ADC Analog-to-Digital Converter. Kuliah #9 TCK210 Teknik Interface dan Peripheral

(1)

ADC

Analog-to-Digital Converter

Kuliah #9

(2)

Aplikasi ADC

cabonauts.com maximintegrated.com enterprise-europe.iwt.be

Sistem

terkomputerisasi

(3)

Pokok Bahasan

● Konversi analog ke digital

● Arsitektur ADC di AVR Atmega8/16/32 ● Register

● Pemrograman

● Aplikasi

Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa akan mampu

● [C2] memahami prinsip ADC dan DAC

● [C5] mendesain mikrokomputer dengan antarmuka ADC untuk

peripheral sensor suhu dan kelembaban udara

● [C5] mendesain mikrokomputer dengan antarmuka DAC untuk

(4)

(5)

ADC dan DAC

ADC SAMPLED AND QUANTIZED WAVEFORM

DAC RECONSTRUCTED WAVEFORM

(6)

ADC: Konverter A/D

● Menghasilkan keluaran digital sesuai dengan nilai sinyal

analog masukan relatif terhadap tegangan referensi

● Proses: sinyal analog --> digital

– Analog: amplitudo kontinyu, waktu kontinyu

– Digital: amplitudo diskrit, waktu diskrit

– Jumlah nilai diskrit terbatas: 2N , N=jumlah bit

ANALOG INPUT DIGITAL OUTPUT RESOLUTION N BITS REFERENCE INPUT Analog Input

DIGITAL OUTPUT CODE = x (2N_{- 1)}

(7)

Proses Konversi

● Proses konversi

– Pencuplikan (sampling)

● Mengubah sinyal waktu kontinyu menjadi sinyal

waktu diskrit

● Parameter: frekuensi sampling

– Kuantisasi

● Mengubah sinyal amplitudo kontinyu menjadi

sinyal amplitudo diskrit

● Parameter: jumlah representasi bit

– Pengkodean

● Mengkodekan sinyal diskrit dalam representasi

(8)

1. Pencuplikan

● Merepresentasikan sinyal waktu kontinyu ke

dalam waktu diskritnya

● Menentukan bandwidth sinyal tercuplik

(kriteria Nyquist)

– Frekuensi sinyal Fs harus dari 1/2*Fsampling

agar tidak terjadi aliasing

DISCRETE TIME SAMPLING AMPLITUDE QUANTIZATION y(t) y(n) y(n+1) n-1 n n+1 n+3 _ts t

(9)

Bandwidth Nyquist & Aliasing

1 MHz 4 MHz

f_sampling f_sampling+ f_signal f_sampling- f_signal signal passband 3 MHz 5 MHz f_signal (F_SIGNAL < ½ F_SAMPLING) 1 MHz 4 MHz

f_sampling f_sampling+ f_signal f_sampling- f_signal signal passband 3 MHz 5 MHz f_signal (F_SIGNAL < ½ F_SAMPLING)

(10)

2. Kuantisasi

● Merepresentasikan sebuah sinyal analog yang

mempunyai resolusi tak terbatas (kontinyu) ke digital yang mempunyai resolusi terbatas

100 11 10 01 00 Analog 0 1/4 1/2 3/4 1 = FS 1LSB

Any Analog Input in this Range Gives the

Same Digital Output Code

(11)

Relasi Ideal Konverter A/D

D IG IT A L O U T P UT 1 LSB ANALOG INPUT 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8 001 010 011 100 101 110 111

(12)

Spesifikasi DC

● Transisi kode ADC

ideal tepat 1 LSB

● Untuk N-bit ADC,

terdapat 2N kode

● 1 LSB = FS/2N

● Untuk ADC 3-bit,

FS=1Volt, 1 LSB=1V/8

● Tiap langkah berpusat

di tiap 1/8 FS 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 / 8 1 / 4 3 / 8 1 / 2 5 / 8 3 / 4 7 / 8 0 A n a l o g I n p u t D ig ita l O ut p ut 1 L S B A D C T r a n s f e r F u n c t i o n ( I d e a l )

(13)

3. Pengkodean Digital

● Mentranslasikan nilai

analog terkuantisasi menjadi kode digital

● a/FS = d/M

a=nilai analog, FS=Vmax M=jumlah langkah=2N d=nilai digital proportionality V_max= 7.5V 0V 1111 1110 0000 0010 0100 0110 1000 1010 1100 0001 0011 0101 0111 1001 1011 1101 0.5V 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V 3.0V 3.5V 4.0V 4.5V 5.0V 5.5V 6.0V 6.5V 7.0V

(14)

Metode Konversi

Successive-approximation

(15)

Resolusi ADC

● Merupakan perubahan tegangan analog

terkecil yang menghasilkan perubahan 1 bit (=1 LSB)

