CIRCUIT ELECTRONIQUE 1ère F3 PDF [PDF]

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ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Chapitre

1 NOTIONS FONDAMENTALES

140

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

A. Systèmes numériques – systèmes analogiques 1. Systèmes numériques Ce sont des regroupements d’éléments qui traitent des grandeurs physiques ou de l’information exprimée sous forme numérique. C’est-à-dire sous la forme des valeurs discrètes (discontinues) Exemple : l’ordinateur

2. Systèmes analogiques Ce sont des regroupements d’éléments qui traitent des grandeurs physiques de nature analogique, c’est-à-dire sous la forme des valeurs continues. N, Exemple : le téléphone ntation des grandeurs binaires Dans les systèmes numériques, l’information traitée a généralement la forme des nombre binaires (0 ;1) Exemple : Un interrupteur n’a que 2 états - Ouvert (o) - Fermé (1) A partir de là, on peut représenter n’importe quel nombre binaire. Exemple :

1

0

0

1

C. Signal numé Les circuits numériques sont conçus pour fournir des tensions de sortie qui se trouvent dans les gammes de tensions correspondant. 5v 

1 2v Indéterminé

0,8

o

O 141

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1

4v

O

2èmeÉdition

1

O

O

O

D. Transmission série. Transmission parallèl L’information numérique peut se transmettre d’un endroit à un autre entre deux éléments distants de quelques pouces ou de plusieurs kilomètres. Il existe deux méthodes de transmission :

- Transmission parallèle Dans la transmission parallèle, on utilise une ligne de connexion pour chaque bit et tous les bits sont transmis simultanément. A3 1

Bit de poids fort

0

CIRCUIT A2 Bit de poids faible

B3 B2

0

B

B1

1

A1

circuit

B0

A0

- Transmission série Dans la transmission série, on utilise une seule ligne de transport et tous les bits sont émis séquentiellement. Circuit

Entrée B Circuit

Sortie A

A 1

0 0 1

B

NB : L’envoie en parallèle est plus rapide que l’envoie en série qui cependant exige moins de lignes de connections. 142

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2èmeÉdition

Notion de mémoire Dans la plupart des dispositifs et des circuits, quand on applique un signal d’entrée, il se produit en réponse à ce dernier. Un signal de sortie qui disparaît quand on enlève le signal d’entrée. Dans les circuits numériques, le signal de sortie ne disparaît pas quand on enlève le signal d’entrée. On dit que le circuit contient une mémoire car il mémorise l’information.

Circuit sans mémorisation

Circuit avec mémorisation

143

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2èmeÉdition

*

Chapitre

2 SYSTEMES DE NUMERATION ET CODES

144

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2èmeÉdition

1. Notion de base Il existe plusieurs types de systèmes de numérations utilisés en technologie numérique. Dans un système de numération un nombre s’écrit à l’aide des symboles auxiliaires qui sont affectés des poids. Les différents systèmes : -

Le système décimal Le système binaire Le système hexadécimal Le système octave

De toute évidence, le système décimal est le plus répandu.

2. Poids d’un chiffre A. Système décimal (base 10) Dans le système décimal, on utilise 10 symboles qui sont : 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. et les poids affectés aux symboles sont des puissances de (10) Exemple : 3462(10) = 3 x 103 + 4 x 102 + 6 x 101 + 2 x 100

467,92(10) = 4 x 102 + 6 x 101 + 7 x 100 + 9 x 10-1 + 2 x 10-2 B. système binaire (base 2)

Le système binaire ne comporte que deux nombres 0 et 1. Par contre, ce système peut représenter n’importe quelles grandeurs. Dans un système binaire, chaque chiffre est affecté d’un poids exprimé comme une puissance de deux (2) Exemple : 1 1 0 0 1(2) = 1 x 24 + 1 x 23 + 0 x 22 + 0 x 21 + 1 x 20

1 1, 0 1(2) = 1 x 21 + 1 x 20 + 0 x 2-1 + 1 x 2-2

C. système hexadécimal (base 16) C’est un système qui comporte 16 nombres ou chiffres qui sont : 0 ; 1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 ; A ; B ; C ; D ; E ; F. avec A = 10 ; B = 11 ; C = 12 ; D = 13 ; E = 14 ; F = 15 Dans ce système, chaque chiffre est affecté d’un poids exprimé comme une puissance de 16. Exemple : 1 B 2 A(16) = 1 x 163 + B x 162 + 2 x 161 + A x 160

