Mengenal Multivibrator
Multivibrator adalah rangkaian logika sekuensial yang beroperasi terus-menerus antara dua keadaan HIGH dan LOW yang berbeda. Masing-masing rangkaian Logika Sekuensial dapat digunakan untuk membangun rangkaian yang lebih kompleks seperti Multivibrator, Counter, Register Geser, Kait (Latch) dan Memori.
Tetapi untuk tipe rangkaian ini beroperasi dengan cara “sekuensial”, mereka memerlukan penambahan pulsa clock atau sinyal timing untuk membuat mereka mengubah keadaan mereka. Pulsa clock pada umumnya berbentuk gelombang kontinu berbentuk persegi atau persegi panjang yang dihasilkan oleh rangkaian generator pulsa tunggal seperti Multivibrator.
Sebuah rangkaian multivibrator berosilasi antara keadaan “HIGH” dan “LOW” keadaan menghasilkan output yang berkesinambungan. Multivibrator Astabil umumnya memiliki siklus kerja bahkan 50%, yaitu bahwa 50% dari waktu siklus output adalah "HIGH" dan 50% sisanya dari waktu siklus output adalah "OFF". Dengan kata lain, siklus kerja untuk pulsa pengaturan waktu astabil adalah 1:1.
Rangkaian logika sekuensial yang menggunakan sinyal clock untuk sinkronisasi tergantung pada frekuensi dan dan lebar pulsa clock untuk mengaktifkan aksi switching di sana. Rangkaian sekuensial juga dapat mengubah keadaannya pada sisi naik atau turun, atau kedua sinyal clock aktual seperti yang telah kita lihat sebelumnya dengan rangkaian flip-flop dasar. Daftar berikut adalah istilah yang terkait dengan pulsa waktu atau bentuk gelombang.
Pada dasarnya ada tiga jenis rangkaian penghasil pulsa:
Rangkaian pengatur waktu (timing) ini sering digunakan karena kesederhanaannya dan juga berguna jika rangkaian logika dirancang yang memiliki gerbang yang tidak terpakai yang dapat digunakan untuk membuat osilator Monostabil atau Astabil. Jenis sederhana dari jaringan Osilator RC ini kadang-kadang disebut “Relaksasi Osilator”.
Sinyal pulsa pemicu (trigger) ini memulai siklus timing yang menyebabkan output dari kondisi Monostabil berubah pada awal siklus timing, ( t1 ) dan tetap dalam kondisi kedua ini hingga akhir periode timing, ( t2 ) yang merupakan ditentukan oleh konstanta waktu dari kapasitor timing, CT dan resistor timing, RT.
Multivibrator Monostabil sekarang tetap dalam keadaan timing kedua ini sampai akhir waktu RC konstan dan secara otomatis me-reset atau mengembalikan dirinya kembali ke keadaan semula (stabil). Kemudian, rangkaian Monostabil hanya memiliki satu keadaan stabil. Nama yang lebih umum untuk tipe rangkaian ini hanyalah "Flip-Flop" karena dapat dibuat dari dua gerbang NAND yang berpasangan silang (atau gerbang NOR ) seperti yang telah kita lihat sebelumnya. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.
Misalkan pada awalnya input pemicu T dipegang HIGH pada level logika "1" oleh resistor R1 sehingga output dari gerbang NAND pertama U1 adalah LOW pada tingkat logika "0", (prinsip gerbang NAND). resistor timing, RT terhubung ke tingkat tegangan sama dengan tingkat logika “0”, yang akan menyebabkan kapasitor, CT untuk dilepas (discharge). Output dari U1 adalah LOW, kapasitor timing CT benar-benar discharge karena persimpangan V1 juga sama dengan “0” menghasilkan output dari kedua gerbang NAND U2, yang dihubungkan sebagai gerbang NOT inverting karena itu akan HIGH.
Output dari gerbang NAND kedua, ( U2 ) diumpankan kembali ke satu input U1 untuk memberikan umpan balik positif yang diperlukan. Sejak persimpangan V1 dan output dari U1 keduanya di logika “0” tidak ada arus mengalir dalam kapasitor CT. Ini menghasilkan rangkaian menjadi Stabil dan akan tetap dalam keadaan ini sampai input T memicu perubahan.
