Analog-yo-Digital Conversion

ANALOG TO DIGITAL CONVERSION

Salah satu komponen penting dalam sistem akuisisi data adalah pengubah besaran analog ke digital atau disebut juga ADC (Analog to Digital Converter). Pengubah ini akan mengubah besaran-besaran analog menjadi bilangan-bilangan digital sehingga bisa diproses dengan komputer. Peranan pengubah ini menjadi semakin penting karena sekarang sudah bisa didapatkan komputer-komputer yang "real time". Perubahan-perubahan satuan fisis bisa dengan cepat ditanggapi oleh komputer. Contoh aplikasi ADC ini bisa kita lihat misalnya pada voltmeter digital, sampling suara dengan komputer, sehingga suara dapat disimpan secara digital dalam disket, dan kamera digital. Konsep pengubah analog ke digital ini adalah sampling (mengambil contoh dalam waktu tertentu) kemudian mewakilinya dengan bilangan digital dengan batas yang sudah diberikan.

Dalam elektronik, sebuah pengubah analog-ke-digital adalah sebuah alat yang mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital untuk kemudian ditampilkan dalam bentuk angka-angka digital. Sistem digital merupakan bentuk sampling dari sytem analog. Digital pada dasarnya di code-kan dalam bentuk biner (atau Hexa). Besarnya nilai suatu sistem digital dibatasi oleh lebarnya /jumlah bit (bandwidth).

Analog to Digital Converter (ADC) adalah sebuah piranti yang dirancang untuk mengubah sinyal-sinyal analog menjadi bentuk sinyal digital. IC ADC 0804 dianggap dapat memenuhi kebutuhan dari rangkaian yang akan dibuat. IC jenis ini bekerja secara cermat dengan menambahkan sedikit komponen sesuai dengan spesifikasi yang harus diberikan dan dapat mengkonversikan secara cepat suatu masukan tegangan. Hal-hal yang juga perlu diperhatikan dalam penggunaan ADC ini adalah tegangan maksimum yang dapat dikonversikan oleh ADC dari rangkaian pengkondisi sinyal, resolusi, pewaktu eksternal ADC, tipe keluaran, ketepatan dan waktu konversinya.

Ada banyak cara yang dapat digunakan untuk mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital yang nilainya proposional. Jenis ADC yang biasa digunakan dalam perancangan adalah jenis Successive Approximation Convertion (SAR) atau pendekatan bertingkat yang memiliki waktu konversi jauh lebih singkat dan tidak tergantung pada nilai masukan analognya atau sinyal yang akan diubah. Gambar 1. memperlihatkan diagram blok ADC tersebut.

Gambar 1

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 register 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, output digital akan tetap tersimpan sekalipun akan dimulai siklus konversi yang baru.

Biasanya, sebuah ADC mengubah voltase (tegangan listrik) analog ke sinyal/isyarat digital. Sementara pengubah digital-ke-analog (DAC) melakukan operasi yang berlawanan. ADC adalah kepanjangan dari Analog to Digital Converter yang artinya Pengubah dari analog ke digital. Fungsi dari ADC adalah untuk mengubah data analog menjadi data digital yang nantinya akan masuk ke suatu komponen digital yaitu mikrokontroller AT89S51.

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. Kalau input analog berupa tegangan tunggal, tegangan ini harus dihubungkan dengan Vin (+), sedangkan Vin(-) di-groundkan. 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 OUT dan CLK IN serta sebuah kapasitor eksternal (C) antara CLK IN dan ground digital. Frekuensi clock yang diperoleh di pin CLK OUT sama dengan :

Untuk sinyal clock ini dapat juga digunakan sinyal eksternal yang dihubungkan ke pin CLK IN. ADC 0804 memilik 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.

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.

Pengubah Analog ke Digital (ADC 0804)

Suatu tegangan analog dengan ordo yang sangat kecil akan sulit dideteksi, agar tegangan analog ini mudah dimengerti maka harus diubah kesuatu keluaran biner. Untuk menghasilkan keluaran biner ini diperlukan suatu konverter dalam hal ini ADC 0804 mampu melakukannya.