= 1 x 163 + 11 x 162 + 2 x 161 + 10 x 160

145

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2èmeÉdition

D. SYSTÈME OCTAL (BASE 8) C’est un système qui comporte 8 nombres de symboles ou de chiffres qui sont : 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Dans ce système, chaque chiffre est affecté d’un poids exprimé comme une puissance de 8. Exemple : 346(8) = 3 x 82 + 4 x 81 + 6 x 80

3. conversion d’un nombre d’un système dans un autre système A. conversion d’un nombre binaire en décimal Pour convertir un nombre binaire en décimal, il suffit de multiplier chaque chiffre par 2 élevé à la puissance de sa position et additionner le résultat des diverses positions. Exemple :

(1 1 0 1)2 = 1 x 23 + 1 x 22 + 0 x 21 + 1 x 20 =8+4+0+1 = 13 (1 1 0 1)2 = (13)10 B. Conversion d’un nombre décimal en binaire Pour convertir un nombre décimal en binaire, il existe deux méthodes :  méthode par division

23(10) = ( ?)2

23 1

2 11

2

1

5 1

23(10) = (1 0 1 1 1)2

2 2 0

2 1

 méthode par regroupement des puissances de deux

23(10) = ( ?)2 23 = 16 + 4 + 2 + 1 = 24 + 22 + 21 + 20 = 1 x 24 + 0 x 23 + 1 x 22 + 1 x 21 + 1 x 20 23(10) = (1 0 1 1 1)2 146

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2èmeÉdition

C. conversion décimal - octal Pour convertir un nombre décimal en son équivalent octal, on procède par la méthode de la division. Exemple : 20(10) = ( ?)8

20

8

4

2

20(10) = (24)8 D. conversion octal-décimale Pour réaliser cette conversion, on multiplie chaque chiffre octal par son poids positionnel. Exemple :

731(8) = 7 x 82 + 3 x 81 + 1 x 80 = 7 x 64 + 3 x 8 + 1 = 473 731(8) = 473(10) E. conversion décimal - hexadécimal Pour convertir un nombre décimal en hexadécimal, on procède par la méthode de la division. Exemple : 125(10) = ( ?)16

125

16

13

7

125(10) = (7D) 16 F. conversion hexadécimale – décimal Pour convertir un nombre hexadécimal en décimal, il suffit de multiplier chaque chiffre par 16 élevé à la puissance de sa position et additionner le résultat des diverses positions. Exemple : 2B3A(16) = ( ?)10

2B3A = 2 x 163 + B x 162 + 3 x 161 + A x 160 = 2 x 163 + 11 x 162 + 3 x 161 + 10 x 160 2 x 4096 + 11 x 255 + 3 x 16 + 10 = 11055 2B3A(16) = (11055)10 147

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2èmeÉdition

G. Conversion octal – binaire Chaque chiffre octal est remplacé par son équivalent binaire et vis-versa.

Octal binaire

0

1

2

3

4

5

6

7

000

001

010

011

100

101

110

111

Exemple : 314(8) = ( ?)2

314(8) = (011001100)2

H. conversion hexadécimal – binaire Chaque chiffre est remplacé par son équivalent de 4 bits et vis-versa. Hexa

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

A

B

C

D

E

F

Binaire 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

Exemple : 3F(16) = (?)2

3F(16) = (00111111)2 I. conversion octal – hexadécimal Pour convertir un nombre octal en hexadécimal, on convertit d’abord en base 10 et on procède ensuite par la méthode de division et vis-versa.

4. Code DCB (Décimal Code Binaire) C’est la représentation de chaque chiffre d’un nombre décimal par son équivalent binaire. Comme le plus élevé des nombres décimaux est 9, il faut donc 4 bits pour coder les chiffres DCB. Exemple :

0: 5:

Binaire 0 101

DCB 0000 0101 148

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2èmeÉdition

Chapitre

3 ALGEBRE DE BOOLE – TABLEAU DE KARNAUGH PORTES LOGIQUES

149

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2èmeÉdition

1. Algèbre booléenne Il sert à analyser un circuit logique et à exprimer ce dernier sous forme mathématique. Il permet aussi la simplification des équations logiques à l’aide des théorèmes suivants : - axo=o - ax1=1 - ax a =o -

a =a a+a=a a+ a =1 a + ab = a a+ ab=a+b a + ab = a + b

 théorème de De Morgan a b = a b a b = a b

 théorème de l’absorption a (a + b) = a a+1=1

2. tableau de KARNAUGH C’est un tableau qui permet la multiplication des équations logiques. Il est présenté sous plusieurs configurations. Ces configurations sont choisies par chaque individu sauf si on impose une configuration quelconque. On détermine le nombre de cases en fonction du nombre de variables. n = nombre de variables 2n = nombre de cases

