Rangkaian Logika Dasar

B

agian yang dapat didengar pada suatu program yang dipancarkan oleh pembawa televisi yang termodulasi adalah dalam bentuk sinyal sinambung atau sinyal analog. Amplitudo atau frekuensi sinyal dapat mempunyai nilai berapa saja dalam rentang yang luas. Sebaliknya, informasi yang memicu pemindaian (scanning) tabung gambar televisi adalah dalam bentuk diskrit atau digital. Sinyal pemicu itu ada atau tidak ada. Keunggulan utama rangkaian elektronika adalah kemudahan dan kecepatan dalam mengolah sinyal-sinyal digital, dan penggunaan sinyal-sinyal semacam itu semakin cepat meluas dalam pengendalian, komputasi dan instrumentasi. Kemajuan yang pesat dalam teknik elektro dipicu oleh penggunaan sinyal-sinyal digital.

Informasi, dalam bentuknya yang paling sederhana, dapat dikatakan sebagai besaran yang diperlukan oleh suatu sistem guna menyelesaikan suatu tugas. Karena informasi itu didefinisikan sebagai suatu besaran, maka informasi itu dapat diukur. Sebagai contoh, jika kita (dalam ha
l ini sistem adalah orang) ingin menghubungi orang lain melalui telepon (tugas di sini adalah menghubungi orang lain), informasi yang diperlukan untuk menyelesaikan tugas itu adalah nomor telepon (besarnya nomor telepon itu dapat 6 angka untuk telepon rumah di Malang, atau 11 angka untuk telepon seluler pada umumnya).

Komputer mengolah informasi yang dinyatakan dalam bentuk digital sebagai bilangan biner yang terdiri atas 0 dan 1. Pewakilan informasi dalam bentuk bilangan biner itu mempunyai keunggulan karena kebal terhadap degradasi. Sebagai contoh, andaikan diinginkan untuk merekam catatan penting guna diketahui generasi yang akan datang. Saat ini yang paling umum digunakan adalah menuliskannya di atas kertas, tetapi kertas akan rusak dan tinta akan pudar dengan perjalanan waktu. Di masa lampau telah dilakukan orang dengan menatahkannya di atas batu seperti Batu Rosetta di tahun 196 sebelum Masehi atau prasasti abad ketujuh di jaman Sriwijaya. Batu pun dapat larut karena air dan angin sehingga catatan itu dapat pudar juga. Cara lain yang telah dilakukan orang adalah dengan menyalinnya setelah beberapa waktu dan sekarang dapat dilakukan dengan mudah dengan mesin fotokopi. Hasil fotokopi pun tidak akan sempurna karena citra fotokopi itu tidak akan sesuai dengan aslinya setelah beberapa kali difotokopi ulang. Tambahan (atau pengurangan?) sesuatu yang mengubah informasi itu disebut sebagai derau (noise).

Contoh lain adalah suara yang direkam pada piringan hitam dan kaset. Dengan perjalanan waktu, suara dari piringan hitam atau kaset itu akan mendapat tambahan derau yang merusak suara aslinya. Demikian pula dengan gambar hidup yang direkam pada kaset video, gambar dan suaranya akan kabur jika sudah disalin beberapa kali.

Bentuk informasi yang diuraikan di atas, citra dan suara, digolongkan sebagai informasi analog. Bila informasi di atas itu disimpan dalam bentuk digital, derau yang mengganggu itu dapat dengan mudah diatasi dan salinan informasi akan tetap sesuai dengan aslinya.

Pengolahan informasi dalam bentuk digital memerlukan rangkaian-rangkaian khusus, dan rancangan rangkaian digital yang efisien memerlukan sistem bilangan khusus serta aljabar yang khusus pula. Rangkaian-rangkaian itu harus menyediakan fasilitas penyimpan perintah dan data, penerima data baru, pengambilan keputusan, dan komunikasi hasilnya. Sebagai contoh, sistem pemesanan tiket pesawat terbang harus menerima dan menyimpan informasi dari perusahaan penerbangan mengenai banyaknya kursi yang tersedia pada masing-masing penerbangan, menanggapi permintaan dari agen perjalanan, mengurangi kursi yang tersedia dengan kursi yang dipesan atau menambah dengan kursi yang dibatalkan pemesanannya, menangani 50 permintaan atau lebih setiap menitnya, dan menjaga agar tidak ada pelanggan yang menunggu lebih dari satu menit.