Jika pulsa negatif sekarang diterapkan baik secara eksternal atau dengan aksi tombol tekan ke input pemicu gerbang NAND U1, output U1 akan menjadi HIGH ke logika “1” (prinsip gerbang NAND).
Karena tegangan melintasi kapasitor tidak dapat berubah secara instan (prinsip pengisian kapasitor) ini akan menyebabkan persimpangan di V1 dan juga input ke U2 juga menjadi HIGH, yang pada gilirannya akan membuat output dari gerbang NAND U2 berubah LOW ke logika “0 ”rangkaian sekarang akan tetap dalam keadaan kedua ini bahkan jika pulsa input pemicu T dihapus. Ini dikenal sebagai kondisi Meta-stabil.
Tegangan melintasi kapasitor sekarang akan meningkat sebagai kapasitor CT mulai mengisi (charge) dari output U1 pada waktu yang konstan ditentukan oleh kombinasi resistor/kapasitor. Proses pengisian ini berlanjut hingga arus pengisian tidak dapat menahan input U2 dan oleh karena itu persimpangan V1 HIGH.
Kemudian frekuensi output dihitung sebagai 1kHz, yang sama dengan konstanta waktu 1ms sehingga bentuk gelombang output akan terlihat seperti:
Tetapi untuk tipe rangkaian ini beroperasi dengan cara “sekuensial”, mereka memerlukan penambahan pulsa clock atau sinyal timing untuk membuat mereka mengubah keadaan mereka. Pulsa clock pada umumnya berbentuk gelombang kontinu berbentuk persegi atau persegi panjang yang dihasilkan oleh rangkaian generator pulsa tunggal seperti Multivibrator.
Sebuah rangkaian multivibrator berosilasi antara keadaan “HIGH” dan “LOW” keadaan menghasilkan output yang berkesinambungan. Multivibrator Astabil umumnya memiliki siklus kerja bahkan 50%, yaitu bahwa 50% dari waktu siklus output adalah "HIGH" dan 50% sisanya dari waktu siklus output adalah "OFF". Dengan kata lain, siklus kerja untuk pulsa pengaturan waktu astabil adalah 1:1.
Rangkaian logika sekuensial yang menggunakan sinyal clock untuk sinkronisasi tergantung pada frekuensi dan dan lebar pulsa clock untuk mengaktifkan aksi switching di sana. Rangkaian sekuensial juga dapat mengubah keadaannya pada sisi naik atau turun, atau kedua sinyal clock aktual seperti yang telah kita lihat sebelumnya dengan rangkaian flip-flop dasar. Daftar berikut adalah istilah yang terkait dengan pulsa waktu atau bentuk gelombang.
- Aktif HIGH - jika perubahan status terjadi dari "LOW" ke "HIGH" di tepi pulsa clock naik pada turun (falling) lebar clock.
- Aktif LOW - jika perubahan status terjadi dari "HIGH" ke "LOW" di tepi turun pulsa clock. Siklus Kerja - ini adalah rasio lebar clock terhadap periode clock.
- Lebar Clock - ini adalah waktu di mana nilai sinyal clock sama dengan logika "1", atau HIGH.
- Periode Clock - ini adalah waktu antara transisi yang sekuensial dalam arah yang sama, yaitu antara dua sisi naik atau turun.
- Frekuensi Clock - frekuensi clock adalah kebalikan dari periode clock, frekuensi = 1/periode clock. (ƒ = 1/T)
Pada dasarnya ada tiga jenis rangkaian penghasil pulsa:
- Multivibrator Astabil - Multivibrator yang berjalan bebas yang TIDAK memiliki keadaan stabil tetapi berganti secara terus menerus antara dua keadaan, tindakan ini menghasilkan gelombang pulsa gelombang persegi pada frekuensi tetap.
- Multivibrator Monostabil - Multivibrator satu-shot yang hanya memiliki SATU keadaan stabil dan dipicu secara eksternal dengan itu kembali ke keadaan stabil pertama.
- Multivibrator Bistabil - Flip-flop yang memiliki DUA keadaan stabil yang menghasilkan satu pulsa baik nilainya positif atau negatif.
