya jumlah tersebut akan menyebabkan tingkat kehalusan konversi semakin tinggi. Sebagai contoh untuk konversi tegangan analog 10 volt dengan menggunakan jumlah bit 10, maka akan didapatkan jumlah harga amplitudo 1024 dengan demikian akan diperoleh perbedaan setiap tingkat konversi adalah 10volt dibagi (1024-1) yaitu sama dengan 9,77 milivolt dan bila digunakan 8 bit maka perbedaan setiap tingkat konversi adalah 39,21 milivolt.