Dalam fungsinya ada beberapa jenis ADC, yang masing-masing mempunyai kelebihan, berdasarkan pada metode pengubahan isyarat analog ke digital ADC dibedakan menjadi :

a. Metode Pencacah (Counting)

b. Metode Dual Slope atau ratiometrik

c. Metode pendekatan berurutan (Successive Approximation / SAC)

d. Metode Pendekatan paralel (Paralel-Comparator)

Untuk menentukan ADC yang digunakan dalam sistem akuisisi data ada beberapa hal yang perlu diperhatikan yaitu :

a. Kecepatan konversi

b. Resolusi

c. Rentang masukan analog maksimum

d. Jumlah kanal masukan

Pemilihan ADC umumnya ditentukan oleh metode yang digunakan untuk konversi data, sedangkan rentang tegangan masukan analog maksimum adalah watak untai ADC yang digunakan sehingga masukan analog yang akan dimasukkan ke ADC tersebut terlebih dahulu harus disesuaikan dengan tegangan analog maksimal yang diizinkan. Resolusi ADC berkaitan dengan cacah bit dan rentang tegangan pada masukan analog. (Samuel H Tirtamihardja, Elektronika Digital, hal 249, 1996) Dengan pertimbangan diatas penulis sengaja memilih ADC 0804 sebagai konverter A/D. ADC 0804 adalah suatu IC CMOS pengubah analog ke digital delapan bit dengan satu kanal masukan.

Gambar Konfigurasi Pin ADC 0804

Keterangan pada masing-masing pena pada IC ADC 0804 adalah:

1. Pin 1-3 (CS, RD, WR) Merupakan masukan kontrol digital dengan level tegangan logika TTL. Pena CS dan RD jika tidak aktif maka keluaran digital akan berada pada keadaan impedansi tinggi. Pena WR bila dibuat aktif bersamaan dengan CS akan memulai konversi. Konversi akan reset bila WR dibuat tidak aktif. Konversi dimulai setelah WR berubah menjadi aktif.

2. Pin 4 dan 19 (clock IN dan clock R). Merupakan pena masukan dari rangkaian schmit trigger. Pin ini digunakan sebagai clock internal dengan menambah rangkaian RC.

3. Pin 5 (INTR) Merupakan pena interupsi keluaran yang digunakan didalam system mikroprosesor. Pin 5 menunjukkan bahwa konversi telah selesai. Pin
5 akan mengeluarkan logika tinggi bila konversi dimulai dan mengeluarkan pin rendah bila konversi selesai.

4. Pin 6 dan 7 (Vin (+) dan Vin (-)) Merupakan pena interupsi untuk masukan tegangan analog. Vin (+) dan Vin (-) adalah sinyal masukan differensial. Vin (-) digunakan untuk masukan negatif jika Vin (+) dihubungkan dengan ground, dan Vin (+) digunakan untuk masukan positif jika Vin (-) dihubungkan ground.

5. Pin 8 dan 10 (AGND dan DGND) Pin ini dihubungkan dengan ground.

6. Pin 9 (Vref/2) Merupakan pena masukan tegangan referensi yang digunakan sebagai referensi untuk tegangan masukan dari Pin 6 dan 7.

7. Pin 11 sampai 18 (bus data 8 bit) Merupakan jalur keluaran data digital 8 bit. Pin 11 merupakan data MSB dan pena 18 merupakan data LSB.

8. Pin 20 (V+) Pin ini dihubungkan ke VCC (5volt).

Parameter ADC

Kuantitas penting dalam ADC adalah rentang tegangan terkecil yang tidak dapat mengubah hasil konversi. Rentang tegangan ini sering disebut dengan Minimal Representable Voltage (MRV) atau LSB. MRV = LSB = FS / 2 ⁿ.(1) dimana LSB menunjukkan nilai analog dari suatu Least Significant Bit (LSB), dan FS (Full Scale) adalah nilai maksimum dari tegangan referensi. Karena semua tegangan dalam jangkauan ini diwakili oleh bilangan biner yang sama, maka akan terdapat ketidakpastian konversi sebesar ± _ LSB untuk setiap pengubahan. Masalah ini dapat dikurangi dengan menambah jumlah bit pada output pengubah. Output maksimum suatu ADC tidak berada pada nilai FS akan tetapi pada 7/8 FS. Misalkan sebuah ADC 3 bit ideal, akan mempunyai LSB sebesar 1/8 FS. Jangkauan input akan dikuantisasikan pada delapan tingkat dari 0 sampai 7/8 kali FS. Lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2

Terdapat berbagai cara mengubah sinyal analog ke digital, dalam pekerjaan ini dipakai metode pendekatan berturutan atau succesive approximation. Karena ADC dengan jenis ini sudah banyak di pasaran dalam bentuk chip sehingga mempermudah pemakaian. Metode ini didasari pada pendekatan sinyal input dengan kode biner dan kemudian berturut-turut memperbaiki pendekatan ini untuk setiap bit pada kode sampai didapatkan pendekatan yang paling baik. Untuk meyimpan kode biner pada setiap tahapan dalam proses digunakan Succesive Approximation Register (SAR).

