Konverter ADC dan DAC

Data di dalam mikroprosesor selalu berbentuk digital. Untuk mendapatkan data digital dari masukan yang berbentuk analog, dibutuhkan konverter analog ke digital. Sebaliknya, setelah CPU selesai memproses data, diperlukan suatu konversi dari jawaban digital kedalam tegangan atau arus analog. Konversi ini membutuhkan sebuah konverter digital ke analog. Perbatasan antara dunia digital dan analog disebut Perantara analog.

1. Pengubah A/D atau ADC

Definisi

Konverter analog - to digital (disingkat ADC, A/D atau A to D) adalah electronic integrated circuit (IC Elektronik) , yang merubah continuous signals (sinyal analog) menjadi sinyal digital (discrete digital).

Proses pengubahan ini dikenal juga dengan nama sistem akusisi data. Terdapat empat macam ADC yang memenuhi standar industri, yaitu integrating, tracking converter, successive approximation dan flash/paralel. Keempat jenis ADC tersebut mewakili beberapa macam pertimbangan diantaranya resolusi, kecepatan konversi dan biaya.

- Tipikal, ADC adalah peralatan elektronik ( electronic device) yang merubah input analog berupa tegangan (voltage) atau arus ( current ) menjadi bilangan digital (digital number). 

- Sistem digital sebagai output menggunakan kode biner yang berbeda seperti binary, Gray code atau komplement - dua binary. Beberapa peralatan non elektronik atau bagian alat elektronik seperti rotary encoders, dapat dimasukkan sebagai jenis ADC.

Konsep Resolusi

 

Resolusi pada konverter menunjukkan jumlah bilangan diskret yang dihasilkan dari range input analognya. Nilai –niali tersebut biasanya tersimpan secara elektronik berbentuk biner, sedangkan resolusi biasanya diekspresikan dalam bentuk bit. Sebagai contoh ADCdengan
resolusi 8 bit dapat mewakili kode input analog pada level yang berbeda satu dari 256 , karena 28 = 256. Nilai-nilai yang dapat diwakili antara 0 hingga 255 (range untuk unsigned integer) atau dari -128 sampai 127 (range untuk signed integer), tergantung dari aplikasi yang digunakan. Resolusi dapat berarti sifat elektronik yang dinyatakan dalam volt . Tegangan Resolusi ADC sama dengan tegangan total yang diukur pada rangenya dibagi dengan jumlah digit pada interval diskrit dengan rumus sbb:

Dimana : 

Q              = resolusi dalam volt per step (volts per-output code) 

EFSR       = range pengukuran skala penuh ( full scale voltage range) = VRefHi− VRefLo 

VRefHi     = tegangan referensi Height
VRefLo     = tegangan referensi Low
M              = resolusi ADC dalambit.
N              = Interval pada jumlah yang tersedia dari nomor level (output codes), which is:N= 2M

Prinsip Kerja

Banyak masukan, terutama yang berasal dari transduser, merupakan isyarat analog yang harus disandikan menjadi informasi digital sebelum masukan itu diproses, dianalisa atau disimpan didalam kalang digital. Pengubah mengambil masukan, mencobanya, dan kemudian memproduksi suatu kata digital bersandi yang sesuai dengan taraf dari isyarat analog yang sedang diperiksa. Keluaran digital bisa berderet (bit demi bit) atau berjajar dengan semua bit yang disandikan disajikan serentak. Dalam sebagian besar pengubah, isyarat harus ditahan mantap selama proses pengubahan.

Klasifikasi menurut cara pengkonversiannya :

1.Tipe Integrating

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.

2.Tipe Tracking

Tipe tracking menggunakan prinsip up down counter (pencacah naik dan turun). 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). ADC tipe ini tidak menguntungkan jika dipakai pada sistem yang memerlukan waktu konversi masukan keluaran singkat, sekalipun pada bagian masukan pada tipe ini tidak memerlukan rangkaian sample hold. ADC tipe ini sangat tergantung pada kecepatan clock pencacah, semakin tinggi nilai clock yang digunakan, maka proses konversi akan semakin singkat.

3.Tipe Flash / Parallel

Tipe ini dapat menunjukkan konversi secara lengkap pada kecepatan 100 MHz dengan rangkaian kerja yang sederhana. Sederetan tahanan 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. Keluaran komparator ini tidak dalam bentuk biner murni. Suatu decoder dibutuhkan untuk membentuk suatu keluaran yang biner. Beberapa komparator berkecepatan tinggi, dengan waktu tunda (delay) kurang dari 6 ns banyak digunakan, karena itu dihasilkan kecepatan konversi yang sangat tinggi. Jumlah komparator yang dibutuhkan untuk suatu konversi n bit adalah 2^n – 1.

4.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. Apabila resolusi ADC tipe ini adalah 2^n maka diperlukan maksimal n kali tebakan (Tirtamihardja, 1996)

Pengubah Digital ke Analog (D/A Converter)

Pengubahdigital-ke-analog adalah perangkat elektronika yang dapat mengubah sinyal digital (biasanya dalam notasi biner) ke bentuk sinyal analog (baik sebagai arus, tegangan, maupun muatan listrik). Alat pengubah digital-ke-analog ini sering dikenal sebagai DAC (Digital to Analog Converter) yang banyak dijumpai pada rangkaian elektronika dan instrumentasi. Proses pengubahan DAC ini berlawanan dengan proses ADC.

