Transcript materi 2 adc dac - jurusan teknik elektro

TEKNIK ANTARMUKA
“ Add your company slogan ”
Siswo Wardoyo, S.T., M.Eng.
0812 28 98593
FB: [email protected]
LOGO
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012- Genap
1
CONTENTS:
1
Digital VS Analog
2
Analog Digital Converter
3
Digital Analog Converter
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 2
ANALOG VS DIGITAL
Sinyal Analog: Sinyal data dalam bentuk
gelombang
kantinyu,
yang
memiliki
parameter amplitudo dan frekuensi.
Sinyal Digital adalah sinyal data dalam
bentuk pulsa yang dapat mengalami
perubahan tiba-tiba dan mempunyai besaran
0 dan 1.
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 3
ANALOG VS DIGITAL
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 4
ANALOG VS DIGITAL
1
0
Waktu
Sisi Naik
Sisi Turun
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 5
ANALOG VS DIGITAL
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 6
Analog Digital Converter
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).
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 7
Analog Digital Converter
Typical real time
DSP System
x(n)
x(t)
Input
filter
ADC
with sample
& hold
y(n)
Digital
Prosesor
y(t)
DAC
Output
filter
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 8
Analog to Digital Converter
xa t 
Pencuplikan
xn Kuantisasi xq n
xa t 
Sinyal Analog
Sinyal Waktu Diskrit
01011…..
Pengkodeaan
xn
Sinyal Terkuantisasi
Sinyal Digital
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 9
Analog to Digital Converter
LPF
Sample & Hold
Quantizer
2B
X(t)
Analog
input
F
Encoder
Logic Circuit
X(n)
Digital
output
code
Untuk proses gambar diatas ada tiga tipe identifikasi :
•Sinyal input analog : Sinyal kontinu dalam fungsi waktu dan amplitudo.
• Sinyal di-sample : Amplitudo Sinyal kontinu didefinisikan sebagai diskrit
point dalam waktu.
•Sinyal digital : dimana x(n),untuk n=0,1,2,…….Sinyal dalam sumbu poin
diskrit dalam waktu dan masing-masing poin akan dihasilkan nilai 2B.
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 4
Analog to Digital Converter
Ada tiga langkah dalam proses konversi :
1. Pencuplikan ( Sampling) : konversi sinyal analog ke dalam
sinyal amplitudo kontinu waktu diskrit.
2. Kuantisasi : konversi masing-masing amplitudo kontinu waktu
diskrit dari sinyal sample dikuantisasi dalam level 2B , dimana B
adalah number bit yang digunakan untuk reprentasi dalam
Analog to Digital Conversion (ADC).
3. Pengkodean : Setiap sinyal amplitudo diskrit yang dikuantisasi
direprentasikan kedalam suatu barisan bilangan biner dari
masing-masing bit.
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 11
Analog to Digital Converter
Pencuplikan periodik atau seragam:
Diskripsi : x(n)=xa(nT),
Sinyal
analog
Fs=1/T, t=nT=n/Fs
-~< n< ~
Xa(t)
X(n)=Xa(nT) Sinyal waktu
diskrit
Fs=1/T
Pencuplikan
Xa(t)
X(n)
Xa(t)
X(n)=Xa(nT)
0
t
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
n
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 12
Analog to Digital Converter
Sinyal Sinusoida analog : Xa(t) = A Cos (2Ft +  )
Pencuplikan periodik dengan laju Fs=1/T (cuplikan per sekon ), maka :
X a nT   X n  ACos2FnT   
 2nF

X n   ACos
 
 Fs

Hubungan frekuensi (F) sinyal analog dan frekuensi (f) untuk sinyal diskrit:
f =F/Fs
ekuivalen :  = T
f = Frekuensi relatif atau ternormalisasi ( f dapat menentukan F dalam Herzt )
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 13
Analog to Digital Converter
Pemakaian hubungan-hubungan frekuensi
dicontohkan dengan dua sinyal analog berikut :
X1(t) = cos 20πt
X2(t) = cos 100πt
a.Tentukan frekuensi kedua sinyal tersebut.
b.Tentukan fungsi sinyal diskrit bila dicuplik dengan
laju Fs = 40 Hz
INGAT
cos (2π ± a) = cos a
sin (2π + a) = sin a
sin (2π - a) = -sin a
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 14
Analog to Digital Converter
x1 ( t )  cos[2(10) t ]  F1  10 Hz
x 2 ( t )  cos[2(50) t ]  F2  50 Hz
Fs  40 Hz