Rangkaian pengatur waktu (timing) ini sering digunakan karena kesederhanaannya dan juga berguna jika rangkaian logika dirancang yang memiliki gerbang yang tidak terpakai yang dapat digunakan untuk membuat osilator Monostabil atau Astabil. Jenis sederhana dari jaringan Osilator RC ini kadang-kadang disebut “Relaksasi Osilator”.
Rangkaian Multivibrator Monostabil
Multivibrator Monostabil atau generator pulsa "satu tembakan" umumnya digunakan untuk mengubah pulsa pulsa tajam pendek menjadi yang lebih luas untuk aplikasi pengaturan waktu (timing). Multivibrator Monostabil menghasilkan pulsa output tunggal, baik "HIGH" atau "LOW", ketika sinyal pemicu eksternal yang sesuai atau pulsa T diterapkan.Sinyal pulsa pemicu (trigger) ini memulai siklus timing yang menyebabkan output dari kondisi Monostabil berubah pada awal siklus timing, ( t1 ) dan tetap dalam kondisi kedua ini hingga akhir periode timing, ( t2 ) yang merupakan ditentukan oleh konstanta waktu dari kapasitor timing, CT dan resistor timing, RT.
Multivibrator Monostabil sekarang tetap dalam keadaan timing kedua ini sampai akhir waktu RC konstan dan secara otomatis me-reset atau mengembalikan dirinya kembali ke keadaan semula (stabil). Kemudian, rangkaian Monostabil hanya memiliki satu keadaan stabil. Nama yang lebih umum untuk tipe rangkaian ini hanyalah "Flip-Flop" karena dapat dibuat dari dua gerbang NAND yang berpasangan silang (atau gerbang NOR ) seperti yang telah kita lihat sebelumnya. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.
Rangkaian Multivibrator Monostabil Gerbang NAND Sederhana
Misalkan pada awalnya input pemicu T dipegang HIGH pada level logika "1" oleh resistor R1 sehingga output dari gerbang NAND pertama U1 adalah LOW pada tingkat logika "0", (prinsip gerbang NAND). resistor timing, RT terhubung ke tingkat tegangan sama dengan tingkat logika “0”, yang akan menyebabkan kapasitor, CT untuk dilepas (discharge). Output dari U1 adalah LOW, kapasitor timing CT benar-benar discharge karena persimpangan V1 juga sama dengan “0” menghasilkan output dari kedua gerbang NAND U2, yang dihubungkan sebagai gerbang NOT inverting karena itu akan HIGH.
Output dari gerbang NAND kedua, ( U2 ) diumpankan kembali ke satu input U1 untuk memberikan umpan balik positif yang diperlukan. Sejak persimpangan V1 dan output dari U1 keduanya di logika “0” tidak ada arus mengalir dalam kapasitor CT. Ini menghasilkan rangkaian menjadi Stabil dan akan tetap dalam keadaan ini sampai input T memicu perubahan.
Jika pulsa negatif sekarang diterapkan baik secara eksternal atau dengan aksi tombol tekan ke input pemicu gerbang NAND U1, output U1 akan menjadi HIGH ke logika “1” (prinsip gerbang NAND).
Karena tegangan melintasi kapasitor tidak dapat berubah secara instan (prinsip pengisian kapasitor) ini akan menyebabkan persimpangan di V1 dan juga input ke U2 juga menjadi HIGH, yang pada gilirannya akan membuat output dari gerbang NAND U2 berubah LOW ke logika “0 ”rangkaian sekarang akan tetap dalam keadaan kedua ini bahkan jika pulsa input pemicu T dihapus. Ini dikenal sebagai kondisi Meta-stabil.
Tegangan melintasi kapasitor sekarang akan meningkat sebagai kapasitor CT mulai mengisi (charge) dari output U1 pada waktu yang konstan ditentukan oleh kombinasi resistor/kapasitor. Proses pengisian ini berlanjut hingga arus pengisian tidak dapat menahan input U2 dan oleh karena itu persimpangan V1 HIGH.
