Pembahasan Lengkap ADC (Analog to Digital Converter)

Analog to Digital Converter atau ADC adalah suatu metode untuk konversi sinyal analog menjadi sinyal digital. Biasanya sinyal analog yang dikonversi berupa tegangan (Volt) dan dirubah menjadi sinyal digital seperti kode biner 0 dan 1.

Konversi sinyal analog ke digital ini dapat menggunakan berbagai macam device seperti modul khusus ADC, IC, Mikrokontroller , rangkaian elektronika dan lain lain.

Terlihat pada gambar diatas bahwa sinyal analog tersebut berbentuk seperti kurva dimana akan secara kontinyu (terus menerus) bergerak dari atas ke bawah dan membetuk lekungan. Sementara itu sinyal digital berbentuk kotak dan bergerak ke atas dan kebawah membentuk sebuah kurva kotak.

Kemudian perangkat yang digunakan untuk ADC atau merubah sinyal analog ke digital ini bisa berupa Modul, IC, mikrokontroller atau rangkaian elektronika.

Pengertian ADC

ADC atau Analog to Digital Converter merupakan suatu metode pada rangkaian listrik yang digunakan untuk merubah sinyal analog menjadi sinyal digital. Untuk penjelasan yang lebih detail lihat pada gambar dibawah ini !!

Gambar diatas merupakan suatu perangkat yang disebut sebagai komparator yang mana dapat digunakan sebagai ADC atau Analog to Digital Konverter. Jadi cara kerjanya adalah komparator akan dimasukkan sinyal analog dalam bentuk tegangan (Volt). 

Terlihat pada gambar bahwa terdapat dua input yaitu V+ dan V-, jadi misalkan V+ adalah input dan V- adalah Vref atau tegangan referensi. Kemudian terdapat suatu rumus : 

• apabila V+ > V- output komparator = 1
• apabila V+ < V- output komparator = 0

Angkat 1 dan 0 tersebut merupakan suatu sinyal analog dalam bentuk bilangan biner. Jadi sinyal analog dalam bentuk tegangan dirubah menjadi sinyal digital dalam bentuk biner.

Studi Kasus ADC

Misalkan pada suatu sensor suhu mengeluarkan Output 10 mVolt setiap pengukuran suhu 1 °C. Maka output 10 mVolt atau 0,01 Volt tersebut merupakan suatu sinyal analog. 

Kemudian sensor tersebut dihubungkan ke suatu mikrokontroller seperti arduino dan lain lain. Maka mikrokontroller tersebut akan merubah hasil pengukuran sensor yaitu dalam bentuk tegangan Volt yang merupakan sinyal analog menjadi sinyal digital dalam bentuk biner yaitu 1 & 0 agar dapat dibaca.

Fungsi ADC

Seperti dijelaskan diatas bahwa ADC ini digunakan untuk merubah sinyal analog menjadi sinyal digital. Akan tetapi bagaimana dengan pengaplikasiannya dan fungsinya di industri ?

1. Untuk Membaca Hasil Pengukuran Sensor

Seperti kita ketahui bahwa sensor ini merubah hasil pengukuran yang telah dibaca menjadi besaran listrik (sinyal analog) dan kemudian dialirkan ke prosessor.

Contohnya yaitu sensor Suhu LM35 pada mirkokontroller arduino dimana mengeluarkan output 10mVolt DC setiap pengukuran suhu 1 °C.

Jadi misalkan suhu yang diukur adalah sebesar 32°C, maka sensor LM35 akan mengeluarkan output ke mikrokontroller arduino sebesar 320 mVolt DC.

Kemudian output sinyal analog 320 mVolt DC tersebut akan diproses oleh mikrokontroller Arduino dan dilakukan konversi ADC dimana sinyal analog 320 Volt tersebut akan dikonversi ke sinyal digital 10 Bit pada Arduino.

Jadi cara menghitungnnya adalah sebagai berikut :

1. Vref Arduino adalah 5 Volt DC
2. Arduino Menggunakan ADC 10 Bit yaitu 0 - 1023
3. Tegangan Output Sensor LM35 adalah 10mVolt atau 0,01 Volt
4. Kemudian tegangan yang masuk ke arduino adalah 320 mVolt

Maka konversi ADC - nya adalah :

5 Volt DC     = 1023

0,01 Volt      = X

Maka :

X = 1023 x 0,01 Volt / 5 Volt

X = 2,046

Jadi setiap Output 10 mVolt Sinyal Analog dari sensor Suhu LM35 akan dikonversi menjadi 2,046 sinyal digital agar dapat dibaca oleh mikrokontroller arduino. 

Kemudian karena output sesor LM35 adalah 320mVolt DC maka : 3,2 Volt x 2,046 = 6,5472. Jadi pembacaan pengukuran 32 °C LM35 akan dikonversi menjadi sinyal digital 6,5472.