 10 
x1 (n )  cos[2 n ]  cos( n )
2
 40 
5
 50 
x 2 (n )  cos[2 n ]  cos( n )
2
 40 



 cos(2  )n  cos(2n  n )  cos( n )  x1 (n )
2
2
2
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 14
Analog to Digital Converter
Perhatikan sinyal analog
Xa(t)= 3 cos 100πt
a) Tentukan laju pencuplikan minimum yang dibutuhkan
untuk menghindari pengaliasan.
b) Andaikan sinyal tersebut dicuplik dengan laju Fs=200Hz.
Berapa sinyal waktu-diskrit yang diperoleh sesudah
pencuplikan.
c) Andaikan sinyal tersebut dicuplik dengan laju Fs=75Hz.
Berapa sinyal waktu-diskrit yang diperoleh sesudah
pencuplikan.
d) Berdasarkan hasil sinyal diskrit soal c, Berapa frekuensi
dan fungsi dari sinyal sinusoidal berdasar hasil cuplikan
Fs=75 Hz.
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 14
Analog to Digital Converter
Diketahui sebuah sinyal analog
xa(t) = 3 cos 100t
a) Tentukan Fs minimum
b) Bila Fs = 200 Hz, tentukan x(n)
c) Bila Fs = 75 Hz, tentukan x(n)
d) Berapa 0 < F < Fs/2 yang menghasilkan x(n) sama
dengan c)
Jawab:
a)
F = 50 Hz dengan Fs minimum = 100 Hz
100 

n  3 cos n
b) x (n )  3 cos
200
2
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 14
Analog to Digital Converter
100
4
n  3 cos
n
c) x (n )  3 cos
75
3
2
2
 3 cos(2 
)n  3 cos( ) n
3
3
2
1
1
f 
d) x(n)  3 cos( )n  3 cos( 2 )n
3
3
3
Fo
1
f 
Fo  f Fs  (75)  25 Hz
Fs
3
Fk  Fo  kFs  25  k (75) k  1,  2,
Fs 75
0F 

 37 ,5
2
2
F  Fo  25 Hz
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 14
Analog to Digital Converter
Diketahui sebuah sinyal analog
xa(t) = 3 cos 100t
a) Tentukan Fs minimum
b) Bila Fs = 200 Hz, tentukan x(n)
c) Bila Fs = 75 Hz, tentukan x(n)
d) Berapa 0 < F < Fs/2 yang menghasilkan x(n) sama
dengan c)
Jawab:
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 14
KUANTISASI SINYAL AMPLITUDO-KONTINU
KUANTISASI :
Proses pengkonversian suatu sinyal amplitudo-kontinu waktu diskrit
menjadi sinyal digital dengan menyatakan setiap nilai cuplikan sebagai
suatu angka digit, dinyatakan dengan :
X q n  QX n
X(n) merupakan hasil pencuplikan,
Q[X(n)] merupakan proses kuantisasi
Xq( n) merupakan deret cuplikan terkuantisasi
:
20
Konsep kuantisasi (lanj.)
21
22
23
KESALAHAN KUANTISASI/
Kebisingan Kuantisasi /Galat Kuantisasi/
Error Kuantisasi
( eq(n) )
 Diperoleh dari kesalahan yang
ditampilkan oleh sinyal bernilai kontinu
dengan himpunan tingkat nilai diskrit
berhingga.
 Sec Matematis, merupakan deret dari
selisih nilai terkuantisasi dengan nilai
cuplikan yang sebenarnya.
eq(n) = Xq (n) – X (n)
24
KUANTISASI SINYAL SINUSOIDA
Diskritsasi waktu
Sampel analog
Aslinya Xa(t)
4
3
Amplitudo
Diskritsasi
amplitudo
Tingkat
kuantisasi
Sampel
Terkuantisasi
2

