Teori Dasar Digital: Sistem Elektronika dan Gerbang Logika — Materi Fisika SMA

Beranda › Learning Hub › Fisika SMA › F.10 Teori dasar digital

Setiap ponsel, kalkulator, dan lampu lalu lintas pintar bekerja dengan dua keadaan saja: 0 dan 1. Teori dasar digital menjelaskan bagaimana besaran fisika diubah menjadi sinyal, bagaimana sinyal itu diolah oleh gerbang logika, dan bagaimana keduanya bertemu dalam sistem elektronika input–proses–output.

📋Capaian Pembelajaran

Fase F: menerapkan teori dasar digital dalam kehidupan sehari-hari. Panduan mencakup sistem elektronika (input, proses, output), sinyal analog dan digital, bilangan biner, gerbang logika AND, OR, NOT serta turunannya (NAND, NOR), aljabar Boole, dan komponen semikonduktor seperti transistor dan LDR untuk sistem keamanan atau kontrol otomatis.

🎯Yang perlu kamu kuasai

Mengidentifikasi bagian input, proses, dan output pada perangkat elektronik.
Membedakan sinyal analog dan digital, serta mengubah bilangan desimal dan biner.
Membuat tabel kebenaran gerbang AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR.
Menentukan keluaran rangkaian gabungan gerbang logika.
Merancang sistem kontrol sederhana dengan sensor, gerbang logika, dan transistor.

📚Materi

1. Sistem elektronika: input, proses, output

Lampu taman otomatis: input LDR (hambatannya membesar saat gelap) → proses rangkaian pembanding atau transistor → output lampu menyala. Sensor lain: termistor (suhu), mikrofon (bunyi), sakelar, sensor inframerah (gerak). Output: lampu, LED, buzzer, motor, layar.

Komponen kunci dibuat dari semikonduktor (silikon yang didoping): dioda melewatkan arus satu arah, LED memancarkan cahaya, transistor berfungsi sebagai sakelar elektronik atau penguat.

2. Sinyal analog dan digital

Analog: nilainya berubah kontinu (suara di mikrofon, tegangan termometer analog). Rentan terhadap derau.

Digital: hanya dua tingkat, rendah (0) dan tinggi (1). Mudah disimpan, disalin tanpa penurunan kualitas, dan diolah komputer.

Pengubah analog ke digital (ADC) mencuplik sinyal pada selang waktu tetap dan menyatakan setiap nilai sebagai bilangan biner. Dengan \( n \) bit dapat dibentuk \( 2^n \) tingkat: 8 bit memberi 256 tingkat.

Bilangan biner: \( 1101_2 = 1 \cdot 2^3 + 1 \cdot 2^2 + 0 \cdot 2^1 + 1 \cdot 2^0 = 13 \). Sebaliknya, 25 dibagi 2 berulang-ulang memberi sisa 1, 0, 0, 1, 1 (dibaca dari bawah), sehingga \( 25 = 11001_2 \).

3. Gerbang logika

Simbol tiga gerbang logika: AND berbentuk huruf D, OR berbentuk perisai melengkung, dan NOT berbentuk segitiga dengan lingkaran kecil di ujungnya. Masing-masing memiliki masukan A dan B (NOT hanya A) dan keluaran Y. — Simbol gerbang dasar. Tambahkan lingkaran kecil di keluaran AND atau OR untuk memperoleh NAND atau NOR.

A	B	AND (A·B)	OR (A+B)	NAND	NOR	XOR
0	0	0	0	1	1	0
0	1	0	1	1	0	1
1	0	0	1	1	0	1
1	1	1	1	0	0	0

NOT membalik masukan (\( \bar A \)). Model rangkaian sakelar: AND = dua sakelar seri (lampu menyala jika keduanya ditutup), OR = dua sakelar paralel. NAND dan NOR disebut gerbang universal karena semua gerbang lain dapat dibuat dari salah satunya saja.

4. Rangkaian gabungan dan aljabar Boole

Untuk menentukan keluaran rangkaian gabungan, tulis keluaran setiap gerbang secara bertahap dalam tabel kebenaran. Beberapa hukum aljabar Boole: \( A \cdot 1 = A \), \( A + 0 = A \), \( A \cdot \bar A = 0 \), \( A + \bar A = 1 \), dan hukum De Morgan \( \overline{A \cdot B} = \bar A + \bar B \), \( \overline{A + B} = \bar A \cdot \bar B \).

Proyek: sistem keamanan sederhana

Alarm pintu berbunyi jika pintu terbuka (A = 1) dan sistem diaktifkan (B = 1): pakai gerbang AND. Lampu teras menyala jika gelap (LDR) atau tombol ditekan: pakai OR. Susun dengan sakelar dan lampu, simulator daring, atau mikrokontroler, sesuai sarana sekolah.

✏️Contoh soal

Keluaran gerbang AND dengan masukan A dan B dihubungkan ke gerbang NOT, lalu keluaran NOT dan masukan C masuk ke gerbang OR. Tentukan keluaran Y untuk A = 1, B = 1, C = 0 dan untuk A = 1, B = 0, C = 0.

Tulis \( Y = \overline{A \cdot B} + C \).

A = 1, B = 1, C = 0: \( A \cdot B = 1 \), NOT → 0, OR dengan 0 → Y = 0.

A = 1, B = 0, C = 0: \( A \cdot B = 0 \), NOT → 1, OR dengan 0 → Y = 1.

Periksa. AND diikuti NOT adalah NAND, yang keluarannya 0 hanya jika semua masukan 1.

Jebakan. Mengerjakan gerbang dalam urutan yang salah. Selalu mulai dari gerbang yang masukannya sudah diketahui.

📝Latihan

Kerjakan di kertas, lalu buka jawabannya.

1. Ubah 101101₂ ke bilangan desimal.

\( 32 + 8 + 4 + 1 = 45 \).

2. Ubah 37 ke bilangan biner.

\( 37 = 32 + 4 + 1 = 100101_2 \).

3. Berapa banyak tingkat yang dapat dinyatakan ADC 10 bit?

\( 2^{10} = 1.024 \) tingkat.

4. Gerbang apa yang keluarannya 1 hanya jika kedua masukannya 0?

NOR.

5. Sebuah mesin cuci hanya berputar jika pintunya tertutup (A = 1) dan air sudah penuh (B = 1), atau tombol uji ditekan (C = 1). Tuliskan ungkapan logikanya.

\( Y = A \cdot B + C \): satu gerbang AND untuk A dan B, lalu OR dengan C.

6. Jelaskan peran LDR dan transistor pada lampu jalan otomatis.

LDR adalah sensor (input): saat gelap hambatannya besar sehingga tegangan pada pembagi tegangan berubah. Perubahan tegangan itu menyalakan transistor yang berfungsi sebagai sakelar (proses), sehingga arus mengalir ke lampu (output).

🎯Latihan TKA

Belum ada soal latihan TKA yang khusus untuk topik ini. Kerjakan paket lengkapnya: TKA Fisika Paket 1 dan Paket 2.