150

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A. codage d’un tableau de Karnaugh A

B

C

D

Nombres décimaux

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

2

0

0

1

1

3

0

1

0

0

4

0

1

0

1

5

0

1

1

0

6

0

1

1

1

7

1

0

0

0

8

1

0

0

1

9

1

0

1

0

10

1

0

1

1

11

1

1

0

0

12

1

1

0

1

13

1

1

1

0

14

1

1

1

1

15

151

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2èmeÉdition

00

01

11

10

00

0

2

10

8

01

1

3

11

9

11

5

7

15

13

10

4

6

14

12

00

01

11

10

00

0

2

10

8

01

1

3

11

9

11

5

7

15

13

10

4

6

14

12

AB

CD

AC BD

B. Simplification par le tableau de Karnaugh  Règles - Le regroupement d’une case (2°) correspond à une simplification de zéro variable. - Le regroupement de 2 cases (21) correspond à une simplification d’une variable. - Le regroupement de 4 cases (22) correspond à une simplification de deux variables - Le regroupement de 8 cases (23) correspond à une simplification de trois variables et ainsi de suite. Exemple : la simplification  Cas de 2 variables a

0

1

A

b

0

1

0

1

1

1

1

1

b 0

1

1

1

S= a +b

1

152

S=1

1

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2èmeÉdition

 Cas de 3 variables

ab

00

01

11

10

ab

c

00

01

11

10

C 0

1

1

1

1

1

1

1

c

a

0

1

1

1

1

1

1

1 a

b

S= a + c

S=a+ b

 Cas de 4 variables ab

00

01

11

10

cd

ab

00

00

1

01

11

10

cd 00

1

1

1

01

1

1

01

11

1

1

11

10

1

1

1

1

d

1

10

1

1 1

1 bd

a bcd S = b d + a bcd

a

S= a + d

3. Portes logiques A. Porte « ET » (AND) Symbole

équation

table de vérité

S = a.b.

a &

b a

s

s

b

153

a

b

s

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

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2èmeÉdition

Chronogramme

a bo

t

s o

t

o

t

B. Porte “OU” (OR) Symbole a b

1

a

équation

s

table de vérité

S=a+b

s

b

Chronogramme a bo

t

s o

t

o

t

154

a

b

s

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

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2èmeÉdition

C. Porte « NON » (No) Symbole

équation

a

table de vérité

s S= a s

a

a

s

0

1

1

0

D. Porte « NON ET » (NAND) Symbole a b

équation s

&

S = ab

a

s

b

table de vérité

a

b

s

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

E. Porte “NON OU” (NOR) Symbole

équation

a b a b

s

1

S = a b s

155

table de vérité

a

b

s

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

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2èmeÉdition

F. Porte “ou exclusif” (XOR) Symbole

équation

a

s

S = a b + ab

=1

b

S=a a b

table de vérité

+

b

s

a

b

s

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

G. Porte « NON ou exclusif » (NXOR) Symbole

équation

a b

a b

=1

s

s

table de vérité

S = a b + ab

a

b

s

= a b + ab

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

1

S = ab

156

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2èmeÉdition

EXERCICES D’APPLICATIONS Exercices 1 : Simplifier les équations logiques suivantes aux moyens de l’algèbre de Boole.

S = ab c + a b c + a b c + a b c Y = ( a c + c a) ( b d + b d ) + ( a c + a c ) ( b d + b d ) X = a (ab + a b) + b (a b + ab) Z = a b c d + abcd + a b c d + a b cd U = ab(ac + bc) ( a + b ) Exercice 2 : Représenter les équations suivantes aux moyens des portes logiques à deux entrées uniquement.