Langkah
 kuantisasi
0
-
Cuplikan
Terkuantisasi Xq(nT)
-2
Interval
Pengkuanti
sasi
-3
-4
0
T
2T
3T
4T
5T
6T
25
7T
8T
9T
t
1,0
X(n)=0,9n
Xa(t)=0,9t
0,8
0,6
0,4
0,2
1
0
2
4
5
6
7
T
8
n
Tingk. Kuantisasi
T=1s
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
3
Xa(t)=0,9t
Xq(n)
L=jml tingkatan
kuantisasi

Langkah
kuantisasi
X max  X min

L 1
1
2
3
4
5
6
26
7
8
n
Tabel . Ilustrasi Numerik kuantisasi dengan 1 digit
n
X(n)
Sinyal diskrit
Xq(n)
(bulat ke bawah)
Xq(n)
(bulat ke atas)
eq(n)=Xq(n)-X(n)
(bulat ke atas)
0
1
1.0
1.0
0.0
1
2
0.9
0.81
0.9
0.8
0.9
0.8
0.0
-0.01
3
0.729
0.7
0.7
-0.029
4
0.6561
0.6
0.7
0.439
5
6
7
8
9
0.59049
0.531441
0.4782969
0.43046721
0.387420489
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
0.00951
-0.031441
0.021031
-0.03046721
0.012579511
27
Pada gambar persamaan Sinyal Sinusoida analog :
X a t   A cos0t
Daya Kesalahan Kuadrat Rata-rata
Pq 
1


2
e
 q t dt
0
Karena : eq t    / 2 t, dim ana  t  


Pq
, maka :
2
1  2
2
Pq     t dt 
 0  2 
12
menunjukkan waktu Xa(t) berada dalam tingkatan kuantisasi
Jika Pengkuantisasian b bit dan interval keseluruhan 2A,
maka langkah kuantisasi :  = 2A/2b. Jadi :
A2 / 3
Pq 
2 2b
• Daya rata-rata sinyal Xa(t) :
1
Px 
T
28
Tp
  A cos  t 
2
0
0
A2
dt 
2
Gambar . Galat Kuantisasi Eq(t) penentu Daya Kesalahan Pq
eq(t)
/2

/2
-
-/2
-
0

0

t
t
Signal Quantitation to Noise Ratio ( SQNR ) : nilai kualitas
keluaran ADC yang ditentukan oleh Rasio daya sinyal terhadap
daya kebisingan (noise).
SQNR 
Px 3 2b
 .2
Pq 2
SQNRdB  10log10 SQNR  1,76  6.02b
29
 Rumus SQnR(dB) menunjukkan bahwa nilai
ini bertambah kira-kira 6dB untuk setiap bit
yang ditambahkan kepada panjang kata.
 Contoh pada proses CD recorder
menggunakan Fs = 44,1 Khz dan resolusi
sampling 16 bit, yang menyatakan SQNR
lebih dari 96 dB.
 Semakin tinggi nilai SQNR --- semakin baik
proses konversi dari ADC tersebut.
30
Pengkodean
 Setiap sinyal amplitudo diskrit yang dikuantisasi
direprentasikan kedalam suatu barisan bilangan
biner dari masing-masing bit.
 Sinyal digital yang dihasilkan ADC berupa bilangan
basis 2 (0 dan 1). Idealnya output sinyal tersebut
harus dapat merepresentasikan kuantitas sinyal
analog yang diterjemahkannya.
 Representasi ini akan semakin baik ketika ADC
semakin sensitif terhadap perubahan nilai sinyal
analog yang masuk.
31

Jika nilai 0-15 volt dapat diubah menjadi digital dengan skala 1 volt,
artinya rentang nilai digital yang diperoleh berupa 16 tahap (dari 0
bertahap naik 1 volt hingga nilai 15 atau setara dengan 0000 atau 1111).
Tahapan sejumlah ini dapat diperoleh dengan membuat rangkaian ADC
4bit (karena jumlah bit (n) merepresentasikan 2n nilai skala,
sehingga 24 =16 skala).

