[MENUJU AKHIR]

Chapter 11.19 (Cascading Binary Counters)

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Ringkasan

6. Soal Latihan

7. Percobaan

8. Download File

1. Pendahuluan (kembali)

Dalam ranah elektronika digital, pencacah (counter) merupakan komponen dasar yang esensial, berfungsi untuk menghitung pulsa clock dan menghasilkan serangkaian nilai biner spesifik. Akan tetapi, kapasitas hitung sebuah sirkuit terintegrasi (IC) pencacah seringkali terbatas. Guna memperbesar kapasitas hitung atau menangani jumlah bit yang lebih banyak, beberapa pencacah dapat diinterkoneksikan secara bertingkat, suatu metode yang dikenal sebagai cascading. Pada susunan multistage UP counter, sinyal clock diaplikasikan pada input clock pencacah level terendah. Selanjutnya, output terminal count up (TCU) atau carry-out (Co) dari setiap tahap pencacah berfungsi sebagai pemicu clock bagi tahap pencacah dengan orde lebih tinggi berikutnya.

Setelah pencacah menghasilkan urutan biner, seringkali timbul kebutuhan untuk menginterpretasikan atau "mendekode" kondisi biner tersebut menjadi sinyal-sinyal diskrit yang lebih mudah dipahami atau dapat digunakan untuk mengendalikan perangkat eksternal, seperti LED atau layar tampilan. Pada titik inilah peran decoder menjadi sangat penting. IC 74154 adalah representasi dari decoder 4-to-16 line decoder, yang memiliki kemampuan untuk mentransformasi input biner 4-bit menjadi salah satu dari 16 sinyal output diskrit. Percobaan ini bertujuan untuk menginvestigasi bagaimana IC 74154 beroperasi dalam kerangka sistem pencacah yang di-cascading, dengan menyoroti prinsip dekode kondisi biner dari pencacah multitingkat.

2. Tujuan (kembali)

Tujuan Percobaan

1. Memahami prinsip dasar cascading binary counters untuk mencapai modulus hitung yang lebih besar.

2. Mempelajari fungsi dan karakteristik operasional IC 74154 sebagai decoder 4-to-16 line decoder.

3. Mengamati bagaimana IC 74154 mendekode input biner 4-bit (yang diasumsikan berasal dari output pencacah) menjadi 16 sinyal output diskrit.

4. Menganalisis hubungan antara kombinasi bit input pada decoder dengan output aktif yang dihasilkan, memverifikasi tabel kebenaran 74154.

3. Alat dan Bahan (kembali)

1. Logic State

Logic state atau keadaan logika adalah istilah dalam elektronika digital yang mengacu pada kondisi atau nilai logika dari suatu sinyal dalam sistem digital. Sistem digital bekerja berdasarkan dua level tegangan utama yang merepresentasikan dua keadaan logika, yaitu:

1. Logic LOW (0)

• Disebut juga logika nol atau logika rendah

• Biasanya diwakili oleh tegangan rendah, contohnya:

  • 0 Volt dalam sistem TTL (Transistor-Transistor Logic)

  • Tegangan antara 0–0.8V tergantung pada jenis logika

• Diartikan sebagai bilangan biner 0

2. Logic HIGH (1)

• Disebut juga logika satu atau logika tinggi

• Biasanya diwakili oleh tegangan tinggi, contohnya:

  • +5 Volt dalam sistem TTL

  • Bisa juga +3.3V atau lainnya dalam sistem CMOS modern

• Diartikan sebagai bilangan biner 1

2. And Gate

AND gate adalah salah satu gerbang logika dasar dalam sistem digital yang menghasilkan output bernilai logika tinggi (1) hanya jika semua input-nya juga bernilai tinggi (1). Jika salah satu atau semua input bernilai rendah (0), maka output-nya akan rendah (0).

3. Or Gate

OR gate adalah salah satu gerbang logika dasar dalam sistem digital yang menghasilkan output logika tinggi (1) jika salah satu atau lebih input-nya bernilai tinggi (1). Output hanya akan rendah (0) jika semua input bernilai rendah (0).

4. Not Gate

NOT gate, atau disebut juga inverter, adalah gerbang logika dasar yang berfungsi untuk membalikkan keadaan logika dari input-nya. Jika input bernilai 1 (HIGH), maka output-nya akan menjadi 0 (LOW), dan sebaliknya.