Pengolahan informasi merupakan komponen penting dalam semua cabang ilmu teknik. Ahli teknik astronautika memerlukan informasi untuk merancang sistem kendali terprogram. Ahli teknik kimia memerlukan sistem kendali pengolahan otomatis. Insinyur sipil mungkin terlibat dalam perancangan yang memerlukan data aliran lalu lintas. Pada dasarnya setiap ilmuwan yang terlibat dalam penelitian dapat memanfaatkan kiat-kiat pengolahan data secara digital. Komputer digital memegang peran penting dalam masyarakat modern.

Teknik digital sebenarnya telah dimulai sejak jaman prasejarah, sejak manusia belajar menghitung. Pada saat itu manusia belajar memberikan hubungan antara nama-nama bilangan dengan benda-benda dalam suatu kelompok. Perhitungan itu mula-mula dilakukan dengan jari (digitus berarti jari dalam bahasa Latin), dan angka dalam bahasa Inggris juga disebut digit. Tahun 800 Muhammad ibn Mūsā Al-Khowarizmi (780-850), orang Arab, menulis buku tentang sistem bilangan desimal yang didasarkan pada banyaknya jari di kedua tangan kita.

Penemuan sistem bilangan menuntun ke arah aritmatika (ilmu hitung) dan penemuan-penemuan sarana bantu penghitungan. Sebelumnya, orang Cina sudah menggunakan swipoa (dekak-dekak) sebagai alat bantu perhitungan dengan kerikil berlubang (calculi dalam bahasa Latin) yang digeser-geser sepanjang kawat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 17.2. Boleh dikatakan itulah kalkulator digital yang pertama.

Tahun 1642, Blaise Pascal (1623-1662), matematikawan Perancis, membuat mesin penjumlah yang terdiri atas sepuluh roda bernomor yang dihubungkan melalui roda gigi, mesin hitung digital yang pertama. Gottfried Wilhelm Leibnitz (1646-1716), matematikawan Jerman, menciptakan roda bertingkat dalam tahun 1671 dan mengembangkannya pada mesin hitung Pascal. Dua ratus tahun kemudian Insinyur Swedia, Willgodt Theophil Odhner (1845-1905), menciptakan kalkulator mekanik andal yang teknologinya masih dipakai sampai saat ini.

Joseph Marie Jacquard (1752-1834) pada tahun 1801 menciptakan suatu mesin tenun otomatis yang menggunakan kartu berlubang (punched card). Dalam mesin tenun Jacquard tersebut, jarum-jarumnya melalui lubang-lubang pada kartu tersebut dan menyusun suatu pola pada kain. Dengan menggunakan kartu-kartu dengan kombinasi lubang yang berlainan, Jacquard dapat menghasilkan beraneka macam pola dengan mudah.

Dalam tahun 1833 Charles Babbage (1791-1871) meramalkan komputer yang pertama, suatu mesin yang dapat melakukan perhitungan aritmatika secara otomatis. Dengan mengatur sandi-sandi (codes) tertentu, lubang-lubang pada kartu semacam yang dipakai oleh Jacquard dapat mewakili bilangan atau perintah. Kunci utama dalam komputer yang diramalkan oleh Babbage itu adalah semua bilangan dan perintah itu diberikan ke komputer sebelum perhitungan dilakukan. Selanjutnya komputer secara otomatis melakukan semua langkah-langkah perhitungan itu tanpa adanya campur tangan manusia. Hal itu yang membedakan antara kalkulator dengan komputer. Kalkulator mengandalkan campur tangan manusia, karena seseorang harus memasukkan bilangan dan perintah selama perhitungan dilaksanakan.

Babbage tidak pernah membuat komputer yang sesuai dengan angan-angannya itu, tetapi catatan-catatannya membuktikan bahwa ia telah mengetahui tentang komputer itu sebelumnya. Mesin yang diangan-angankan Babbage itu terdiri dari tiga bagian: penyimpan, pengolah dan pengendali. Tetapi mesin tersebut tidak pernah terlaksana, ia terlalu maju untuk jamannya. Buah pikirannya itu yang menuntun dikembangkannya komputer digital.

Komputer digital yang pertama adalah Mark I yang dibuat oleh Howard Hathaway Aiken (1900-1973) dari Universitas Harvard dan dukungan International Business Machines Corporation pada bulan Agustus 1944. Perintah dan data diberikan ke Mark I itu melalui pita kertas berlubang. Komponen-komponen logika digital bekerja menurut prinsip-prinsip listrik, elektronik, dan mekanik. Kerjanya dikendalikan oleh saklar dan rele. Mark I dapat melakukan 200 penjumlahan dalam satu menit dengan ketelitian sampai 23 angka, dan mampu menghitung fungsi sinus atau kosinus dalam waktu satu menit.