F1 = a bc + a( bc )

F  = ( a b c d + ab)c

Exercice 3 : À partir des portes NAND à deux entrées, réaliser : -

Une porte « ET » ; porte « OU » ; une porte « NOR » Une porte « ou exclusif » et une porte « NON ou exclusif »

A partir des portes NOR à deux entrées, réaliser : - Une porte « ET » ; une porte « OU » ; « ou exclusif » ; « NON ou exclusif » Exercice 4 : Simplifier les équations suivantes à base du tableau de Karnaugh

S1 = a b c + a b c + a b c + ab c S2 = a b c d + abcd + ab + a S3 = ab + a c b + b ca

157

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2èmeÉdition

4. Logique combinatoire En logique combinatoire, la sortie dépend des combinaisons d’entrées.

A. Variable binaire Une variable logique a est une grandeur qui peut prendre deux états 0 et 1 et ne peut varier de façon continue. Exemple :

Si

a=1 a =0 B. conception des circuits logiques combinatoires

La résolution des problèmes en logique combinatoire passe très souvent par la conception des circuits logiques combinatoires et pour cela, on passe par les étapes suivantes : Transformation du problème à l’aide d’une table de vérité Simplification par l’algèbre de Boole ou par le tableau de Karnaugh Représentation des circuits aux moyens des portes

-

1. Table de vérité a 0

b 0

s

S=

ab

+ a b + ab

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

= a ( b + b) + a b 1 = a +a b S=

a

+

b

or

S

= ab

S

=

ab

=

a

+

b

C’est une résolution d’un problème de logique combinatoire sous forme de tableau sous lesquels on retrouve les valeurs d’entrées et de sorties d’une fonction. Il existe des fonctions incomplètement définies et des fonctions complètement définies. 1.1. Fonction incomplètement définie (FID)

C’est une fonction donc la valeur est non spécifiée pour certaines combinaisons de variables. 158

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Exemple : a

b

s

0

0

X

0

1

0

1

0

1

1

1

X

1.2. Fonction complètement définie (FCD)

C’est une fonction donc la valeur est spécifiée pour toutes les combinaisons des variables Exemple : a

b

s

0

0

1

0

1

0

1

0

1

1

1

0

1.3. Forme canonique

On démontre qu’une fonction  (a,b,c) peut s’écrire sous deux formes particulières : -

Somme canonique Produit canonique a) Forme canonique disjonctive (somme)

C’est tout simplement la somme des produits variables. Exemple :

F(A,B,C) = AC + AB + BC b) Forme canonique conjonctive (produit)

C’est tout simplement le produit des sommes des variables binaires F(A,B,C) = (A+B)(A+C)(B+C) 159

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Chapitre

4 ARITHMETIQUE BINAIRE OPERATIONS & CIRCUITS

160

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

1. Généralités Les diverses opérations intervenant dans les calculateurs et calculatrices portent sur les nombres exprimés en notation binaire.

2. Addition binaire Cinq (5) cas peuvent se présenter lorsqu’on effectue l’addition de deux nombres binaires et cela quel que soit leur rang.  1 + 1 = 10 (égal 0 plus 1 de report sur le rang de gauche)  1 + 1 + 1 = 11 (égal 1 plus 1 de report sur le rang de gauche)

 0+0=0  0+1=1  1+0=1 Exemple :

11011 + 1011 100110

1011 + 10111 + 1010 101100

Remarque : Pour effectuer la soustraction de deux nombres binaires, les cinq cas suivants peuvent aussi se présenter :

    

1–0=1 1–1=0 0–0=0 0 – 1 = 11 1 – 1 – 1 = 11

Mais la soustraction étant une forme d’addition, nous allons généralement additionner un nombre positif avec un nombre négatif d’où la notation à complément à deux.

3. Ecriture des nombres signe La plupart des ordinateurs traitent aussi bien les nombres positifs et négatifs. Jusqu’à présent, nous avons effectué les opérations avec les nombres positifs, il faut adopter une certaine convention pour représenter le signe d’un nombre (positif ou négatif) généralement on ajoute un autre bit aux nombres appelé bit de signe. La convention la plus courante consiste à attribuer aux nombres positifs le bit de signe 0 et aux nombres négatifs le bit de signe 1. 161

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Exemple : 0

1

1

0

1

0

0

+ 52

1

0

0

1

1

0

0

- 52

Bit de signe

A. Notation en complément à 1 Le complément à 1 d’un nombre binaire s’obtient simplement en changeant chaque 0 par 1 et chaque 1 par 0. Exemple : Complément à 1

