Sistem Digital (Teknik Digital)

Teknik Digital
"Sistem Digital"




















Oleh :


Bagas Suryo Anggoro (672015239)





Universitas Kristen Satya Wacana
Salatiga
2016
Sistem Digital

1. Representasi Bilangan
Pada dasarnya ada 2 cara untuk merepresentasikan atau menyatakan nilai bilangan dari suatu kuantitas yaitu secara analog dan digital.
a. Representasi Analog : 
Pada representasi analog suatu kuantitas dinyatakan dengan kuantitas yang lain yang berbanding lurus dengan kuantitas yang akan representasikan. Contoh representasi analog adalah speedometer sepeda motor, dalam hal ini kecepatan sepeda motor dinyatakan dengan simpangan jarum speedometer, simpangan jarum speedometer selalu mengikuti perubahan yang terjadi pada saat kecepatan sepeda motor naik atau turun. Contoh lain adalah kuantitas pada mikrofon audio, tegangan output yang dihasilkan mikrofon sebanding dengan amplitudo gelombang suara yang masuk pada mikrofon, perubahan perubahan pada tegangan output mikrofon selalu mengikuti perubahan yang terjadi pada input yang masuk pada mikrofon. Sesuai dengan contoh-contoh diatas, kuantitas analog mempunyai karakteristik dapat berubah secara bertingkat pada suatu rentang harga tertentu. Dalam rentang tertentu kecepatan sepeda motor dari 0 sampai 100 Km/h kecepatan bisa pada (10 Km/h, 20 Km/h, 40 Km/h, 60 Km/h, atau 99 Km/h). Dapat disimpulkan Pada representasi analog perubahan kuantitasnya berlangsung secara kontinyu.

b. Representasi Digital : 
Pada representasi digital Kuantitas tidak dinyatakan dengan kuantitas yang sebanding tetapi dinyatakan dengan simbul-simbul yang disebut digit. Contoh pada jam digital yang menunjukkan waktu dalam bentuk digit-digit desimal yang menyatakan Jam, menit dan detik. Perubahan menit atau detik yang terbaca dalam jam digital tidak berubah secara kontinyu tetapi berubah step demi step secara diskrit, berbeda dengan jam tangan analog yang skala penujukan waktunya berubah secara kontinyu. Dapat disimpulkan Pada representasi digital perubahan kuantitas berlangsung secara diskrit step demi step. Karena representasi digital mempunyai sifat diskrit, maka pada saat pembacaan harga suatu kuantitas digital tidak ada penafsiran yang mendua berbeda dengan harga suatu kuantitas analog sering timbul penafsiran yang berbeda.

2. Sistem Digital, Analog Dan Hybrid
2.1. Sistem Digital
Sistem digital adalah suatu kombinasi peralatan listrik, mekanis, fotolistrik dan lainnya yang disusun untuk melaksanakan fungsi-fungsi tertentu, yang mana kuantitas-kuantitasnya dinyatakan secara digital. Beberapa alat yang menggunakan sistem digital antara lain adalah komputer digital, kalkulator, volt meter digital dan mesin-mesin yang dikontrol secara numerik. Secara garis besar sistem digital memberikan keuntungan-keuntungan berupa kecepatan, kecermatan, kemampuan memori, tidak mudah terpengaruh oleh perubahan-perubahan karakteristik komponen sistem dan pada umumnya mampu digunakan pada rentang pemakaian yang lebih luas.


Beberapa keunggulan dari sistem digital adalah :
Teknologi digital menawarkan biaya lebih rendah, keandalan (reability) lebih baik, pemakain ruang yang lebih kecil dan konsumsi daya yang lebih rendah
Teknologi digital membuat kualitas komunikasi tidak tergantung pada jarak
Teknologi digital lebih bergantung pada noise
Jaringan digital ideal untuk komunikasi data yang semakin berkembang
Teknologi digital memungkinkan pengenalan layanan-layanan baru
Teknologi digital menyediakan kapasitastransmisi yang besar
teknologi digital menawarkan fleksibilitas Keuntungan lain dari sistem digital

