Multibus I and II Suatu bus untuk desain fleksibel sistem komputer, dirancang oleh Intel
PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN PENGUBAH ANALOG KE DIGITAL
6. PENGUBAH ANALOG KE DIGITAL
6.2 Pertimbangan penggunaan rangkaian ADC
Mungkin pertimbangan terpenting suatu pengubah ADC adalah resolusinya. Resolusi adalah jumlah bit bineri keluaran pengubah. Karena rangkaian-rangkaian pengubah ADC mengambil sinyal analog yang terus menerus berubah, dan memecahkannya menjadi satu irama banyak keadaan berlainan (susunan bit 1 atau bit 0), menjadi perlu mengetahui berapa bit dalam susunan irama tersebut.
Misalnya, satu ADC dengan keluaran 10- bit dapat melambangkan hingga 1024 (210) keadaan unik dari pengukuran sinyal. Sepanjang rentang pengukuran dari 0% hingga 100%, akan ada sebanyak 1024 keluaran bilangan bineri yang unik dari pengubah ADC (dari 0000000000 hingga 1111111111). Satu ADC 11-bit akan memiliki dua kali banyak keadaan pada keluarannya (2048 atau 211), melambangkan dua kali banyaknya keadaan unik pengukuran sinyal antara 0% hingga 100%.
PT. PLN (PERSERO)
PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN PENGUBAH ANALOG KE DIGITAL
Resolusi sangat penting dalam sistem penerimaan data (rangkaian yang dirancang untuk menerjemah dan mencatat pengukuran fisik dalam bentuk elektronik). Andai sedang mengukur ketinggian air dalam tangki setinggi 40 kaki menggunakan instrumen degnan ADC 10-bit. 0 kaki air dalam tangki sama dengan 0% pengukuran, sedangkan 40 kaki air dalam tangki sama dengan 100% pengukuran. Karena ADC ditetapkan pada 10 bit keluaran data bineri, akan menerjemahkan setiap tinggi air dalam tangki sebagai satu keluaran dengan 1024 kemungkinan keadaan. Untuk menentukan berapa ketinggian air yang akan dilambangkan pada setiap tahapan ADC, perlu membagi 40 kaki rentang pengukuran dengan jumlah tahapan pada rentang kemungkinan 0 hingga 1024, yaitu 1023 (1 kurang dari 1024); sehingga diperoleh angka 0.039101 kaki per tahap, atau sama dengan 0.46921 inci per tahap (sedikit lebih kecil dari setengah inci) tinggi air dilambangkan untuk setiap hitungan biner dari ADC.
Nilai tahap 0.039101 kaki (0.46921 inci) merupakan jumlah terkecil perubahan tinggi air yang dapat dirasakan oleh instrumen. Tak dapat disangkal, ini angka yang kecil, kurang dari 0,1% dari seluruh rentang pengukuran 40 kaki. Namun untuk beberapa penggunaan, ini belum cukup sempurna. Andai instrumen ini diperlukan agar mampu menunujukkan perubahan tinggi air hingga sepersepuluh inci; untuk mendapatkan tingkat resolusi ini dan masih mempertahankan rentang pengukuran 40 kaki, diperlukan instrumen ADC yang lebih dari 10 bit.
Untuk menentukan ADC berapa bit yang diperlukan, mula-mula tentukan ada berapa tahapan
1/10 inci dalam 40 kaki; yaitu 40/(0,1/12) sama dengan 4800 tahapan 1/10 inci dalam 40 kaki. Sehingga diperlukan bit yang cukup untuk menyediakan sedikitnya 4800 tahapan berlainan (discrete) dalam urutan hitungan bineri. 10-bit memberi 1023 tahapan, 11-bit memberi 2047 tahapan, 12-bit memberi 4095 tahapan, sedangkan 13-bit memberi 8191 tahapan, lebih dari cukup untuk 4800 tahapan; maka instrumen yang diperlukan setidak-tidaknya dengan resolusi 13-bit.
PT. PLN (PERSERO)
PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN PENGUBAH ANALOG KE DIGITAL
Pertimbangan penting lainnya pada rangkaian ADC adalah frekuensi sampel atau laju pengubahannya (sample frequency, or conversion rate), yaitu kecepatan pengubah mengeluarkan harga bineri terbaru. Seperti resolusi, pertimbangan ini dihubungkan ke pemakaian tertenru ADC. Jika pengubah digunakan untuk mengukur sinyal yang berubah pelan seperti tinggi air dalam tangki, mungkin memiliki frekuensi sampe yang sangat pelan dan dirasa cukup memadai. Sebaliknya jika digunakan untuk mendigitalkan sinyal frekuensi audio yang bersiklus beberapa ribu kali dalam satu detik, diperlukan pengubah yang sangat cepat.
