Fig 11.13
DIGITAL RAMP ADC
Digital-Ramp ADC (Analog to Digital Converter) merupakan salah satu jenis konverter analog ke digital yang bekerja dengan prinsip peningkatan nilai digital secara bertahap (ramp) mulai dari nol hingga mendekati atau sesuai dengan tegangan input analog. Sistem ini umumnya menggunakan counter digital yang terhubung dengan DAC (Digital to Analog Converter).
Dalam prosesnya, keluaran dari counter berupa nilai biner akan diubah oleh DAC menjadi tegangan analog. Tegangan ini kemudian dibandingkan dengan tegangan input menggunakan komparator. Selama tegangan hasil DAC masih lebih rendah dibandingkan tegangan input analog, counter akan terus bertambah secara berurutan.
Ketika tegangan DAC telah mencapai atau melampaui tegangan input, proses perhitungan dihentikan. Nilai counter pada kondisi tersebut kemudian dijadikan sebagai hasil konversi digital yang merepresentasikan besarnya sinyal analog yang diukur.
- Memahami komponen utama yang terdapat dalam rangkaian ADC.
- Meningkatkan kemampuan dalam merancang dan menganalisis rangkaian ADC sederhana.
1. IC
IC merupakan komponen elektronika yang di dalamnya terdapat kumpulan rangkaian mikro dalam satu chip berukuran kecil. Pada rangkaian pencacah digital, IC seperti 74HC191 atau 74HC190 digunakan untuk melakukan proses pencacahan naik maupun turun secara otomatis sesuai sinyal clock dan masukan kontrol yang diberikan.
2. Switch dan dipswitch
Switch merupakan sakelar yang digunakan untuk menyambungkan maupun memutus aliran arus listrik pada rangkaian. Sementara itu, DIP switch (Dual Inline Package switch) adalah sekumpulan sakelar kecil yang tersusun dalam satu paket/baris dan umumnya digunakan untuk memberikan masukan logika 1 atau 0 pada IC dengan cara yang lebih praktis dan rapi.
LogicState merupakan komponen virtual pada simulator seperti Proteus yang digunakan untuk memberikan logika HIGH (1) atau LOW (0) pada rangkaian digital. Sakelar, baik fisik maupun virtual, berfungsi untuk mengubah kondisi logika tersebut sehingga dapat dimanfaatkan sebagai input manual dalam pengoperasian rangkaian digital.
Gerbang AND merupakan salah satu gerbang logika dasar dalam sistem digital yang menghasilkan keluaran bernilai tinggi (1 atau TRUE) hanya apabila semua masukan yang diberikan juga bernilai tinggi (1). Jika salah satu atau seluruh input bernilai rendah (0 atau FALSE), maka keluaran yang dihasilkan akan bernilai rendah (0).
Gerbang ini dapat dianalogikan dengan operasi logika “dan” dalam matematika, di mana suatu kondisi hanya akan bernilai benar apabila seluruh syarat yang terhubung terpenuhi secara bersamaan.
Digital-Ramp ADC (Analog to Digital Converter) merupakan salah satu jenis konverter analog ke digital yang bekerja dengan prinsip pencacahan digital secara bertahap (ramping up). Jenis ADC ini termasuk dalam kategori konverter bertahap, di mana nilai digital dimulai dari nol dan terus meningkat hingga hasil konversi digital yang diubah menjadi sinyal analog melalui DAC (Digital to Analog Converter) mendekati atau sama dengan tegangan input analog.
Secara umum, sistem ini tersusun atas empat blok utama, yaitu sumber tegangan analog (VA), komparator, counter digital, dan DAC. Tegangan input analog (VA) yang diperoleh dari sensor atau rangkaian pembagi tegangan akan dibandingkan dengan tegangan keluaran DAC (Vax). Counter akan bekerja dengan menghitung secara berurutan mulai dari 0000, 0001, 0010, dan seterusnya. Setiap nilai biner dari counter dikonversi oleh DAC menjadi tegangan analog yang sebanding, kemudian dibandingkan kembali dengan VA oleh komparator.
