Ilham Richard: Juni 2024

11.5 Synchronous (or Parallel) Counters

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Tujuan

1. Tujuan [Kembali]

Memahami Prinsip Dasar Counter Sinkron
Mempelajari Desain Counter Sinkron
Implementasi Counter Sinkron dalam Sirkuit Digital

2. Alat dan Komponen [Kembali]

Gerbang AND

Gerbang AND adalah salah satu gerbang logika dasar dalam elektronika digital yang digunakan untuk melakukan operasi logika konjungsi. Gerbang ini memiliki dua atau lebih input dan satu output. Fungsiutama dari gerbang AND adalah untuk menghasilkan output yang benar (1) hanya jika semua inputnyajuga benar (1). Jika ada satu saja input yang salah (0), maka outputnya akan salah (0).

· Clock

Clock adalah sinyal yang berosilasi antara tinggi (1) dan rendah (0) pada interval waktu tetap. Sinyal ini digunakan untuk menyinkronkan operasi dalam rangkaian digital, mengatur waktu kapan suatu operasi harus dimulai atau berakhir, serta mengkoordinasikan transfer data dan eksekusi instruksi. Dengan demikian, clock memastikan bahwa semua komponen dalam sistem bekerja pada ritme yang sama, sehingga data diproses dan ditransfer dengan tepat waktu..

· Logicstate/sakelar

Sakelar logika, atau yang juga dikenal sebagai "logic gate", adalah dasar dari sistem logika dalam elektronika digital. Ini adalah perangkat elektronik yang menghasilkan output berdasarkan kondisi inputnya. Sakelar logika memiliki beberapa jenis, termasuk AND, OR, NOT, XOR, dan lain-lain, masing-masing dengan fungsi dan operasi logika yang berbeda. Contohnya, sakelar AND hanya akan menghasilkan output "1" jika semua inputnya adalah "1", sakelar OR akan menghasilkan output "1" jika setidaknya satu inputnya adalah "1", sementara sakelar NOT akan menghasilkan keluaran yang merupakan kebalikan dari inputnya. Sakelar logika digunakan dalam desain sirkuit digital untuk mengontrol aliran informasi dan membuat keputusan berdasarkan kondisi inputnya

· Logicprobe

Logic probe adalah alat uji elektronik yang digunakan untuk memeriksa dan memonitor sinyal dalam sirkuit digital. Alat ini biasanya terdiri dari probe atau jarum yang terhubung dengan perangkat elektronik dan sebuah layar atau indikator LED untuk menampilkan status sinyal. Logic probe dapat mendeteksi apakah sinyal dalam keadaan tinggi (1), rendah (0), atau fluktuasi antara keduanya. Dengan menggunakan logic probe, teknisi atau insinyur dapat mengidentifikasi masalah dalam sirkuit digital, seperti tegangan yang tidak tepat, gangguan sinyal, atau kesalahan logika. Hal ini memungkinkan untuk melakukan pemecahan masalah dan perbaikan dengan lebih efisien.

3. Dasar Teori [Kembali]

Counter ripple bersifat asinkron karena flip-flop yang membentuk counter tidak di-clock secara simultan dan sinkron dengan clock pulse. Total delay propagasi dalam counter semacam itu sama dengan jumlah delay propagasi akibat flip-flop yang berbeda. Delay propagasi menjadi sangat besar dalam counter ripple dengan jumlah hitungan yang besar. Di sisi lain, dalam counter sinkron, semua flip-flop dalam counter di-clock secara simultan dan sinkron dengan clock, sehingga semua flip-flop berubah keadaan pada saat yang sama. Delay propagasi dalam hal ini independen terhadap jumlah flip-flop yang digunakan.

Karena flip-flop yang berbeda dalam counter sinkron di-clock pada waktu yang sama, diperlukan rangkaian logika tambahan untuk memastikan bahwa berbagai flip-flop toggle pada waktu yang tepat. Sebagai contoh, dalam urutan hitungan dari counter biner empat bit, flip-flop FF0 toggle dengan setiap clock pulse, flip-flop FF1 toggle hanya ketika output dari FF0 berada dalam keadaan '1', flip-flop FF2 toggle hanya dengan clock pulse tersebut ketika output FF0 dan FF1 keduanya berada dalam keadaan logika '1', dan flip-flop FF3 toggle hanya dengan clock pulse tersebut ketika Q0, Q1, dan Q2 semuanya berada dalam keadaan logika '1'. Logika semacam itu dapat dengan mudah diimplementasikan dengan gerbang AND. IC 74162 dan 74163 adalah contoh dari counter sinkron empat bit, dengan yang pertama menjadi counter dekade dan yang kedua menjadi counter biner.

