man
1
PARAMETER GERBANG LOGIKA
Praktikan: Nazmi Febrian (13210076)Asisten: Bagus Rezandi M (13208069) Waktu Percobaan: 19Oktober 2011 EL2195 – Praktikum Sistem Digital Laboratorium Dasar Teknik Elektro Sekolah Teknik Elektro dan Informatika – ITB
Abstrak
Percobaan Parameter Gerbang Logika merupakan dasar dari percobaaan sistem digital. Pada percobaan ini dibahas mengenai karakteristik voltage transfer, noise margin dan propagation delay berbagai macam IC yang akan digunakan pada praktikum Sistem Digital.
Selain itu melalui praktikum ini kita bisa memahami parameter dari gerbang logika, yaitu operating point yang meliputi sinyal input High dan Low. Pada bagian akhir praktikum praktikan dituntut untuk bisa merancang sebuah rangkaian kombinasional gerbang logika dari sebuah fungsi yang diberikan.
Kata kunci: voltage transfer,noise margins, propagation delay, operating point
1. Pendahuluan 1.1 Latar Belakang
Dasar dalam melakukan berbagai praktikukm sistem digital adalah bagaimana kita mengetahui parameter gerbang logika. Dengan mengetahui parameter gerbang logik maka kita dengan mudah bisa mengetahui karakteristik voltage transfer, noise margins dan propagation delay tiap IC yang digunakan pada praktikum. Karena itu maka praktikum parameter gerbang logika dilakukan.
1.2 Tujuan Percobaan
a. Mengenal dan memahami beberapa karakteristik dari gerbang logika diantaranya voltage transfer, noise margin dan
propagation delay.
b. Mengenal dan memahami parameter dari gerbang logika yaitu operating point yang merepresentasikan range logika HIGH dan LOW.
c. Dapat membuat rangkaian
kombinasional sederhana menggunakan IC logika CMOS.
2. Dasar Teori
2.1 Karakteristik Voltage Transfer
Karakteristik static voltage transfer dari sebuah gerbang logika adalah plot dari tegangan keluaran gerbang logika Vout dibandingkan
VinSecara matematis, kita bisa mendiskripsikan
karakteristik voltage transfer sebagai Vout = f(Vin).
Operating point merupakan nilai tegangan keluaran yang dihasilkan oleh gerbang logika yang bisa diidentifikasi sebagai keluaran bernilai LOW atau HIGH.
Noise/derau adalah selisih antara tegangan efektif dengan tegangan normal (tegangan pada operasi yang stabil). Oleh karena itu, noise margin adalah tegangan derau efektif yang bisa ditoleransi oleh input tanpa mengubah nilai keluaran gerbang logika.
Low noise margin :
NML = VIL - VOL
HIGH noise margin :
NMH = VOH - VIH
2.2 Gate Delay
Terdapat dua parameter dalam gate delay, yaitu High
to low propagation time (tPHL) dan Low to High
propagation time (tPLH). Subscript dari kedua
parameter ini melambangkan arah perubahan tegangan sinyal keluaran. Pengukuran kedua parameter ini dilakukan pada posisi 50% tegangan maksimal dari bentuk VIN dan VOUT.
Adapun tPD(average) dirumuskan sebagai:
tPD(average) = (tPLH + tPHL)/2
3. Metodologi
Percobaan “Parameter Gerbang Logika”
membutuhkan komponen dan alat sebagai berikut. 1. Project Board (1 buah)
2. Power Supply (output : 5 V)
3. Komponen IC gerbang logika 7400 (1 buah), 7402 (1 buah) dan 7408 (1 buah) 4. Black Box IC (1 buah)
man
2
5. Osiloskop 6. Generator Sinyal 7. Kabel Jumper 8. Kabel BNC-BNC (1 buah) 9. Kabel BNC – Probe kait (1 buah) 10. Kabel banana-banana (2 buah)Percobaan Parameter Gerbang Logika terdiri dari 5 kelompok percobaan dengan langkah-langkah sebagai berikut.
1. A. Karakteristik voltage transfer dan noise
margins dari IC 74LS04.