2. Merubah Sinyal Analog Pada Audio Menjadi Sinyal Digital Agar Dapat Disimpan Di Memory Device.

Jadi prinsip kerja dari microphone adalah merubah besaran suara menjadi besaran listrik (sinyal analog) dan menyimpannya di device dalam bentuk digital. Jadi ketika audio tersebut disimpan ke dalam memori maka menjadi Data digital dan ketika diputar ke speaker maka menjadi analog kembali. Maka dibutuhkan ADC untuk mengkonversi sinyal analog tersebut menjadi digital.

3. Dan lain lain....

Jenis ADC

ADC ini dibagi menjadi 3 jenis yaitu sebagai berikut 

1. ADC Simultan

ADC Simultan adalah salah satu metode konversi ADC yang dilakukan secara simultan atau paralel yaitu dengan cara sebagai berikut ini :

Jadi cara kerja dari ADC Paralel atau Simultan ini adalah sebagai berikut :

Terdapat sebuat IC Komparator yang digunakan untuk mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital dalam bentuk biner yaitu angka 0 & 1

Terlihat pada gambar terdapat suatu rumus yaiatu : 

• Apabila V+ lebih besar dari V- maka nilai output komparator adalah 1
• Apabila V+ lebih kecil dari V- maka nilai output komparator adalah 0

Kemudian cara kerja dari ADC Simultan / Paralel ini adalah sebagai berikut :

Terlihat pada gambar diatas diketahui bahwa :

• Vin = 5 Volt
• Vref = 3 Volt
• Terdapat 6 buah resistor pada masing - masing komparator
• Berdasarkan jumlah resistor tersebut diperolah rumus pada setiap titik Vref komprator yaitu : 5/6 Vref, 4/6 Vref dan seterusnya....
• Kemudian berdasarkan rumus Vref pada setiap titik komparator tersebut diperoleh nilai 4,16 Volt , 3,3 Volt , 2,5 Volt , 1,6 Volt , dan 0,8 Volt.

Setelah itu kembali ke rumus awal lagi yaitu :

• Apabila V+ lebih besar dari V- maka nilai output komparator adalah 1
• Apabila V+ lebih kecil dari V- maka nilai output komparator adalah 0

Maka diperoleh perhitungan :

• 3 Volt < 4,16 Volt = 0
• 3 Volt < 3,3 Volt = 0
• 3 Volt > 2,5 Volt = 1
• 3 Volt > 1,6 Volt = 1
• 3 Volt > 0,8 Volt = 1

Jadi diperoleh output hasil konversi ADC (Analog to Digital) dalam bentuk bilangan biner yaitu 00111.

2. Counter Ramp ADC

Counter Ramp ADC adalah sebuah metode konversi sinyal analog ke digital yang menggunakan metode binary Counter untuk mengkonversi sinyal analog (tegangan listrik) menjadi sinyal digital (code biner).

Untuk penjelasan lebih detail !!! lihat pada gambar dibawah ini!!

Bagian dari Counter Type ADC ini adalah :

1. Komparator
   
   Komparator ini digunakan untuk membandingkan sinyal input (Vin) dengan output hasil DAC. Apabila sinyal input dan output DAC hasilnya sama maka komparator akan mengeluarkan output 0 Volt ke gerbang AND.
   
   
2. Gerbang AND
   Merupakan salah satu jenis gerbang logika dimana memiliki tabel kebenaran sebagai berikut :
   
   
   Jadi pada rangkaian ADC diatas apabila salah satu inputnya bernilai 0 Volt maka akan mengeluarkan output 0.
   
   
3. Counter
   Merupakan suatu counter binary yang akan menghitung dengan code biner mulai dari : 0000, 0001 dan seterusnya....
   
   
4. DAC
   
   Merupakan suatu komponen yang digunakan untuk mengkonversi sinyal digital berupa bilangan biner dari Counter untuk diubah menjadi sinyal analog (Tegangan / Volt).

Jadi cara kerjanya adalah sebagai berikut !!!!

Cara Kerja Rangkaian ADC diatas :

1. Tombol ON ditekan dan Counter mulai menghitung dari 0000
2. Kemudian Tegangan Input (Vin) mulai dialirkan ke Komparator, misalkan Vin 5 Volt DC.
3. Pertama output dari counter misalkan : 0000
4. Maka angka biner 0000 tersebut akan dikonversi oleh DAC menjadi tegangan 0 Volt
5. Setelah itu komparator akan membandingkan tegangan input (Vin) yaitu 5 Volt dengan Output DAC yaitu 0 Volt dan diperolah bahwa tegangan tidak sama.
6. Karena tegangan input dan output DAC tidak sama maka Output dari Komparator adalah 1
7. Kemudian gerbang gate akan mengeluarkan output 1 (lihat tabel kebenaran gerbang AND) dan membuat counter mulai menghitung kembali menjadi 0001
8. Bilangan biner 0001 tersebut diterjemahkan oleh DAC menjadi 1 Volt dan dialirkan ke Komparator
9. Komparator akan membandingkan sinyal analog tegangan tersebut secara terus - menerus sampai diperoleh tegangan yang sama yang membuat output komparator 0 dan membuat output gerbang AND juga 0 dan kemudian membuat counter berhenti berhitung.
10. Misalkan hitungan counter berakhir ke biner 0111 maka itulah hasil konversi dari ADC tersebut !!!

