Apa Itu ADC (Analog to Digital Converter )? Berikut Pengertian dan Konsepnya

Apa itu ADC ? ADC adalah sebuah metode untuk mengubah sinyal digital Analog menjadi sinyal digital. Fungsi ADC menjadi hal wajib bagi sebuah mikrokontroller untuk merancang produk elektronik.

Mengapa ADC sangat penting ? Perlu kita tahu bahwa kita ini hidup di dunia analog. Sementara komputer atau mikrokontroller kita hanya mengenali dan memproses data digital. Sinyal analog dari alam perlu di konversi dulu menjadi digital agar dapat di proses oleh Processor.

Artikel kali ini akan membahas tentang Pengertian ADC, Konsep dasar ADC, Metode konversi sinyalnya serta aplikasi dan Penerapannya.

Pengertian ADC

Seperti namanya, ADC berarti menkonversi sinyal analog menjadi sinyal digital. Sebelum  memahami ADC lebih lanjut, perlu dipahami pengertian sinyal,  analog dan digital tersebut.

• Sinyal adalah sekumpulan nilai yang merepresentasikan keadaan dari sebuah variabel fisik. Variabel ini dapat diamati atau diukur seperti arus listik, elektromagnetik, suhu, dll. 
• Data adalah Informasi yang didapat melalui pengamatan, pengukuran maupun perhitungan yang faktual dan apa adaya.
• Sinyal Analog adalah sinyal yang memiliki variabel fisik yang berubah secara kontinyu
• Sinyal Digital adalah sinyal yang memiliki variabel fisik yang nilainya berubah secara diskrit dan tidak kontinyu.

Sinyal Analog & Digital 

Dengan uraian seperti diatas, memahami ADC akan lebih mudah. ADC adalah metode mengkonversi sinyal analog menjadi sinyal digital. 

Sinyal analog biasanya didapat dari  sensor yang mengubah varabel fisik menjadi sinyal listrik, atau antena yang menerima informasi berupa gelombang elektromagnetik.

Konsep Dasar ADC

Seperti yang telah disinggung sebelumnya, bahwa kita hidup di dunia analog. Dengan kata lain bahwa, semua variabel fisik di sekritar kita adalah sinyal-sinyal analog. 

Misalnya saja pergerakan matahari dan bulan, musik yang kita dengar, perubahan panas dan dingin, tingkat kelembapan dan tekanan dll. 

Variabel tersebut diamati dan diukur oleh sensor dan mengubahnya menjadi sinyal-sinyal listrik. sinyal ini  nilainya tidak pasti, alias dapat terukur pada range mana saja dibawah nilai maksimal sensornya.

Disisi lain, teknologi komputer mengolah informasi berupa sinyal-sinyal digital. Sinyal digital memiliki nilai yang pasti yaitu 0 dan 1 atau High dan Low. Maka, sinyal listrik dari sensor terlebih dulu harus diubah menjadi sinyal digital, agar dapat diolah oleh komputer.

Komputer atau perangkat kita memanfaatkan ADC untuk berinteraksi dengan dunia analog. Contohnya adalah musik yang Anda dengarkan di Smartphone Anda adalah hasil pengolahan sinyal analog dari penyanyi asli  yang dikonversi menjadi kode digital dalam format audio. 

Selanjutnya format audio digital  ini disimpan dalam memori, dan dapat dikonversi kembali menjadi sinyal analog yang Anda dengarkan pada Speaker Hp kapan saja dan dimana saja.  

Pengolahan sinyal analog menjadi sinyal digital memalui beberapa tahapan. Proses yang terjadi dalam ADC adalah :

1. Sampling 

Sampling atau disebut juga pencuplikan adalah proses mengambil sebuah nilai pasti (diskrit) pada suatu data kontinyu dalam suatu titik tertentu dengan perioda yang tetap.  Sampling mengambil sampel dari sinyal analog pada titik tertentu secara beraturan. 

Harry Nyquist dari Bell Laboratory mempelajari proses sampling dan membuat kriteria frekuensi sampling yang dikenal sebagai Teorema Nyquist atau Nyquist Sampling Rate. Dengan kriteria ini ditetapkan bahwa frekuensi sampling minimal adalah dua kali frekuensi masukan. 