Gambar 1 Bentuk rangkaian percobaan 1A
B. Mencari nilai NML dan NMH
2. Delay Propagation Dibuat rangkaian seperti pada gambar 3-1 keluaran generator sinyal diatur menjadi sinyal segitiga dengan frekuensi 1 kHz dan tegangan puncak 5V Dilakukan kalibrasi posisi ground osiloskop kanal 2 osiloskop disambungkan dengan output gerbang logika kanal 1 osiloskop Disambungkan dengan input gerbang logika output Disambungkan ke generator sinyal ke input gerbang logika power supply diatur pada tegangan 5 V dan menyambungk annya dengan Vcc gerbang logika osiloskop diatur dengan metode XY Menggambarka n kembali pada logbook keluaran XY percobaan sebelumnya posisi osiloskop dipertukarkan antara kanal 1 dan
kanal 2 sehingga posisinya bertukar dari percobaan 1a Didapatkan sinyal keluaran inverter dalam mode XY Menggambarka n kembali sinyal tersebut pada bidang yang sama dengan langkah 1 Menunjukkan posisi VOL, VOH, VIL, dan VIH Menghitung nilai besaran- besaran tersebut Mencari nilai NMH dan NML , dan membandingka nnya dengan nilai pada datasheet
man
3
Gambar 2 Percobaan Delay Propagation
3. Verifikasi Fungsi Logika
Gambar 3 Percobaan Verifikasi Fungsi Logika
4. Rangkaian Kombinasional Sederhana
Menyusun rangkaian seperti pada gambar 2 power supply disambungkan dengan Vcc-Ground gerbang logika power supply dinyalakan keluaran generator menjadi diatur menjadi sinyal kotak, frekuensi = 600 kHz setiap kanal diatur menjadi 1V/Div, Time/Div = 0,2 μs setting trigerring diubah menggunakan tombol slope positive edge keluaran dari kedua kanal ditampilkan sehingga bentuk pulsa pada saat naik bisa diamati
secara utuh hasil yang didapatkan digambar apada BCL setting trigerring diubah menjadi negative edge dan mengulangi semua langkah. Menggunakan nilai tPLH dan tPHL untuk mencari tpd dan tpd (average) bandingkan hasil yang diperoleh dengan datasheet
catu daya disambungkan dengan kaki VCC-GND gerbang logika yang sesuai, VCC pada kaki 14 dan GND
pada kaki 7
Rangkai IC seperti pada gambar 3
salah satu kanal osiloskop digunakan untuk mengukur tegangan gerbang logika yang akan
diukur Membuat tabel logikadari
gerbang yang dipakai dengan memvariasikan ketiga input menggunakan
tegangan dari power supply.
persamaan logika Q = A + B, diubah menjadi persamaan yang hanya membuat NAND atau NOR
saja Merancang dan menggambarkan rangkaiannya pada logbook, kemudian membuat rangkaiannya dari IC CMOS Memverifikasi fungsionalitas rangkaian dengan memberikan kombinasi berbagai input
yang mungkin Mencatat hasil percobaan
man
4
4. Hasil dan Analisis
1) Voltage Transfer Characteristic dan Noise Margins dari IC 74LS04
Tabel 1 tabel bentuk gelombang input dan output
No Mode Bentuk gelombang
1 Main
2 XY
Gambar 4
Analisis : Percobaan pertama terbagi atas 2 percobaan kecil yang akan kita gabung dalam satu analisisi. Kita menganalisis karakteristik voltage
transfer dari IC 74LS04. IC 74LS04 merupakan IC
dengan gerbang inverter. Karakteristik voltage
transfernya dapat dilihat berdasarkan gambar pertama
pada tabel 1. Berdasarkan gambar tersebut kita bisa mendapatkan beberapa hal.
Pertama, operating point IC 74LS04 outputnya bergantung pada logika input. Untuk mendapatkan Vout berlogika High maka input yang harus diberikan
adalah logika Low. Begitu juga sebaliknya untuk output berlogika Low.
Kedua, berdasarkan gambar yang kedua, kita dapat menganalisis noise margin dari IC 74LS04. Berdasarkan gambar yang dihasilkan dalam mode
XYkita bisa mendapatkan 2 tegangan input yang
memiliki gradien = -1. Tegangan yang lebih tinggi disebut VIH bernilai 3,4 V sedangkan tegangan
kedua merupakan VIL yang bernilai 0,4 V. Lalu kita
juga bisa menemukan 2 tegangan output yang bergradien 1. Untuk tegangan yang lebih tinggi disebut VOH yang bernilai 4,16 V dan untuk VOL
bernilai 0,16 V.
Dengan menggunakan tegangan tegangan ini kita bisa mendapatkan nilai static voltage noise margin gerbang logika. Untuk Low Noise Margins :
Sedangkan untuk High Noise Margins :
Berdasarkan hasil perhitungan diatas didapatkan nilai NML dan NMH untuk IC 74LS04. Jika
dibandingkan dengan nilai NML dan NMH IC 74LS04 sebenarnya (berdasarkan data sheet) maka didapatkan sedikit perbedaan Nilai NML = 0,3 V
dan NMH = 0,7 V. Perbedaan yang terjadi bisa
disebabkan oleh beberapa hal diantaranya adalah error yang mungkin dilakukan praktikan saat mengamati gelombang output dan input yang terjadi di osiloskop. Sangat sulit dilakukan pengamatan yang tepat dimana gradien grafik bernilai 1 atau -1. Sehingga terjadi kesalahan dalam penentuan VIL,
VIH, VOL dan VOH.