Selama tegangan keluaran DAC (Vax) masih lebih kecil dari VA, counter akan terus bertambah. Namun ketika Vax telah sama atau melebihi VA, komparator akan menghasilkan sinyal logika LOW yang menandakan End of Conversion (EOC), sehingga proses pencacahan dihentikan. Nilai akhir pada counter saat itu menjadi representasi digital dari tegangan analog VA.
Komparator berperan sebagai pembanding antara dua tegangan, yaitu VA dan Vax. Jika VA lebih besar dari Vax, maka komparator akan menghasilkan logika HIGH yang memungkinkan counter terus bekerja. Sebaliknya, jika Vax sudah lebih besar atau sama dengan VA, maka output komparator berubah menjadi LOW dan menghentikan proses pencacahan.
Counter yang digunakan biasanya merupakan counter sinkron 4-bit seperti 74LS190. Dengan 4-bit, sistem ini memiliki resolusi sebanyak 2⁴ = 16 tingkat, sehingga sinyal analog hanya dapat dikonversi ke salah satu dari 16 nilai diskrit (0–15). Output counter ini kemudian masuk ke DAC0800 yang berfungsi mengubah data digital menjadi tegangan analog yang proporsional untuk dibandingkan kembali dengan VA.
Metode Digital-Ramp memiliki kelebihan berupa struktur rangkaian yang sederhana serta mudah dipahami, sehingga cocok digunakan untuk pembelajaran dasar sistem ADC. Namun, metode ini memiliki kelemahan pada sisi kecepatan, karena setiap proses konversi selalu dimulai dari nol sehingga waktu yang dibutuhkan relatif lama, terutama ketika nilai input tinggi. Selain itu, metode ini kurang efektif untuk sinyal analog yang berubah dengan cepat karena tidak mampu merespons secara real-time dengan baik.
Dengan memahami konsep Digital-Ramp ADC, dapat dipelajari bagaimana sistem digital berinteraksi dengan sinyal analog serta proses dasar konversi sinyal fisik menjadi data digital yang dapat diolah oleh mikrokontroler, komputer, maupun sistem digital lainnya.
Rangkaian penjumlah biner 4-bit menggunakan IC 74LS83 bekerja berdasarkan prinsip full adder yang tersusun secara berantai (ripple carry adder). IC ini terdiri dari empat blok full adder yang masing-masing bertugas menjumlahkan satu bit dari operand A dan operand B, serta carry-in dari tahap sebelumnya.
Pada saat input A dan B diberikan melalui saklar atau DIP switch, masing-masing pasangan bit (A0 dengan B0, A1 dengan B1, dan seterusnya) akan masuk ke dalam rangkaian full adder internal. Penjumlahan dimulai dari bit paling rendah (LSB), yaitu A0 dan B0, bersama dengan carry-in (C0). Hasil dari penjumlahan ini menghasilkan sum (S0) dan carry yang akan diteruskan ke tahap bit berikutnya.
Proses ini berlanjut secara berurutan hingga bit paling tinggi (MSB). Setiap tahap penjumlahan akan menghasilkan output sum (S0–S3) dan carry yang merambat ke tahap selanjutnya. Pada akhir proses, carry dari bit paling tinggi akan menjadi carry-out (C4), yang menandakan adanya overflow jika hasil penjumlahan melebihi 4 bit.
Output sum kemudian ditampilkan melalui LED sebagai indikator logika, sehingga pengguna dapat melihat hasil penjumlahan dalam bentuk biner secara langsung. Dengan demikian, rangkaian ini bekerja secara berantai dari bit terendah ke bit tertinggi untuk menghasilkan hasil penjumlahan biner 4-bit secara akurat sesuai input yang diberikan.