5. Logic Probe

Logic probe adalah alat elektronik yang digunakan untuk mendeteksi dan menampilkan status logika (HIGH atau LOW) dari sinyal digital pada suatu rangkaian. Alat ini sangat berguna dalam perbaikan, pengujian, dan analisis rangkaian digital, karena memberikan informasi instan mengenai keadaan logika dari sebuah titik pengujian.

4. Dasar Teori (kembali)

1. Pencacah Biner (Binary Counters) 

Pencacah biner adalah rangkaian sekuensial yang dirancang untuk menghitung dalam urutan biner. Mereka umumnya dibangun menggunakan flip-flop dan dapat diklasifikasikan menjadi pencacah asinkron (ripple counter) atau pencacah sinkron (synchronous counter), tergantung pada bagaimana flip-flop dipicu oleh sinyal clock. Output dari pencacah adalah representasi biner dari jumlah pulsa clock yang telah diterima.

2. Prinsip Cascading Pencacah (Multistage Counters) 

Untuk mencapai modulus hitung (jumlah keadaan unik) yang melebihi kapasitas satu IC pencacah tunggal (misalnya, untuk menghitung hingga lebih dari 15 dengan pencacah 4-bit), beberapa IC pencacah dapat dihubungkan secara bertingkat, yang dikenal sebagai teknik cascading. Dalam konfigurasi multistage UP counter, sinyal clock eksternal diterapkan ke input clock dari pencacah tingkat terendah (Least Significant Counter). Output Terminal Count UP (TCU), atau disebut juga Carry-Out (Co), dari pencacah tingkat rendah ini, yang aktif ketika pencacah mencapai nilai maksimumnya, kemudian dihubungkan ke input clock dari pencacah tingkat berikutnya yang lebih tinggi (Most Significant Counter). Mekanisme ini memungkinkan hitungan berlanjut ke bit-bit yang lebih tinggi, sehingga secara efektif memperluas kemampuan hitung sistem secara keseluruhan.

3. IC 74154 (4-to-16 Line Decoder) 

IC 74154 adalah sebuah decoder biner 4-to-16 line decoder. Ini berarti IC ini menerima 4 input biner (A, B, C, D) dan akan mengaktifkan salah satu dari 16 outputnya (0 hingga 15). Output dari 74154 umumnya bersifat aktif-LOW, yang berarti output yang dipilih akan bernilai '0' (LOW) sementara output lainnya tetap bernilai '1' (HIGH). Input A merupakan LSB (Least Significant Bit) dan input D merupakan MSB (Most Significant Bit). Selain input data, IC 74154 juga memiliki dua input Enable (E1 dan E2) yang keduanya harus berlogika LOW agar decoder dapat beroperasi. Jika salah satu atau kedua input enable berlogika HIGH, semua output akan menjadi HIGH (tidak aktif). Dalam konteks sistem pencacah, input A, B, C, D dari 74154 biasanya dihubungkan ke output biner dari pencacah (misalnya Q0, Q1, Q2, Q3 dari pencacah 4-bit atau dari tahap akhir pencacah yang di-cascaded).

4. Peran Decoder dalam Sistem Pencacah 

Dalam sistem pencacah, decoder seperti 74154 berperan penting untuk mengonversi keadaan biner yang kompleks (misalnya, 0101) menjadi sinyal diskrit yang secara spesifik mengindikasikan keadaan tertentu (misalnya, mengaktifkan output ke-5). Fungsi ini memungkinkan desainer untuk memicu aksi spesifik untuk setiap keadaan counter, seperti menyalakan LED, memulai proses lain, atau mengaktifkan segmen pada tampilan digital.

5. Ringkasan (kembali)

Rangkaian ini menggambarkan bagaimana sebuah decoder 4-to-16 line IC 74154 digunakan untuk menginterpretasikan keadaan biner dari sebuah sistem pencacah, khususnya yang berpotensi disusun secara multistage atau cascaded untuk memperluas kemampuan hitungnya. Prinsip cascading memungkinkan pencacah untuk menghitung modulus yang lebih besar dengan menghubungkan output carry dari tahap sebelumnya sebagai clock untuk tahap berikutnya. Sementara itu, IC 74154 berfungsi sebagai penerjemah, mengubah kombinasi 4-bit biner dari counter menjadi sinyal diskrit tunggal yang aktif untuk setiap keadaan. Ini memungkinkan identifikasi dan penggunaan yang jelas dari setiap keadaan counter yang dihasilkan, menjadikannya komponen vital dalam sistem kontrol dan tampilan berbasis hitungan digital.