2) Delay Propagation
Tabel 2 tabel hasil pengukuran pada rangkaian
resonansi paralel
No Positive Edge Negative Edge
1
Analisis : Pada percobaan ini kita akan melakukan perhitungan delay gate dari IC 74LS08. Berdasarkan gambar positive edge kita dapat menyimpulkan bahwa nilai TPLH terbaca gerbang logika ini adalah
42ns, tetapi karena ada 4 gerbang logika, maka nilai sebenarnya adalah 42/4 = 10,5 ns. Begitu juga nilai TPHL yang terbaca adalah 34 ns, sehingga nilai
sebenarnya adalah 34/4 = 8,5 ns.
Jika dibandingkan dengan data sheet yang ada, nilai TPHL dan TPLH yang didapatkan masih berada dalam
range yang tertulis pada datasheet, sehingga penrcobaan telah dilakukan sesuai dengan prosedur.
man
5
Tetapi perbedaan nilai-nilai mungkin saja terjadi karena kesalahan praktikan dalam mengamati posisi titik TPLH dan TPHL yang benar.
Berdasarkan nilai TPLH dan TPHL yang didapatkan,
maka kita bisa mendapatkan nilai TPD, yaitu sebesar
10,5 ns dan nilai TPD(average) sebesar 9,5 ns.
3) Verifikasi Fungsi Logika
Tabel 3Truth Table untuk IC noname
No P1 P2 P3 F 1 0 0 0 0 2 0 0 1 0 3 0 1 0 0 4 0 1 1 0 5 1 0 0 0 6 1 0 1 0 7 1 1 0 0 8 1 1 0 1
Analisis : Pada percobaan ini kita akan menentukan
gerbang logika apa yang digunakan. Berdasarkan
Truth Table pada tabel 3 dapat kita analisis bahwa
gerbang logika yang terjadi adalah gerbang AND. Karena output berlogika HIGH hanya terjadi ketika P1, P2 dan P3 juga berlogika HIGH. Kondisi seperti
ini hanya terjadi untuk gerbang logika AND. Berdasarkan datasheet yang didapatkan, kemungkinan besar IC yang digunakan adalah IC 74LS11 karena input yang digunakan adalah 3 buah dan gerbang logikanya adalah gerbang AND.
4) Rangkaian Kombinasional Sederhana Tabel 4Truth Table untuk f = [(A.1)’(B.1)’]’
No A B Q
1 0 0 0 2 0 1 1 3 1 0 1 4 1 1 1
Analisis : Pada percobaan terakhir, kita melakukan
analisis untuk menentukan gerbang logika yang tepat untuk Q = A + B. Pada percobaan ini gerbang yang hana boleh digunakan adalah gerbang NOR atau NAND sehingga persamaa n diatas harus kita sederhanakan menjadi
( ) [( )]
( )
[( )( ) ]
IC yang cocok digunakan adalah IC 74LS00, karena IC ini memiliki 2 input dan memiliki logika gerbang NAND. Sehingga rangkaian gerbang logikanya berbentuk :
Gambar 5 Fungsi kombinasional 5. Kesimpulan
Setiap IC memiliki karakteristik tertentu yang meliputi voltage transfer, noise margin dan propagation
delay. Setiap IC memiliki batasan-batasan tegangan
tertentu untuk setiap parameter gerbang logika yang akan dikeluarkan. Parameter gerbang logika terdiri atas operating point yang merepresentasikan logika HIGH dan LOW. Setiap IC memiliki range tegangan yang berbeda untuk setiap range logika ini. Range logika High diukur dengan mengurangi V output high dengan V input high. Sedangkan range logika Low diukur dengan mengurangi V input low dengan V output Low. Untuk V input, pada grafik ditentukan pada titik dimana gradien garisnya adalah -1.
Lalu karakteristik gerbang logika selanjutnya adalah
gate delay. Parameter gate delay ini meliputi TPLH
dan TPHL. TPLH dihitung dengan mengurangi waktu saat V mencapai nilai 50 % maksimal pada Vin dan Vout ketika keduanya bergerak dari logika Low ke High. Sementara TPHL dihitung dengan mengurangi waktu saat V mencapai nilai 50 % maksimal pada Vin dan Vout ketika keduanya bergerak dari logika High ke Low.
Sebuah rangkaian kombinasional sederhana bisa dibuat dari sebuah persamaan yang telah diketahui.
man
6
Kita dapat menggunakan berbagai macam bentuk rangkaian kombinasional sederhana, dengan menggunakan gerbang logika yang berbeda dengan terlebih dahulu menyederhanakan persamaan yang ada menjadi persamaan dengan gerbang logika yang diinginkan.
6. Daftar Pustaka
[1] Mervin T. Hutabarat, dkk, Buku petunjuk
Praktikum Sistem Digital , Bandung, 2009
[2] Brown Stephen dan Zvonko Vranesic,
Fundamental of Digital Logic with VHDL Design, McGraww-Hill, New York, 2009.