3. SAR ADC / Successive Approximation Register ADC

Sesuai dengan namanya ADC tipe ini menggunakan metode penghitung counter Successive Approximation Register (SAR) untuk mengkonversi sinyal analog (tegangan listrik) menjadi sinyal digital (bit MSB).

Pada dasarnya prinsip kerja SAR ADC ini sama dengan Counter Ramp ADC, akan tetapi yang membedakan adalah counter yang digunakan untuk menghitung yaitu pada ADC jenis ini mengggunakan SAR.

Jadi cara kerjanya adalah sebagai berikut :

1. Ketika Tombol Start ditekan dan SAR mulai menghitung dari menggunakan bit MSB yaitu misalkan 1000 dan seterusnya
2. Kemudian Tegangan Input (Vin) mulai dialirkan ke Komparator, misalkan Vin 7 Volt DC.
3. Pertama output dari SAR misalkan : 0000 0000
4. Maka angka bit 0000 0000 tersebut akan dikonversi oleh 8 Bit DAC menjadi tegangan 0 Volt
5. Setelah itu komparator akan membandingkan tegangan input (Vin) yaitu 7 Volt dengan Output DAC yaitu 0 Volt dan diperolah bahwa tegangan tidak sama.
6. Karena tegangan input dan output DAC tidak sama maka Output dari Komparator adalah 1
7. Kemudian SAR akan mulai menghitung kembali menjadi angka BIT MBS 1000 0000, kemudian 1100 0000 dan seterusnya....
8. Komparator akan membandingkan sinyal analog tegangan tersebut secara terus - menerus sampai diperoleh tegangan yang sama yang membuat output komparator 0 dan kemudian membuat SAR berhenti berhitung.
9. Misalkan hitungan counter berakhir ke biner 1111 1000 maka itulah hasil konversi dari ADC tersebut !!!

Prinsip Kerja ADC

Pada dasarnya terdapat dua hal yang membentuk prinsip kerja ADC ini yaitu sebagai berikut :

1. Kecepatan Sampling ADC

Kecepatan Sampling adalah suatu istilah yang digunakan untuk menyatakan seberapa sering konversi sinyal Analog ke Digital terjadi dengan satuan waktu tertentu.

Terlihat pada gambar diatas terdapat suatu sinyal hasil konversi dari analog ke digital. Kecepatan sampling tersebut menentukan seberapa cepat konversi sinyal analog ke digital dalam satuan waktu tertentu. Semakin cepat konversi ADC maka semakin akuran dan presisi hasil konversi ke digital.

Kemudian setiap device atau alat yang digunakan untuk konversi ADC mempunyai kecepatan yang berbeda - beda. Misalkan arduino Uno ATMega328 dengan Clock 16 MHz mempunyai kecepatan sampling default 9600 Hz.

2. Resolusi ADC

Resolusi ADC ini menentukan ketelitian dari nilai konversi terhadap setiap sinyal analog yang dikonversi ke digital. Untuk penjelasan yang lebih detail, lihat pada gambar dibawah ini !!!

Terlihat pada gambar diatas terdapat suatu rumus untuk menentukan Resolusi ADC yaitu :

Resolusi ADC = Vref / 2ⁿ

Berdasarkan gambar diatas resolusi ADC ini menentukan seberapa besar sinyal analog (Volt) yang dapat dikonversi dalam 1 kotak sinyal digital. Karena hal tersebut dapat diperoleh kesimpulan bahwa :

1. Semakin besar nilai Resolusi ADC maka besar sinyal analog (Volt) yang dapat dikonversi per kotaknya menjadi semakin besar dan membuat konversi ADC semakin tidak teliti dan tidak akurat.
2. Semakin besar nilai bit pada suatu device ADC maka ketelitian yang dihasilkan akan semakin baik.

Rumus ADC (Analog to Digital Converter)

1. Menentukan jumlah digit (desimal) Pada Bit

Jumlah digit di dalam BIT dalam dicari dengan rumus :

Digit = 2ⁿ - 1

Maka :

• 8 bit = 2⁸ - 1 = 256 - 1 = 255, Jadi rentang digit pada 8 Bit adalah 1  - 255
• 10 Bit = 2¹⁰ - 1 = 1024 - 1 = 1023, Jadi rentang digit pada 8 Bit adalah 1  - 1023

• Dan seterusnya...

2. Menghitung Resolusi ADC 

(Q) = Vrange / 2ⁿ

3. Digital Output Code

Digital Output Code = Analog Input / Reference Input x (2ⁿ - 1)

Berbagi :