Fig. 11.13 Digital Ramp ADC

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

7. Soal Pilihan Ganda

8. Rangkaian Proteus

9. Video

10. Download File

1. Pendahuluan [Kembali]

Digital-Ramp ADC (Analog to Digital Converter) adalah salah satu jenis konverter analog-ke-digital yang bekerja dengan cara menaikkan (ramp) nilai digital secara bertahap dari nol hingga mencapai nilai yang sesuai dengan tegangan input analog. Proses ini dilakukan dengan menggunakan sebuah counter digital dan DAC (Digital to Analog Converter). Nilai digital dari counter diubah menjadi tegangan analog oleh DAC, lalu dibandingkan dengan tegangan input menggunakan komparator. Selama tegangan DAC masih lebih kecil dari input analog, counter terus bertambah. Ketika nilai DAC sama atau melebihi input, proses dihentikan dan nilai counter pada saat itu menjadi representasi digital dari sinyal analog yang diukur.

2. Tujuan [Kembali]

Mengenal Komponen Utama dalam Rangkaian ADC
Meningkatkan Kemampuan Merancang dan Menganalisis Rangkaian ADC Sederhana

3. Komponen [Kembali]

1. IC

IC adalah komponen elektronik yang terdiri dari rangkaian mikro di dalam satu chip kecil. Dalam konteks pencacah digital, IC seperti 74HC191 atau 74HC190 digunakan untuk menjalankan fungsi hitung naik/turun secara otomatis berdasarkan input clock dan kontrol lainnya.

2. Switch dan dipswitch

Switch adalah sakelar manual yang digunakan untuk menghubungkan atau memutuskan arus listrik. DIP switch (Dual Inline Package switch) adalah kumpulan switch kecil dalam satu baris, biasa digunakan untuk memberikan input logika 1 atau 0 ke IC secara mudah dan teratur.

3. Logicstate dan sakelar

LogicState adalah alat virtual pada simulator seperti Proteus untuk memberi logika HIGH (1) atau LOW (0) ke rangkaian digital. Sakelar fisik atau virtual digunakan untuk mengubah keadaan logika tersebut, sehingga dapat digunakan sebagai input manual pada rangkaian digital.

4. Ground

Ground adalah titik referensi tegangan dalam rangkaian elektronik. Semua tegangan dalam sistem diukur relatif terhadap ground, dan biasanya berfungsi sebagai jalur arus balik menuju sumber daya.

5. Gerbang gate AND

Gerbang "AND" adalah gerbang logika dasar dalam sistem digital yang menghasilkan keluaran tinggi (1 atau "TRUE") hanya jika semua masukannya juga tinggi (1 atau "TRUE"). Jika salah satu atau semua masukan adalah rendah (0 atau "FALSE"), maka keluarannya akan rendah (0). Gerbang AND sering dianalogikan dengan kata "dan" dalam logika matematika, di mana hasil hanya benar jika semua kondisi yang terhubung oleh "dan" terpenuhi

4. Dasar Teori [Kembali]

Digital-Ramp ADC (Analog to Digital Converter) merupakan salah satu jenis konverter analog ke digital yang bekerja berdasarkan prinsip pencacahan naik (ramping) secara digital. Konverter jenis ini tergolong sebagai ADC bertipe suksesif bertahap, di mana nilai digital akan dihitung dari angka nol dan terus bertambah hingga nilai digital tersebut, setelah dikonversi menjadi analog melalui DAC (Digital to Analog Converter), nilainya mendekati atau menyamai tegangan input analog yang diberikan.

Pada dasarnya, sistem ini terdiri dari empat blok utama: sumber tegangan analog (VA), komparator, counter digital, dan DAC. Tegangan input analog (VA) yang berasal dari sensor atau pembagi tegangan akan dibandingkan dengan tegangan keluaran dari DAC (Vax). Counter akan menghitung secara bertahap mulai dari 0000, 0001, 0010, dan seterusnya. Setiap nilai digital hasil pencacahan tersebut dikirim ke DAC, yang kemudian akan menghasilkan tegangan analog yang setara dengan nilai digital tersebut. Hasil tegangan dari DAC ini akan terus dibandingkan dengan VA oleh komparator. Selama tegangan dari DAC (Vax) lebih kecil dari VA, counter akan terus naik. Namun saat nilai Vax sudah sama atau melebihi VA, komparator akan menghasilkan sinyal logika LOW yang menandakan End of Conversion (EOC), dan proses pencacahan dihentikan. Nilai terakhir yang terdapat pada counter saat itu menjadi representasi digital dari sinyal analog VA.