Misal kita ingin menaikan jumlah bit menjadi 8, maka nilai 0-15 volt
dapat di representasikan oleh 28 (256) skala atau setara dengan skala
62.5mV, Hasilnya rangkaian semakin sensitif terhadap perubahan sinyal
analog yang terbaca.
Jadi, dapat disimpulkan semakin besar jumlah bit ,maka semakin sensitif
atau semakin tinggi resolusi rangkaian ADC.
RESOLUSI
Adalah jumlah bit output pada ADC. Sebuah rentang
sinyal analog dapat dinyatakan dalam kode bilangan
digital.
Sebuah sinyal analog dalam rentang 16 skala (4 bit)
adalah lebih baik resolusinya dibanding membaginya
dalam rentang 8 skala (3 bit).
Karena besar resolusi sebanding 2n .
semakin besar jumlah bit , resolusi akan semakin
bagus.
Contoh pada ADC 0804
 Untuk operasi normal, menggunakan Vcc = +5
Volt sebagai tegangan referensi.
Dalam hal ini jangkauan masukan analog mulai
dari 0 Volt sampai 5 Volt (skala penuh), karena
IC ini adalah SAC 8-bit, resolusinya akan sama
dengan :
Artinya : setiap kenaikan 1 bit, kenaikan tegangan yang dikonversi
sebesar 19,6 mVolt
34
PRINSIP KERJA ADC
Banyak sekali prinsip dari ADC, tetapi yang
cukup terkenal dan banyak dipakai adalah :
1. ADC Paralel / Langsung
(Parallel / Flash ADC)
2. ADC Integrasi ( Dual Slope
Integrating ADC)
3. ADC Pendekatan berurutan
(Successive Approximation
ADC)
R
2
Vin
2R
2R
2R
D
E
C
O
D
E
R
2
2
1
2
L
O
G
I
C
2
R
0
n
Digital
Output
Vref
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 4
PRINSIP KERJA ADC
R
C
Vin
COMPARATOR
Tegangan
Referensi
Negatif
Vout
INTEGRATOR
Clock
Rangkaian
Kontrol Logika
Pencacah
Digital
Output
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 4
PRINSIP KERJA ADC
Digital to Analog
Converter
Vin
COMPARATOR
Clock
Register
Penyimpan
Digital
Output
Rangkaian Kontrol Logika
Register Geser
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 4
PRINSIP KERJA ADC
Dari tiga jenis ADC diatas, sudah banyak terdapat ADC
yang terintegrasi menjadi suatu serpih (IC) yang mudah
dalam penggunaannya. Contohnya adalah National
Semiconductor ADC
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 5
PRINSIP KERJA DAC
Digital To Analog Converter (DAC) adalah
pengubah kode/ bilangan digital menjadi
tegangan keluaran analog.
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 aktuator.
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 5
PRINSIP KERJA DAC
Gambar dibawah ini menjelaskan prinsip dan cara kerja
dari DAC. Terdapat dua jenis DAC yang umum :
Rf
MSB
R
Vref
2R
S1
Vout
4R
8R
S2
S3
S4
LSB
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 5
PRINSIP KERJA DAC
Prinsip dasar dari rangkaian ini adalah rangkaian
penjumlah (summing circuit) yang dibentuk dengan
menggunakan Operasional Amplifier.
Rangkaian diatas memenuhi rumus :
Rf


Vout   Vref.

 R  2R  4R  8R 
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 5
PRINSIP KERJA DAC
Bila terdapat input digital 1010 (10 desimal)
maka saklar 1 (S1) dan saklar 3 (S3)
tertutup; didapat :
 Rf

Vout   Vref.

 R  4R 
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 5
PRINSIP KERJA DAC
MSB
Vref
2R
S1
2R
R
Vout
Rf
S2
2R
R
R1
S3
2R
LSB
R
S4
2R
R
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 5
PRINSIP KERJA DAC
Dari dua jenis DAC diatas, sudah banyak terdapat DAC
yang terintegrasi menjadi suatu serpih (IC) yang
mudah dalam penggunaannya. Contohnya adalah
National Semiconductor DAC 0808 yang menggunakan
prinsip R-2R.
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 5
LATIHAN
1. Jelaskan lengkap dengan gambar prinsip kerja
dari ketiga ADC yang telah dibahas diatas.
2. Jelaskan lengkap dengan gambarnya prinsip
kerja dari DAC!
3. Jelaskan dengan gambar salah satu contoh
aplikasi dari ADC dan DAC!
www.themegallery.com
Siswo Wardoyo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNTIRTA 2011/2012Genap 5
TEKNIK ANTARMUKA
“ Add your company slogan ”
Wassalam..!!!!
LOGO