RANGKAIAN DIGITAL

RANGKAIAN DIGITAL

Saat ini, rangkaian elektronika digital sudah bukan merupakan barang asing lagi. Rangkaian digital sudah ada di mana-mana dan bersinergi dengan rangkaian elektronika analog untuk membentuk rangkaian-rangkaian elektronika yang lebih cermat, cepat, dan tepat sasaran.
Rangkaian digital yang bekerja hanya pada dua level ini (0 atau OFF dan 1 atau ON), pada awalnya dibentuk oleh saklar atau relay listrik dengan ukuran besar. Karena itu sulit untuk diaplikasikan di banyak peralatan. Tetapi, kemajuan teknologi semikonduktor yang cepat telah membuat ukurannya menjadi semakin kecil. Inilah faktor penting yang menyebabkan rangkaian digital dipakai oleh hampir semua produk elektronik.
Setelah era transistor dan dioda, munculah Integrated Circuit (IC) yang menggabungkan beberapa transistor dan dioda dalam satu chip. Pada saat itu, para perancang rangkaian digital menggunakan IC jenis TTL (Transistor-transistor Logic) yang terkenal dengan famili 74XX atau IC CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor) yang dikenal dengan famili 4XXX. Hingga tahun 1980-an jenis IC ini, juga cukup populer di kalangan perancang amatir di Indonesia. Beberapa peserta lomba karya ilmiah atau lomba cipta elektronika banyak menggunakannya.
Karena jenis IC ini hanya berisi beberapa gerbang dasar (AND, OR, dll) atau beberapa fungsi yang sedikit kompleks (Flip-flop, counter, register), maka untuk membangun rangkaian yang lebih kompleks, diperlukan banyak IC. Akibatnya, penyusunan rangkaian di papan rangkaian tercetak (PCB/Printed Circuit Board) menjadi rumit. Apalagi, rangkaian digital umumnya mempunyai banyak masukan dan keluaran.
Seiring dengan semakin kecilnya ukuran IC (tetapi dengan isi yang semakin banyak, alias kerapatan yang semakin tinggi), peran famili TTL dan CMOS mulai berkurang. Rangkaian-rangkaian digital kompleks lebih banyak menggunakan mikroprosesor dan mikrokontroler. Kedua perangkat ini mampu mengurangi ukuran rangkaian sekaligus mengurangi kerumitan pengkabelannya. Selain itu, sifatnya yang programmable (dapat diprogram) membuatnya fleksibel terhadap perubahan rangkaian. Jadi, cukup dengan sekali merangkai pada papan PCB, fungsi rangkaian dapat diganti-ganti dengan mengubah programnya.
Hingga saat ini kedua perangkat tersebut masih banyak digunakan. Hanya saja mikrokontroler lebih banyak digunakan, karena tidak memerlukan lagi komponen pendamping semacam RAM (random Access Memory), ROM (Read Only memory), atau perangkat I/O (Input/Output). Bahkan beberapa mikrokontroler juga dilengkapi dengan rangkaian ADC (Analog to Digital Converter) dan DAC (Digital to Analog Converter).
Walaupun cukup populer, membangun rangkaian digital pada mikroprosesor atau mikrokontroler berbeda dengan membangun rangkaian pada famili TTL atau CMOS. Pemrograman mikroprosesor atau mikrokontroler menyerupai pemrograman komputer, sehingga tidak berbasis gerbang seperti perancangan pada TTL atau CMOS. Hal ini cukup menyulitkan perancang rangkaian yang tidak terbiasa dengan algoritma pemrograman. Karena itu muncul komponen-komponen programmable berbasis gerbang. Salah satu komponen yang saat ini lagi naik daun adalah FPGA (Field Programmable Gate Array). Kepopuleran komponen ini dapat dilihat di buku-buku rangkaian, jurnal-jurnal ilmiah, internet. Cukup banyak rancangan rangkaian digital yang dibangun dengan FPGA.