Perhatikan laju perubahan ADC berikut terhadap jenis sinyal, jenis ADC pendekatan berurut dengan selang waktu teratur:
Disini, untuk sinyal yang berubah pelan, laju sample lebih dari cukup untuk menangkap kecenderungan umumnya. Tetapi pertimbangkan contoh ini denga waktu sampel yang sama. Ketika perioda sampel terlalu panjang (terlalu lambat), rincian penting dari sinyal analog akan terabaikan. Perhatikan bagaimana, terutama pada bagian yang terakhir sinyal analog, keluaran digital sama sekali gagal mereproduksi bentuk tang sebenarnya. Pun pada bagian awal bentuk gelombang analog, reproduksi digital manyimpang banyak sekali dari bentuk gelombang sebenarnya.
PT. PLN (PERSERO)
PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN PENGUBAH ANALOG KE DIGITAL
Penting sekali bahwa waktu sampel suatu ADC cukup cepat menangkap perubahan penting bentuk gelombang analog. Dalam istilah penerimaan data (data acquisition), bentuk gelombang frekuensi sangat tinggi yang dapat ditangkap suatu ADC secara teoritis adalah yang disebut frekuensi Nyquist (Nyquist frequency), setara dengan setengah frekuesni sampel ADC. Sehingga, jika rangkaian suatu ADC memiliki frekuensi sampel 5kHz, bentuk gelombang frekuensi tertinggi yang bisa dipecahkan dengan berhasil baik adalah frekuensi Nyquist 2,5kHz. Jika suatu ADC disambungkan sinyal masukan analog yang frekuensinya melebihi frekuensi Nyquist untuk ADC tersebut, pengubah itu akan mengeluarkan sinyal digital frekuensi yang salah. Penomena ini dikenal sebagai aliasing. Amati gambar berikut untuk melihat bagaimana aliasing terjadi.
Perhatikan bagaimana perioda bentuk gelombang keluaran jauh lebih panjang (pelan) dari pada perioda bentuk gelombang masukan, dan bagaimana bentuk kedua gelombang tidak serupa. Harus dipahami bahwa frekuensi Nyquist adalah batas frekuensi maksimum mutlak bagi suatu ADC, dan tidak melambangkan frekuensi praktis tertinggi yang dapat diukur. Agar aman, jangan berharap suatu pengubah ADC dengan baik memecahkan setiap frekuensi yang lebih besar dari seperlima hingga sepersepuluh kali frekuensi sampelnya.
PT. PLN (PERSERO)
PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN PENGUBAH ANALOG KE DIGITAL
Cara praktis mencegah aliasing adalah penempatkan saringan (low-pass filter) sebelum masukan ADC, untuk memblokir setiap sinyal berfrekuensi lebih besar dari pada batasan praktis. Pada cara ini, rangkaian ADC akan tercegah dari melihat setiap frekuensi lebih dan tidak akan mencoba mendigitalkannya. Ini dianggap lebih baik bahwa frekuensi sedemikian berlalu tidak diubah, dari pada membiarkannya ter-aliase dan muncul di keluaran sebagai sinyal palsu.
Satu lagi ukuran kinerja ADC adalah yang disebut step recovery, yaitu ukuran seberapa cepat suatu ADC merubah keluarannya untuk mengikuti perubahanmasukan analog yang cepat dan besar. Dalam teknologi pengubah, step recovery adalah merupakan batasan yang serius. Contohnya adalah pengubah tracking yang memiliki periosa pembaruan (up-date) yang cepat, tetapi step recoverynya lambat dantak seimbang.
Suatu ADC yang ideal memiliki bit yang banyak untuk resolusinya, mengambil sampel sangat cepat dan step recovery sesaat, tetapi hal ini belum tercipta. Tentu sifat-sifat ini bisa diperoleh dengan menambah rangkaian yang rumit (complexity), apakah menambah komponen penghitung atau membuat rancangan khusus yang bekerja dengan kecepatan clock yang lebih tinggi. Berbeda teknologi ADCnya, berbeda kekuatannya. Berikut ini urutan ADC mulai dari yang baik ke yang jelek
Rasio resolusi/ kerumitan (Resolution/complexity ratio): Single-slope integrating, dual-slope integrating, counter, tracking, successive approximation, flash.
Kecepatan (Speed): Flash, tracking, successive approximation, single-slope integrating & counter, dual-slope integrating.
Step recovery: Flash, successive-approximation, single-slope integrating & counter, dual-slope integrating, tracking.
Perlu diingat bahwa urutan (ranking) ADC yang berbeda teknologi ini tergantung pada faktor lain. Misalnya, bagaimana laju perubahan ADC pada step recovery tergantung pada sifat alami perubahan stepnya. ADC tracking sama lambatnya dalam menanggapi semua perubahan step, sedangkan single-slope atau ADC penghitung akan mencatat perubahan step tinggi ke rendah dengan lebih cepat dari pada perubahan step rendah ke tinggi. ADC Successive-approximation berubah langkah, hampir sama cepatnya merubah sinyal analog apa saja, tetapi ADC tracking akan mengalahkannya jika sinyal berubah lebih lambat dari pada satu resolusi langkah per clock pulsa.
PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN LOGIC DAN SEQUENCE