Chapter 11 : Interfacing with Analog World
Dalam dunia sistem digital, seluruh data direpresentasikan dalam bentuk bilangan biner yang terdiri dari kombinasi logika 1 dan 0. Namun, banyak perangkat dunia nyata seperti sensor, aktuator, dan perangkat audio bekerja dalam sinyal analog yang bersifat kontinu. Oleh karena itu, dibutuhkan antarmuka atau sistem interfacing antara dunia digital dan analog, agar kedua jenis sistem ini dapat saling berkomunikasi dan berfungsi secara harmonis.
Salah satu bentuk interfacing tersebut adalah DAC (Digital-to-Analog Converter) yang berfungsi untuk mengubah sinyal digital menjadi sinyal analog. Salah satu metode yang paling umum dan sederhana untuk membangun DAC adalah menggunakan teknik R/2R ladder network. Teknik ini memanfaatkan prinsip pembagi tegangan resistif untuk mengubah pola digital menjadi tegangan analog yang proporsional.
R/2R ladder DAC digunakan secara luas karena desainnya yang sederhana, akurat, dan mudah diimplementasikan dalam simulasi maupun secara fisik. Konsep ini sangat penting dalam bidang kendali sistem, audio digital, instrumentasi, dan berbagai aplikasi lainnya yang melibatkan keluaran analog dari sistem digital.
2. Tujuan[Back]
- Mengetahui cara kerja rangkaian DAC (Digital to Analog Converter) menggunakan teknik R/2R Ladder.
- Mempelajari cara menghubungkan (interfacing) output digital ke dunia analog menggunakan DAC.
- Memahami prinsip pembagi tegangan yang digunakan untuk mengonversi sinyal biner menjadi tegangan analog.
- Menggunakan software Proteus untuk membuat dan mensimulasikan rangkaian DAC berbasis R/2R.
- Mengamati hubungan antara kombinasi input digital (D0–D3) terhadap nilai tegangan analog output.
- Mengembangkan keterampilan praktis dalam desain rangkaian analog dan digital secara terintegrasi.
- Alat :
Software Proteus
Digunakan untuk merancang dan mensimulasikan rangkaian digital secara virtual, termasuk rangkaian ALU menggunakan IC 74181.-
Logic Probe / LED Virtual
Alat bantu visual pada simulasi yang digunakan untuk melihat status output logika dari hasil operasi aritmetika maupun logika. -
Logic Analyzer (Opsional)
Digunakan untuk memantau dan menganalisis sinyal digital secara lebih kompleks, terutama jika menguji urutan operasi secara berurutan. -
Multimeter Virtual
Digunakan dalam simulasi untuk memverifikasi tegangan logika pada titik-titik tertentu dari rangkaian.
- Bahan :
logic switch (SW0–SW3)
Logic switch digunakan untuk mengatur kondisi logika 0 atau 1 (LOW/HIGH) pada input digital DAC. Dengan kata lain, logic switch mewakili bit biner dari sistem digital.-
Resistor
Resistor R dan 2R merupakan komponen utama dalam membentuk jaringan tangga (ladder) DAC. Mereka digunakan untuk membagi tegangan secara presisi. -
Buffer logika
Buffer logika digunakan sebagai penguat dan pelindung sinyal digital input sebelum masuk ke jaringan resistor R/2R. Komponen ini biasanya berupa IC buffer seperti 74LS244 atau sejenisnya. -
Op-amp
Op-amp berfungsi sebagai buffer atau penguat tegangan output dari jaringan R/2R ladder. Dalam beberapa konfigurasi, op-amp juga bisa digunakan sebagai summing amplifier atau konverter arus-ke-tegangan (I-to-V converter).
DAC atau Digital-to-Analog Converter adalah perangkat yang mengubah sinyal digital menjadi sinyal analog. Sinyal digital umumnya berbentuk logika biner (0 dan 1), sedangkan sinyal analog berupa tegangan atau arus yang bervariasi secara kontinu. DAC sangat dibutuhkan dalam berbagai aplikasi seperti audio digital, pengaturan motor, dan sistem kendali otomatis.
Salah satu metode DAC yang paling sederhana dan efektif adalah R/2R Ladder DAC. Rangkaian ini menggunakan susunan resistor dengan nilai R dan 2R (dua kali R) secara berulang. Dengan hanya dua nilai resistor, R/2R ladder mampu menghasilkan tegangan output analog yang proporsional terhadap kombinasi input digitalnya.
Prinsip kerja dari R/2R DAC adalah pembagian arus atau tegangan melalui jaringan resistor berbasis hukum Ohm dan pembagi tegangan. Input digital diberikan melalui saklar atau buffer ke simpul-simpul pada R/2R ladder. Setiap input digital (bit) akan memengaruhi seberapa besar kontribusinya terhadap tegangan output.