Sistem digital juga mempunyai beberapa kerugian dibandingkan dengan sistem analog, bahwa sistem digital memerlukan bandwidth yang besar. Sebagai contoh, sebuah kanal suara tunggal dapat ditransmisikan menggunakan single – sideband AM dengan bandwidth yang kurang dari 5 kHz. Dengan menggunakan sistem digital, untuk mentransmisikan sinyal yang sama, diperlukan bandwidth hingga empat kali dari sistem analog. Kerugian yang lain adalah selalu harus tersedia sinkronisasi. Ini penting bagi sistem untuk mengetahui kapan setiap simbol yang terkirim mulai dan kapan berakhir, dan perlu meyakinkan apakah setiap simbol sudah terkirim dengan benar.

2.2. Sistem Analog
Pada umumnya kuantitas-kuantitas fisik prinsipnya bersifat analog, pada sistem analog kuantitas-kuantitas berubah secara gradual pada suatu rentang kontinyu. Contoh-contoh sistem analog adalah komputer analog, sistem broadcast radio, dan rekaman pita audio. Pada siaran radio AM kita dapat menalakan radio pada setiap frekuensi sepanjang rentang band dari 535 K Hz sampai 1605 K Hz secara kontinyu.

Kelebihan :
Pemrosesan Sinyal dari Alam secara alamiah, sinyal yang dihasilkan alam itu adalah berbentuk analog. misalnya sinyal suara dari mikrofon, seismograph dsb walaupun kemudian bisa diproses dalam domain digital, sehingga banyak alat yang mempunyai bagian ADC dan DAC. nah pembuatan ADC dan DAC dengan presisi dan kecepatan tinggi, konsumsi daya rendah itu sangat sulit, ini memerlukan orang-orang analog.






Kelemahan :

Perlu pengertian tentang sistem Analog mengapa analog lebih sulit dari sistem digital, yakni :
Digital hanya mempertimbangkan speed, power dissipation analog harus memepertimbangkan speed, power dissipation, gain, precission, supply voltage dsb
Analog lebih sensitif terhadap derau/noise, crosstalk dan interferensi (kecepatan & presisi)
Jarang yang bisa diotomatisasi dalam perancangan seperti digital yang bisa di Lay out dan sintesis secara otomatis.
Modelling & Simulation untuk analog memerlukan pengalaman karena banyak efek dan perilaku yang "aneh"
Teknologi sekarang banyak digunakan dan dirancang untuk memproduksi produk digital, karena sulit kalau mau memproduksi yang analog.
2.3. Sistem Hybryd
Kebanyakan sistem pengendalian pada proses industri adalah sistem hybryd, sistem ini merupakan gabungan dari kuantitas digital dan kuantitas analog. Pada sistem hybryd terjadi konversi terus menerus antara kuantitas digital dan analog. Dalam kenyataannya hampir semua kuantitas adalah bersifat analog yang kuantitas-kuantitasnya sering diukur dimonitor dan dikontrol. Sistem pengendalian proses industri yang mempunyai kuantitas-kuantitas seperti, temperatur, tekanan, permukaan cairan dan kecepatan aliran diukur dan dikendalikan dengan sistem hybryd yang memanfaatkan keuntungan-keuntungan dari sistem digital.




Gambar 1.1. menunjukkan diagram blok pengendalian sistem hybryd, input kuantitas analognya diukur, kemudian kuantitas analog diubah menjadi kuantitas digital oleh konverter analog ke digital. Selanjutnya kuantitas digital diproses oleh prosesor sentral. Hasil output dari prosesor sentral diubah kembali menjadi kuantitas analog oleh konverter digital ke analog untuk diumpankan pada rangkaian kontroler guna memberikan pengaruh pada pengaturan harga pada kuantitas analog asal yang telah ditetapkan.

Kelebihan :
Mampu mengirim informasi dengan kecepatan cahaya yang mengakibatkan innformasi dapat dikirim dengan kecepatan tinggi.
Penggunaan yang berulang-ulang terhadap informasi tidak mempengaruhi kwalitas dan kuantitas informasi itu sendiri.