Ketika ini terjadi, output dari U2 sakelar HIGH lagi, logika “1”, yang pada gilirannya menyebabkan output dari U1 untuk pergi LOW dan kapasitor dibuang ke output dari U1 bawah pengaruh resistor RT. rangkaian sekarang telah beralih kembali ke keadaan stabil semula.
Dengan demikian untuk setiap pulsa pemicu negatif, rangkaian multivibrator monostabil menghasilkan pulsa output yang LOW. Panjang periode waktu output ditentukan oleh kombinasi kapasitor/resistor ( Jaringan RC ) dan diberikan sebagai Time Constant T = 0.69RC dari rangkaian dalam hitungan detik. Karena impedansi input gerbang NAND sangat HIGH, periode waktu yang besar dapat dicapai.
Serta rangkaian tipe Monostabil gerbang NAND di atas, juga dimungkinkan untuk membangun rangkaian timing Monostabil sederhana yang memulai urutan waktu dari ujung-naik (rising-edge) pulsa pemicu menggunakan gerbang NOT, gerbang NAND dan gerbang NOR yang terhubung sebagai inverter seperti ditunjukkan di bawah ini.
Rangkaian Multivibrator Monostabil Gerbang NOT
Seperti halnya rangkaian gerbang NAND di atas, awalnya input pemicu/trigger T adalah HIGH pada level logika 1 sehingga output dari gerbang NOT pertama U1 adalah LOW pada level logika 0. resistor timing, RT dan kapasitor timing, CT terhubung bersama-sama secara paralel dan juga untuk input dari kedua gerbang NOT U2. Sebagai input ke U2 adalah LOW pada logika "0" outputnya pada Q adalah HIGH pada logika "1".
Ketika pulsa level logika "0" diterapkan pada input pemicu T dari gerbang NOT pertama itu berubah keadaan dan menghasilkan output level logika "1". Dioda D1 meneruskan level tegangan logika "1" ini ke jaringan timing RC. Tegangan melintasi kapasitor, CT meningkat dengan cepat ke level tegangan baru ini, yang juga terhubung ke input gerbang NOT kedua. Ini pada gilirannya menghasilkan logika "0" pada Q dan rangkaian tetap dalam kondisi Meta-stabil ini selama input trigger T yang diterapkan pada rangkaian tetap LOW.
Ketika sinyal pemicu (trigger) kembali HIGH, output dari gerbang NOT pertama menjadi LOW ke logika "0" (prinsip gerbang NOT) dan kapasitor yang terisi penuh, CT mulai melepaskan dirinya melalui resistor paralel, RT terhubung di atasnya. Ketika tegangan kapasitor turun di bawah nilai ambang batas yang lebih LOW dari input ke kedua gerbang NOT, output beralih kembali lagi menghasilkan tingkat logika “1” di Q. Dioda D1 mencegah kapasitor timing dari pemakaian sendiri kembali melalui output gerbang NOT pertama.
Kemudian, Konstanta Waktu untuk gerbang NOT Multivibrator Monostabil diberikan sebagai T = 0.8RC + Pemicu dalam hitungan detik. Satu kelemahan utama dari Multivibrator Monostabil adalah bahwa waktu antara penerapan pulsa pemicu berikutnya T harus lebih besar daripada konstanta waktu RC dari rangkaian.
Rangkaian Multivibrator Astabil
Multivibrator Astabil adalah jenis rangkaian multivibrator yang paling umum digunakan. Multivibrator astabil adalah Osilator berjalan bebas yang tidak memiliki status "meta" atau "stabil" yang permanen tetapi terus-menerus mengubah output dari satu kondisi (LOW) ke status lainnya (HIGH) dan kemudian kembali lagi.
Tindakan peralihan berkelanjutan ini dari "HIGH" ke "LOW" dan "LOW" ke "HIGH" menghasilkan output gelombang persegi yang kontinu dan stabil yang beralih secara tiba-tiba antara dua level logika sehingga ideal untuk aplikasi waktu dan pulsa clock.
Seperti halnya rangkaian multivibrator monostabil sebelumnya di atas, siklus waktu ditentukan oleh konstanta waktu RC dari resistor-kapasitor, Jaringan RC. Kemudian frekuensi output dapat divariasikan dengan mengubah nilai resistor dan kapasitor dalam rangkaian.
