MODUL 1 PARAMETER GERBANG LOGIKAYogi Salomo Mangontang Pratama (13511059)

Asisten: Maharani MegantiTanggal Percobaan: 27/09/2012EL2195-Praktikum Sistem Digital

Laboratorium Dasar Teknik Elektro – Sekolah Teknik Elektro dan Informatika

Abstrak

Percobaan yang dilakukan terdiri dari 6 percobaan, antara lain untuk mengamati karakteristik transfer tegangan, menghitung noise margin dari berbagai IC, mengamati delay propagasi, mengenali suatu fungsi logika melalui variasi input, membuat rangkaian kombinasi sederhana, serta melakukan verifikasi terhadap gerbang logika NOR TTL. Dari percobaan yang dilakukan, dapat disimpulkan bahwa karakteristik dari gerbang logika antara lain adalah voltage transfer, noise margin, dan propagation delay. Sementara parameter dari gerbang logika adalah operating point yang mereprentasikan nilai HIGH dan LOW dalam range logika.

Kata kunci : Voltage Transfer, Noise Margin, Delay Propagasi, Operating Point, IC, CMOS, karakter gerbang logika.

1. PENDAHULUAN

Suatu gerbang logika menerima satu atau lebih input, dan memberikan suatu keluaran yang merupakan fungsi dari masukan tersebut. Dalam menyusun sebuah gerbang logika, yang perlu kita perhatikan adalah menentukan fungsi dari gerbang logika tersebut, dan merancang sebuah gerbang dengan menerapkan karakteristik gerbang logika tersebut.

Di dalam gerbang logika dikenal istilah Operating Point, yaitu nilai tegangan keluaran yang dihasilkan oleh gerbang logika yang bernilai HIGH dan LOW. Melalui satu parameter ini, kita dapat mengenali berbagai macam karakteristik

dari gerbang logika. Dan yang dibahas dalam praktikum ini adalah Voltage Transfer, Noise Margin, dan Propagation Delay.

Adapun tujuan dari praktikum ini antara lain :

1. Mengenal dan memahami beberapa karakteristik dari gerbang logika diantaranya Voltage Transfer, Noise Margin, dan Propagation Delay.

2. Mengenal dan memahami parameter dari gerbang logika, yaitu operating point yang merepresentasikan range logika HIGH dan LOW.

3. Dapat membuat rangkaian kombinasional sederhana menggunakan IC logika CMOS.

2. STUDI PUSTAKA

Suatu gerbang logika menerima satu atau lebih input yang bernilai LOW maupun HIGH, serta mengembalikan nilai yang merupakan fungsi dari nilai tersebut, sesuai dengan logika yang terdapat dalam gerbang tersebut. Akan tetapi dalam kenyataannya, gerbang logika tidak dapat menerima dan mengeluarkan nilai secara sempurna seperti yang ada pada perhitungan. Ada beberapa karakteristik yang harus kita amati dan pelajari, antara lain Voltage Transfer, Operating Point, Noise Margin, dan Gate Delay.

2.1 Voltage Transfer

Static voltage transfer dari sebuah gerbang logika adalah plot dari tegangan keluaran gerbang logika (VOUT) dibandingkan dengan tegangan masukan gerbang logika (VIN).

Secara matematis, dapat dideskripsikan sebagai

VOUT = f(VIN)

Disebut static, karena pada bagian ini kita tidak memperhitungkan adanya faktor waktu.

2.2 Operating Point

Operating Point merupakan nilai tegangan keluaran yang dihasilkan oleh gerbang logika yang bisa diidentifikasi sebagai keluaran bernilai LOW atau bernilai HIGH. Karena tegangan keluaran bergantung pada tegangan masukan, maka untuk mendapatkan nilai HIGH operating point secara utuh untuk keluaran inverter, nilai LOW operating point harus menjadi masukan inverter. Begitu pula sebaliknya, sehingga diperlukan konfigurasi umpan balik atau yang menyerupai.

2.3 Noise Margin

Noise margin didefinisikan sebagai jumlah dari tegangan derau efektif yang bisa ditoleransi oleh input tanpa mengubah nilai keluaran gerbang logika.