Tegangan output dari R/2R DAC dapat dirumuskan secara umum sebagai:
Vout = Vref × (D / 2^n)
dengan D adalah nilai desimal dari input biner, dan n adalah jumlah bit. Dalam rangkaian 4-bit, maka output maksimal mendekati Vref ketika input digital = 1111.
Rangkaian ini biasanya dilengkapi op-amp sebagai buffer atau konverter arus ke tegangan (I/V converter), agar output lebih stabil dan tidak terpengaruh beban. Dalam rangkaian simulasi, op-amp juga berfungsi untuk memperjelas pembacaan output analog pada alat ukur (seperti voltmeter atau osiloskop).
-
Skematik dasar R/2R ladder DAC
-
Diagram blok fungsi DAC
-
Ilustrasi pembagi tegangan R dan 2R
-
Bentuk gelombang input dan output DAC
-
Tabel kombinasi input digital dan nilai output tegangan analog
Problem 1
Soal:
Sebuah rangkaian R/2R DAC 4-bit menggunakan tegangan referensi 5 V. Jika input digital adalah 1010, berapakah tegangan analog (Vout) yang dihasilkan?
Jawaban:
Input biner 1010 sama dengan desimal 10.
Jumlah level output pada DAC 4-bit = 2⁴ = 16 level.
Maka:
Vout = (10 / 15) × 5 V
Vout = 3.333 V
Catatan: Rumus yang digunakan adalah
Vout = (N / (2ⁿ - 1)) × Vref
N = nilai desimal input, n = jumlah bit
Problem 2
Soal:
Sebuah DAC 3-bit menghasilkan tegangan output sebesar 2.5 V ketika diberikan input digital tertentu. Jika Vref = 5 V, tentukan nilai input digital tersebut.
Jawaban:
Jumlah level output DAC 3-bit = 2³ = 8
Step per level = Vref / (2ⁿ - 1) = 5 / 7 ≈ 0.714 V
Jumlah step = 2.5 / 0.714 ≈ 3.5 → dibulatkan ke 4
Jadi, nilai input digital = 100 (dalam biner)
Latihan 1
Soal:
Hitung nilai output Vout dari DAC R/2R 4-bit jika input digital adalah 1101 dan Vref = 5 V.
Jawaban:
Biner 1101 = desimal 13
Vout = (13 / 15) × 5 V = 4.333 V
Latihan 2
Soal:
Berapa Vout yang dihasilkan oleh DAC 4-bit dengan Vref = 5 V jika input digital adalah 0001?
Jawaban:
Biner 0001 = desimal 1
Vout = (1 / 15) × 5 V = 0.333 V
5. Percobaan[Back]
- Buka Proteus dan buat proyek baru.
- Tempatkan komponen: resistor (R dan 2R), logic switch, op-amp (misalnya LM741), voltmeter, Vcc 5V, dan ground.
- Susun jaringan R/2R sesuai jumlah bit (misalnya 4-bit).
- Hubungkan logic switch ke input R/2R.
- Gabungkan output R/2R ke op-amp sebagai penguat buffer.
- Hubungkan output op-amp ke voltmeter.
- Simulasikan dan ubah input digital untuk melihat perubahan Vout.
b). Rangkaian simulasi dan prinsip kerja[Back]
PRINSIP KERJA :
Rangkaian R/2R Ladder DAC bekerja berdasarkan prinsip pembagi tegangan. Terdapat susunan resistor dengan nilai R dan 2R yang disusun sedemikian rupa membentuk “tangga” (ladder). Setiap tangga memiliki titik masuk (node) yang terhubung ke input digital melalui saklar atau buffer. Ketika saklar berada di posisi HIGH (logika 1), node tersebut menerima tegangan referensi (misalnya 5V atau 12V), dan saat LOW (logika 0), node akan terhubung ke ground.
Dalam sistem 4-bit, terdapat 4 input digital (D0 hingga D3). Bit paling signifikan (MSB) akan memberikan pengaruh paling besar terhadap output, sedangkan bit paling rendah (LSB) memiliki pengaruh paling kecil. Ketika semua input adalah 0, maka output mendekati 0 volt. Ketika semua input adalah 1, maka output mendekati tegangan referensi.
Arus dari setiap bit akan dibagi oleh jaringan resistor, lalu dikonversi menjadi tegangan melalui op-amp (U11). Op-amp ini bekerja sebagai summing amplifier dan juga sebagai buffer, sehingga output lebih stabil dan linier. Output dari op-amp kemudian dihubungkan ke voltmeter digital untuk menunjukkan tegangan analog yang terbentuk dari kombinasi input digital.
Sebagai contoh:
Jika input digital = 1100 (12 desimal), dan Vref = 12V, maka:
Vout = 12 × (12 / 16) = 9V
Dengan demikian, rangkaian ini mampu menghasilkan tegangan analog dari 0V hingga hampir 12V, tergantung kombinasi input 4-bit yang diberikan.
c). Video simulasi[Back]
6. Download file[Back]
Comments
Post a Comment