Counter sinkron yang menghitung dalam urutan terbalik atau menurun dapat dibangun dengan cara yang sama dengan menggunakan output komplemen dari flip-flop untuk menggerakkan input J dan K dari flip-flop berikutnya. Dalam urutan hitungan terbalik atau menurun, FF0 toggle dengan setiap clock pulse, FF1 toggle hanya ketika Q0 dalam keadaan logika '0', FF2 toggle hanya ketika baik Q0 dan Q1 berada dalam keadaan logika '0', dan FF3 toggle hanya ketika Q0, Q1, dan Q2 semuanya berada dalam keadaan logika '0'.

Untuk mengubah counter sinkron UP empat bit menjadi counter DOWN, input J dan K dari flip-flop FF1 diberi dari output Q0, bukan dari output Q0. Input ke gerbang AND dua input adalah Q0 dan Q1, bukan Q0 dan Q1, dan input ke gerbang AND tiga input adalah Q0, Q1, dan Q2, bukan Q0, Q1, dan Q2. Dengan perubahan ini, didapatkan counter yang menghitung dalam urutan terbalik, menjadi counter sinkron DOWN empat bit.

Untuk membuat rangkaian Synchronous (or Parallel) Counters langkah awal yaitu menentukan true table terlebih dahulu

Dari true table bisa kita rangkai seperti gambar

ketika logistate dihidupkan maka detak dari setiap Q yaitu seperti gambar

4. Rangkaian [Kembali]

counter sinkron

6. Soal [Kembali]

Example

1. Hitunglah nilai maksimal yang dapat dicapai oleh sebuah synchronous counter 8-bit .

Jawaban: Nilai maksimal yang dapat dicapai oleh sebuah synchronous counter 8-bit adalah 255 dalam desimal atau 11111111 dalam biner.

2. Hitunglah nilai maksimal yang dapat dicapai oleh sebuah synchronous pada rangkaian yaitu 4-bit.

Jawaban: Nilai maksimal yang dapat dicapai oleh sebuah synchronous counter 4-bit adalah 15 dalam desimal atau 1111 dalam biner.

Problem

Soal 1

Soal: Sebuah synchronous counter 4-bit menggunakan flip-flop JK dengan konfigurasi seperti berikut:

- Flip-flop pertama (FF0) memiliki J dan K dihubungkan ke logika tinggi (1).

- Flip-flop kedua (FF1) memiliki input J dan K dihubungkan ke output Q dari FF0.

- Flip-flop ketiga (FF2) memiliki input J dan K dihubungkan ke output Q dari FF1.

- Flip-flop keempat (FF3) memiliki input J dan K dihubungkan ke output Q dari FF2.

Jika keadaan awal counter adalah 0000, berikan urutan keadaan (state) counter setelah menerima 8 pulsa clock.

Jawaban:

Urutan keadaan (state) counter setelah menerima 8 pulsa clock adalah sebagai berikut:

1. Initial State: 0000

2. Pulse 1: 0001 (FF0 toggle)

3. Pulse 2: 0010 (FF0 toggle, FF1 toggle)

4. Pulse 3: 0011 (FF0 toggle)

5. Pulse 4: 0100 (FF0 toggle, FF1 toggle)

6. Pulse 5: 0101 (FF0 toggle)

7. Pulse 6: 0110 (FF0 toggle, FF1 toggle)

8. Pulse 7: 0111 (FF0 toggle)

9. Pulse 8: 1000 (FF0 toggle, FF1 toggle, FF2 toggle)

Jadi, setelah 8 pulsa clock, urutan keadaan counter adalah: 0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000.

Soal 2

Soal: Diberikan sebuah synchronous counter 3-bit dengan flip-flop D. Counter ini dirancang untuk menghitung naik (up counter) dari 0 hingga 7 (000 sampai 111 dalam biner). Jika sinyal clock diberikan secara terus-menerus, hitung dan berikan output counter pada pulsa clock ke-10.

Jawaban:

Untuk sebuah synchronous counter 3-bit, jumlah maksimum hitungan yang dapat dicapai adalah 2^3 = 8. Setelah mencapai hitungan 7 (111 dalam biner), counter akan kembali ke 0 (000 dalam biner) dan mulai menghitung lagi.

Urutan keadaan counter 3-bit adalah sebagai berikut:

1. 000 (0)

2. 001 (1)

3. 010 (2)

4. 011 (3)

5. 100 (4)

6. 101 (5)

7. 110 (6)

8. 111 (7)

9. 000 (0)

10. 001 (1)

Pada pulsa clock ke-10, output counter adalah 001 dalam biner atau 1 dalam desimal.