Komparator dalam rangkaian ini memiliki fungsi utama untuk membandingkan dua buah tegangan: tegangan input analog (VA) dan tegangan hasil DAC (Vax). Jika VA lebih besar dari Vax, maka komparator akan menghasilkan logika tinggi (HIGH), yang akan mengaktifkan sinyal clock menuju counter melalui gerbang logika. Sebaliknya, jika Vax sudah lebih besar atau sama dengan VA, maka output komparator menjadi logika rendah (LOW), yang akan menghentikan proses pencacahan.

Counter yang digunakan umumnya adalah counter sinkron 4-bit seperti 74LS190. Karena hanya 4-bit, maka resolusi ADC ini adalah 2⁴ = 16 level, artinya input analog akan dikonversi ke dalam salah satu dari 16 nilai digital (0 sampai 15). Output counter ini langsung masuk ke DAC0800, sebuah IC konverter digital-ke-analog. DAC ini akan mengubah kombinasi bit digital menjadi tegangan analog yang sebanding. Hasil tegangan ini akan digunakan sebagai feedback ke komparator untuk menentukan apakah nilai digital saat itu sudah mendekati nilai VA.

Metode Digital-Ramp memiliki kelebihan yaitu desain rangkaian yang sederhana dan mudah dipahami, serta cocok untuk pembelajaran awal mengenai sistem ADC. Namun, metode ini memiliki kelemahan dalam hal kecepatan konversi. Karena selalu dimulai dari nol setiap kali proses konversi, maka waktu yang dibutuhkan untuk konversi cukup lama, terutama jika nilai VA tinggi. Selain itu, metode ini juga kurang cocok untuk sinyal analog yang berubah cepat, karena tidak dapat mengikuti perubahan secara real-time dengan baik.

Dengan memahami Digital-Ramp ADC, kita dapat mengerti bagaimana sistem digital berinteraksi dengan dunia analog, serta mengenal proses dasar dari pengubahan sinyal fisik menjadi data digital yang bisa diproses oleh mikrokontroler, komputer, atau sistem digital lainnya

5. Example [Kembali]

1. Example – Input Tegangan Rendah

Kasus:

Tegangan input analog (VA) = 2 V
Counter mulai dari 0000

Proses:


0000 → 0001 → 0010 → 0011 → 0100

Penjelasan:

Setiap nilai counter → diubah jadi tegangan oleh DAC
Saat tegangan DAC ≈ 2 V → komparator STOP
Misal berhenti di:


0100 (desimal 4)

Artinya:

Tegangan 2 V direpresentasikan sebagai 4

2. Example – Input Tegangan Lebih Besar

Kasus:

VA = 5 V

Proses:


0000 → 0001 → ... → 1001 → 1010

Penjelasan:

Counter terus naik karena DAC < VA
Saat mendekati 5 V → berhenti

Misal:


1010 (desimal 10)

Artinya:

Tegangan 5 V ≈ digital 10

3. Example – End of Conversion (EOC)

Kasus:

VA = 7 V
Counter berjalan

Proses:


0000 → ... → 1101 → 1110

Penjelasan:

Saat DAC ≥ VA:
- Komparator = LOW
- Clock berhenti
- Counter berhenti

Misal hasil akhir:


1110 (desimal 14)

Ini disebut:

End of Conversion (EOC)
Nilai akhir = hasil digital dari VA

6. Problem [Kembali]

1. Penentuan Nilai Digital

Soal:

Resolusi = 4-bit (0–15)
$V_A = 3 \text{ V}$

Jawaban:

a. Counter berhenti kira-kira di:

b. Nilai desimal:

Penjelasan singkat:
Counter naik sampai tegangan DAC mendekati 3 V → berhenti di nilai tersebut.