Sequential Circuits

Komponen digital :
Logika Kombinasi (Combinational Logics)
Logika Sekuensial (Sequential Logics)
Flip – Flop :
flip-flop yaitu rangkaian yang dapat menyimpan nilai 1 bit.
Flip-flop adalah nama umum yang digunakan untuk rangkaian sekuensial yang terdiri dari beberapa gerbang logika yang menyimpan nilai dan dapat diakses melalui jalur keluarannya. Nilai yang terdapat dalam flip-flop akan tetap tersimpan walaupun sinyal masukannya tidak aktif.
Flip-flop memiliki 2 nilai keluaran yang satu sama lain nilainya berkebalikan. Keluaran ditandai dengan Q dan Q' dan symbol lainnya. Rangkaian ini banyak digunakan untuk tempat menyimpan data digital dan menstransfernya. Kombinasi beberapa flip-flop membentuk satu fungsi khusus dinamakan Register.
Memori :
Rangkaian untuk mengingatatau memori adalah salah satu bagian yang penting darisebuah komputer.
Memoridapatmenyimpan(storage)suatuinformasi(datamaupun perintah)untukselamawaktuyangdiperlukan,dandisimpan,suatu saat informasitersebut dapat diambil kembalisewaktu-waktu.
Ada2(dua) macamMemori yaitu:
Non-volatile memory merupakan memory yang datanya datanya dapat ditulis serta dihapus, tetapi data akan tetap ada walaupun dalam kondisi off serta tidak membutuhkan catu daya. memory ini dikenal dengan temporary memory.
Contoh :
ROM iyalah sebuah contoh dari Progammable Logic Device, yaitu perangkat yang dapat diprogram untuk menyimpan sebuah informasi spesifik untuk perangkat keras komputer (Hardware). Kebutuhan akan memori yang begitu tinggi telah membuat berbagai macam teknologi baru ditemukan. Salah satu jenis memori terbaru yang dikatakan oleh sebagian orang akan menjadi memori yang paling dominan dimasa depan adalah MRAM, (Magnetoresistive Random Access Memory).

Volatile memorymerupakan memory yang datanya dapat ditulis serta dihapus,tetapi akan hilang saat kehilangan power (kondisi off) serta membutuhkan satu daya dalam mempertahankan memory.
Contoh :
RAM iyalah memori utama sebuah komputer, yang bertugas untuk menerima sebuah informasi kemudian menyimpannya untuk digunakan ketika imformasi itu dibutuhkan.
Kegunaan RAM antara lain iyalah sebagai perangkat penyimpanan informasi sementara. Informasi yang terdapat di dalam RAM dapat diakses dalam waktu yang tetap serta tidak memperdulikan letak data tersebut.

Untai Nalar Sekuensial
Untai nalar sekuensial adalah suatu untai nalar yang keluarannya ditentukan tidak hanya masukan saat itu, tetapi juga oleh harga masukan pada saat-saat sebelumnya.Hal ini menunjukkan bahwa untai nalar sekuensial mengandung unsur ingatan (memori).
Multivibrator
Suaturangkaiannalar yangmempunyai/memilikiduakeluaranyang keadaannyasenantiasaberbedadimanasalahsatu ataukeduanyadapat dalam keadaan stabil.
Terdapat 2(dua) macam keadaan Multivibrator :
Multivibrator NAND




Multivibrator NOR



FLIP – FLOP

Flip-Flop Set-Reset (SR Flip-Flop)
SR Flip-flop dibangun dari beberapa gerbang logika. SR Flip-flop memiliki dua buah masukan S untuk Set dan R untuk Reset. Gerbang NAND biasa digunakan untuk membngun SR Flip-flop.Simbol logika menunjukkan dua masukan yang diberi label dengan Set dan Reset.SR Flip-flop ini mempunyai dua keluaran komplementer. Keluaran ini diberi label Q dan Q'. Nilai Q dengan Q' selalu berlawanan.

