Materi Pendukung UN : 16. Menganalisis rangkaian digital sebagai multivibrator

MULTIVIBRATOR

Dalam dunia elektronik banyak proses yang pada prinsipnya sekedar memutus atau menghubungkan suatau rangkaian listrik (proses pensaklaran). Proses tersebut harus memenuhi syarat tertentu, yakni cepat (tidak timbul getaran) dan tidak menimbulkan percikan bunga api listrik. Saklar mekanik atau manual tidak dapat memnuhi persyaratan tersebut. karena saklar mekanik memiliki kelembaman yang relative besar sehingga kecepatannya terbatas. selain itu, saklar mekanik juga menimbulkan percikan bungan api listrik yang dapat membakar bahan yang bersinggungan. proses pemsaklaran tersebut dapat kita jumpai pada sistem pewaktu agar suatu rangkaian dapat bekerja ataupun tidak bekerja dalam selang waktu tertentu. Misalkan rangkaian pewaktu untuk membuat agar sebuah relay dapat tertutup atau terputus dalam selang waktu tertentu. Juga sering kita perlukan rangkaian yang dapat memodulasi lebar pulsa dan penunda waktu (time delay ). Rangkaian elektronik yang mempunyai kemampuan untuk membuat waktu tunda atau lebar pulsa tertentu ini lebih jauh akan kita pelajari dalam multivibrator monostabil. Multivibrator sebenarnya merupakan rangkaian elektronik yang menghasilkan gelombang tetap, atau gelombang lain yang bukan sinusoida. seperti gelombang segi empat dan gelombang gigi gergaji. Nama multivibrator diturunkan dari kenyataan bahwa gelombang kotak terdiri dari sejumlah besar gelombang sinusoida dengan frekuensi yang berbeda-beda(berdasarkan analisis deret fourier).
Selain flip-flop dan monostabil, ada jenis multivibrator lain yaitu multivibrator astabil dan picu Schmitt. Keduanya sering berperan sebagai osilator yang menghasilkan pulsa kotak (square). Pulsa kotak yang stabil dengan frekuensi tententu dalam elektronika digital lebih dikenal sebagai detak(clock). Detak ini penting, bahkan sangat penting, dalam operasi suatu piranti elektronika digital seperti computer dan kalkulator.
   1.  Multivibrator Monostabil
Rangkaian multivibrator monostabil mempunyai keluaran dengan satu keadaan stabil (mantap). Rangkaian tersebut tetap dalam keadaan stabilnya sampai ada pemicu. Sekali dipicu, keluarannya berubah dari keadaan stabilnya tadi ke keadaan tak stabil (keadaan baru). Keadaan tak stabil itu bertahan selama waktu tertentu, dan setelah itu dengan sendirinya kembali ke keadaan stabilnya lagi. Ternyata monostabil merupakan rangkaian yang penting bahkan sangat penting untuk membangkitkan pulsa output yang lebarnya dan amplitudonya tetap.. Sebutan lain untuk monostabil adalah eka-mantap, oneshot, atau monoflop. Monostabil dapat dibuat dengan menggunakan gerbang logika NAND yang dilengkapi dengan resistor dan kapasitor sebagai komponen pewaktunya. Terdapat dua jenis monostabil yaitu monostabil terpicu positif dan negatif.

