A-96
OPTIMALISASI ADC DENGAN REKAYASA PERANGKAT KERAS PADA PENGUKURAN SUHU
Eka Mandayatma
Teknik Elektro, Politeknik Negeri Malang [email protected]
Abstrak
ADC merupakan sebuah komponen atau sub komponen yang berfungsi mengubah data tegangan analog menjadi data digital dengan jumlah bit tertentu. Jika data masukan merupakan data skala penuh (full scale) maka data keluaran juga akan mencapai skala penuh dan didapatkan resolusi maksimum. Pada kenyataannya sering terjadi bahwa data masukan mempunyai range yang kecil yang tidak memenuhi skala penuh sehingga data keluaran juga tidak terjadi skala penuh. Hal ini akan membuat banyak bit data yang tidak terpakai, serta resolusi yang buruk (rendah). Rekayasa perangkat lunak biasanya tidak bisa memperbaiki resolusi dari ADC. Dengan rekayasa perangkat keras mengunakan leveling amplifier maka resolusi dapat dperbaiki karena seberapapun range masukan bisa didapatkan data keluaran pada skala penuh dari ADC dan seluruh bit data terpakai. Dengan seluruh bit data keluaran terpakai maka akan didapat resulusi maksimum dari ADC. Tanpa leveling amplifier, resolusi akan bernilai tetap yakni (5-0)/255 sedang dengan leveling amplifier resolusi akan lebih baik dan tergantung input (Vimax – Vi min)/255. Dari hasil pengamatan untuk digitalisasi pengukuran suhu menggunakan sensor LM35 dengan range 20°C - 40°C, tanpa leveling diperoleh resolusi 2,22°C/step sementara dengan leveling diperoleh resolusi sebesar 0,08°C/step.
Kata kunci : ADC, resolusi, leveling amplifier
1. PENDAHULUAN
Resolusi yang rendah pada penggunaan ADC disebabkan salah satunya adalah tidak tercapainya rentang skala penuh baik pada masukan (input) dan keluaran (output). Rentang skala penuh bisa diperoleh jika masukan berada pada rentang skala penuh untuk mendapatkan rentang skala penuh pada keluaran ADC maka dipelukan pula rentang masukan dalam skala penuh pula. Dengan kata lain pada situasi ini diperlukan pergeseran level untuk membawa level output sensor agar span sesuai untuk input ADC [4]. Untuk ADC 8 bit, agar output bernilai 1111 1111 (FF skala penuh) diperlukan masukan tegangan analog 0 sampai 5 Volt dengan referensi ½ Vcc. Permasalahan yang ada ialah tidak semua masukan ADC berada pada rentang 0 sampai 5 volt, artinya tidak berada pada rentang skala penuh. Hal ini berarti data keluaran juga tidak berada pada rentang skala penuh. Hal ini menyebabkan inefisiensi dari ADC. Akibat lain yang timbul adalah resolusi pengukuran rendah.
Rekayasa perangkat keras (hardware) bisa dibuat untuk mendapatkan rentang skala penuh.
Pengukuran suhu dengan menggunakan sensor LM35 merupakan cara cukup mudah bila digabung dengan ADC karena keluaran dari sensor tesebut suddah dalam bentuk tegangan. Tegangan keluaran dari LM 35 tidak selalu berada pada jangkauan skala penuh dari masukan ADC. Jika keluaran LM35 langsung dimasukkan kedalam ADC maka tidak didapat rentang skala penuh dimana berakibat
pembacaan suhu akan mempunyai resolusi yang rendah.
2.KAJIAN PUSTAKA
Pada pengolahan sinyal analog menggunakan komputer atau mikroprosesor akan selalu dibutuhkan komponen atau sub komponen pengubah data analog menjadi data digital yang dikenal dengan Analog to Digital Convertion (ADC). Dalam penggunaan ADC ada batasan- batasan tentang data (tegangan) masukan dan data keluaran. Jika diambil salah satu contoh ADC yang mempunyai rentang data analog masukan 0 – 5 Volt serta data keluaran merupakan data 8 bit, maka bisa dikatakan bahwa rentang masukan adalah tegangan analog 0 sampai 5 Volt sedang keluaran data biner 0000 0000 sampai 1111 1111.
