Digital to Analog Converter (DAC)

       Tegangan output dari Digital Controller dalam banyak aplikasi harus dirubah menjadi menjadi tegangan analog. Mengubah tegangan digital ke analog dengan rangkaian eksternal adalah lebih baik daripada menggunakan langsung dari chip. Tetapi untuk kondisi yang praktis dan ekonomis maka menggunakan DAC yang sudah dalam bentuk chip adalah sangat menguntungkan. Pengubahan tegangan digital ke tegangan analog umumnya menggunakan dua metode yaitu metode R-2R Ladder network dan metode PWM-filter.

        Metode R-2R ladder network lebih cepat dalam mengkonversi tegangan digital ke Analog dibandingkan dengan metode PWM-filter. Dengan mempergunakan metode ini proses konversi dari tegangan digital ke analog boleh dikatakan tanpa waktu tunda. Kelemahan metode R-2R ladder network adalah banyak mempergunakan pin untuk masukkan digitalnya. Sebagai contoh jika mempergunakan 8 bit digital input maka kaki pin untuk input minimal ada 8 pin.

       Metode PWM-Filter yaitu microcontroller membangkitkan pulsa PWM kemudian difilter dengan mempergunakan Low Pass Filter. Magnitude atau scalar tegangan output (Keluaran DAC) ditentukan oleh duty cycle pulsa PWM yang dihasilkan oleh microcontroller. Low pass filter berfungsi meratakan tegangan PWM sehingga merupakan tegangan DC dengan ripple yang dapat diabaikan. Agar tujuan ini dapat terlaksana maka frekuensi cut-off dari Low Pass filter diusahakan agar 20 kali lebih kecil dari dari frekuensi pulsa PWM.

Metode R-2R Ladder Network

              Gambar 1 menunjukkan teknik Digital to Analog Converter dengan menggunakan metode R-2R Ladder Network. Switch menunjukkan logika digital yaitu 1 atau 0, jadi pada gambar menunjukkan 4 digit untuk mengubah dari digital ke analog. Jika diinginkan untuk mengubah 8 digit digital maka 4 buah switch harus ditambah. Op-Amp melihat seluruh resistor pada masukan membalik seharga R ohm, dalam gambar 1 sebesar 10 kohm sehingga penguatan oleh Op-Amp sebesar -1. Bila diinginkan penguatan yang lebih besar maka resistor Rf (10 kohm) harus diganti dengan harga yang lebih besar.

Gambar 1. Metode R-2R Ladder Network

           Dalam aplikasi DAC terkadang yang diperlukan kesederhanaan dari rangkaian sehingga dalam hal ini adalah sangat cocok untuk menggunakan chip DAC yang sudah jadi, Contoh chip DAC yang mempergunakan teknik R-2R Ladder Network adalah DAC08 dari Analog Device. Gambar 2 memperlihatkan penggunaan dari chip DAC buatan analog device. 

                

Gambar 2. Penggunaan Chip DAC 

Metode PWM-Filter

           Metode ini bekerja seperti DC Chopper (Step Down Chopper) dan dikaskade dengan Low Pass Filter. DC chopper dipergunakan untuk memvariasi tegangan output. Low pass filter dipergunakan agar tegangan output merupakan tegangan DC dengan ripple yang rendah atau tampa ripple sama sekali. Untuk memahami cara kerja dari metode PWM-Filter maka akan dibahas DC Chopper dan Low Pass Filter.

          Gambar 3 memperlihatkan pulsa dengan frekuensi f dan duty cycle D. Frekuensi f (Perioda T) tidak bergantung pada duty cycle D begitu juga sebaliknya duty cycle tidak terpengaruh oleh frekuensi DC chopper. Duty cycle hanya dipengaruhi oleh lebar pulsa 1 dan lebar pulsa 0. Efek dari perubahan duty cycle adalah terhadap tegangan DC rata rata

… … … … … … … … … … … … … … … … …. …… … … … … … … … (1)

dengan V_o = tegangan DC rata rata.

             D = duty cycle

             E = magnitude dari pulsa (volt).

            

            Persamaan (1) menunjukkan bahwa kita dapat memperoleh tegangan DC rata rata yang bervariasi dari nol volt sampai E volt dengan cara mengatur duty cycle dari pulsa. Jika pulsa pada gambar 3 dihasilkan oleh salah satu pin UC maka tegangan DC rata rata yang dapat dihasilkan adalah dari nol volt sampai 5 volt. Tetapi tegangan DC tersebut pada banyak applikasi tidak dapat dipergunakan karena tegangan DC pada gambar 3 merupakan tegangan DC diskrit (tidak kontinu).

          Pada banyak applikasi sangat diperlukan pembentukan tegangan DC yang analog dengan sedikit ripple atau dengan kata lain tidak seperti tegangan DC pada gambar 3. Untuk itu maka diperlukan low pass filter, dalam hal ini adalah RC filter. RC filter berfungsi meratakan tegangan output sehingga menjadi tegangan DC kontinu. Gambar 4 memperlihatkan rangkaian untuk menghasilkan tegangan DC analog dari sebuah UC. Fungsi Op-amp pada gambar 4 tersebut adalah untuk menghilangkan efek pembebanan.

                        Gambar 4. Pembentukan tegangan analog dengan mempergunakan RC filter

Harga resistor dan capacitor pada gambar 4 ditentukan oleh frekuensi DC Chopper yang dihasilkan oleh PB0 microcontroller. Hubungan antara R dan C terhadap frekuensi ditentukan oleh persamaan (2). Untuk mendapatkan tegangan DC analog dengan ripple yang kecil maka dalam perancangan f_c hendaklah 20x lebih kecil dari frekuensi DC chopper.

… … … … … … … … … … … … … … … … …. …… … … … … … … (2)

          Pembentukan sinyal analog kontinu, yang dihasilkan dengan UC seperti pada gambar 3, dapat juga dihasilkan dengan menggunakan chip yang sudah jadi. Dalam hal ini kita tidak perlu lagi merancang low pass filter seperti pada gambar 4. Metode ini menghubungkan langsung port dari UC ke chip DAC dengan mempergunakan komunikasi TWI (I2C). Keuntungan metode chip TWI adalah hanya mempergunakan 2 (dua) jalur data. Contoh chip DAC yang mempergunakan protokol TWI adalah DAC101C081 dari texas instrument. Gambar 5 memperlihatkan penggunaan IC buatan texas instrument tersebut.

          

Gambar 5. Chip DAC 101C081 dan applikasi pengunaannya.