Hardware FPGA
Secara fisik, Field Programmable Gate Array (FPGA) berbentuk chip IC. FPGA tergolong dalam jenis ASIC (Application-Spesific IC). Jenis lain yang termasuk ASIC adalah PLD (Programmable Logic Device). Sementara IC TTL, CMOS, mikroprosesor, mikrokontroler termasuk dalam jenis IC standar.
Sebuah chip FPGA mengandung puluhan hingga puluhan ribu sel logika. Tiap sel dapat dilihat sebagai komponen standar. Tiap-tiap sel logika mempunyai beberapa jumlah masukan. Biasanya berjumlah 2 hingga 10 masukan. Sel-sel logika juga mempunyai keluaran yang berjumlah 1 atau 2, tergantung dari jenis fungsinya.
FPGA juga dapat dipandang sebagai kumpulan blok, di mana 3 elemen penyusunnya adalah : CLB (Combinational Logic Block), IOB (Input/Output Block), dan interkoneksi. CLB menghasilkan elemen fungsional untuk menyusun rangkaian logika yang diinginkan. IOB berfungsi sebagai antar muka (interface) antara pin-pin terminal chip dengan kawat penghubung dalam chip IC. Blok interkoneksi yang berupa kawat-kawat dan saklar penghubung, mengelilingi blok-blok CLB.
Sebelum diprogram, tiap blok tidak terikat satu dengan lain. Keterikatan hanya terjadi jika program dimasukkan untuk membuat koneksi antara satu blok dengan blok lainnya. Koneksi dilakukan dengan menggunakan interkoneksi berupa sambungan-sambungan atau saklar-saklar (dalam FPGA) yang disusun dalam bentuk matriks. Jadi program untuk FPGA merupakan konfigurasi koneksi antar blok-blok untuk membentuk suatu rangkaian digital.
FPGA tidak hanya mengakomodasi kebutuhan akan gerbang dasar saja, tetapi juga rangkaian logika kombinasi sederhana seperti decoder, multiplexer, adder atau rangkaian kombinasi lain yang lebih rumit. Rangkaian logika kombinasi dapat disusun dari sekumpulan gerbang dan multiplekser atau dalam bentuk memori look-up table (LUT) yang rangkaiannya menjadi lebih sederhana.
Selain rangkaian logika kombinasi, FPGA juga dapat mengakomodasi kebutuhan akan rangkaian logika sekuensial seperti flip-flop (JK, RS, T, D) hingga counter, shift register. Biasanya, rangkaian logika kombinasi atau sekuensial standar telah disediakan dalam file library, sehingga memudahkan perancang dalam membangun rangkaiannya.
Pemakaian FPGA mempunyai banyak keuntungan dibanding pemakaian IC TTL dan CMOS. Selain jumlah gerbangnya yang jauh lebih banyak, kemudahan, kecepatan dan fleksibilitas proses rancang bangun merupakan kelebihan FPGA. Selain itu, konsumsi dayanya jauh lebih sedikit. Sayangnya, sebagian FPGA masih bersifat seperti RAM (Random Access Memory). Sehingga jika suplai tegangan menghilang, program di dalamnya juga lenyap dan harus dilakukan pemrograman ulang.
Namun saat ini sudah ada teknologi baru yang menyebabkan program dapat bertahan lama dalam FPGA. Penemunya adalah Berend Jonker dan rekan-rekannya, Jonker mengganti komponen transistor dalam FPGA dengan komponen bernama GMR (Giant Magneto Resistive). GMR terdiri atas lembaran tipis film magnetik yang dapat dihidupmatikan dengan suatu medan magnet, sehingga kutub-kutubnya saling berlawanan satu sama lainnya.
Saat ini, produsen-produsen FPGA cukup banyak, di antaranya adalah Actel, Altera, Cypress, Lattice, Xilink. Altera dan Xilink merupakan produsen yang hasil produksinya cukup populer. Xilink bahkan mengeluarkan berbagai jenis FPGA yang banyak digunakan, di antaranya adalah: Spartan, famili-famili XC 3000, XC 4000, dan XC5200.