Tegangan masukan untuk ADC dalam prakteknya tidak akan selalu bernilai 0 – 5 Volt, tetapi hanya berada pada rentang tersebut. Ini berarti ADC tidak akan bekerja full scale yang berarti pula ada sejumlah data bit yang tidak terpakai. Hal ini tentu merupakan kerugian yang sebenarnya bisa dilakukan perbaikan atau rekayasa agar semua bit data bisa dimanfaatkan. Gambar 1a meunjukkan jika ADC bertegangan masukan skala penuh dan data keluaran juga berskala penuh.
Sedang gambar 1b. menunjukkan jika ADC tidak bekerja pada skala penuh.
A-97 Gbr 1a. ADC dengan input skala penuh
Gbr 1b. ADC dengan input range kurang dari skala penuh.
Dari gambar 1b, data output tergantung dari masukan. Jika masukan x Volt maka data output bernilai xxxx xxxx dan jika masukan y Volt keluaran yyyy yyyy. Bisa dilihat bahwa bit data antara 0000 0000 sampai xxxx xxxx dan yyyy yyyy sampai 1111 1111 tidak terpakai dan hal ini jelas suatu kerugian.
Rekayasa perangkat keras bisa meminimalisir kerugian tersebut dengan memanfaat kan kombinasi rangkaian penguat, adder maupun summing amplifier untuk membentuk rangkaian leveling amplifier yang mampu mengoptimalkan kerja ADC yang selalu berada pada kerja skala penuh. Gambar 2 memperlihatkan konsep leveling amplifier.
Gbr 2. Konsep leveling Amplifier
Tersedianya penguat operasional dalam berbagai jenis akan memudahkan dalam pembentukan rangkaian-rangkaian matematik seperti perkalian maupun penjumlahan [2].
Perkalian merupakan inti dari penguat yang bisa dibentuk dalam penguatan membalik (inverting amplifier) maupun penguatan tak membalik (non inverting amplifier)
2.1Penguat tak membalik
Penguat tak membalik (non inverting amplifier) menguatkan sinyal input dengan penguatan Vo/Vi dan tidak terjadi pembalikan polaritas, artinya polaritas output sama dengan polaritas input.
Gbr 3a. Konfigurasi penguat non inverting Gbr 3b. Polaritas input dan output non inverting Gain atau penguatan dari konfigurasi non inverting
Rg
Av1 Rf (1)
2.2 Penguat Membalik
Konfigurasi lain dari penguat opamp adalah penguat membalik (inverting amplifier).
Penguatan Av = Vo/Vi dan terjadi pembalikan polaritas antara input dan output.
Gbr 4a. Konfigurasi penguat inverting, Gbr 4b. Polaritas input dan output penguat Inverting.
Penguatan atau gain dari penguat inverting
1 2 R
AvR (2)
Tanda (-) menunjukkan bahwa pada penguat tersebut terjadi pembalikan polaritas.
2.3 Penguat penjumlah
Penguat penjumlah (summing amplifier) pada dasarnya dua buah atau lebih penguat dengan unity gain yang dijadikan satu untuk mendapatkan fungsi matematik penjumlahan input.
Gbr 5 Penguat Penjumlah ADC
Input output
0 V 5 V
0000 0000 1111 1111
ADC
Input output
0000 0000 1111 1111
x V y V
xxxx xxxx yyyy yyyy
ADC
Input output
0000 0000 1111 1111
x V y V
0 V 5 V
A-98 Untuk R1 = R2 = Rin, Fungsi alih dari penguat penjumlah ini adalah
Rin V Rf V
Vo( 1 2) (3) Jika Rf = Rin maka
) 2 1 (V V
Vo (4)
2.4 Leveling Amplifier
Secara matematis sebuah penguat akan mempunyai fungsi alih seperti digambarkan pada gambar 6.
Gbr 6 Fungsi alih penguat Dimana
C Av Vi
Vo . (5)
C adalah konstanta bebas yang berasal dari system amplifier. Jika nilai C = 0 maka fungsi alih adalah
Av Vi
Vo . (6)
Dan disebut sebagai penguat ideal.
Jika rentang input berada pada Vi(1) sampai Vi(2) dan dikehendaki suatu output Vo(1) sampai Vo(2) dimana diantaranya tidak ada nilai 0 (nol) maka harus dilakukan dengan leveling amplifier dan tidak bisa dilakukan dengan amplifier ideal biasa.