0110100 1001011

B. notation en complément à 2 Le complément à 2 s’obtient simplement en prenant le complément à 1 de ce nombre et en ajoutant 1 au bit de son rang du poids le plus faible. Exemple :

0110100 1001011 + 1 1001100

Complément à 1

+

1

 complément à 2

Remarque : le complément à 2 d’un nombre positif nous donne un nombre négatif et vis versa exemple : 0101  +5 1010 Complément à 2 de + 5

+

1 1011 0100 + 1 0101

 -5

Complément à 2 de - 5  +5

162

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2èmeÉdition

EXERCICES D’APPLICATIONS Exercice 1 : Ecrivez chacun des nombres décimaux signés que voici dans la notation à complément à 2 :

a) +13

b) -9

c) –5

d) +7

NB : écrire ces nombres avec 5 bits Exercice 2 : Chacun des nombres suivants est le complément à 2 d’un nombre binaire signé. Trouvez sa valeur décimale.

a. (0 1 1 0 0)2 b. (1 1 0 1 0)2 c. (1 0 0 0 1)2

4. opération en complément à 2 A. deux nombres négatifs +

-5 -2 -7



+

1011

1110 11001



Bit rejeté car l’opération est sur 4 bits

B. deux nombres positifs +5 +

+2 +7

 

0101 + 0010 0111

C. un nombre positif est un nombre négatif plus grand +

+2 -4 -2

 

0010 + 1100 1110 163

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

D. un nombre positif est un nombre négatif plus petit +

+7



0111

-2 +5



1110 10101 Bit rejeté car l’opération est sur 4 bits

Remarque : Dans les exemples que nous avons étudiés, les nombres que l’on a additionnés étaient constitués à la fois d’un bit de signe et de 3 bits de grandeurs. Les réponses aussi comportaient un bit de signe et 3 bits de grandeurs. Tout report fait, le bit de 5ème rang était rejeté. Voyons maintenant l’addition de +9 et +8.

+9



+8 +17



+

01001 + 01000 10001 Bit de signe

Le signe de la réponse est celui d’un nombre négatif, ce qui est manifestement une erreur étant donnée que la grandeur est plus 17, il faut plus de 4 bits pour l’exprimer. Il y a donc un déplacement sur le rang du bit de signe d’où :

+17 = (0 1 0 0 0 1)2 E. multiplication La multiplication des nombres binaires est analogue à celle des nombres décimaux. Exemple :

+5



+3 +15



x

x

0101

0011 0101 0101 0000 0000 +15 0 0 1 1 1 1

164

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2èmeÉdition

5. Circuits arithmétiques A. Demi-additionneur Il n’opère que sur deux bits d’entrées a et b, une sortie nommée s et une sortie de report ou de retenue nommée R.  Table de vérité a

b

s

R

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0

1

S = a b + ab S=a  b R = ab

 Logigramme

a

b

s

R

B. Additionneur complet Il comprend trois entrées A, B, Ce. Ce est le bit de report d’entrée, l’additionneur comprend aussi deux sorties S ; Cs. Cs est le bit de report de l’indice de sortie.

165

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

 Table de vérité

A

B

Ce

S

Cs

S = a b Ce + a b Ce + a b Ce + abCe

0

0

0

0

0

= a ( b Ce + b Ce ) + a ( b Ce + bCe)

0

0

1

1

0

s = a (b + Ce) + a ( bCe )

0

1

0

1

0

s = A  B  Ce

0

1

1

0

1

1

0

0

1

0

Cs = a bCe + a b Ce + ab Ce + abCe

1

0

1

0

1

= ab( Ce + Ce) + Ce( a b + a b )

1

1

0

0

1

Cs = AB + Ce(A  B)

1

1

1

1

1

 Logigramme A

B

Ce s

Cs

166

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

C. Comparateur Un comparateur est un circuit qui réalise la comparaison de deux nombres. Il est donc constitué de deux entrées A et B et de trois sorties :

S () ; I () et E (=) Exemple : comparateur d’un bit  Table de vérité A

B

S

E

 Equations

I

S = AB 0

0

0

1

0

I = AB 0

1

0

0

1

E = A B + AB = A B 1

0

1

0

0

1

1

0

1

0

 Logigramme A

B

S

I E

EXERCICE D’APPLICATION Réaliser un circuit comparateur de 2 nombres de deux bits.