Rangkaian Multivibrator Astabil Gerbang NAND
Rangkaian multivibrator astabil menggunakan dua gerbang NOT CMOS seperti CD4069 atau 74HC04 hex inverter IC, atau seperti dalam rangkaian sederhana kami di bawah sepasang CMOS gerbang NAND seperti CD4011 atau 74LS132 dan jaringan timing RC. Dua gerbang NAND terhubung sebagai gerbang NOT inverting.
Misalkan pada awalnya output dari gerbang NAND U2 adalah HIGH pada level logika "1", maka input tersebut harus LOW pada level logika "0" (prinsip gerbang NAND) karena akan menjadi output dari gerbang NAND pertama U1. Kapasitor, C terhubung antara output dari gerbang NAND kedua U2 dan inputnya melalui resistor timing, R2. Kapasitor sekarang mengisi sampai pada tingkat yang ditentukan oleh konstanta waktu R2 dan C.
Sebagai kapasitor, C mengisi naik, persimpangan antara resistor R2 dan kapasitor, C, yang juga terhubung ke input gerbang NAND U1 melalui resistor penstabil, R2 berkurang hingga nilai ambang batas bawah U1 tercapai pada titik mana U1 berubah status dan output U1 sekarang menjadi HIGH. Ini menyebabkan gerbang NAND U2 juga mengubah keadaan karena inputnya kini telah berubah dari logika “0” menjadi logika “1” yang menghasilkan output gerbang NAND U2 menjadi LOW, level logika "0".
Kapasitor C sekarang reverse bias dan melepaskan dirinya sendiri melalui input gerbang NAND U1. Kapasitor, C mengisi lagi dalam arah yang berlawanan ditentukan oleh konstanta waktu baik R2 dan C seperti sebelumnya sampai mencapai nilai ambang atas gerbang NAND U1. Ini menyebabkan U1 mengubah status dan siklus berulang lagi.
Kemudian, waktu yang konstan untuk gerbang NAND Multivibrator Astabil diberikan sebagai T = 2.2RC dalam hitungan detik dengan frekuensi output diberikan sebagai ƒ = 1/T.
Sebagai contoh: jika resistor R2 = 10 kΩ dan kapasitor C = 45nF, frekuensi osilasi rangkaian akan diberikan sebagai:
Rangkaian Multivibrator Bistabil
Rangkaian Multivibrator Bistabil pada dasarnya adalah sebuah SR flip-flop yang kita lihat di tutorial sebelumnya dengan penambahan inverter atau gerbang NOT untuk menyediakan fungsi switching yang diperlukan. Seperti halnya flip-flop, kedua keadaan multivibrator Bistabil adalah stabil, dan rangkaian akan tetap dalam kondisi baik tanpa batas.
Jenis rangkaian multivibrator ini berpindah dari satu keadaan ke keadaan lain “hanya” ketika pulsa pemicu eksternal T yang sesuai diterapkan dan untuk melalui siklus “SET-RESET” penuh, dua pulsa pemicu diperlukan. Jenis rangkaian ini juga dikenal sebagai "Bistabil Latch", "Toggle Latch" atau cukup "T-latch".
Jenis rangkaian multivibrator ini berpindah dari satu keadaan ke keadaan lain “hanya” ketika pulsa pemicu eksternal T yang sesuai diterapkan dan untuk melalui siklus “SET-RESET” penuh, dua pulsa pemicu diperlukan. Jenis rangkaian ini juga dikenal sebagai "Bistabil Latch", "Toggle Latch" atau cukup "T-latch".
Rangkaian Multivibrator Bistabil Gerbang NAND
Cara paling sederhana untuk membuat Bistabil Latch adalah dengan menyambungkan sepasang Schmitt gerbang NAND untuk membentuk kait (latch) SR seperti yang ditunjukkan di atas. Dua gerbang NAND, U2 dan U3 membentuk Bistabil yang dipicu oleh gerbang input NAND, U1. Gerbang NAND U1 ini dapat dihilangkan dan diganti dengan sakelar toggle tunggal untuk membuat rangkaian sakelar debounce seperti yang terlihat sebelumnya dalam tutorial SR Flip-flop.