Sesuai dengan pers (5) jika kebutuhan input output dimasukkan akan menjadi sbb:
C Av Vi Vo .
C Av Vi
Vo(2) (2). (7) Vo(1)Vi(1).AvC (8)
Vi Vi Av Vo
Vo(2) (1) (2) (1).
) 1 ( ) 2 (
) 1 ( ) 2 (
Vi Vi
Vo Av Vo
(9)
Persamaan 9 menunjukkan bahwa penguatan untuk system leveling yang dikehendaki bisa dihitung karena Vo dan Vi diketahui. Substitusi pers 9 kesalah satu persamaan 7 atau 8 untuk mencari konstanta
Vi C Vi
Vo Vi Vo
Vo
) 1 ( ) 2 (
) 1 ( ) 2 ) ( 2 ( ) 2 (
Gbr 7 Konfigurasi rangkaian ADC
Sehingga
) 1 ( ) 2 (
) 1 ( ) 2 ) ( 2 ( ) 2
( Vi Vi
Vo Vi Vo
Vo
C
(10)
Dengan diketahui penguatan (pers 9) dan konstanta (pers 10) maka didapatkan fungsi alih dari leveling yang dikehendaki, yakni :
) 1 ( ) 2 (
) 1 ( ) 2 ) ( 2 ( ) 2 ) (
1 ( ) 2 (
) 1 ( ) 2 (
Vi Vi
Vo Vi Vo
Vi Vo Vi
Vo ViVo
Vo
2.5 ADC
ADC 0804 merupaan rangkaian terintegrasi yang mampu mengubah masukan berupa tegangan analog menjadi data biner 8 bit. Dalam penelitian ini digunaan ADC diskrit untuk mempermudah memberikan gambaran akan upaya peningkatan atau optimalisasi ADC, meskipun dalam aplikasinya dapat digunakan pada ADC hybrid yang sudah terintegrasi dengan system yang lain.
Seperti pada gbr konfigurasi standar ADC dengan input tegangan analog pada pin 6 dan data output D0 sd D7 pada pin 18 sd 11. Tombol start digunakan untuk memulai konversi secara manual, artinya setiap adda perubahan tegangan input perlu meng-enable tombol start untuk mendapatkan konversi. Untuk operasi normative, tegangan referensi diberikan ½ Vcc dan Vin(-) di-ground.
Data keluaran digunakan aktif high, artinya data logika tinggi (1) dinyatakan dengan LED yang menyala.
3. METODE PENELITIAN
Metode penelitian dilakukan dengan eksperimental pada pengukuran suhu yang melibatkan sensor suhu LM35 dan ADC 8 bit dari type 0804. Eksperimen dilakukan pada rentang suhu antara 20°C sampai 40°C. LM35 adalah sensor suhu yang langsung mengkonversi besaran suhu yang diterima menjadi tegangan keluaran dengan fungsi alih 10 mV/°C. Data yang diperoleh dibandingkan tingkat resolusinya antara hasil
Vi A
v
V o
A-99 pembacaan ADC tanpa leveling dan dengan leveling amplifier.
Pelaksanaan penelitian dilakukan dua tahap dimana tahap 1 menghubungkan output LM35 langsung ke ADC dan tahap 2 menghubungkan LM35 ke ADC melalui rangkaian Leveling Amplifier.
Gbr 8a. Konversi output LM35 tanpa leveling
Gbr 8b. Konversi output LM 35 dengan leveling
4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Reolusi tanpa leveling amplifier
Dibuat span kenaikan 2°C pada pengamatan sensor suhu LM35
Gbr 9 Pengujian pengukuran suhu dengan Sensor LM35
Tabel 1 memperlihatkan hasil pengukuran respon output dari sensor suhu LM35 langsung menggunakan AVO meter digital. Pengukuran dilakukan 3 kali dan Vout adalah tegangan rata-rata hasil pengukuran.
Tabel 1. Pengujian awal LM35
Gambar 9 memperlihatkan hasil keluaran LM35 dikonversi langsung oleh ADC, dimana output LM35 langsung dihubungkan dengan pin input ADC.