167

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Chapitre

5 MULTIPLEXEUR MULTIPLEXEUR - DEMULTIPLEXEUR

168

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

A. Multiplexeur 1. Définition Le multiplexeur est un circuit logique à n entrées de données ou d’informations et une sortie qui transmet les informations parvenant à l’entrée sélectionnée. Pour sélectionner une entrée, le multiplexeur doit recevoir un ordre provenant de n entrées complémentaires appelées entrée d’adresse ou de sélection.  Principe

N = 2n

e Entrées De données

S

N : nombre d’entrées de données

en Entrées D’adresses

n : nombre d’entrées d’adresses

Ao An

Il se comporte comme un commutateur dans lequel un code numérique appliqué aux entrées d’adresses commande l’entrée des données qui est raccordée à la sortie.

2. Etude de quelques multiplexeurs a) Multiplexeur à 2 entrées de données (2  1)  Table de vérité A

I1

I0

équations

S

S = A I 0 + AI1

0 1

169

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

 Logigramme

I1 s

I0

A b) Multiplexeur à 4 entrées (4  1) A1

A0

0

0

0

1

1

0

1

1

I3

I2

I1

I0

S

S = A1 A 0 I 0 + A 1A0 I 1 + A1 A 0I2 +A1A0I3

I0 I1 S

I2 I3

A1 A0

170

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

B. Demultiplexeur 1. Définition Il réalise la fonction inverse du multiplexeur c’est-à-dire que son entrée unique est dirigée vers une sortie parmi plusieurs.

2. Principe

N = 2n entrée

N sorties

N = nombre de sorties n = nombre d’adresses

n entrées D’adresses

A. Etude de quelques démultiplexeurs a) Demultiplexeur à 2 sorties (1  2)

 Table de vérité A

S1

S0

0

0

E

1

E

0

 Equations

 Schéma

E

S1

S1 = AE S0 = A E

S0

A

171

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

EXERCICES D’APPLICATION Exercice I : Concevoir un circuit Demultiplexeur à 4 sorties Exercice 2 : Donner l’équation de Z du multiplexeur suivant. 5v

A B C

I7

I6

I5

I4

I3

I2

MUX

Z Simplifier Z et faire un logigramme au moyen des portes.

172

I1

I0

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Chapitre

6 CODEURS CODEURS - DECODEURS

173

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

A. Codeur Ce sont les circuits combinatoires (protégeant) sur n bits une information parmi N entrées possibles. Il effectue donc une conversion du code 1 parmi N en un code binaire pur ou BCD. Cependant le code BCD est en pratique le plus utilisé.

S0

E1

N entrées

n Sorties binaires pures ou BCD

En

Sn - 1

ENTRÉE DE VALIDATION a) Etude d’un codeur  Equations

 Table de vérité

S0 = E 3 E2 E 1 E 0 + E3 E 2 E 1 E 0 E3

E2

E1

E0

S0

S1

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

1

0

1

0

0

1

0

1

0

0

0

1

1

S0 = E 3 E 2 E1 E 0 + E3 E 2 E 1 E 0

174

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

 logigramme

E3

E2

E1

E0

S0

S1

B. Décodeur Il réalise exactement la fonction inverse du codeur. C’est un système ou circuit logique qui établit la correspondance entre un code d’entrée binaire de n bits et N lignes de sorties avec N  2n Les décodeurs sont largement utilisés dans les mémoires d’ordinateurs et dans les circuits d’affichages.

1. Etude de quelques décodeurs a) Décodeur à n entrées binaires C’est un décodeur qui a n entrées pouvant être soit à zéro « 0 » soit à un « 1 . il y aura donc 2n combinaisons d’entrées possibles une seule des sorties est activée. b) Décodeur à 2 entrées binaires

175

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

 Equations

 Table de vérité

E1

E0

S3

S2

S1

S0

S0 = E 1 E 0

0

0

0

0

0

1

S1 = E 1 E2

0

1

0

0

1

0

S2 = E1 E 0

1

0

0

1

0

0

S3 = E1 E0

1

1

1

0

0

0

 Logigramme

E

E

1

0

S3 S2 S1 S0 Exemple de quelques décodeurs

74LS138 (3  8) 74LS42 (4  10) DCB décimal

176

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

2. décodeur DCB 7 segments Il est utilisé pour la commande des afficheurs numériques. Les informations d’entrée correspondent à une valeur BCD sur 4 bits. Le décodeur fournit en sortie une information sur 7 bits. Le niveau d’activation d’un segment dépend du type d’afficheur utilisé (anodes communes ou à cathodes communes) a a b f A b c