Pilihan ganda

· 1. Apa yang membedakan synchronous counter dengan asynchronous counter?

A. Synchronous counter membutuhkan lebih sedikit flip-flop dibandingkan asynchronous counter.
B. Pada synchronous counter, semua flip-flop dipicu oleh clock yang sama.
C. Synchronous counter hanya bisa menghitung mundur.
D. Synchronous counter lebih lambat dibandingkan asynchronous counter.

Jawaban: B

2. Mengapa synchronous counter lebih cepat dibandingkan asynchronous counter?

A. Karena flip-flop pada synchronous counter diaktifkan secara bersamaan oleh sinyal clock.
B. Karena synchronous counter tidak memiliki delay antara flip-flop.
C. Karena synchronous counter tidak menggunakan clock.
D. Karena synchronous counter memiliki arsitektur yang lebih kompleks.

Jawaban: A

7. Link download [Kembali]

1. Rangkaian 11.5 [disini]

2. datasheet jk ff [disini]

3. datasheet and gate 2 input [disini]

4. datasheet and gate 3 input [disini]

5. datasheet clock [disini]

6. datasheet logicprobe [disini]

12.13 A/D Converter Applications

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Tujuan [Kembali]

1. Memahami Materi dari aplikasi A/D Converter
2. Membuat Rangkaian Simulasi dari aplikasi A/D converter

2. Alat dan Komponen [Kembali]

1. ADC

2. Potensio

3. Resistor

4. Kapasitor

3. Dasar Teori [Kembali ]

ADC (Analog To Digital Converter) adalah perangkat elektronika yang berfungsi untuk mengubah sinyal analog (sinyal kontinyu) menjadi sinyal digital. Perangkat ADC (Analog To Digital Convertion) dapat berbentuk suatu modul atau rangkaian elektronika maupun suatu chip IC. ADC (Analog To Digital Converter) berfungsi untuk menjembatani pemrosesan sinyal analog oleh sistem digital.

Converter

Alat bantu digital yang paling penting untuk teknologi kontrol proses adalah yang menerjemahkan informasi digital ke bentuk analog dan juga sebaliknya. Sebagian besar pengukuran variabel-variabel dinamik dilakukan oleh piranti ini yang menerjemahkan informasi mengenai vaiabel ke bentuk sinyal listrik analog. Untuk menghubungkan sinyal ini dengan sebuah komputer atau rangkaian logika digital, sangat perlu untuk terlebih dahulu melakukan konversi analog ke digital (A/D). Hal-hal mengenai konversi ini harus diketahui sehingga ada keunikan, hubungan khusus antara sinyal analog dan digital.

ADC (Analog to Digital Convertion)

Analog To Digital Converter (ADC) adalah pengubah input analog menjadi kode – kode digital. ADC banyak digunakan sebagai Pengatur proses industri, komunikasi digital dan rangkaian pengukuran/ pengujian. Umumnya ADC digunakan sebagai perantara antara sensor yang kebanyakan analog dengan sistim komputer seperti sensor suhu, cahaya, tekanan/ berat, aliran dan sebagainya kemudian diukur dengan menggunakan sistim digital (komputer).

ADC (Analog to Digital Converter) memiliki 2 karakter prinsip, yaitu kecepatan sampling dan resolusi.

Kecepatan Sampling ADC

Kecepatan sampling suatu ADC menyatakan “seberapa sering sinyal analog dikonversikan ke bentuk sinyal digital pada selang waktu tertentu”. Kecepatan sampling biasanya dinyatakan dalam sample per second (SPS).

Ilustrasi Kecepatan Sampling ADC

Resolusi ADC

Resolusi ADC menentukan “ketelitian nilai hasil konversi ADC”. Sebagai contoh: ADC 8 bit akan memiliki output 8 bit data digital, ini berarti sinyal input dapat dinyatakan dalam 255 (2n – 1) nilai diskrit. ADC 12 bit memiliki 12 bit output data digital, ini berarti sinyal input dapat dinyatakan dalam 4096 nilai diskrit. Dari contoh diatas ADC 12 bit akan memberikan ketelitian nilai hasil konversi yang jauh lebih baik daripada ADC 8 bit.

