Interfacing. Materi 6: ADC, DAC & Sensor Interfacing. Disusun Oleh: I Nyoman Kusuma Wardana

Transkripsi

1 Interfacing Materi 6: ADC, DAC & Sensor Interfacing Disusun Oleh: I Nyoman Kusuma Wardana

2 Outline General ADC concepts ADC programming Sensor interfacing & signal conditioning DAC interfacing Kusuma Wardana - Interfacing

3 General ADC Concepts Kusuma Wardana - Interfacing

4 General ADC Concepts ADC Devices Analog-to-digital converters (ADC) mrpkn salah satu alat yg paling banyak digunakan utk akuisisi data (data acquisition) Komputer digital menggunakan biner (diskrit), sdgkan Physical world segala sesuatu adlh analog (kontinu) Physical quantities: temperatur, tekanan, kelembaban dan kecepatan semua bersifat analog Kusuma Wardana - Interfacing

5 Sistem Analog vs Sistem Digital Sistem Analog sinyal2 bervariasi waktu yg memiliki nilai-nilai kontinu Sistem Digital sinyal2 bervariasi waktu yg memiliki nilai2 diskrit Kusuma Wardana - Sistem Digital 2013

6 Analog Dimengerti secara intuisi Dapat dibagi menjadi tak terhingga Mudah mengalami kesalahan akibat presisi Digital Memerlukan latihan untuk memahami Diskrit Presisi bersifat mutlak Jgn salah memahami ttg tingkat presisi!! belum tentu representasi dlm bentuk digital selalu lebih akurat drpd analog Representasi digital disusun oleh individual, tersimbolkan scr diskrit dalam steps yg jelas Representasi analog tidak disusun oleh oleh step2 individual, melainkan oleh suatu rentang pergerakan yg kontinu Kusuma Wardana - Sistem Digital 2013

7 General ADC Concepts Relasi ADC dan DAC Kusuma Wardana - Interfacing

8 General ADC Concepts ADC menerjemahkan input analog ke output digital yg mewakili ukuran dari input tersebut relatif terhadap suatu referensi Ambil 3 jenis konsep ADC: 1. ADC Ideal 2. ADC Sempurna 3. ADC Aktual Kusuma Wardana - Interfacing

9 General ADC Concepts Ideal ADC ADC Ideal hanya konsep secara teori, & tidak bisa diterapkan dlm kehidupan nyata ADC Ideal memiliki resolusi yg tidak terbatas Setiap kemungkinan nilai input memberikan output unik dlm suatu rentang konversi Secara matematis, ADC Ideal digambarkan sbg garis lurus Kusuma Wardana - Interfacing

10 General ADC Concepts Fungsi Transfer dr ADC Ideal Kusuma Wardana - Interfacing

11 General ADC Concepts ADC Sempurna (Perfect ADC) Karena sifat dr sistem digital output berupa garis lurus tidaklah dimungkinkan Utk mendefinisikan ADC sempurna konsep kuantisasi (quantization) perlu dipelajari Rentang output harus dibagi menjadi sejumlah langkah (step), 1 langkah dr setiap kemungkinan output digital Kusuma Wardana - Interfacing

12 General ADC Concepts Ini berarti 1 nilai output tidak berkorespondensi dgn suatu nilai input unik, namun suatu rentang kecil nilai input Hasilnya adlh fungsi transfer dlm bentuk tangga Contoh, jika ADC yg memiliki 8 output step berarti memiliki resolusi 8 level (atau 3-bit) Jika digabung dgn ADC ideal ADC sempurna scr tepat berada di sekitar garis lurus Kusuma Wardana - Interfacing

13 General ADC Concepts Fungsi transfer dr ADC sempurna: Kusuma Wardana - Interfacing

14 General ADC Concepts ADC sempurna memiliki maksimum error sebesar ± ½ step Dgn kata lain memiliki maksimum quantization error ± ½ LSB Kusuma Wardana - Interfacing

