FIGURE 10.17
1. Pendahuluan[kembali]
Dalam era digital seperti saat ini, sistem penunjuk waktu tidak hanya terbatas pada bentuk analog, tetapi juga berkembang menjadi bentuk digital yang lebih praktis dan presisi. Jam digital banyak digunakan dalam berbagai perangkat elektronik, mulai dari jam dinding, arloji, hingga sistem mikrokontroler berbasis waktu. Keunggulan jam digital terletak pada akurasi dan kemudahan pembacaan waktu karena menampilkan data secara langsung dalam format numerik. Untuk mencapai akurasi tersebut, jam digital memerlukan sistem pencacah (counter) dan sumber clock yang stabil sebagai dasar penghitungan waktu.
Salah satu metode paling umum untuk menghasilkan sistem jam digital yang akurat adalah dengan memanfaatkan sinyal frekuensi tetap, seperti sinyal dari osilator kristal atau frekuensi listrik AC. Sinyal tersebut kemudian diolah melalui rangkaian logika digital seperti Schmitt trigger dan counter sinkron, yang digunakan untuk membagi frekuensi secara bertahap hingga diperoleh pulsa berdurasi satu detik. Selanjutnya, pulsa ini digunakan sebagai pengatur waktu untuk menghitung detik, menit, dan jam. Dengan menggabungkan rangkaian counter seperti BCD dan MOD-6 secara berurutan, sistem dapat menampilkan waktu dari 00:00:00 hingga 23:59:59 secara akurat dan teratur.
2. Tujuan [kembali]
- Mengetahui konsep dasar jam digital
- Mengetahui prinsip kerja jam digital
- Mampu merancang dan menganalisis rangkaian jam digital
3. Alat dan Bahan [kembali]
B. Bahan
1. Seven Segment
Seven segment display adalah perangkat elektronik yang digunakan untuk menampilkan angka dan beberapa karakter lain seperti huruf (A-F). Terdiri dari 7 segmen LED yang disusun membentuk angka 8, dan dapat menampilkan berbagai angka desimal dan beberapa karakter lainnya. Terdapat dua jenis konfigurasi utama yaitu common anode dan common cathode.
2. IC 4026
IC 4026 adalah sirkuit terpadu (IC) yang berfungsi sebagai penghitung desimal (decade counter) dan juga sebagai dekoder untuk menampilkan angka pada layar tujuh segmen. IC ini banyak digunakan dalam berbagai aplikasi sistem digital, terutama untuk menampilkan hitungan angka pada tampilan tujuh segmen, seperti pada jam digital, penghitung jumlah orang, atau penghitung skor.
3. Gerbang AND
4. Ground
Ground berfungsi sebagai penghantar arus listrik langsung ke bumi atau tanah saat terjadi kebocoran isolasi atau percikan api pada konsleting.
5. Power Supply
Simbol di proteus
6. Resistor
4. Dasar Teori [kembali]
Jam digital merupakan salah satu aplikasi paling umum dari rangkaian pencacah (counter). Jam digital menampilkan waktu dalam satuan jam, menit, dan sering kali juga detik. Untuk dapat menampilkan waktu secara akurat, sistem jam digital memerlukan frekuensi dasar yang stabil dan terkontrol dengan baik sebagai sumber pengatur waktu.
Pada jam digital yang menggunakan sumber daya baterai, frekuensi dasar biasanya diperoleh dari osilator kristal kuarsa (quartz crystal oscillator) yang memiliki tingkat kestabilan tinggi. Sedangkan pada jam digital yang terhubung ke listrik AC, frekuensi dasar dapat diperoleh dari sinyal frekuensi AC (60 Hz atau 50 Hz tergantung wilayah). Frekuensi ini kemudian dibagi untuk menghasilkan sinyal dengan frekuensi 1 Hz atau 1 pulsa per detik (1 pulse per second / 1 pps).