6. Soal Latihan (kembali)

A. Example 

Contoh Operasi Dekode dengan IC 74154:

Misalkan kita memiliki sebuah pencacah 4-bit yang outputnya terhubung ke input IC 74154 (dimana D adalah MSB dan A adalah LSB), dan input enable (E1 & E2) IC 74154 aktif LOW.

Skenario 1: Pencacah berada pada keadaan biner 0101.

• Input ke 74154: D=0, C=1, B=0, A=1.

• Berdasarkan tabel fungsional decoder (mirip Tabel 11.6 yang menjelaskan decoder BCD ke desimal, di mana ini adalah decoder 4-to-16), kombinasi input 0101 (desimal 5) akan mengaktifkan output nomor 5.

• Karena 74154 memiliki output aktif-LOW, maka output pin 5 akan berlogika LOW, sementara semua output lainnya (0, 1, 2, 3, 4, 6, ..., 15) akan berlogika HIGH.

Skenario 2: Pencacah bertransisi dari keadaan 1000 ke 1001.

• Keadaan Awal (1000):

  • Input ke 74154: D=1, C=0, B=0, A=0.

  • Output yang aktif (LOW) pada 74154 adalah pin 8.

• Keadaan Akhir (1001):

  • Input ke 74154: D=1, C=0, B=0, A=1.

  • Output yang aktif (LOW) pada 74154 adalah pin 9.

• Selama transisi ini, diharapkan output pin 8 akan menjadi HIGH (tidak aktif) dan output pin 9 akan menjadi LOW (aktif). Tidak ada glitch yang diharapkan pada dekode ini karena hanya satu bit (A) yang berubah dan tidak ada ripple effect yang signifikan yang melibatkan bit lain dari MSB yang akan menyebabkan keadaan transien tidak valid pada input decoder dalam kasus ini.

B. Problem 

Problem Soal: Analisis Sistem Pencacah Bertingkat dengan Dekoder 74154

Anda diminta untuk merancang sebuah sistem penghitung yang dapat menghitung hingga 15 dan menampilkan status hitungannya melalui 16 LED, di mana setiap LED mewakili satu keadaan desimal (0-15). Anda menggunakan satu IC 74154 sebagai dekoder.

Pertanyaan:

a. Jika Anda menggunakan ripple counter 4-bit sebagai sumber input untuk 74154, jelaskan bagaimana output dari flip-flop pada ripple counter akan dihubungkan ke input A, B, C, D dari 74154 agar hitungan sesuai dengan output dekoder. 

b. Asumsikan ripple counter yang Anda gunakan memiliki potensi glitches pada outputnya saat transisi tertentu. Jelaskan mengapa glitches ini akan memengaruhi output dekoder 74154 dan bagaimana dampaknya pada LED yang terhubung. 

c. Jika Anda mengamati LED yang berkedip secara tidak teratur saat counter berpindah dari 0111 (desimal 7) ke 1000 (desimal 8), jelaskan mengapa transisi ini sangat rentan terhadap glitches dan bagaimana 74154 akan merespons glitch tersebut.

Jawaban 

a. Hubungan Output Ripple Counter ke Input 74154: 

Output flip-flop dari ripple counter 4-bit (misalnya Q0, Q1, Q2, Q3) akan dihubungkan ke input 74154 sesuai dengan signifikansinya. 

Output Q0 (LSB dari counter) dihubungkan ke input A (LSB dari 74154).

Output Q1 dihubungkan ke input B.

Output Q2 dihubungkan ke input C. 

Output Q3 (MSB dari counter) dihubungkan ke input D (MSB dari 74154). Dengan konfigurasi ini, kombinasi biner pada output counter (Q3Q2Q1Q0) akan secara langsung diterjemahkan oleh 74154 ke output desimal yang sesuai.

b. Dampak Glitches pada Dekoder 74154 dan LED: Glitches pada output ripple counter terjadi karena penundaan propagasi kumulatif flip-flop. Ketika counter bertransisi, terutama pada transisi yang melibatkan perubahan banyak bit (misalnya dari 0111 ke 1000), ada momen-momen singkat di mana kombinasi input ke 74154 (D, C, B, A) tidak merepresentasikan keadaan hitungan yang valid atau stabil. 

 Jika decoder 74154 aktif selama kondisi transien ini, ia akan mendeteksi kombinasi input yang salah secara sesaat dan mengaktifkan output yang tidak seharusnya. 