Pemrograman FPGA
Jika suatu rancangan skema rangkaian digital telah didapat, skema tersebut diterjemahkan dalam bahasa VHDL (Visual Hardware Description Language) dan di entry dengan menggunakan software pemrogram FPGA. Program dalam Bahasa VHDL merupakan sekelompok instruksi yang menggambarkan fungsi/gerbang logika dasar dan fungsi-fungsi lainnya.
Bagi sebagian kalangan, membuat rangkaian dengan bahasa VHDL merupakan pekerjaan yang merepotkan. Karena itu, software pemrogram juga menyediakan fasilitas Schematic Editor yang digunakan untuk menggambar rangkaian dalam bentuk skematis yang berupa simbol-simbol fungsi-fungsi logika yang familiar. Beberapa software juga melengkapi diri dengan FSM Editor yang digunakan untuk menggambar rangkaian dengan menggunakan simbol-simbol Finite State Machine.
Rangkaian yang telah dibuat dalam salah satu dari ketiga bentuk di atas, dapat disimulasi dengan menggunakan fasilitas Logic Simulator. Hasil simulasi ditampilkan dalam bentuk diagram waktu dari masukan-masukan, keluaran-keluaran, atau titik-titik pengamatan yang dipilih. Jadi, rangkaian hasil rancangan dapat diperiksa kebenaran kerjanya, sebelum di-loading ke FPGA. Hasil simulasi tidak selalu sama persis dengan kerja FPGA sebenarnya, karena ada beberapa kondisi komponen dalam FPGA yang tidak diperhitungkan dalam simulasi.
Jika hasil simulasi telah sesuai dengan yang diinginkan, file program rangkaian diterjemahkan ke bentuk file yang dapat dimengerti chip FPGA. Penterjemahan dengan menggunakan fasilitas Implementasi. Program ini akan melakukan proses : translate, map, place & route, timing simulation, dan configure. Dan akhirnya dihasilkan file (untuk FPGA Xilink berekstensi BIT), yang dapat di-loading ke FPGA dengan menggunakan fasilitas komunikasi PC seperti: format paralel LPT 1:, format serial RS 232, atau USB. Jika file program telah selesai di-loading, maka hubungan komunikasi dapat dicabut dan FPGA aktif secara mandiri.
Aplikasi FPGA
FPGA banyak diaplikasikan untuk pembuatan prototipe rangkaian digital dan untuk produksi rangkaian digital dengan jumlah yang tidak banyak. Karena itu, sebagian besar pemakainya adalah perguruan tinggi, sekolah, institusi penelitian, maupun bagian R&D (Research & Development) di perusahaan-perusahaan manufaktur.
Contoh rangkaian yang telah dibangun pada FPGA adalah encoder dan decoder FEC (Forward Error Correction). Codec (encoder & decoder) FEC adalah rangkaian yang dapat memperbaiki kesalahan penerimaan data secara mandiri. Pada peralatan telekomunikasi seperti Hand Phone dan satelit , rangkaian ini digunakan untuk memperbaiki kesalahan penerimaan data akibat gangguan di udara. Pada perangkat penyimpanan seperti disk (dengan format : CD, VCD, DVD, dan lainnya), rangkaian codec FEC digunakan untuk memperbaiki kesalahan akibat kotoran, jamur atau cacat lain di CD.
Rangkaian digital lain yang dapat dibuat adalah decoder MPEG pada VCD, decoder MP3 pada MP3 Player atau untuk CD Player. Selain itu ada pula rangkaian filter-filter digital, rangkaian DSP (Digital Sinyal Processing), yang banyak digunakan pada pengolahan sinyal di perangkat digital seperti TV Digital, Radio Digital. Pokoknya banyak rangkaian digital yang dapat dibangun pada FPGA. Hebatnya, FPGA juga bisa dibuat menjadi mikroprosesor atau mikrokontroler.
Sumber : http://takesimpleway.wordpress.com

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s