Pada sistem berbasis frekuensi 60 Hz, sinyal pertama-tama dilewatkan melalui rangkaian Schmitt Trigger untuk membentuk gelombang kotak (square wave) yang stabil sebanyak 60 pulsa per detik (60 pps). Sinyal ini kemudian masuk ke counter MOD-60 untuk dibagi menjadi 1 pps, yang selanjutnya digunakan sebagai clock sinkron bagi semua tahapan counter.
Rangkaian jam digital umumnya terdiri atas tiga bagian utama:
Bagian detik (SECONDS)
Bagian ini terdiri dari counter BCD (Binary-Coded Decimal) yang menghitung dari 0 hingga 9, serta counter MOD-6 yang menghitung dari 0 hingga 5. Kombinasi kedua counter ini menghasilkan hitungan dari 00 hingga 59 detik. Setiap kali counter BCD mencapai nilai 9 dan kembali ke 0, sinyal terminal count (tc) mengaktifkan counter MOD-6 untuk naik satu nilai. Saat BCD menunjukkan 9 (1001) dan MOD-6 menunjukkan 5 (101), tampilan menunjukkan 59 detik. Pulsa berikutnya mengembalikan kedua counter ke 0 dan menghasilkan satu pulsa per menit (1 ppm).Bagian menit (MINUTES)
Bagian ini secara struktur identik dengan bagian detik dan bekerja dengan prinsip yang sama. Counter menghitung dari 00 hingga 59 menit. Output terminal count dari MOD-6 bagian menit menghasilkan satu pulsa per jam (1 pph), yang akan digunakan sebagai clock bagi bagian jam.Bagian jam (HOURS)
Bagian ini berbeda dari bagian detik dan menit karena menghitung jam dari 1 hingga 12 (tidak termasuk angka 0). Oleh karena itu, logika dalam bagian ini lebih kompleks karena harus menangani siklus 12 jam dengan benar. Pengaturan khusus diperlukan agar hitungan dapat langsung kembali ke 1 setelah mencapai 12, bukan ke 0 seperti pada counter biasa.
Dengan menyusun ketiga bagian ini secara berurutan dan sinkron, rangkaian jam digital dapat menampilkan waktu yang akurat, baik dalam format 12 jam maupun (dengan modifikasi) 24 jam. Penggunaan counter sinkron dan sinyal clock teratur merupakan inti dari sistem kerja jam digital berbasis logika digital.
5. Soal [kembali]
a) Example[kembali]
Pertanyaan:
Jika waktu pada jam digital menunjukkan 23:59:59, apa yang terjadi pada detik berikutnya?
Jawaban:
Ketika waktu mencapai 23:59:59, maka semua digit counter (detik, menit, dan jam) berada pada nilai maksimum. Saat detik bertambah satu lagi, counter detik satuan kembali ke 0 dan mengirim sinyal ke detik puluhan, dan seterusnya hingga semua counter reset. Karena jam digital dibatasi dalam format 24 jam, maka detik berikutnya akan menyebabkan semua counter mereset ke 00:00:00.
Misalkan pada saat ini, angka-angka pada tampilan jam digital menunjukkan "00:00:05". Jelaskan bagaimana tampilan tersebut terbentuk pada segmen paling kanan (detik satuan) dan bagaimana rangkaian IC dan resistor terhubung untuk menampilkan angka '5'.
Penjelasan: Angka '5' pada segmen paling kanan (detik satuan) ditampilkan oleh sebuah Seven-Segment Display. Untuk menampilkan '5', segmen a, f, g, c, dan d pada Seven-Segment Display tersebut harus menyala, sementara segmen b dan e harus mati. Data untuk menyalakan segmen-segmen ini berasal dari output sebuah decoder BCD ke Seven-Segment (kemungkinan IC 74LS47 atau sejenisnya, meskipun tidak terlihat jelas tipenya pada gambar). IC decoder ini menerima input BCD (Binary Coded Decimal) dari sebuah pencacah (counter) yang menghitung detik. Resistor-resistor yang terhubung secara seri dengan setiap segmen (seperti R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15) berfungsi sebagai pembatas arus untuk mencegah kerusakan pada LED segmen.
b) Problem [kembali]
Problem 1
Saat menit menunjukkan 59 dan detik menunjukkan 59, berapa kali sinyal loncatan (carry) akan terjadi sebelum waktu kembali ke detik 0?