PROBLEM
Problem 1: Waktu Konversi
Diketahui:
Clock period = 1 µs
Tegangan VA membutuhkan 150 langkah untuk tercapai
Pertanyaan:Berapa lama waktu konversi tc?
Jawaban:tc = 150 × 1 µs = 150 µs
Problem 2: Tegangan DAC
Diketahui:
Resolusi DAC = 8-bit (256 level)
Vref = 5 V
Counter = 100
Pertanyaan:Berapa VAX saat counter = 100?
Jawaban:VAX = (100/255) × 5 V ≈ 1.96 V
EXAMPLE
Example 1 – Konversi Tegangan Rendah
VA = 0.5 V
Counter cepat berhenti pada hitungan rendah (misal 10)
Example 2 – Konversi Tegangan Tinggi
VA = 4.0 V
Counter menghitung lebih lama hingga DAC output mendekati 4 V
PILIHAN GANDA
Apa fungsi comparator pada Digital-Ramp ADC?
A. Membagi clock
B. Membandingkan tegangan DAC dan input analog
C. Menyimpan hasil digital
D. Menghasilkan clock internal
Jawaban: B
Digital-Ramp ADC akan cepat selesai konversi jika:
A. Clock lambat
B. Tegangan input sangat tinggi
C. Tegangan input mendekati nol
D. Counter 12-bit digunakan
Jawaban: C
- Prosedur
Rangkaian yang ditunjukkan merupakan implementasi Digital-Ramp ADC (Analog to Digital Converter) yang mengacu pada gambar Figure 11-13 dalam buku referensi sistem digital. Prinsip kerjanya adalah mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital dengan cara meningkatkan nilai digital secara bertahap (ramp) hingga hasil konversinya, setelah diubah menjadi tegangan analog, setara dengan tegangan input.
Tegangan analog VA dihasilkan dari potensiometer RV1 yang terhubung ke sumber DC 12V. Tegangan ini menjadi masukan pada salah satu terminal komparator LM339 (U1:A), sedangkan terminal lainnya menerima tegangan Vax yang berasal dari hasil konversi digital counter U3 (74LS190) melalui DAC0800 (U2). DAC ini mengubah sinyal digital 4-bit (Q0–Q3) menjadi tegangan analog yang proporsional terhadap nilai biner tersebut.
Komparator bekerja dengan membandingkan VA dan Vax secara kontinu. Selama Vax masih lebih kecil dari VA, keluaran komparator (EOC) berada pada kondisi logika tinggi (1), sehingga sinyal clock dari osilator dapat diteruskan ke counter melalui gerbang AND (U4). Akibatnya, counter akan terus melakukan pencacahan naik (up counting), yang kemudian mengubah input digital DAC dan meningkatkan nilai Vax secara bertahap.
Proses ini terus berlangsung hingga Vax mencapai atau melebihi VA. Pada kondisi tersebut, keluaran komparator berubah menjadi logika rendah (0), yang menyebabkan gerbang AND menutup aliran clock ke counter. Dengan demikian, proses pencacahan berhenti dan konversi dinyatakan selesai. Nilai akhir pada keluaran counter (Q0–Q3) merepresentasikan besar tegangan analog VA dalam bentuk digital.
Rangkaian ini menggunakan tegangan logika 5V dari sumber B2 untuk bagian digital, sedangkan sumber 12V dari B1 digunakan untuk bagian input analog dan komparator. Dengan resolusi 4-bit, sistem ini hanya mampu merepresentasikan 16 tingkat tegangan (0–15). Meskipun sederhana dan ekonomis, Digital-Ramp ADC memiliki keterbatasan pada kecepatan konversi karena selalu memulai dari nol, sehingga kurang cocok untuk sinyal yang berubah cepat. Namun demikian, rangkaian ini sangat efektif sebagai media pembelajaran dasar konsep ADC dalam sistem digital.
- Rangkaian DIGITAL RAMP ADC
Komentar
Posting Komentar