Konverter D/A memang bisa digunakan untuk mengonversi sebuah tegangan digital ke dalam tegangan analog dengan cara memberikan skala output analog yang memiliki besaran nol. Ketika semua bit adalah nol dan sejumlah nilai maksimum adalah satu, maka transormasi akan berhasil. Aplikasi DAC biasanya juga digunakan sebagai rangkaian pengendali yang akan membutuhkan input analog seperti AC ataupun DC. Dan biasanya DAC digunakan untuk mengendalikan perangkat computer.

Saat ini hampir semua rangkaian DAC adalah rangkaian terintegrasi atau IC yang memiliki karakteristik input dan output tertentu. Karakteristik tersebut biasanya dapat diringkas sebagai berikut :
Input Digital
Catu Daya
Merupakan bipolar pada level kurang lebih 12 V hingga 18 V sama seperti yang digunakan untuk amplifier internal.
Suplai Referensi
Suplai ini bisa menentukan jangkauan dari tegangan output dan juga resolusi dari konverter. Diwajibka suplai ini bisa stabil dan juga memiliki riple yang kecil.
Output
Tegangan di DAC ini akan mengalami perubahan dengan cara yang sama seperti perubahan pada bit input digital. Output dapat berupa bipolar jika konverter tersebut memiliki desain yang berfungsi guna menginterpretasikan input digital negatif.
Offset
Biasanya DAC diimplementasikan dengan op amp. Bisa jadi ada kemungkinan tegangan output akan melakukan offset dengan sebuah input nol. Koneksi ini akan diberikan guna mendukung pengontrolan ke harga nol dari output DAC tersebut dengan input word yang bernilai nol.
Memulai konversi
Pada rangkaian DAC ini akan memberikan sebuah logika yang akan mempertahankan konversi saat terjadinya hingga diterimanya perintah logika tersebut, entah itu 1atau 0. Dalam hal tertentu, pastinya sebuah buffer input akan diberikan untuk memegang word digital selama kegiatan konversi selesai.

Pembanding Pada Rangkaian Digital
Pembanding (Comparator) adalah rangkaian untuk membandingkan apakah suatu bilangan lebih besar atau lebih kecil dari bilangan yang lainnya. Perhatikan persamaan berikut :
         _     _
E = A B + A B
Jika E = 1 maka A = B
Jika E = 0 maka A≠ B 
                     _
A≤B jika C = AB
                     _ 
A≥B jika D = AB


Pada alat elektronik, comparator adalah alat untuk membandingkan dua tegangan atau arus yang dihubungkan dengan indikasi output yang lebih besar . Comparator Voltase umumnya lebih cepat pada general-purpose op-amp (GP-OP-AMP). Tampilan tambahan dari (GP-OP-AMP) seperti keakuratan, tegangan dalamreferensi, dan penyesuai internal hysteresis dengan gerbang
pulsa sebagai input.

Input Voltage tidak dapat dilakukan pada jangkauan

Pada kasus Gerbang TTL /CMOS sebagai output comparator seperti chip LM339, input negative tidak diizinkan atau pada jangkauan voltase :

Dimana:
V+ , V- = Non Inverting Input Voltage (Volt)
Vs = tegangan suply (Volt)
Vcc = tegangan sumber , catu daya (Volt)

Rangkaian Pembanding Comparator

  
Beberapa Aplikasi DAC

1. Audio 
Top-loading CD player and external digital-toanalog converter. Kebanyakan Audio Modern menyimpan signal dalambentuk sinyal digital (Contoh MP3 and CD) dan dapat diubah ke sinyal analog untuk mendengar dari output speaker.

pada audio CD player, digital music player, dan PC sound card. Pada keadaan normal digital output CD player (atau dedicated transport) dapat merubah signal ke line-level output yang dapat di input ke tahap pre-amplifier. Contoh lainnya digital-to-analog converter pada digital speaker seperti USB speaker, serta sound card DAC dijumpai pada audio CD player, digital music player, dan PC sound card. Secara khusus stand-alone DAC  dapat dijumpai pada alathigh-end hi-fi system.

2. Video
Sinyal dari sumber seperti komputer, dapat di ubah ke sinyal analog yang dapat dilihat pada layar monitor. Pada tahun 2007, input analog lebih banyak digunakan daripada sinyal digital , tapi ini dapatdiubah ke bentuk flat panel displays dengan koneksi DVI and/or HDMI. Video DAC diproduksi sebagai Digital Video Player dengan output analog with. DAC biasanya terintegrasi dengan beberapa jenis memory (RAM),
yang mengandung Tabel Konversi untuk Koreksi Gamma, kontras dan brightness, untuk membuat device yang disebut RAMDAC. Device dihubungkan dengan DACyang disebut digitally controlled potentiometer, digunakan untuk mengendalikan sinyal analog yang bersifat digital.