Jawaban:
Satu loncatan terjadi dari detik satuan ke detik puluhan, satu dari detik puluhan ke menit satuan, satu dari menit satuan ke menit puluhan, dan satu lagi dari menit puluhan ke jam satuan. Total ada 4 loncatan hingga waktu melangkah ke menit berikutnya atau reset jam.
Rangkaian jam digital ini memiliki enam digit tampilan. Jelaskan secara umum bagaimana keenam digit ini saling berinteraksi untuk menampilkan waktu, khususnya bagaimana transisi dari detik ke menit, dan menit ke jam terjadi.
Jawaban: Keenam digit ini terbagi menjadi pasangan-pasangan untuk menampilkan detik, menit, dan jam (misalnya XX:XX:XX). Setiap pasangan digit diatur oleh pencacah (counter) yang terhubung secara kaskade (bertingkat). Pencacah detik satuan akan menghitung dari 0 hingga 9. Ketika mencapai 9 dan mendapatkan pulsa clock berikutnya, ia akan mereset ke 0 dan menghasilkan pulsa carry-out ke pencacah detik puluhan. Pencacah detik puluhan ini akan menghitung dari 0 hingga 5. Ketika detik puluhan mencapai 5 dan detik satuan mencapai 9, dan mendapatkan pulsa berikutnya, pencacah detik puluhan akan mereset ke 0 dan menghasilkan pulsa carry-out ke pencacah menit satuan. Proses serupa terjadi dari menit ke jam, di mana pencacah menit puluhan akan memberikan pulsa carry-out ke pencacah jam satuan ketika mencapai 59 detik. Pencacah jam satuan dan puluhan kemudian akan diatur untuk menghitung hingga 12 atau 24, tergantung pada desainnya, dengan mekanisme carry-out yang serupa.
c) Pilihan Ganda [kembali]
Apa yang menjadi fungsi utama dari IC counter (misalnya 4026 atau 4510) dalam jam digital?
A. Menyimpan data jam secara permanen
B. Mengatur frekuensi clock
C. Menghitung pulsa dan mengatur tampilan digit
D. Mengendalikan kecerahan display
Apa fungsi utama dari komponen-komponen IC yang terhubung ke setiap grup Seven-Segment Display (seperti U1:B, U7, U2:A, U4, U3:A, U1)?
a. Sebagai sumber tegangan untuk Seven-Segment Display.
b. Sebagai decoder BCD ke Seven-Segment dan/atau pencacah (counter).
c. Sebagai penguat sinyal untuk memastikan kecerahan display.
d. Sebagai saklar on/off untuk seluruh rangkaian jam.
6. Percobaan [kembali]
a) Prosedur[kembali]
1. Buka aplikasi proteus 2. Pilih komponen yang dibutuhkan 3. Rangkai setiap komponen menjadi rangkaian yang diinginkan 4. Ubah spesifikasi komponen sesuai kebutuhan 5. Jalankan simulasi rangkaian
b) Rangkaian Simulasi dan Prinsip Kerja [kembali]
Rangkaian jam digital pada gambar di atas bekerja secara sistematis dari detik hingga jam, menggunakan deretan IC counter, decoder, dan 7-segment display yang terhubung satu sama lain melalui sinyal clock dan sinyal carry (loncatan). Proses dimulai dari sinyal clock utama yang memiliki frekuensi 1 Hz, artinya memberikan satu pulsa setiap detik. Sinyal clock ini biasanya berasal dari osilator eksternal atau rangkaian pembagi frekuensi berbasis NE555 atau kristal, dan akan masuk ke rangkaian pertama sebagai pemicu perubahan nilai detik.