– Jarak antara 2 level kuantisasi yang

berdekatan

● Resolusi ADC: r = FS / 2N

(16)

ADC dan Sistem Sensor

● K dan B: rangkaian pengkondisi tranduser

– K = pengali tegangan skalar

– B = tegangan bias untuk menempatkan

tegangan di Vmin dan Vmax ADC

● V2,max = (V1,max * K) + B

(17)

Contoh Rangkaian Pengkondisi

● Sensor photodiode menyediakan tegangan 0V

untuk intensitas cahaya terbesar dan -2.50V untuk intensitas cahaya terkecil. Hitung nilai K dan B untuk tranduser ini sehingga dapat

mempunyai skala penuh di ADC dengan FS=5V dengan referensi ke GND.

(18)

ADC di AVR ATMega16/32

● 8 Channel ADC Multiplexed – 8 Single-ended – 2 Differential with Programmable Gain at 1x, 10x, or 200x ● 8/10 bit resolution

● Variable Clock Speed

● Various Reference Voltage

(19)

Fitur ADC di AVR

● 10-bit Resolution ● 0.5 LSB Integral Non-linearity ● ±2 LSB Absolute Accuracy ● 13 - 260 µs Conversion Time ● Up to 15 kSPS at Maximum Resolution

● 8 Multiplexed Single Ended Input Channels

● 7 Differential Input Channels

● 2 Differential Input Channels with Optional Gain of 10x and 200x(1) ● Optional Left adjustment for ADC Result Readout

● 0 - VCC ADC Input Voltage Range

● Selectable 2.56V ADC Reference Voltage

● Free Running or Single Conversion Mode

● ADC Start Conversion by Auto Triggering on Interrupt Sources

● Interrupt on ADC Conversion Complete

(20)

(21)

Distribusi Clock di AVR

● ADC has a dedicated

clock domain (clk_ADC)

– reduce noise

generated by digital circuitry

– gives more accurate

ADC conversion results

(22)

(23)

(24)

(25)

Diagram Pewaktuan ADC

(Konversi Pertama, Mode Tunggal)

(26)

Konversi Mode Tunggal

(27)

Konversi Auto-Triggered

(28)

(29)

Masukan Analog

dan Power

(30)

Hasil Konversi

● Setelah konversi selesai (ADIF=1), hasil

konversi disimpan dalam register hasil (ADCL, dan ADCH)

Single-ended conversion

(31)

ADMUX: Register Pemilihan MUX

● REFS[1:0]: memilih tegangan referensi

(32)

MUX[4:0]: Pemilihan Kanal Input dan

Gain

(33)

(34)

(35)

(36)

SFIOR – Special FunctionIO Register

(37)

Pemrograman ADC

● Hanya 1 kanal ADC yang bisa dikonversikan

dalam 1 waktu

– Memilih Prescaler ADC (pembagi frekuensi):

set ADPS[2:0] di register ADCSRA

– Memilih masukan analog MUX[4:0] di register

ADMUX

– Memilih sumber tegangan referensi REFS[1:0]

– Mengeset ADLAR

(38)

Inisialisasi ADC

//************************************************************* //InitADC: initialize analog-to-digital converter

//************************************************************* void InitADC( void)

{

ADMUX = 0; //Select channel 0

ADCSRA = 0xC3; //Enable ADC & start 1st_{dummy conversion}

//Set ADC module prescalar to 8 critical for //accurate ADC results

while (!(ADCSRA & 0x10)); //Check if conversation is ready ADCSRA |= 0x10; //Clear conv rdy flag - set the bit

(39)

Pembacaan Data ADC

//************************************************************* //ReadADC: read analog voltage

//************************************************************* unsigned int ReadADC(unsigned char chan)

{

unsigned int result, hvoltage, lvoltage; //weighted binary voltage ADMUX = channel; //Select channel

ADCSRA |= 0x43; // Start conversion, Set ADC module

// prescalar to 8 critical for accurate results while (!(ADCSRA & 0x10)); //Check if converstion is ready ADCSRA |= 0x10; //Clear Conv rdy flag – set the bit

hvoltage = ADCL;

lvoltage = (ADCH << 8); result = hvoltage | lvoltage; return result;

(40)

Digital Termometer

● Sensor Temperatur LM35 http://extremeelectroni cs.co.in/avr- tutorials/interfacing- temperature-sensor-lm35/

(41)

Antarmuka Accelerometer 3 Sumbu

● ATMega32 + Accelerometer mma7260 + LCD

http://extremeelectronics.co.in/avr-tutorials/interfacing-mma7260-triple-axis-accelerometer-with-atmega32-avr-tutorial/

(42)

(43)

● http://extremeelectronics.c o.in/tools/visualize-adc- data-on-pc-screen-using-usart-avr-project/