Komputer digital elektronik serba guna yang pertama dibuat pada tahun 1946 oleh J.P. Eckert (1919-1995) dan John Wendell Mauchly (1907-1980) di Universitas Pennsylvania. ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) itu jauh lebih cepat ketimbang Mark I. ENIAC menggunakan 18 000 tabung elektron dan 6000 saklar.

Para insinyur terbiasa untuk merancang rangkaian yang menggunakan sesedikit mungkin komponen aktif karena tabung elektron, transistor, diode jauh lebih mahal harganya ketimbang resistor dan kapasitor. Dengan diketemukannya rangkaian terpadu, pola pikir itu berubah, komponen aktif lebih kecil dan sederhana untuk dibuat dalam rangkaian terpadu. Komputer digital menjadi lebih memasyarakat sejak tahun 1970 setelah rangkaian terpadu dengan sangat banyak komponen menjadi lebih murah.

Dalam bab ini akan dibahas tentang sistem digital dengan mempelajari fungsi-fungsi dasar yang dilakukan oleh unsur-unsur pengambil keputusan dan meninjau bagaimana peralatan semikonduktor dapat digunakan dalam rangkaian-rangkaian praktis. Peninjauan secara mendalam dan rancangan rangkaian-rangkaian digital praktis tidak diberikan dalam buku ini, tetapi diberikan untuk tingkat lanjut (Baca Dasar-Dasar Rangkaian Logika Digital oleh penulis buku ini). Penekanan pembahasan di sini adalah memberikan dasar-dasar konsep logika pengalihan, tinjauan bagaimana peralatan semikonduktor dapat digunakan dalam fungsi pengambilan keputusan dan penyimpanan, dan apresiasi terhadap kecanggihan rangkaian logika.

Bab ini juga akan menyinggung penggunaan superkonduktor, bahan yang tidak mempunyai resistansi yang dapat menghalangi aliran arus listrik dalam rangkaian logika. Superkonduktor merupakan salah satu penemuan ilmiah yang belum tuntas, bukan hanya batas superkonduktivitas itu belum dicapai, teori yang menjelaskan peri laku superkonduktor itu masih terus dalam penelitian. Pada tahun 1911 fisikawan Belanda, Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) mengamati pada saat air raksa didinginkan dalam suhu helium cair, 4 K, resistansinya tiba-tiba lenyap. Tonggak sejarah berikutnya adalah tahun 1933 pada waktu Walter Meissner (1882-1974) dan Robert Ochsenfeld (1901-1993) menemukan bahwa bahan superkonduktor akan menolak medan magnet – gejala yang disebut pengaruh Meissner – sehingga magnet dapat melayang di atas bahan superkonduktor. Sepuluh tahun berikutnya ditemukan beberapa logam, paduan, dan campuran bahan superkonduktor. Tahun 1941 niobium-nitride menjadi superkonduktor pada 16 K, tahun 1953 vanadium-silikon menjadi superkonduktor pada 17,5 K. Tahun 1962 para ilmuwan perusahaan Westinghouse mengembangkan kawat superkonduktor komersial, suatu paduan niobium dan titanium (NbTi). Pemercepat partikel dengan superkonduktor pertama kali digunakan di Fermilab Tevatron di Amerika Serikat pada tahun 1987.

Teori pertama yang diterima secara luas tentang superkonduktivitas adalah yang diajukan oleh John Bardeen (salah seorang penemu transistor), Leon Cooper, dan John Schrieffer. Teori penting lainnya tentang hal yang sama diajukan oleh Brian D. Josephson, mahasiswa pascasarjana Universitas Cambridge pada tahun 1962. Ia meramalkan bahwa arus listrik dapat mengalir di antara dua bahan superkonduktor, meskipun kedua bahan itu dipisahkan oleh bahan bukan superkonduktor atau isolator. Gejala penerobosan (tunnelling) itu sekarang dikenal sebagai gejala Josephson.

Setelah mempelajari bab ini, pembaca diharapkan dapat

• mengenal perbedaan antara besaran digital dan besaran analog;
• menguraikan kelebihan dan kekurangan sistem digital terhadap sistem analog;
• mengenal aljabar Boole dan rangkaian logika digital;
• mengenal beberapa macam saklar elektronik;
• mengenal tentang superkonduktivitas.