Dari tabel 2 bisa diamati bahwa data bit D5-D7 tidak terpakai sementara D4 hanya terpakai sekitar 50%. Sedang dari tabel 3, resolusi rata-rata dari rentang suhu 20 - 40°C dan output analog dari LM35 dari 202 mV hingga 406 mV adalah 19,66 mV.
Gbr 10 Hubungan langsung output LM35 ke ADC
Dari tabel 3 Step number yang diperoleh adalah Step number Sn = MSB – LSB (decimal)
= 20 – 11 = 9
No Suhu °C Vout (mV)
1 20 202
2 22 223
3 24 242
4 26 266
5 28 282
6 30 301
7 32 324
8 34 344
9 36 368
10 38 385
11 40 406
T°C D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
20 0 0 0 0 1 0 1 1
22 0 0 0 0 1 0 1 1
24 0 0 0 0 1 1 0 0
26 0 0 0 0 1 1 1 0
28 0 0 0 0 1 1 1 0
30 0 0 0 0 1 1 1 1
32 0 0 0 1 0 0 0 1
34 0 0 0 1 0 0 1 0
36 0 0 0 1 0 0 1 1
38 0 0 0 1 0 0 1 1
40 0 0 0 1 0 1 0 0
Tabel 2. Hubungan temperature dengan data output ADC
T°C Vo (mv)
D 5
D 4
D 3
D 2
D 1
D 0
Decim al
Resolu si
20 202 0 0 1 0 1 1 11 18,36
22 223 0 0 1 0 1 1 11 20,27
24 242 0 0 1 1 0 0 12 20,2
26 266 0 0 1 1 1 0 14 19
28 282 0 0 1 1 1 0 14 20,1
30 301 0 0 1 1 1 1 16 20,25
32 324 0 1 0 0 0 1 17 19
34 344 0 1 0 0 1 0 18 19,1
36 368 0 1 0 0 1 1 19 19,4
38 385 0 1 0 0 1 1 19 20,3
40 406 0 1 0 1 0 0 20 20,3
Resolusi rata-rata (mV) 19,66
Tabel 3. Resolusi dalam mV tanpa leveling amplifier
LM 35 ADC
0804
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 20°C - 40°C
LM 35 AD
C08 04
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Leveling
Amplifier
20°C - 40°C C
A-100 Resolusi dalam suhu
step C T
R 2,22 /
9 20 ) 40
(
(12)
4.2 Resolusi dengan Leveling Amplifier
Leveling Amplifier diharapkan bisa memberikan output 0 Volt saat suhu 20°C (202 mV) dan 5 Volt saat suhu 40°C (406 mV). Dari kebutuhan ini diketahui Vi(1) = 202 mV, Vi(2) = 406 mV, Vo(1)
= 0 V dan Vo(2) = 5 V.
Mengacu pada pers. 10
) 1 ( ) 2 (
) 1 ( ) 2 ) ( 2 ( ) 2 ) (
1 ( ) 2 (
) 1 ( ) 2 (
Vi Vi
Vo Vi Vo
Vi Vo Vi
Vo ViVo
Vo
202 406
0 406 5000
202 5000 406
0 Vi 5000 Vo
95 , 4 5 ,
24
Vi
Vo (13)
Fungsi alih dari leveling amplifier yang diharapkan adalah seperti pers. 13 dimana harus ada penguat dengan penguatan Av = 24,5 dan ditambah (summing) dengan konnstanta C = - 4,95 Volt.
Gbr 11. Realisasi leveling amplifier dengan Av = 24,9 dan C = - 4,9
Dari tabel 4 maka kebutuhan input untuk ADC sudah terpenuhi untuk skala penuh dan sudah terjadi perubahan level dimana pada saat input (suhu 20°C) 202 mV output – 0,05 (0 V0lt) dan pada saat input (suhu 40°C) 406 mV maka output 5,05 V (5 Volt). Pada gbr.11, nilai Resistor (Rid an Rf) adalah nilai perbandingan. Aplikasi dari gbr 11 digabung dengan ADC adalah seperti gbr 12.
Gbr 12 Menghubungkan LM35 ke ADC melalui leveling amplifier.
Dari rangkaian seperti gbr 12 dan dengan rentang suhu yang sama diperoleh data seperti pada tabel 5.