Ketika pulsa input menuju "LOW", Bistabil Latch ke dalam kondisi "SET", dengan output pada level logika 1, hingga input menuju "HIGH" menyebabkan Bistabil untuk mengunci ke status "RESET", dengan outputnya. pada level logika "0". Output dari multivibrator Bistabil akan tetap dalam status "RESET" ini sampai pulsa input lain diterapkan dan seluruh urutan akan mulai lagi.
Kemudian Bistabil Latch atau "Toggle Latch" adalah perangkat dua-keadaan di mana keduanya menyatakan positif atau negatif, (logika "1" atau logika "0") stabil.
Multivibrator Bistabil memiliki banyak aplikasi seperti pembagi frekuensi, counter atau sebagai perangkat penyimpanan dalam memori komputer tetapi mereka paling baik digunakan di rangkaian seperti kait (latch) dan Counter.
Rangkaian IC Timer 555
Multivibrator Monostabil atau Astabil yang sederhana sekarang dapat dengan mudah dibuat menggunakan IC generator bentuk gelombang standar yang tersedia secara umum khusus dirancang untuk membuat rangkaian timing dan osilator. Osilator relaksasi dapat dibangun hanya dengan menghubungkan beberapa komponen pasif ke pin input mereka dengan IC generator bentuk gelombang yang paling umum digunakan seperti timer 555 klasik.
555 Timer adalah IC timing biaya rendah yang sangat fleksibel yang dapat menghasilkan periode waktu yang sangat akurat dengan stabilitas yang baik sekitar 1% dan yang memiliki periode waktu variabel dari antara beberapa mikro-detik hingga berjam-jam dengan periode waktu dikontrol oleh jaringan RC tunggal terhubung ke supply positif tunggal antara 4.5 dan 16 volt.
Timer NE555 dan penggantinya, ICM7555, CMOS LM1455, DUAL NE556 dll, tercakup dalam tutorial 555 Osilator, jadi disini hanya disertakan untuk tujuan referensi sebagai generator pulsa clock. 555 yang tersambung sebagai Multivibrator Astabil ditampilkan di bawah ini.
Rangkaian Timer NE555 Multivibrator Astabil
Di sini, timer 555 dihubungkan sebagai Multivibrator Astabil dasar yang menghasilkan bentuk gelombang output berkelanjutan. Pin 2 dan 6 dihubungkan bersama sehingga akan memicu kembali dirinya sendiri pada setiap siklus waktu, dengan demikian berfungsi sebagai osilator Astabil. Kapasitor, C1 mengisi melalui resistor, R1 dan resistor, R2 tetapi hanya dibuang melalui resistor, R2 karena sisi lain dari R2 terhubung ke terminal pelepasan (discharge), pin 7. Kemudian periode waktu t1 dan t2 diberikan sebagai:
t1 = 0,693 (R1 + R2) C1
t2 = 0,693 (R2) C1
T = t1 + t2 = 0.693 (R1 + 2R2 ) C1
Tegangan melintasi kapasitor, C1 berkisar antara 1/3 Vcc hingga sekitar 2/3 Vcc tergantung pada periode waktu RC. Jenis rangkaian ini sangat stabil karena beroperasi dari rel supply tunggal yang menghasilkan frekuensi osilasi yang tidak tergantung pada tegangan supply Vcc.
Dalam tutorial selanjutnya tentang Rangkaian Logika Sekuensial, kita akan melihat jenis lain dari clock yang dikendalikan oleh flip-flop yang disebut Data Latch atau D Flip-flop.
Tipe D Flip-flop adalah rangkaian sekuensial yang sangat berguna yang dapat dibuat dari standar SR flip-flop yang terjaga keamanannya dan digunakan untuk pembagian frekuensi untuk menghasilkan berbagai penghitung riak, pembagi frekuensi, dan kait (latches).
Tipe D Flip-flop adalah rangkaian sekuensial yang sangat berguna yang dapat dibuat dari standar SR flip-flop yang terjaga keamanannya dan digunakan untuk pembagian frekuensi untuk menghasilkan berbagai penghitung riak, pembagi frekuensi, dan kait (latches).