Dampak pada LED: LED yang terhubung ke output decoder akan berkedip secara acak atau menyala sesaat (spikes) pada LED yang tidak sesuai dengan keadaan counter yang sebenarnya. Ini akan menghasilkan tampilan yang tidak akurat atau "noise" visual pada LED, membuat hitungan sulit dibaca atau menyebabkan kesalahan jika LED tersebut mengontrol fungsi lain.

c. Kerentanan Transisi 0111 ke 1000 terhadap Glitches dan Respons 74154:  

Kerentanan: Transisi dari 0111 (desimal 7) ke 1000 (desimal 8) sangat rentan terhadap glitches karena ini adalah transisi di mana semua bit harus berubah (0111 $\to$ 1000). Dalam ripple counter, Q0 akan berubah duluan, lalu Q1, lalu Q2, lalu Q3, masing-masing dengan penundaan propagasi. Selama perubahan berantai ini, akan ada banyak keadaan transien yang tidak valid (misalnya 0110, 0100, dll.) yang dilewati sesaat sebelum mencapai 1000 yang stabil. 

Respons 74154: Selama counter melewati keadaan-keadaan transien ini (misalnya 0110, 0100, 0000, dan sebagainya, tergantung pada kecepatan flip-flop), IC 74154 akan mendeteksi dan mengaktifkan output yang sesuai dengan kombinasi transien tersebut secara singkat. Ini akan menyebabkan LED yang terhubung ke output-output transien tersebut berkedip sesaat secara acak sebelum LED yang benar (LED 8) menyala stabil.

C. Soal Pilihan Ganda

Soal 1: 

Dalam sebuah multistage UP counter, apa fungsi utama dari output Terminal Count UP (TCU) atau Carry-Out (Co) dari pencacah tahap rendah? 

a) Untuk mereset pencacah tahap rendah. 

b) Untuk menyediakan input data ke pencacah tahap lebih tinggi. 

c) Untuk memicu input clock pencacah tahap lebih tinggi. 

d) Untuk mengaktifkan gerbang dekode.

Jawaban: c) Untuk memicu input clock pencacah tahap lebih tinggi.

Soal 2: 

IC 74154 adalah decoder 4-to-16. Jika input binernya adalah D=1, C=1, B=0, A=0, output pin mana pada 74154 yang akan berlogika LOW (aktif) jika input enable sudah aktif? 

a) Pin 4 

b) Pin 6 

c) Pin 8 

d) Pin 12

Jawaban: d) Pin 12  

Rasional: Input biner DCBA = 1100. Jika diubah ke desimal, $1\times 2^3+1\times 2^2+0\times 2^1+0\times 2^0=8+4+0+0=12$. Jadi, output pin 12 akan aktif.

Soal 3: 

Apa yang akan terjadi pada semua output IC 74154 jika salah satu dari input Enable (E1 atau E2) berada dalam kondisi HIGH? 

a) Hanya output yang sesuai dengan input biner yang akan aktif. 

b) Semua output akan berlogika LOW. 

c) Semua output akan berlogika HIGH. 

d) IC akan rusak karena kondisi tidak valid.

Jawaban: c) Semua output akan berlogika HIGH. 

Rasional: Berdasarkan spesifikasi IC 74154, input enable (E1 dan E2) harus berlogika LOW agar decoder dapat beroperasi. Jika salah satu atau keduanya HIGH, decoder akan dinonaktifkan, dan semua outputnya akan berada pada keadaan tidak aktif (HIGH).

7. Percobaan (kembali)

A. Langkah-langkah Percobaan

A. Siapkan Komponen di Proteus:

1. Cari dan tempatkan IC: 74LS76 (2 buah) dan 74LS154 (1 buah).

2. Tambahkan sumber clock: CLOCK (dari Mode Generator).

3. Tambahkan indikator: LED-RED (2 buah untuk pencacah), LED-BLUE (16 buah untuk dekoder), dan RES (Resistor) untuk setiap LED.

4. Tambahkan instrumen: OSCILLOSCOPE.

B. Buat Rangkaian:

1. Pencacah MOD-4 (Ripple Counter):

   • Hubungkan J dan K dari kedua 74LS76 ke POWER.

   • Hubungkan CLOCK ke input clock 74LS76 pertama (U1:A).

   • Hubungkan output Q dari U1:A ke input clock 74LS76 kedua (U1:B).

   • Pasang LED (dengan resistor) pada output Q dari U1:A (Q0) dan Q dari U1:B (Q1) untuk melihat hitungan biner.

   • Hubungkan pin Clear (CLR) dan Preset (PR) ke POWER.