Masukan pemicu mula-mula dianggap T=0, keluaran =1, dan keluaran Q=0. perhatikan keluaran dari NAND-2 dalam keadaan 1 sehingga K=1. pada saat masukan T berubah dari 0 ke 1 (terpicu positif), tentu saja kedua masukan NAND-1 ada pada keadaan 1, sehingga  berubah dari 1 ke 0. tetapi begitu T berubah dari 0 ke 1, maka keluaran dari NAND-2 juga berubah menjadi 0. muatan pada kapasitor C yang mula-mula memberikan K=1 sedikit demi sedikit dikosongkan melalui resistor R sehingga tegangan pada K turun menjadi 0. perubahan K dari 1 ke 0 ini akan melewati tegangan ambang yang akan menyebabkan K dianggap 0. pada saata ini, keluaran NAND-1, yaitu  akan kembali ke keadaan 1 lagi (keadaan sebelum dipicu). lama pulsa t  (keadaan tak stabil) di  tersebut tergantung pada resistansi R dan kapasitansi C yang terpasang, berlaku t=RC.
Karena NAND-3 berperan sebagai NOT, maka antara dan Q saling komplemen, artinya  =1 maka Q=0, dan sebaliknya jika  =0 maka Q=1. Kelemahan dari monostabil terpicu positif adalah adanya syarat agar pulsa pemicu di T harus lebih lama dari pulsa keluaran di  hal ini dikarenakan oleh adanya hubungan langsung antara T dengan salah satu masukan NAND-1 yang menyebabkan jika T=0 maka  =1. Sehingga jika T berubah ke 0 lagi sebelum pulsa pemicu T mencapai tegangan ambang maka lebar pulsa keluaran  tidak cepat samadengan R.C dan tentu saja harga t (lama tak stabil) pasti kurang dari R.C. Jenis lain dari monostabil adalah yang terpicu negative (dipicu dari 1 ke nol). Cara menyusunnya antara lain dengan menambahkan NAND-4 seperti gambar dibawah ini:

Mula-mula T=1 dan = 1, keadaan ini adalah stabil. jika T berubah dari 1 ke nol maka keluaran NAND-4 dalam keadaan 1(A=1). Karena masukan NAND-1 keduanya dalam keadaan 1 maka = 0. selanjutnya tegangan di titik B semakin lama semakin turun akibat lucutan muatan pada C melalui R . sehingga pada saat melewati tegangan ambang membuat =1 kembali semula. dengan demikian keluaran menjadi tidak tergantung pada perubahan masukan T dari 0 ke 1, oleh karenanya benar-benar berlaku bahwa lama keadaan tak stabilnya adalah t = R.C. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat bentuk pulsa monostabil terpicu positif dan terpicu negative pada gambar berikut:

Masih banyak cara untuk menyusun monostabil dari gerbang logika lain, seperti NOT ataupun NOR bahkan menggunakan NAND dengan konfigurasi yang berbeda-beda. Pada gambar 9.4 tampak rangkaian monostabil dari gerbang NAND dengan konfigurasi yang berbeda dengan sebelumnya. Misalnya mula-mula adalah stabil dalam keadaan 1. Ketika pulsa sempit 0 dikenakan pada masukan A, maka keluaran NAND-1 menjadi 1 dan melalui C2 memuat kedua masukan NAND-2 dalam keadaan 1. Hal ini menghasilkan keluaran pada NAND-2 menjadi 0 yang menjamin keluaran NAND-1 tetap 1 meskipun pulsa masukan telah berakhir. Sekarang C2 membuang muatan melalkui R2 dan dengan demikian kedua masukan NAND-2 menjadi 0. Keadaan ini membuat kelluran NAND-2 menjadi 1 dan keluaran NAND-1 menjadi1. Akhirnya rangkaian tersebut mencapai keadaan stabilnya lagi dengan masukan NAND-1 dalam keadaan 1 dan keluaran NAND-2 juga 1. Lama monostabil tersebut dalam keadaan tidak stabil ditentukan oleh nilai R2 dan C2.
2.     Multivibrator Astabil
Multivibrator astabil merupakan rangkaian yang keadaan pada keluarannya tidak stabilpada satu keadaan, tetapi berubah terus menerus dari keadaan 0 kekeadaan 1 berulang secara bergantian. Astabil bias digunakan sebagai osilator yang menghasilkan gelombang kotak (square). Masalah yang biasa dihadapi adalah menyangkut kestabilan frekuensi keluaran Astabil. Astabil banyak digunakan dalam rangkaian digital untuk membangkitkan rentetan gelombang kotak untuk keperluan pendetakan(clock). Rangkaian digital seperti pencacah, register, dan lain lain mutlak memerlukan gelombang kotak yang dapat diandalkan.
Ada banyak cara untuk menyusun rangkain Astabil dengan gerbang logika. Sebagai contoh pada gambar disajikan rangkaian Astabil dari gerbang logika NAND yang dilengkapi dengan resistor R dan kapasitor C sebagai penentu frekuensi.Mula-mula masukan NAND-1 yaitu titik A=0, maka titik B=1 dan titik D=0. Oleh karena itu B=1 dan A=0, maka tegangan B lebih tinggi dari pada A dan arus mengalir dari B ke A melalui R. akibatnya kapasitor C akan terisi dan tegangannya naik sedikit demi sedikit hingga menuju 1. Pada saat A=1, maka B berubah dari 1 ke 0. Keadaan sekarang menjadi terbalik dari sebelumnya. Karena B=0 dan A=1, maka arus mengalir dari A ke B melalui R sedemikian hingga tegangan A turun sedikit demi sedikit. Ketika A=0 maka B berubah dari 0 ke 1 lagi. Demikian seterusnya, peristiwa tersebut terjadi secara berulang sehingga timbul osilasi. Gerbang NAND-3 dan NAND-4 berfungsi sebagai pembentuk gelombang kotak.