Jenis-Jenis ADC (Analog to Digital Converter)

ADC Simultan

ADC Simultan atau biasa disebut flash converter atau parallel converter. Input analog Vi yang akan diubah ke bentuk digital diberikan secara simultan pada sisi + pada komparator tersebut, dan input pada sisi – tergantung pada ukuran bit converter. Ketika Vi melebihi tegangan input – dari suatu komparator, maka output komparator adalah high, sebaliknya akan memberikan output low.

ADC Simultan

Bila Vref diset pada nilai 5 Volt, maka dari gambar 3 dapat didapatkan :

V(-) untuk C7 = Vref * (13/14) = 4,64
V(-) untuk C6 = Vref * (11/14) = 3,93
V(-) untuk C5 = Vref * (9/14) = 3,21
V(-) untuk C4 = Vref * (7/14) = 2,5
V(-) untuk C3 = Vref * (5/14) = 1,78
V(-) untuk C2 = Vref * (3/14) = 1,07
V(-) untuk C1 = Vref * (1/14) = 0,36

Misal :

Vin diberi sinyal analog 3 Volt, maka output dari C7=0, C6=0, C5=0, C4=1, C3=1, C2=1, C1=1, sehingga didapatkan output ADC yaitu 100 biner

Tabel Output ADC Simultan

Ada beberapa konsep dasar dari ADC adalah dengan cara Counter Ramp ADC, Successive Aproximation ADC dan lain sebagainya.

Counter Ramp ADC

Blok Diagram Counter Ramp ADC

Pada gambar diatas, ditunjukkan blok diagram Counter Ramp ADC didalamnya tedapat DAC yang diberi masukan dari counter, masukan counter dari sumber Clock dimana sumber Clock dikontrol dengan cara meng AND kan dengan keluaran Comparator. Comparator membandingkan antara tegangan masukan analog dengan tegangan keluaran DAC, apabila tegangan masukan yang akan dikonversi belum sama dengan tegangan keluaran dari DAC maka keluaran comparator = 1 sehingga Clock dapat memberi masukan counter dan hitungan counter naik.

Misal akan dikonversi tegangan analog 2 volt, dengan mengasumsikan counter reset, sehingga keluaran pada DAC juga 0 volt. Apabila konversi dimulai maka counter akan naik dari 0000 ke 0001 karena mendapatkan pulsa masuk dari Clock oscillator dimana saat itu keluaran Comparator = 1, karena mendapatkan kombinasi biner dari counter 0001 maka tegangan keluaran DAC naik dan dibandingkan lagi dengan tegangan masukan demikian seterusnya nilai counter naik dan keluaran tegangan DAC juga naik hingga suatu saat tegangan masukan dan tegangan keluaran DAC sama yang mengakibatkan keluaran komparator = 0 dan Clock tidak dapat masuk. Nilai counter saat itulah yang merupakan hasil konversi dari analog yang dimasukkan.

Kelemahan dari counter tersebut adalah lama, karena harus melakukan trace mulai dari 0000 hingga mencapai tegangan yang sama sehingga butuh waktu.

SAR (Successive Aproximation Register) ADC

Blok Diagram SAR ADC

Pada gambar diatas ditunjukkan diagram ADC jenis SAR, Yaitu dengan memakai konvigurasi yang hampir sama dengan counter ramp tetapi dalam melakukan trace dengan cara tracking dengan mengeluarkan kombinasi bit MSB = 1 ====> 1000 0000. Apabila belum sama (kurang dari tegangan analog input maka bit MSB berikutnya = 1 ===>1100 0000) dan apabila tegangan analog input ternyata lebih kecil dari tegangan yang dihasilkan DAC maka langkah berikutnya menurunkan kombinasi bit ====> 10100000.

Untuk mempermudah pengertian dari metode ini diberikan contoh seperti pada timing diagram gambar 6 Misal diberi tegangan analog input sebesar 6,84 volt dan tegangan referensi ADC 10 volt sehingga apabila keluaran tegangan sbb :

Jika D7 = 1 Vout=5 volt
Jika D6 = 1 Vout=2,5 volt
Jika D5 = 1 Vout=1,25 volt
Jika D4 = 1 Vout=0,625 volt
Jika D3 = 1 Vout=0,3125 volt
Jika D2 = 1 Vout=0,1625 volt
Jika D1 = 1 Vout=0,078125 volt
Jika D0 = 1 Vout=0,0390625 volt

Timing diagram urutan Trace SAR ADC

Setelah diberikan sinyal start maka konversi dimulai dengan memberikan kombinasi 1000 0000 ternyata menghasilakan tegangan 5 volt dimana masih kurang dari tegangan input 6,84 volt, kombinasi berubah menjadi 1100 0000 sehingga Vout = 7,5 volt dan ternyata lebih besar dari 6,84 sehingga kombinasi menjadi 1010 0000 tegangan Vout = 6,25 volt kombinasi naik lagi 1011 0000 demikian seterusnya hingga mencapai tegangan 6,8359 volt dan membutuhkan hanya 8 clock.