15 General ADC Concepts Salah satu contoh aktual ADC: Kusuma Wardana - Interfacing

16 General ADC Concepts ADC Aktual Sama seperti ADC sempurna, namun memiliki berbagai tambahan error Juga memiliki jenis2 error yg lain, sprt: 1. Offset error 2. Gain error 3. Non-linearity 4. Temperature, frequency and power supply dependencies Kusuma Wardana - Interfacing

17 General ADC Concepts Conversion Range ADC AVR dpt dikonfigurasi utk: a. Single-ended conversion menggunakan 1 input channel b. Differential conversion menggunakan perbedaan antara 2 input channel Kusuma Wardana - Interfacing

18 General ADC Concepts Single-end & Differential Conversion Kusuma Wardana - Interfacing

19 ADC Accuracy General ADC Concepts Kusuma Wardana - Interfacing

20 Kusuma Wardana - Interfacing

26 ADC Characteristics Kusuma Wardana - Interfacing

27 ADC Characteristics Koneksi sensor ke mikrokontroler melalui ADC diperlihatkan pd gambar berikut: Sensor ADC CPU DISPLAY Kusuma Wardana - Interfacing

28 ADC Characteristics Blok diagram 8-bit ADC Vref Analog Input Vin D0 Output data biner Start conversion D7 Kusuma Wardana - Interfacing

29 ADC Characteristics Resolusi vs Ukuran Step untuk ADC (Vref =5V) n-bit Jumlah step Ukuran step (mv) /256 = 19, /1.024 = 4, /4.096 = 1, / = Misal, untuk 8-bit jmlh step = 2 8 = 256 Ukuran step = Vref/jumlah step = 5/256 = 19,54 mv Ukuran step = resolusi ADC Kusuma Wardana - Interfacing

30 ADC Characteristics Karakteristik utama ADC, adlh: Resolusi Waktu konversi Vref (referensi tegangan) Output data digital Kanal analog input dll Kusuma Wardana - Interfacing

31 ADC Characteristics Resolution ADC memiliki resolusi sebesar n-bit n = 8, 10, 12, 16, atau bahkan 24 bit Makin tinggi resolusi ukuran step makin kecil Ukuran step adlh perubahan terkecil yg bisa dilakukan oleh ADC Wlpn ukuran step tergantung dr arsitektur ADC itu sendiri, namun dpt kita manipulasi dgn Vref Kusuma Wardana - Interfacing

32 ADC Characteristics Conversion Time Conversion time waktu yg diperlukan oleh ADC untuk mengkonversi input sinyal analog menjadi output data biner Faktor yg mempengaruhi waktu konversi: Sumber clock ADC Metode konversi dr ADC tsb Kusuma Wardana - Interfacing

33 ADC Programming in the AVR Kusuma Wardana - Interfacing

34 ADC Programming Seiring dgn meningkatnya penggunaan uc, saat ini trdapat on-chip ADC seperti halnya timer dan USART Hal ini sangat membantu, terutama utk mengurangi penggunaan devais eksternal Sesi ini akan khusus membahas pemrograman ADC utk ATmega16 Kusuma Wardana - Interfacing

35 ADC Programming Karakteristik ADC pd ATmega16, sbb: 10-bit ADC 8 input channel (single-ended), 7 input diferensial Hasil output digital disimpan pd ADCL dan ADCH ADCH:ADCL total 16-bit, hanya 10 yg digunakan, 6 tdk terpakai (bisa memilih 6-bit atas atau 6-bit bawah) 3 pilihan Vref: Vref dr AVCC (analog VCC), referensi internal 2,56V atau eksternal AREF pin Waktu konversi tergantung kristal dan register ADPS0:2 Kusuma Wardana - Interfacing

37 ADC Programming AVR ADC Hardware Considerations Utk sinyal logika pd sistem digital variasi kecil pd level tegangan tidak memiliki efek pd output Misal: 0,2 V akan diterjemahkan sbg LOW karena, utk logika TTL, semua tegangan lebih kecil dr 0,5V akan dibaca sbg LOW Kusuma Wardana - Interfacing