Untuk mendapatkan nilai noise margin, kita memerlukan dua nilai tegangan yang didapatkan dari grafik karakteristik transfer yaitu dua tegangan input yang memiliki gradient = -1. Tegangan yang lebih rendah dari kedua tegangan ini disebut V input LOW yang dituliskan VIL dan yang lebih tinggi disebut V input HIGH yang dituliskan VIH.

Kedua tegangan ini merupakan tegangan perkiraan yang dianggap sebagai tegangan batas yang masih dikenali sebagai jenis masukan logika HIGH atau LOW.

Dengan menggunakan tegangan ini beserta tegangan VOH dan VOL kita bisa mendapatkan static voltage noise margin untuk gerbang logika dengan rumus :

NML = VIL-VOL (untuk yang LOW)

NMH = VOH-VIH (untuk yang HIGH

2.4 Gate Delay

Untuk menjelaskan mengenai gate delay, akan diambil contoh sebuah inverter, dimana kita mengasumsikan sebuah pulsa diberikan sebagai masukan inverter dan sebagai respon dari masukan tersebut, dihasilkan VOUT seperti yang tertera pada gambar.

Dua parameter, high to low propagation time (tPLH) serta low to high propagation time (tPHL) diukur pada posisi 50% tegangan maksimal dari bentuk gelombang VIN dan VOUT.

Sebagai tambahan, ada pula parameter kedua yaitu worst case propagation delay, yang dirumuskan :

Figure 1 Karakteristik Voltage Transfer Sumber : Brown Steven, Varesnic, Fundamental Of Digital Logic in VHDL Ed. 3 hal. 124

tPD = max (tPLH, tPHL)

sementara untuk tPDaverage kita menghitungnya bukan tepat 50% dari tegangan maksimal melainkan :

tPDaverage = (tPLH + tPHL) /2

3. METODOLOGI

Alat-alat yang digunakan dalam percobaan ini antara lain :

1. Kit Praktikum Gerbang Logika NORR TTL dan Parameter Gerbang Logika.

2. 1 buah project board

3. Power Supply, Osiloskop, dan Generator Sinyal

4. Kabel Jumper secukupnya

5. 1 buah Kabel BNC, 2 buah kabel BNC-Probe Kait/ BNC-Jepit Buaya/ BNC-Banana

6. 2 buah kabel Banana-Banana/ Banana-Jepit Buaya Merah dan Hitam.

7. Komponen IC Gerbang Logika 7400

8. Osiloskop dan Generator Sinyal

3.1 PERCOBAAN 1A : VOLTAGE TRANSFER CHARACTERISTIC DAN NOISE MARGINS DARI IC 74LS04

3.2 PERCOBAAN 1B : MENCARI NILAI NML DAN NMH

Kembali tekan tombol ground pada kedua kanal untuk melakukan pengamatan bentuk sinyal. Periksa apakah bentuknya mirip dengan

gambar referensi. Catat hasil pengamatan

Setting osiloskop pada mode X-Y, tekan tombol ground pada kedua kanal dan atur agar posisi titik berada di tengah.

Setting Power Supply pada tegangan 5V dan sambungkan dengan VCC dan GND

Sambungkan output generator sinyal ke input gerbang logika(IN), kanal 1 osiloskop dengan input gerbang logika (IN), dan kanal 2 osiloskop dengan

output gerbang logika (OUT)

Cek keluaran sinyal generator menggunakan osiloskop dengan mode coupling DC sebelum menyambungkannya dengan inverter karena dapat

merusak IC

Mengatur pengaturan generator sinyal menjadi sinyal segitiga, frekuensi maksimal 1kHz, tegangan puncak 5 V dan offset DC (menarik knop offset)

dan mengatur tegangan minimum 0V

Gambarkan pada logbook keluaran mode XY dari percobaan sebelumnya pada tempat yang terpisah