Proses Sampling

Misalnya saja sinyal masukan adalah 20Hz, maka frekuensi sampling minimal adalah 40Hz. Dengan nilai minimal ini sekurang-kurangnya dapat memperoleh nilai lembah dan puncak dari sinyal analog. 

Semakin besar nilai dari frekuensi sampling, maka representasi sinyal analog menjadi sinyal digital akan semakin akurat dan presisi.

2. Quantization

Quantization atau kuantisasi adalah proses mengelompokkan data hasil sampling kedalam kelompok-kelompok data. Dalam matematika, kuantisasi adalah proses pemetaan nilai input seperti nilai pembulatan. 

Setiap sistem digital memiliki jumlah bit dasar yang digunakan untuk merepresentasikan data. Bit adalah unit dasar yang dinyatakan dengan 0 dan 1. Dalam kuantisasi, data sampling dikelompokkan berdasarkan jumlah bit yang digunakan pada sistemnya. 

Misalnya saja kuantisasi dalam sistem digital 2 bit. dengan 2 bit maka dapat diperoleh level kuantisasi sebanyak 4 level berbeda yaitu 00, 01,10, dan 11. Formula mencari level kuantisasi adalah 2ⁿ (2 pangkat n), dimana n adalah jumlah bit. 

Sinyal kuantitasi dengan sistem 2 bit

Contoh lainnya adalah kuantisasi dalam sistem digital 3bit maka level kuantisasinya adalah 8 level, yaitu 000, 001, 010,011,100,101,110,dan 111.  Hasil ini didapat dari formula 2³ = 8 level. Hal yang sama berlaku untuk sistem 8bit, 10bit, 32bit dan 64bit. Formula ini juga bisa digunakan untuk menentukan Resolusi ADC.

3. Encoding

Encoding atau pengkodean adalah proses mengubah besaran data sampling kedalam bentuk digital biner berdasarkan level kuantisasi. Misalkan data kuantisasi 2bit, maka urutan sinyal sampling adalah satu dari empat level kuantisasi. 

Perhatikan gambar dibawah ini. Misalnya data sampling pertama dinamakan D1, data kedua D2 dst, maka jika D1 berada pada lebel kuantisasi 10 maka kode biner yang keluar adalah 10, dan D2 yang berada pada kuantisasi 11 akan menghasilkan data 11. Data ini mengikuti nilai pembulatan dari kuantisasi . Hal yang sama berlaku untuk data sampling berikutnya. 

Data digital dari proses Encoding

Setelah Encoding, sinyal digital telah siap untuk diproses oleh processor sesuai dengan kebutuhannya. 

Tegangan Referensi dan Step Size

Tegangan Referensi adalah nilai teganga yang digunakan sebagai acuan untuk membandingkan input dengan input ADC. Tegangan ini dihubungkan dengan resolusi ADC yang akan mempengaruhi step size.

Step Size adalah perubahan nilai terkecil yang dapat dibaca oleh ADC. Akurasi dari step size ditetapkan dengan akurasi absolut kurang lebih 2LSB. Step size dihitung dengan formula : 

Step Size = (VRH-VRL)/2^b 

^{dimana :}

^{VRH = Tegangan referensi high ADC}

^{VRL = Tegangan Referensi rendah ADC}

^{b = jumlah bit dalam sistem digital}

^{Waktu Konversi ADC}

Waktuu konversi adalah waktu yang digunakan oleh ADC untuk mengubah masukan analog menjadi keluaran digital biner. Waktu ini dipengaruhi oleh sumber clock yang digunakan, metode konversi dan teknologi yang digunakan dalam chip seperti MOS atau TTL. 

Semakin tinggi frekuensi clock, semakin cepat pula sebuah data di proses. Pada mikrokontroller Atmega32, dibutuhkan waktu konversi ADC 13 siklus clock. Artinya, untuk setiap data digital yang dikeluarkan, diperlukan 13 siklus sinyal . 

Aplikasi dan Penerapan ADC

• Alat ukur dan Instrumentasi Digital
• Perangkat Mobile Gaming
• Perangkat Audio dan Video
• Perangkat Telekomunikasi
• Perangkat elektronik seperti AC dengan teknologi Inverter
• Alat medis dan Pencitraan digital
• Perangkat Robotik 
• Berbagai Project Mikrokontroller berbasis sensor Analog