2. Dekoder 74LS154:

   • Hubungkan input A dari 74LS154 ke Q0 dari pencacah.

   • Hubungkan input B dari 74LS154 ke Q1 dari pencacah.

   • Hubungkan input C dan D dari 74LS154 ke GROUND.

   • Hubungkan kedua input Enable (E1 dan E2) dari 74LS154 ke GROUND.

   • Pasang 16 LED (dengan resistor) ke 16 output 74LS154 (pin 1-17 kecuali pin non-output). Ingat, outputnya aktif-LOW (LED katoda ke output 74LS154, anoda ke VCC melalui resistor).

C. Lakukan Pengujian (Simulasi):

1. Jalankan Simulasi: Klik tombol "Play" di Proteus.

2. Amati Hitungan:

   • Atur frekuensi CLOCK rendah (misal 1 Hz).

   • Perhatikan LED Q0 dan Q1, serta LED output 74LS154. Pastikan LED menyala sesuai urutan hitungan (0, 1, 2, 3).

3. Cari Glitches:

   • Hentikan simulasi. Ubah frekuensi CLOCK menjadi tinggi (misal 1 kHz).

   • Letakkan OSCILLOSCOPE:

     • Probe A ke output Q0 (pencacah).

     • Probe B ke output Q1 (pencacah).

     • Probe C ke output 74LS154 pin 0 (yang terhubung ke LED 0).

   • Jalankan simulasi kembali. Amati waveform pada OSCILLOSCOPE. Cari pulsa-pulsa pendek (glitches) pada Probe C saat ada transisi hitungan, terutama dari 01 ke 10.

4. (Opsional) Uji Strobe:

   • Jika Anda punya rangkaian strobe (misal pakai gerbang AND yang diberi penundaan), hubungkan output strobe itu ke salah satu pin Enable 74LS154. Ulangi langkah 3 dan lihat apakah glitches berkurang.

B. Rangkaian Simulasi

Fig. 11.19

C. Prinsip Kerja

Rangkaian ini, meskipun hanya menampilkan decoder 74154 secara parsial dalam konteks cascading, secara konseptual bekerja sebagai berikut:

1. Pencacah (Diasumsikan ada): Sebuah sistem multistage UP counter (misalnya, dua pencacah 4-bit yang di-cascading untuk membentuk pencacah 8-bit, atau satu pencacah 4-bit yang dihubungkan ke 74154) akan menerima pulsa clock pada tahap terendahnya. Setiap kali clock berdetak, pencacah akan menghitung naik (UP mode), mengubah kombinasi biner pada outputnya.

2. Cascading (Konseptual): Output Terminal Count Up (TCU) dari setiap tahap pencacah yang lebih rendah akan berfungsi sebagai input clock untuk tahap pencacah yang lebih tinggi, memungkinkan keseluruhan sistem menghitung hingga modulus maksimum yang diinginkan.

3. Input ke Decoder 74154: Empat output biner dari pencacah (misalnya, Q0, Q1, Q2, Q3 dari tahap pencacah yang relevan) akan dihubungkan sebagai input A, B, C, D ke IC 74154. Input ini merepresentasikan keadaan biner counter saat itu.

4. Aktivasi Enable: Pin Enable (E1 dan E2) pada 74154 harus berada pada kondisi aktif (LOW) agar decoder dapat berfungsi. Jika mereka aktif, decoder siap merespons input.

5. Proses Dekode: Setiap kali kombinasi biner pada input A, B, C, D berubah (sesuai dengan keadaan counter), IC 74154 akan secara otomatis mendeteksi kombinasi tersebut.

6. Output Diskret: Hanya satu dari 16 output (0 hingga 15) dari 74154 yang akan menjadi aktif (LOW) pada satu waktu, yang secara langsung berkorelasi dengan nilai desimal dari input biner yang diterima. Misalnya, jika input A B C D adalah 0101 (desimal 5), maka output 5 akan menjadi LOW, sementara output lainnya tetap HIGH.

7. Interpretasi Keadaan: Output diskrit ini kemudian dapat digunakan untuk mengaktifkan indikator (seperti LED) atau memicu tindakan kontrol yang berbeda untuk setiap keadaan unik dari pencacah.

8. Download File (kembali)

Rangkaian 11.19 (disini)

Data Sheet IC 74151 (disini)

Data Sheet IC 4 to 1 MUX (disini)

Data Sheet Gerbang NOT (disini)

Data Sheet Gerbang Logic State (disini)

Data Sheet Gerbang Logic Probe (disini)

[MENUJU AWAL]