Tukarkan posisi Probe osiloskop kanal 1 dengan kanal 2 sehingga posisinya bertukar dari

percobaan 1A, lalu sambungkan dengan inverter TTL 74LS04

Seperti pada Percobaan 1A, dapatkan sinyal keluaran inverter dalam mode XY kemudian

gambarkan hasil pengamatan secara bertumpukan dengan gambar percobaan sebelumnya

Hitung VOL, VOH, VIL, dan VIH dengan ketelitian 1 desimal dengan rumus yang ada pada studi pustaka, kemudian bandingkan dan analisa

3.3 PERCOBAAN 1C : DELAY PROPAGASI

3.4 PERCOBAAN 1D : VERIFIKASI FUNGSI LOGIKA

ulangi langkah-langkah di atas untuk inverter CMOS 4007

Susun kit praktikum parameter gerbang logika percobaan 1C menjadi rangkaian seperti pada gambar di buku praktikum

dengan kondisi semua alat dimatikan

Sambungkan power supply dengan VCC dan GND kit prakitkum, kemudian nyalakan

Ubah setting triggering menggunakan tombol slope menjadi positive edge, setting input tiap kanal menjadi 1V/DIV ,

sambungkan ground tiap kanal dan setting TIME/DIV menjadi 0.2us

Setting keluaran generator sinyal menjadi sinyal kotak dengan frekuensi 300kHz, gunakan port OUTPUT sebagai keluaran, setelah sebelumnya mengecek keluaran sinyal generator

menggunakan osiloskop.

Tampilkan keluaran dari kedua kanal, dan gunakan tombol X1/MAG untuk memperbesar hingga 10x dan bentuk sinyal

dapat terlihat jelas

Atur posisi vertical kedua sinyal sehingga posisinya 50% berada di sumbu X, kemudian ambil foto atau gambar hasil

yang didapatkan

Ubah setting triggering menjadi negative edge dan ulangi semua langkah diatas.

Gunakan nilai tPLH dan tPHL yang didapatkan untuk mencari tPD dan tPD(average) menggunakan rumus dari studi pustaka, dan

kemudian bandingkan dengan data pada datasheet 74LS08. Analisalah bila terjadi perbedaan

3.5 PERCOBAAN 1E : RANGKAIAN KOMBINASIONAL SEDERHANA

3.6 PERCOBAAN 1F : GERBANG LOGIKA NOR TTL

4. HASIL DAN ANALISIS

4.1 Percobaan 1A : Menentukan karakteristik voltage transfer dan noise margins dari IC 74LS04

Gambar referensi hasil keluaran osiloskop :

Hubungkan Power Supply dengan Kit Praktikum Parameter Gerbang Logika

Percobaan 1D

Buatlah tabel logika dari gerbang yang dipakai dengan menvariasikan ketiga masukan

gerbang logika menggunakan tegangan dari Power Supply.

Untuk nilai LOW, gunakan ground Power Supply, sedangkan untuk nilai HIGH gunakan

VCC Power Supply yang diset bernilai 5V

Berikan input yang bervariasi dan perhatikan lampu dari kit praktikum tersebut. apabila lampu menyala artinya nilainya 1 (HIGH)

sementara bila tidak menyala, nilainya 0(LOW)

Amati hasil output dari gerbang logika, kemudian analisa jenis dari gerbang logika

yang diberikan berdasarkan variasi input dan output

Buat persamaan logika : Q = A + B dengan hanya menggunakan operasi NAND dan NOR

saja

Rancang dan gambar rangkaiannya, kemudian terapkan rangkaiannya dari IC

CMOS 7400 yang telah tersedia pada project board

Verifikasi fungsionalitas dari rangkaian dengan memberikan variasi input dan catat serta bandingkan dengan tabel kebenaran

dari fungsi OR. Analisa bila terjadi perbedaan

Hubungkan VCC dan GND kit praktikum Gerbang Logika NOR TTL dengan Power Supply 5V, hubungkan multimeter pada terminal OUT untuk mengukur tegangan

Berikan Input A, Input B, dan Input C nilai 0 (LOW), dan amati nilai yang terbaca, dan hitung tegangan pada

semua hambatan

Ubah salah satu nilai input menjadi logika 1(HIGH/5V) dan lakukan

pengamatan seperti langkah sebelumnya

Ubah dua nilai input menjadi logika 1(HIGH/5V) dan lakukan pengamatan

seperti langkah sebelumnya

Ubah semua nilai input menjadi logika 1(HIGH/5V) dan lakukan pengamatan

seperti langkah sebelumnya

Analisa apakah nilai yang didapatkan sesuai dengan tabel kebenaran gerbang

logika NOR, dan jika tidak mengapa.

