PARAMETER GERBANG LOGIKAPraktikan: 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 1.1.1

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 :

PendahuluanLatar Belakang

NML = VIL - VOL HIGH noise margin : NMH = VOH - VIH2.2 Gate Delay

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. Mengenal dan memahami parameter dari gerbang logika yaitu operating point yang merepresentasikan range logika HIGH dan LOW. Dapat membuat rangkaian kombinasional sederhana menggunakan IC logika CMOS.

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

b.

c.

Percobaan Parameter Gerbang Logika membutuhkan komponen dan alat sebagai berikut. 1. Project Board (1 buah) Power Supply (output : 5 V) Komponen IC gerbang logika 7400 (1 buah), 7402 (1 buah) dan 7408 (1 buah) Black Box IC (1 buah)

2.2.1

Dasar TeoriKarakteristik Voltage Transfer

2. 3. 4.

Halaman

Karakteristik static voltage transfer dari sebuah gerbang logika adalah plot dari tegangan keluaran gerbang logika Vout dibandingkan dengan tegangan masukan gerbang logika

1

5. 6. 7. 8. 9.

Osiloskop Generator Sinyal Kabel Jumper Kabel BNC-BNC (1 buah) Kabel BNC Probe kait (1 buah)

B. Mencari nilai NML dan NMH

Menggambarka n kembali pada logbook keluaran XY percobaan sebelumnya Menggambarka n kembali sinyal tersebut pada bidang yang sama dengan langkah 1

posisi osiloskop dipertukarkan antara kanal 1 dan kanal 2 sehingga posisinya bertukar dari percobaan 1a

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.Menghitung nilai besaranbesaran tersebut 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 Menunjukkan posisi VOL, VOH, VIL, dan VIH

Didapatkan sinyal keluaran inverter dalam mode XY

Mencari nilai NMH dan NML , dan membandingka nnya dengan nilai pada datasheet

2.

Delay Propagation

output Disambungkan ke generator sinyal ke input gerbang logika

kanal 1 osiloskop Disambungkan dengan input gerbang logika

kanal 2 osiloskop disambungkan dengan output gerbang logika

power supply diatur pada tegangan 5 V dan menyambungk annya dengan Vcc gerbang logika

osiloskop diatur dengan metode XY

Halaman

2

Gambar 1 Bentuk rangkaian percobaan 1A

Menyusun rangkaian seperti pada gambar 2

power supply disambungkan dengan Vcc-Ground gerbang logika

setiap kanal diatur menjadi 1V/Div, Time/Div = 0,2 s

keluaran generator menjadi diatur menjadi sinyal kotak, frekuensi = 600 kHz

power supply dinyalakan

Gambar 3 Percobaan Verifikasi Fungsi Logikasetting 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

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

bandingkan hasil yang diperoleh dengan datasheet

Menggunakan nilai tPLH dan tPHL untuk mencari tpd dan tpd (average)

setting trigerring diubah menjadi negative edge dan mengulangi semua langkah.

Membuat tabel logikadari gerbang yang dipakai dengan memvariasikan ketiga input menggunakan tegangan dari power supply.

salah satu kanal osiloskop digunakan untuk mengukur tegangan gerbang logika yang akan diukur

4.

Rangkaian Kombinasional Sederhana

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

Mencatat hasil percobaan dalam BCL

Gambar 2 Percobaan Delay Propagation

Memverifikasi fungsionalitas rangkaian dengan memberikan kombinasi berbagai input yang mungkin

3.

Verifikasi Fungsi Logika

Halaman

3

4.1)

Hasil dan AnalisisVoltage Transfer Characteristic dan Noise Margins dari IC 74LS04

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 :

Tabel 1 tabel bentuk gelombang input dan output

No

Mode

Bentuk gelombang

1

Main

Sedangkan untuk High Noise Margins :

2

XY

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

Gambar 4

Tabel 2 tabel hasil pengukuran pada rangkaian resonansi paralel

No

Positive Edge

Negative Edge

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.Analisis :

1

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

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.Analisis :

Halaman

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.

4

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

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 ( [( ( [( ) )( )] ) )]

Tabel 3Truth Table untuk IC noname

No 1 2 3 4 5 6 7 8

P1 0 0 0 0 1 1 1 1

P2 0 0 1 1 0 0 1 1

P3 0 1 0 1 0 1 0 0

F 0 0 0 0 0 0 0 1

IC yang cocok digunakan adalah IC 74LS00, karena IC ini memiliki 2 input dan memiliki logika gerbang NAND. Sehingga rangkaian gerbang logikanya berbentuk :

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

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.

Tabel 4Truth Table untuk f = [(A.1)(B.1)]

No 1 2 3 4

A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

Q 0 1 1 1

Halaman

Sebuah rangkaian kombinasional sederhana bisa dibuat dari sebuah persamaan yang telah diketahui.

5

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. [1] [2]

Daftar Pustaka Mervin T. Hutabarat, dkk, Buku petunjuk Praktikum Sistem Digital , Bandung, 2009 Brown Stephen dan Zvonko Vranesic, Fundamental of Digital Logic with VHDL Design, McGraww-Hill, New York, 2009.

Halaman

6