Pulsa clock pertama kali masuk ke counter detik satuan, yaitu digit paling kanan. Di sini, IC yang digunakan adalah counter decade (bisa berupa 4026, 4510 atau 7490), yang menghitung dari 0 hingga 9. Setiap pulsa detik yang masuk akan menambah nilai tampilan satu digit. Ketika penghitung detik satuan mencapai angka 9, maka pada detik berikutnya akan terjadi overflow (loncatan), yang artinya counter akan kembali ke 0 dan menghasilkan sinyal carry-out. Sinyal carry-out ini diteruskan ke counter detik puluhan di sebelah kirinya.
Counter detik puluhan berfungsi untuk menghitung setiap kali detik satuan overflow. Namun, karena dalam satu menit hanya ada 60 detik, maka detik puluhan hanya dihitung dari 0 hingga 5. Ketika nilai pada digit ini mencapai 5 dan kemudian menerima sinyal loncatan dari detik satuan (yang berarti waktu sudah menunjukkan 59 detik), maka detik puluhan juga akan kembali ke 0 dan mengirimkan sinyal loncatan ke bagian menit satuan.
Selanjutnya, sinyal masuk ke counter menit satuan yang bekerja seperti detik satuan, yaitu menghitung dari 0 sampai 9. Setiap overflow dari detik puluhan akan memicu penambahan satu nilai pada menit satuan. Setelah menit satuan mencapai 9, loncatan akan diteruskan ke menit puluhan. Counter menit puluhan hanya menghitung hingga 5, sebab 60 menit membentuk satu jam. Ketika menit puluhan mencapai 5 dan mendapat sinyal dari menit satuan (saat mencapai 59), maka dia akan reset ke 0 dan mengirim sinyal ke bagian jam satuan.
Counter jam satuan menghitung dari 0 sampai 9, tetapi ada kondisi pengecualian saat jam puluhan sudah mencapai angka 2. Jika jam puluhan menunjukkan 2, maka jam satuan hanya boleh mencapai angka 3, karena maksimal waktu yang dapat ditampilkan dalam format 24 jam adalah 23:59:59. Maka terdapat rangkaian logika tambahan, biasanya menggunakan gerbang AND atau NAND, yang mengatur agar ketika jam menunjukkan angka 2 dan 3 (jam 23), maka pada pulsa berikutnya semua counter akan direset ke 00:00:00.
Rangkaian dekoder 7-segmen yang terhubung ke masing-masing counter bertugas mengubah sinyal biner hasil keluaran counter menjadi tampilan angka pada display 7-segmen. Setiap digit display menunjukkan angka dari hasil perhitungan counter yang sesuai, dan tampil secara sinkron berdasarkan sinyal clock yang berjalan terus-menerus. Hubungan antar counter saling mengalir dari kanan ke kiri mengikuti urutan waktu, mulai dari detik satuan hingga jam puluhan.
Dengan sistem seperti ini, rangkaian jam digital dapat menghitung waktu dari 00:00:00 hingga 23:59:59. Setiap perubahan detik memicu perubahan menit dan jam secara bertahap dan otomatis, mengikuti siklus waktu 24 jam. Setelah waktu mencapai batas maksimal, sistem akan otomatis mereset kembali ke awal tanpa campur tangan manual.
c) Video Simulasi [kembali]
d) Download File [kembali]
File Rangkaian (klik disini)
Video Rangkaian (klik disini)
Datasheet Resistor (klik disini)
Datasheet IC 4026 (klik disini)
Datasheet Gerbang AND (klik disini)
Datasheet Seven Segment (klik disini)
Komentar
Posting Komentar