Gambar Rangkaian SR Flip-Flop
Sinyal SR yang masuk ke dalam flip-flop dapat memiliki 4 kemungkinan kondisi yaitu 00, 01, 10, dan 11. Pada saat SR bernilai 00 maka kondisi flip-flop tidak berubah, nilai Q akan seperti nilai sebelumnya. Jika SR bernilai 01 maka keluaran Q akan bernilai 0, kondisi ini akan menyebabkan flip-flop Reset. Jika SR bernilai 10 maka keluaran Q akan bernilai 1 atau flip-flop Set. Bagaimana bila SR bernilai 11, ini menarik, karena kondisi ini menyebabkan keluaran Q tidak pasti, tergantung sinyal mana yang datang lebih cepat.Kondisi ini disebut kondisi berlomba (race condition).Karena nilai Q tidak pasti maka kondisi ini tidak digunakan.Kondisi QQ' bernilai 00 terjadi pada saat perpindahan dari nilai SR 01 ke-10.
Jika delay menunjukkan penundaan pada setiap gerbang, maka rumus umum persamaan Boolean untuk SR flip-flop sebagai berikut :

Q(t + 2 ) = (R (t + ) . ([S (S(t) + y (t + )]')'
= (R (t + )' . [S (S(t) + y (t + )]

Berdasarkan prilaku SR Flip-Flop dapat ditulis dalam tabel kebenaran berikut :
Tabel Kebenaran SR Flip-Flop


Masukan SR



00
01
10
11
Kondisi Q
0
0
0
1
*

1
1
0
1
*







Berdasar tabel kebenaran di atas dapat dibaca bahwa jika masukan SR bernilai 00 maka kondisi Q akan tetap seperti semula, bila awalnya bernilai 0 maka akan tetap bernilai 0 dan sebaliknya. Jika masukan SR bernilai 01, apa pun kondisi sebelumnya, Q akan bernilai 0. Jika masukan SR bernilai 10, apa pun kondisi sebelumnya, Q akan bernilai 1.
Simbol untuk SR Flip-flop sebagai berikut :


Gambar Simbol SR Flip-Flop

Detak (Clock)
SR Flip-Flop di atas bekerja secara asinkron.Nilai S dan R dapat berubah kapan saja dan dalam tempo yang tidak bersasmaan.Detak (clock) ditambahkan pada sisi masukan untuk menjaga sinyal agar bekerja dalam tenggang tempo yang bersamaan.Kendali ini membantu flip-flop lebih stabil.Detak ditambahkan sebelum sinyal S dan R masuk ke dalam rangkaian flip-Flop.Masing-masing sinyal masukan di NAND-kan dengan detak.
Pada saat detak bernilai 0, tidak ada perubahan sinyal yang masuk ke dalam flip-flop. Sebaliknya, jika detak bernilai 1 maka kondisi keluaran flip-flop, Q, akan menyesuaikan dengan kondisi masukan S dan R, berdasar aturan dalam tabel kebenaran.
SR Flip-Flop yang disempurnakan memiliki 3 sinyal masukan dan 2 jalur keluaran.


Gambar SR Flip-Flop ditambah Detak (Clock)

Simbol untuk SR Flip-Flop yang telah ditambahkan detak :

Gambar Simbol SR Flip-Flop ditambah Detak (Clock)




Flip-Flop Data (D Flip-Flop)
Kelebihan flip-flop adalah dapat menyimpan nilai satu bit pada jalur keluarannya. Kelebihan ini memungkinkan flip-flop digunakan sebagai rangkaian untuk menyimpan data, sebagai sel memori.