Hasil percobaan keluaran osiloskop pada mode X-Y :

Tabel 4-1 Tabel Data 1A

Tegangan

Besar (V)

VOH 10.5

VOL 0.4

VIH 6.5

VIL 0.9

4. 2 Percobaan 1B : Mencari nilai NML dan NMH

Dari gambar tersebut diketahui data – data yang didapat :

Tabel 4-2 Tabel Data 1B

Tegangan Besar (V)

VOH 10.5

VOL 0.4

VIH 6.5

VIL 0.9

Maka dapat dihitung nilai NML dan NMH

dengan menggunakan rumus

NML = VIL - VOL

= 0.9 V – 0,4 V

= 0.5 V

NMH = VOH - VIH

= 10.5 V – 6.5 V

= 4 V

Dari hasil didapat bahwa nilai NML = 0.5 V dan NMH = 4 V

4.3 Percobaan IC : Delay Propagasi

Dari percobaan delay propagasi didapat hasil keluaran osiloskop pada saat triggering positive edge :

Data yang didapat adaah sebagai berikut :

Tabel 4-3 Tabel Data Positive Edge

NilaiBesar (us)

tPHL 0,3

tPLH 0,2

Maka dari data yang didapatkan dapat dihitung tPD dan tPD(average) menggunakan rumus :

tPD = maximum (tPHL, tPLH)

= maximum (0,3;0,2)

= 0,25 us

Sedangkan nilai rata – ratanya :

tPD(average) = (tPHL + tPLH)/2

= (0,3 + 0,2) / 2

=0,25 us

Sedangkan hasil keluaran osiloskop pada saat triggering negative edge :

Tabel 4-4 Tabel Data Negative Edge

NilaiBesar (us)

tPHL 0,2

tPLH 0,3

tPD = maximum (tPHL, tPLH)

= maximum (0,2;0,3)

= 0,3 us

Sedangkan nilai rata – ratanya :

tPD(average) = (tPHL + tPLH)/2

= (0,2 + 0,3) / 2

=0,25 us

4.4 Percobaan 1D : Verifikasi fungsi logika

Tabel 0-5 Tabel Kebenaran

A B C Outp

ut

1 1 1 0

1 1 0 1

1 0 1 1

1 0 0 1

0 1 1 1

0 1 0 1

0 0 1 1

0 0 0 1

Dari tabel diatas dapat disimpulkan bahwa gerbang logika tersebut adalah NAND.

4.5 Percobaan 1E : Rangkaian Kombinasional Sederhana

Membuat rumus Q = A + B dengan hanya menggunakan NAND, kami membuat :

Dan dihasilkan table kebenaran yang sesuai.

4.6 Percobaan 1F : Gerbang LOGIKA NOR TTL

Tabel 0-6 Tabel Kebenaran NOR

A B F

1 1 0

1 0 1

0 1 1

0 0 1

5. KESIMPULAN

Kesimpulan yang didapat dari percobaan parameter gerbang logika adalah

Gerbang logika memiliki beberapa karakteristik yaitu voltage transfer, noise margin, dan propagation delay.

Operating point yang merupakan parameter dari gerbang logika didapat dari karakteristik voltage transfer

Hasil percobaan karakteristik voltage transfer yang didapat sesuai dengan referensi yang ada.

Hasil percobaan propagation delay didapat sesuai dengan referensi yang ada dengan tPD(average) = 0,25 us

6. DAFTAR PUSTAKA

Brown, Steven dan Varesnic, Zvonko. 2005. Fundamental Of Digital Logic with VHDL Design.

Hutabarat, Mervin, dkk, Modul Praktikum Sistem Digital, Hal 1 – 11, Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2010