2. End of Conversion (EOC)

Soal:

$V_{DAC} \geq V_A$

Jawaban:

a. Output komparator:

LOW

b. Counter:


Berhenti (tidak bertambah)

c. Fungsi:
Menandakan proses konversi selesai (End of Conversion / EOC)

3. Waktu Konversi

Soal:

$V_A = 2 \text{ V}$
$V_A = 7 \text{ V}$

Jawaban:

a. Yang lebih lama:


V_A = 7 V

b. Penjelasan:

Counter selalu mulai dari 0
Semakin besar $V_A$ → semakin lama counter mencapai nilai tersebut

7. Soal Pilihan Ganda [Kembali]

1.
Digital-Ramp ADC bekerja dengan cara…
A. Mengurangi nilai digital dari maksimum ke nol

B. Menaikkan nilai digital dari nol hingga mendekati input analog

C. Mengubah sinyal digital menjadi analog

D. Menyimpan data dalam memori
Jawaban: B
2.
Ketika tegangan DAC sudah sama atau lebih besar dari  $V_A$ , maka…
A. Counter tetap berjalan

B. Komparator menghasilkan HIGH

C. Proses konversi berhenti

D. Tegangan input berubah
Jawaban: C
3.
Kelemahan utama Digital-Ramp ADC adalah…
A. Tidak bisa digunakan dalam sistem digital

B. Rangkaian terlalu kompleks

C. Waktu konversi lama

D. Tidak menggunakan counter
Jawaban: C

8. Rangkaian Proteus [Kembali]

Prosedur:

Rangkaian yang ditampilkan merupakan implementasi dari Digital-Ramp ADC (Analog to Digital Converter) berdasarkan gambar Figure 11-13 dalam buku referensi sistem digital. Prinsip kerja rangkaian ini adalah mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital dengan cara menaikkan nilai digital secara bertahap (ramp) sampai nilainya setara dengan tegangan input analog. Tegangan analog VA dihasilkan melalui potensiometer RV1 yang terhubung ke sumber DC 12V. Tegangan ini menjadi input bagi salah satu terminal dari komparator LM339 (U1:A). Terminal lainnya dari komparator menerima tegangan Vax, yaitu hasil konversi dari sinyal digital yang dikeluarkan oleh counter U3 (74LS190) dan diubah menjadi tegangan analog oleh DAC0800 (U2). DAC ini menerima empat bit digital (Q0–Q3) sebagai masukan, dan menghasilkan tegangan analog yang berbanding lurus terhadap nilai digital tersebut.

Komparator membandingkan VA dan Vax secara terus menerus. Selama tegangan dari DAC (Vax) masih lebih kecil dari VA, output komparator (sinyal EOC) akan tetap tinggi (logika 1), dan sinyal clock dari osilator akan dilewatkan ke input counter melalui gerbang logika AND (U4). Counter akan terus menghitung naik (up-counting) dan mengubah nilai output digitalnya, yang secara langsung mengubah nilai tegangan dari DAC. Proses ini berlanjut sampai tegangan dari DAC (Vax) menjadi lebih besar atau sama dengan VA. Pada saat itu, output komparator akan berubah menjadi rendah (logika 0), menghentikan sinyal clock ke counter melalui pemblokiran gerbang AND, dan konversi dianggap selesai. Nilai digital terakhir pada counter (Q0–Q3) menjadi representasi dari tegangan analog input VA.

Rangkaian ini bekerja dengan tegangan logika 5V dari sumber B2 untuk komponen digital, sedangkan tegangan 12V dari B1 digunakan untuk bagian input analog dan komparator. Rangkaian ini memiliki resolusi 4-bit sehingga hanya mampu mewakili 16 level tegangan input (0–15). Walaupun metode Digital-Ramp ADC ini cukup sederhana dan murah, kekurangannya adalah proses konversinya relatif lambat karena selalu memulai pencacahan dari nol, sehingga kurang efisien untuk aplikasi dengan sinyal input yang berubah cepat. Namun demikian, metode ini sangat cocok sebagai dasar pembelajaran ADC dalam dunia sistem digital.

Cari Blog Ini

Marsha Hayfa Rosani