Gambar Simbol D Flip-Flop
D flip-flop dirancang untuk menyimpan satu bit 0 atau 1. Dengan sedikit modifikasi SR flip-flop,D flip-flop dapat melakukan fungsi tersebut. Sel penyimpanan data hanya perlu dua kondisi yaitu bernilai 0 atau 1. Karakter tersebut diperoleh dengan mengatur nilai S dan R agar tidak bernilai sama. Nilai SR=01 menyebabkan flip-flop bernilai 1 dan nilai SR=10 menyebabkan flip-flop bernilai 0. Diperlukan converter antara masukan S dan R agar nilai keduanya berkebalikan.
Berikut ini rangkaian D flip-flop hasil modifikasi dari rangkaian SR flip-flop :
Pada saat D bernilai 1 menyebabkan keluaran Q akan bernilai 1 pada kondisi berikutnya (next state). Sebaliknya, Q bernilai 0 pada saat D bernilai 0. Karakter ini sesuai dengan karakter tempat penyimpanan 1 bit.

Berdasarkan perilaku D flip-flop maka tabel kebenaran sebagai berikut :
Tabel Kebenaran D flip-flop
CK
D
Q
0
1
1
Φ
0
1
NC
0
1

D flip-flop akan bekerja jika nilai CK=1. Pada saat CK tidak aktif maka apa pun nilai D, nilai flip-flop tidak berubah (NC, No Change). Pada saat CK aktif maka sinyal D berfungsi.Kondisi Q tergantung dari masukan D.
Simbol
Simbol untuk D flip-flop adalah :

Gambar Rangkaian D Flip-Flop
Pemicu Tepi
Aktif atau tidaknya suatu flip-flop dikendalikan oleh detak CK yang masuk. Jika detak bernilai 1 maka flip-flop aktif. Kapankah perubahan detak (Clock, CK) adalah dari pulsa yang senantiasa berubah nilainya dari 0 ke 1 atau sebaliknya.Detak memiliki frekuensi.Perubahan detak inilah yang dijadikan pemicu bagi komponen flip-flop untuk berubah. Pada saat terjadi perubahan detak dari 0 ke 1 maka gerbang-gerbang akan aktif dan nilai D akan masuk ke dalam flip-flop.
Perubahan flip-flop yang dipicu oleh perubahan tegangan detak dari 1 ke 0 disebut pemicuan tepi (edge triggering), karena flip-flop bereaksi pada saat detak berubah keadaan. Pemicuan terjadi pada awal pulsa naik. Proses itu disebut pemicuan tepi positif. Perubahan keadaan terjadi pada saat pulsa naik.
Diagram Detak (Clock Diagram)
Perubahan kondisi flip-flop disebabkan oleh perubahan detak, dapat digambarkan dalam diagram detak, sebagai berikut :

Gambar Diagram Detak D Flip-Flop


Preset dan Clear`


Gambar 3.8 D Flip-Flop dengan Sinyal Preset & Clear
Preset dan Clear adalah dua buah jalur yang ditambahkan pada flip-flop tanpa harus menunggu detak. Pengaktifan Preset menyebabkan nilai flip-flop berubah langsung menjadi 1, apapun kondisi sebelumnya. Pengaktifan Clear menyebabkan nilai flip-flop berubah langsung menjadi 0.
Nilai Preset dan Clear tidak boleh sama-sama rendah karena akan menyebabkan kondisi pacu. Bila Preset bernilai 0 dan Clear bernilai 1, maka isi flip-flop akan di-reset. Sebaliknya jika Preset bernilai 1 dan Clear bernilai 0 maka isi flip-flop akan di-set.












Simbol
Simbol D flip-flop dengan pemicuan tepi positif sebagai berikut :

Gambar D Flip-Flop Pemicuan Tepi Positif



JK flip-flop memiliki 2 masukan yang biasanya ditandai dengan huruf J dan K. Jika J dan K berbeda maka keluaran Q akan sama dengan nilai J pada detak berikutnya (next clock). Jika J dan K keduanya 0 maka tidak terjadi perubahan apa-apa pada flip-flop. Jika J dan K keduanya 1 maka kondisi Q akan berubah dari kondisi sebelumnya, Jika sebelumnya Q bernilai 0 maka akan bernilai 1 dan sebaliknya.
Karakter JK flip-flop yang lebih pasti untuk semua kondisi maka flip-flop ini yang banyak digunakan untuk membangun berbagai komponen register seperti : register geser (shift register), pencacah biner (binary counter), pendeteksian sekuensial (sequence detector) dan lain-lain.