38 ADC Programming Contoh: ADC 10-bit memiliki Vref = 2,56V. Hitunglah output D0-D9 jika input analog sebesar: a) 0,2V b) 0V Berapa variasi antara (a) dan (b)? Kusuma Wardana - Interfacing

39 ADC Programming Jawab: ADC = 10-bit, maka variasi tegangan: 2 10 =1024 Ukuran step=2,56v/1024 = 2,5 mv a) D out = 0,2V/2,5mV = 80 (dec) = (bin) b) D out = 0V/2,5mV = 0 (dec) = (bin) Perbedaannya = 7-bit Kusuma Wardana - Interfacing

40 ADC Programming Contoh: Untuk 8-bit ADC, digunakan Vref=2,56V. Hitunglah output pada D0-D7 jika input analog adalah: a. 1,7 V b. 2,1 V Kusuma Wardana - Interfacing

41 ADC Programming Jawab: Ukuran step = 2,56V / (2 8 ) = 2,56/256 = 10mV a. Dout = 1,7V/10mV = 170 (dec) = Maka D7:D0 = b. Dout = 2,1V/10mV = 210 (dec) = Maka D7:D0 = Kusuma Wardana - Interfacing

42 ADC Programming Pin AVCC menyediakan supply utk rangkaian analog ADC Utk memperoleh akurasi yg lebih baik kita harus menyediakan sumber tegangan yg stabil ke pin AVCC Teknik ini dikenal sbg Decoupling AVCC from VCC Kusuma Wardana - Interfacing

43 ADC Programming Utk mencapai tujuan tsb, digunakan induktor dan kapasitor, sbb: Kusuma Wardana - Interfacing

44 ADC Programming Dgn menghubungkan kapasitor antara AVREF dan GND, maka kita dpt membuat tegangan Vref lebih stabil Teknik ini jg dpt meningkatkan presisi ADC Kusuma Wardana - Interfacing

45 ADC Programming Ada 5 register utama yg mengontrol ADC pd AVR, sbb: 1. ADCH (ADC Data Register HIGH) 2. ADCL (ADC Data Register LOW) 3. ADCSRA (ADC Control and Status Register A) 4. ADMUX (ADC Multiplexer Selection Reg.) 5. SPIOR (SPecial FunctionIO Reg.) Kusuma Wardana - Interfacing

46 1.ADMUX Register ADC Programming Pemilihan Vref Kusuma Wardana - Interfacing

47 ADC Programming Pemilihan referensi tegangan ADC: Kusuma Wardana - Interfacing

48 Pemilihan chanel input (single-ended) MUX4:0 Single-ended Input ADC ADC ADC ADC ADC ADC ADC ADC7 48

49 ADLAR bit operation AVR memiliki 10-bit ADC disimpan pd 2 register ADLAR Untuk mengatur posisi hasil konversi, sbb: 49

50 ADCH:ADCL Register ADC Programming Setelah konversi selesai, maka hasil akan disimpan pd register ADCL (Low Byte) dan ADCH (High Byte) Kusuma Wardana - Interfacing

51 ADC Programming ADCSRA Register Sebagai status dan kontrol register Berikut adalah isi reg. ADCSRA: Kusuma Wardana - Interfacing

52 ADC Programming ADC Start Conversion Bit Single conversion menulis 1 pd bit ini akan mengaktifkan setiap kali konversi dilakukan Free running mode utk menjalankan konversi pertama kali Kusuma Wardana - Interfacing

53 ADC Programming A/D Conversion Time Berguna sbg supply clock ke ADC Utk AVR ADC memerlukan clock dgn maksimum 200kHz Kusuma Wardana - Interfacing

54 ADPSx: ADC Prescaler Select Prescaler: istilah untuk membagi clock sumber agar bisa digunakan oleh ADC. Clock sumber terlalu cepat untuk dapat digunakan oleh ADC 54