1. 1.      PICU SCHMITT (SCHMITT TRIGGER)

Picu Schmitt sebenarnya merupakan rangkaian bistabil (flip-flop) yang keadaan keluarannya dikendalikan melalui tingkat tegangan pada masukannya.  Picu Schmitt sering digunakan untuk mengubah masukan gelombang sinus menjadi gelombang kotak.  Gelombang kotak tersebut dapat menyediakan pulsa pemicu yang tajam untuk mengendalikan rangkaian lain.  Picu Schmitt sangat baik untuk pembentukan kembali pulsa-pulsa yang cacat pada tepi-tepinya, atau dengan kata lain Picu Schmitt sangat handal untuk penghapusan desah (noise) yang menumpang pada suatu isyarat.
Rangkaian Picu Schmitt dapat dibuat dengan menggunakan gerbang logika NAND tiga masukan sejumlah tiga buah, dan dua diantara tiga tersebut dirangkai untuk membuat bistabil.  Rangkaian Picu Schmitt seutuhnya dapat diperhatikan pada gambar di bawah ini:
Suatu bentuk rangkaian astabil yang sederhana dapat dibuat dengan menggunakan Picu Schmitt.  Sebagai contoh astabil dari PicuSchmitt 7413 atau 7411 dapat dilihat pada gambar

Jika masukan NAND-1 yaitu A=0 maka titik B=1 dan arus akan mengalir dari B ke A melalui R.  Akibatnya keadaan A menjadi naik menuju 1.  Jika A=1, maka B akan berubah dari 1 ke 0 dan arus mengalir dari A ke B melalui R.  Demikian seterusnya proses tersebut terjadi berulang-ulang.  Jika diperhatikan dengan seksama, keadan Q selalu berkebalikan dengan keadaan B, artinya jika B=0, maka Q=1 dan jika B=1, maka Q=0.  Ternyata frekuensi keluaran astabil yang tersusun dari Picu Schmitt dapat diandalkan kestabilannya.
Picu Schmitt bersifat sebagai komparator yang memiliki dua tingkat tegangan pada masukannya.  Bila tingkat tegangan itu dilampaui oleh suatu isyarat masukan maka keluarannya akan mengalami perubahan keadaan.  Untuk lebih jelasnya, perhatikan gambar 9.11.  V+ adalah tegangan ambang atas dan V- menyatakan tegangan ambang bawah.  Jika tegangan masukan Vi>V- maka keadaan keluarannya menjadi tinggi, dan jika Vi<V+ maka keadaan keluarannya menjadi rendah. Karena ambang atas dan bawah tidak sama mengakibatkan Picu Schmitt mempunyai histerisis.  Kurva histerisisnya tampak pada gambar
Histerisis inilah yang menjadi cirri khas Picu Schmitt yaitu bahwa rangkaian tidak segera menyambung balik sesudah isyarat masukan turun tepat di bawah suatu tegangan ambang (atas) tetapi pada tingkat tegangan yang jauh lebih rendah (pada ambang bawah).  Lambang Picu Schmitt dengan histerisis sebagai cirri khasnya tampak pada gambar
Cara lain untuk membangun raangkaian Picu Schmitt adalah menggnakan suatu penyangga (buffer) seperti CD-4050 dengan memasang balikan positif seperti tampak pada gambar

Secara praktis harga-harga ambang atas dan bawah dapat dinyatakan sebagai