Gambar
Simbol JK Flip-Flop
Tabel Kebenaran JK flip-flop
Masukan
Keluaran
J
K
CK
Q
0
0
1
1
Φ
0
1
0
1
Φ
Naik
Naik
Naik
Naik
Turun
Q (tidak berubah)
0
1
Q' (komplemen)
Q (tidak komplemen)
Keterangan :
Φ = apapun kondisinya (don't care)
Tanda segitiga pada detak (CLK) menunjukan adanya proses pemicu tepi untuk mengaktifkan flip-flop.
JK Flip-Flop
Kelemahan SR flip-flop adalah terdapat kondisi pacu (race condition) yang tidak terprediksi yaitu pada saat nilai SR = 11. Pada JK flip-flop dibuat jalur balik dari masing-masing keluaran Q dan Q' menuju gerbang masukan NAND, hal ini tidak masalah karena gerbang NAND dapat memiliki lebih dari dua masukan.
Nama JK flip-flop diambil untuk membedakan dengan masukan pada SR flip-flop karena ada perubahan ada perubahan jalur balik di atas. Secara umum cara kerja JK flip-flop sama dengan SR flip-flop. Perbedaannya pada saat JK bernilai 11 yang menyebabkan kondisi keluaran berubah (1 0 dan 0 1) atau toggle.
Rangkaian JK Flip-Flop
Pada saat CK naik / Aktif/bernilai 1 maka kondisi keluaran Q ditentukan oleh masukan JK.Kondisi Set (keluaran bernilai 1) tercapai pada saat JK bernilai 10.Kondisi Reset (keluaran bernilai 1) tercapai pada saat JK bernilai 01. Pada flip flop JK tidak ada lagi kondisi pacu seperti pada flip slop SR. Pada saat JK bernilai 11 maka nilai keluaran Q akan berubah-ubah (toggle) pada saat setiap detaknya.
Diagram Detak (Clock Diagram)
Perubahan kondisi flip-flop disebabkan oleh perubahan detak, dapat digambarkan dalam diagram detak. Pada diagram tersebut digambarkan bagaimana pengaruh setiap perubahan detak terhadap nilai keluaran JK flip-flop.


Gambar Diagram Detak JK Flip-Flop
JK Flip-Flop Master dan Slave
Flip-flop Master-Slave dibangun agar kerja JK flip-flop lebih stabil yaitu dengan menggabungkan dua buah JK flip-flop. Flip-flop pertama disebut Master dan flip-flop kedua disebut Slave. Master merupakan flip-flop yang diatur oleh sinyal pendetak pada saat naik (positif), sedangkan Slave merupakan flip-flop yang diatur oleh sinyal pendetak pada saat turun (negatif). Pada saat sinyal detak berada pada kondisi naik, Master yang aktif dan Slave menjadi tidak aktif dan sebaliknya pada saat sinyal detak pada kondisi turun, Master tidak aktif dan Slave aktif.

Gambar 3.13 JK Flip-Flop Master-Slave

Toggle Flip Flop (T Flip Flop)
T flip-flop adalah kondisi khusus dari JK flip-flop Masukan T dihubungkan dengan JK sekaligus. Pada T flip-flop, J dan K akan bernilai sama 00 atau 11.

Simbol

Gambar T Flip Flop berasal dari JK Flip Flop


Tabel Kebenaran T Flip Flop
Masukan
Keluaran
T
CK
Q
0
1
Φ
Naik
Naik
Turun
Q (Tidak Berubah)
Q' (Komplemen)
Q (Tidak Berubah)

Pada saat CK naik maka kondisi keluaran Q tergantung pada masukan T. Kondisi keluaran Q berubah-ubah (toggle) dicapai pada saat masukan T bernilai 1.Jika CK turun tidak ada perubahan pada flip-flop.

Simbol

Gambar Simbol T Flip Flop


















Daftar Pustaka
http://pandapotangirsang.blogspot.co.id/2012/12/kelemahan-dan-keungulan-sistem.html