55 ADC Programming Contoh: Sebuah uc AVR memiliki clock sebesar 8MHz. Hitunglah frekuensi ADC jika diset sbb: a) ADPS2:0 = 001 b) ADPS2:0 = 100 c) ADPS2:0 = 111 Tentukan apakah clock tsb valid apa tidak? Kusuma Wardana - Interfacing

56 Jawab: ADC Programming ADPS2:0 = 001 (1 desimal) 2 1 = 2 Clock ADC = CK/2 = 8MHz/2 = 4MHz Lebih besar dr 200kHz tidak valid ADPS2:0 = 100 (4 desimal) 2 4 = 16 Clock ADC = 8MHz/16 = 500kHz Lebih besar dr 200kHz tidak valid ADPS2:0 = 111 (7 desimal) 2 7 = 128 Clock ADC = 8MHz/128 = 62kHz Kurang dr 200kHz valid 56

57 ADC Programming Sample-and-Hold Time Setelah channel ADC dipilih ADC membutuhkan waktu sample-and-hold capacitor (C hold) diisi penuh sesuai dgn input level tegangan pd ADC Pd AVR konversi pertama membutuhkan 25 ADC clock utk menginisialisasi sirkuit dan memenuhi waktu sample-and-hold Setiap konversi memerlukan 13 detak ADC Kusuma Wardana - Interfacing

58 ADC Programming Berikut beberapa kondisi dan waktu utk ADC Jika tidak diperlukan sekali, gunakan ADPS2:0 = 111 (dengan CK/128) utk akurasi ADC yg lebih baik Kusuma Wardana - Interfacing

59 Programming ADC in ADC: #include <mega16.h> #include <stdio.h> void main (void) { DDRB = 0xFF; //PortB sbg output DDRD = 0xFF; //PortD sbg output DDRC = 0x00; //PortC sbg input ADC ADCSRA = 0x87; //enable ADC, pilih CK/128 ADMUX = 0x40; //VCC Vref, ADC0 single //ended, data = right-justified while (1){ ADCSRA =(1<<ADSC); //start konversi while((adcsra&(1<<adif))==0);//tunggu konversi slesai PORTD = ADCL; PORTB = ADCH; } } Kusuma Wardana - Interfacing

60 Programming ADC in Arduino: Arduino - Style // the setup routine runs once when you press reset: void setup() { } // the loop routine runs over and over again forever: void loop() { // read the input on analog pin 0: int sensorvalue = analogread(a0); // Convert from to a voltage (0-5V): float voltage = sensorvalue * (5.0 / ); // print out the value you read: analogwrite(9,voltage); } 60

62 Programming ADC in Arduino: C- Style int ADCval; void setup() { Serial.begin(9600); ADCSRA = (1 << ADPS2); ADCSRA &= ~(1 << ADPS1); ADCSRA = (1 << ADPS0); ADMUX = 0; ADMUX &= ~ (1 << REFS1); // Set ADC reference ke AVCC ADMUX = (1 << REFS0); // Set ADC reference ke AVCC ADCSRA = (1 << ADEN); // Enable ADC ADCSRA = (1 << ADIE); // Enable ADC Interrupt ADCSRA = (1 << ADSC); // Start konversi A2D } void loop() { while((adcsra&(1<<adif))==0);//tunggu konversi slesai PORTD = ADCL; PORTB = ADCH; Serial.println(ADCval, DEC); delay(1000); } 62

63 Daftar Pustaka Daniel J.Pack and Steven F.Barrettt, 2008, Atmel AVR Microcontroller Primer: Programming and Interfacing, Morgan & Claypool Publisher Mazidi, Naimi and Naimi, 2011, The AVR Microcontroller and Embedded System: Using Assembly and C, Prentice Hall AVR ATmega16 Manual, Atmel Corporation Kusuma Wardana - Interfacing