Gambar 3 a, 3b, 3c adalah diagram langkah pengubahan untuk 3 bit SA-ADC. Konversi diawali dari most significant bit (MSB) diset tinggi, ini identik dengan memperkirakan nilai input adalah _ FS. Komparator akan membandingkan output DAC dengan tegangan input dan memerintahkan pengendali untuk mematikan MSB jika perkiraan mula-mula ternyata lebih besar dari tegangan input. Pada periode clock selanjutnya pengendali menyalakan MSB berikutnya, kemudian kembali membandingkan output dari DAC dengan sinyal input. Proses ini terus diulang sampai pada LSB. Setelah sampai pada tahap ini nilai konversi yang berada pada SAR adalah pendekatan yang terbaik dari sinyal input. Dalam proses ini diambil asumsi bahwa sinyal input konstan selama konversi.

Gambar 3a

Gambar 3b

Gambar 3c

Rancangan Pengubah Analog ke Digital

Sebenarnya rangkaian pengubah analog ke digital dapat dibuat dengan memakai komponen-komponen lepasan, akan tetapi ini akan memakan tempat dan kelinierannya pun tidak bagus. Karena itu dipilih pengubah dalam bentuk IC (Integrated Circuit) yang sudah ada dipasaran. Dari berbagai buku data ternyata didapatkan komponen dengan tipe ADC0804. Komponen ini memakai metode pendekatan berturutan dan hanya memerlukan sedikit komponen luar. Rangkaian lengkap pengubah analog ke digital berdasarkan IC ini ditunjukkan pada Gambar 4. Opamp U2 dan komponen sekitarnya berfungsi sebagai sumber tegangan referensi bagi IC ADC0804. Tegangan referensi ini diset pada 2,5 volt dengan variabel resistor P1. Semua proses konversi dilaksanakan di dalam ADC0804. Input dengan batas tegangan antara 0 sampai 5 volt diberikan di kaki nomor 6. R1 dan C2 adalah komponen luar osilator yang dipakai oleh IC. Kaki CS dan RD dihubungkan ke ground. ADC dioperasikan dalam mode free running dengan menghubungkan kaki WR dan kaki INTR. Untuk meyakinkan mode ini berjalan dengan baik hubungan kaki WR dan INTR ini harus dihubungkan dengan ground sesaat dengan memakai saklar digital.

Gambar 4

Pendigitalan

Data analog perlu di digitalkan terlebih dahulu untuk membolehkan datatersebut menggunakan system penghantaran digital. Pendigitalan data analog akan menghasilkan data digital. Data ini seterusnya akan dibawa oleh isyarat digital atau isyarat analog. Pendigitalan menghasilkan data yang sangat banyak. Ada beberapa metoda yang dipakai pada pada pendigitalan sinyal analog, yaitu :

1. Pulse Amplitude Modulation (PAM)

2. Pulse Code Modulation (PCM)

PAM telah banyak dipakai pada aplikasi, namunh tidak berdiri sendiri dalam pemakaiannya di komunikasi data. PAM sebagai langkah pertama sebelum menjadi metode lainnya yang disebut PCM.

Pulse Amplitude Modulation (PAM)

Teknik ini mengambil sinyal analog, mencupliknya (sampling) dan membangkitkan sederetan pulsa. Pencuplikan berarti mengukur amplitude sinyal pada interval/level yang sama. Disini dipakai metode yang dinamakan sample and hold.

Gambar RAngkaian PAM

Gambar Pulse Amplitude Modulation

Gambar Digitalisasi Data Analog

Pulse Code Modulation (PCM)

Perbedaan PAM dengan PCM adalah sebagai berikut :

· PAM hanya mengubah sinyal asli ke deretan pulsa dan pulsa ini masih memiliki amplitude (masih analog, bukan digital).

· PCM memodifikasi pulsa yang dihasilkan PAM untuk diubah menjadi sinyal digital yang komplit. PCM pertama-tama mengkuantisasi pulsa PAM.

· Jika sinyal diambil pada interval regular kecepatannya lebih tinggi daripada kedua sinyal frekuensi, sample menahan banyak informasi pada sinyal original

· Batas data voice(suara) sampai 4000Hz

· Membutuhkan 8000 sample tiap detik

· Sample-sample analog (Pulse Amplitude Modulation, PAM)

· Tiap sample diberikan nilai digital

· Sistem 4 bit memberi 16 level

· Kualitas

· Kualitas error atau noise

· Kira-kira diartikan dimungkinkan untuk menutup kembali ketepatan original

· 8 bit sample memberi 256 level

· Perbandingn kualitas dengan transmisi analog

· 8000 samples tiap detik pada tiap 8 bit memberi 64kbps

Gambar Pulse Code Modulation PCM

Memakai metode sederhana untuk memberi tanda dan nilai magnitude pada tiap cuplikan. Nilai ini dikodekan ke tujuh bit yang bersesuaian. Bit ke delapan mengindikasi tanda (+/-). Digit biner kemudian ditransformasikan ke sinyal digital memakai salah satu teknik pengkodean digital-to-digital.

Grafik Kuantisasi

Gambar Blok Diagram PCM