Tabel 5 Output data setelah menggunakan leveling amplifier No T°C Vo1 Vo2 Vo3 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Dec 1 20 0,208 -5,096 0,146 0 0 0 0 0 1 1 1 7 2 22 0,218 -5,341 0,391 0 0 0 1 0 1 0 0 20 3 24 0,244 -5,978 1,028 0 0 1 1 0 1 0 1 53 4 28 0,290 -7,105 2,155 0 1 1 0 1 1 1 1 111 5 30 0,31 -7,595 2,645 1 0 0 0 1 0 0 0 136 6 32 0,326 -9,987 3,037 1 0 0 1 1 1 0 0 156 7 34 0,344 -8,428 3,478 1 0 1 1 0 0 1 0 178 8 36 0,358 -8,771 3,821 1 1 0 0 0 1 0 0 196 9 38 0,385 -9,432 4,48 1 1 1 0 0 1 1 0 230 10 40 0,406 -9,947 4,997 1 1 1 1 1 1 1 1 255 Dari tabel 5 diperlihatkan untuk rentang pengukuran suhu 20°C - 40°C didapatkan tegangan output (Vo3) adalah 0,146 – 4,997. Nilai ini mendekati yang diharapkan yakni 0 – 5 Volt.
Output dari leveling amplifier menjadi input dari ADC (pin 6) sehingga input analog ADC akan berkisar pada rentang 0,146V – 4,997 V. Jika diamati pada pin out data (D0 – D7) semua pin tersisi yakni dari 0000 0111 sd 1111 1111 (07h – FFh). Jumlah step dari ouput data ini adalah nilai decimal MSB – Nilai decimal LSB
Step number Sn = MSB – LSB (decimal)
= 255 – 7
= 248 step.
Resolusi dalam suhu Sn
T T T
R max min
)
(
(14)
Tabel 4. Perhitungan output
Vi (mV) Vo1(Volt) Vo2(volt)
202 - 4,95 -0,05
406 - 9,95 5,05
-
Vi Vo
R i
R f
R R
1 R
24,5 4,95 V
Vo1
A-101 step
C T
R 0,08 /
248 20 ) 40
(
(15)
Resolusi dalam tegangan output LM35
step mV v
R 0,798 /
7 255
208 ) 406
(
Artinya dengan cara leveling ini ADC mampu meningkatkan resolusi dalam suhu dimana setiap kenaikan satu bit data sama dengan kenaikan 0,08°C. Bisa dibandingkan hasil seperti pers 11 dan pers 14, pada pemakaian ADC tanpa leveling amplifier didapat resolusi pengukuran suhu sebesar 2,22°C/step sedangkan dengan leveling amplifier resolusi naik secara significant menjadi 0,08°C/step. Ini berarti system menjadi lebih teliti dalam mengukur suhu karena semua bit data output semuanya terpakai. Sementara untuk resolusi dalam tegangan output LM35, untuk tanpa leveling diperoleh 19,66 mV/step sedang dengan leveling amplifier diperoleh 0,798 mV/step.
5. KESIMPULAN
Leveling amplifier bisa memperbaiki kinerja ADC dengan meningkatkan resolusi tiap step bit secara perangkat keras (hardware). Dari percobaan yang dilakukan, tanpa leveling amplifier didapatkan resolusi pengukuran suhu untuk rentang 20°C - 40°C adalah 2,22°C/step sedangkan dengan leveling amplifier didapat resolusi 0,08°C/step. Ini adalah peningkatan lebih dari 200%. Dan dengan leveling amplifier semua bit data output terpakai.
6. DAFTAR PUSTAKA
[1]Curtis D Johnson, Process Control Instrumentation Technology, second edition, John Wiley & Sons 1982
[2]Dafid F, Stout, Handbook of Operational Amplifier Circuit Design, McGraw-Hill Book Company, 1976
[3]Chandrashekhar Mithlesh, A.S Umesh, Design and Simulation of
Op Amp Integrator and Its Applications, International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT) ISSN: 2249–8958, Volume-1, Issue-3, February 2012
[4]Ron Mancini, Sensor to ADC-Analog Interface Design, Analog Application Journal, Texas
Instrument, 2005,
http://www.ti.com/lit/an/slyt173/slyt173.pdf