4. Prinsip Kerja [Kembali ]

Prinsip kerja ADC adalah mengkonversi sinyal analog ke dalam bentuk besaran yang merupakan rasio perbandingan sinyal input dan tegangan referensi. Sebagai contoh, bila tegangan referensi 5 volt, tegangan input 3 volt, rasio input terhadap referensi adalah 60%. Jadi, jika menggunakan ADC 8 bit dengan skala maksimum 255, akan didapatkan sinyal digital sebesar 60% x 255 = 153 (bentuk decimal) atau 10011001 (bentuk biner).

signal = (sample/max_value) * reference_voltage
= (153/255) * 5
= 3 Volts

Komparator ADC

Bentuk komunikasi yang paling mendasar antara wujud digital dan analog adalah piranti (biasanya berupa IC) disebut komparator. Piranti ini, yang diperlihatkan secara skematik pada gambar dibawah, secara sederhana membandingkan dua tegangan pada kedua terminal inputnya. Bergantung pada tegangan mana yang lebih besar, outputnya akan berupa sinyal digital 1 (high) atau 0 (low). Komparator ini digunakan secara luas untuk sinyal alarm ke komputer atau sistem pemroses digital. Elemen ini juga merupakan satu bagian dengan konverter analog ke digital dan digital ke analog yang akan didiskusikan nanti.

Konsep Kompataror Pada ADC (Analog to Digital Converter)

Gambar diatas memperlihatkan sebuah komparator merubah keadaan logika output sesuai fungsi tegangan input analog. Sebuah komparator dapat tersusun dari sebuah opamp yang memberikan output terpotong untuk menghasilkan level yang diinginkan untuk kondisi logika (+5 dan 0 untuk TTL 1 dan 0). Komparator komersil didesain untuk memiliki level logika yang dperlukan pada bagian outputnya.

5. Percobaan [Kembali ]

6. Contoh Soal [Kembali ]

Pilihan Ganda:

Sebuah A/D Converter memiliki resolusi 10 bit. Berapakah jumlah level tegangan yang dapat diukur oleh A/D Converter ini?
a. 1024
b. 1000
c. 256
d. 512

Jawaban: a. 1024

Penyelesaian: Resolusi 10 bit menghasilkan

2^{10} = 1024

level tegangan yang dapat diukur.

2. Jika tegangan referensi pada A/D Converter adalah 5V, berapakah resolusi tegangan terkecil yang dapat diukur oleh converter tersebut?
a. 4.88 mV
b. 5 mV

c. 9.76 mV

d. 10 mV

Jawaban: a. 4.88 mV

Penyelesaian:
Resolusi tegangan terkecil

= \frac{\text{Tegangan referensi}}{2^{10}} = \frac{5 \text{ V}}{1024} \approx 4.88 \text{ mV}

Essay:

3. Sebuah A/D Converter memiliki rentang tegangan referensi 0-10V dan resolusi 12 bit. Hitunglah resolusi tegangan terkecil yang dapat diukur oleh converter tersebut, serta jelaskan bagaimana resolusi ini mempengaruhi akurasi pengukuran dalam aplikasi pengukuran sensor.

Jawaban: Resolusi tegangan terkecil $= \frac{\text{Tegangan referensi}}{2^{12}} = \frac{10 \text{ V}}{4096} \approx 2.44 \text{ mV}$ .
Penjelasan: Resolusi tegangan yang lebih kecil memungkinkan A/D Converter untuk mengukur perubahan kecil dalam sinyal input, sehingga meningkatkan akurasi pengukuran sensor.

4. Jelaskan pentingnya pemilihan resolusi dan kecepatan konversi A/D Converter dalam aplikasi kontrol sistem. Bagaimana karakteristik ini dapat mempengaruhi responsivitas dan akurasi sistem kontrol yang menggunakan A/D Converter?

Jawaban: Pemilihan resolusi yang tepat memungkinkan sistem untuk mendeteksi perubahan kecil dalam sinyal input, meningkatkan akurasi kontrol. Kecepatan konversi yang cepat memungkinkan sistem untuk merespons perubahan dengan cepat, mempertahankan responsivitas sistem kontrol yang baik.

7. Link Download [Kembali ]

1. Datasheet A/D Converter [Disini]

Ilham Richard