décodeur

Entrées

B C

g

d

e

e

D

c

f d

g

A

B

C

D

a

b

c

d

e

f

g

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

1

0

1

0

0

0

1

1

0

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

1

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

0

1

1

177

Affichage

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

1

0

1

0

1

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

2èmeÉdition

 Table de transcodage AB

00

01

11

10

00

0

4

X

8

01

1

5

X

9

11

3

7

X

X

10

2

6

X

X

CD

a) AB

00

01

11

10

CD 00

CDB

1

X

1

A A = c + A + BD + BCD

01

1

X

1

11

1

1

X

X

10

1

1

X

X

c BD 178

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

b)

AB

00

01

11

10

00

1

1

X

1

01

1

X

1

11

1

X

X

10

1

X

X

CD

1

B = A + CD + B + CD

CD

A

B

c)

AB

00

01

11

10

00

1

1

X

1

01

1

1

X

1

11

1

1

X

X

1

X

X

CD

0

D

c

C = D + A +B + C

CB

B A

179

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

d) AB

00

01

11

10

X

1

X

1

X

X

X

X

11

10

X

1

CD 00

1

01

1

11

1

10

1 AB C

1

CD CAB

D = A D + CA + CD + A

ACD

e)

AB

00

01

CD 00

1

E = B D C + AB BCD

01

X

11

X

10

1

1

X

X ACD

X X

180

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

f)

AB

2èmeÉdition

ABC

ACD

00

01

11

10

1

1

X

1

CD 00

B

01

1

X

1

X

X

X

X

01

11

10

00

1

X

1

01

1

X

1

X

X

X

X

11 10

1

C D

F = C D + CB + A + DB

g)

A BC AB

00

CD

11

1

10

1

1

G = A + CB + B C + C D

181

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Chapitre

7 LOGIQUE SEQUENTIELLE

182

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

A.Les bascules 1. Généralités a) Définition Les bascules sont des circuits séquentiels de mémorisation d’un bit. Elle constitue par conséquent l’élément de base de toute unité de mémoire. b) Fonctionnement synchrone et asynchrone Dans une bascule asynchrone les ordres appliqués sur des entrées provoquent immédiatement en sortie le changement d’état correspondant. Dans une bascule synchrone l’exécution de l’ordre n’intervient qu’avec un signal de synchronisation. Le signal de synchronisation est appelé horloge (H) ou timing (T). c) Différents types de bascules Trois types de bascules ont été développés : -

La bascule à mémoire de stockage (ou latch) : c’est une bascule à entrée d’horloge statique. La bascule maître-esclave La bascule à déclenchement sur front montant ou front descendant d) Symboles utilisés dans les bascules synchrones  Entrées asynchrones S et R  Entrées informations J, K, D  Entrées horloge H, T, C : Horloge agissant pendant toute la durée du niveau haut

Exemple : Horloge agissant pendant toute la durée du niveau bas Exemple : Horloge agissant au voisinage de la transition bas (L)  haut (H) Exemple :

183

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

: Horloge agissant au voisinage de la transition haut (H)  bas (L) Exemple :  synchronisation par impulsion

Une impulsion est composée de deux fronts ; le premier front sert à la synchronisation des entrées, le second à la synchronisation de la sortie

2. bascule asynchrone La bascule RS est la seule bascule asynchrone existante. Elle dispose de deux sorties (Q et Q ) et de deux entrées R (reset) et S (set)  symbole

Entrées

R

Q Sorties

S

Q

 Fonctionnement

-

Une action brève sur R met la sortie Q à zéro ( Q sera 1)

-

Une action brève sur S met la sortie Q à 1 ( Q à zéro) Une action simultanée sur R et S met la sortie Q à 1 si la bascule est à inscription prioritaire et à zéro si la bascule est à effacement prioritaire. En absence d’action sur R et S, la bascule conserve l’état extérieur, on dit qu’elle est dans l’état de mémoire.

-

 Table de vérité

R

S

Qn + 1

Observation

0

0

Qn

Mémorisation

0

1

1

Mise à 1

1

0

0

Mise à zéro

1

1

-

Interdit

184

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

 Schéma logique

NOR



S

Q

(La priorité c’est « 1 »)

Q R NAND



Q

S

R

(La priorité c’est « 0 »)

Q

3. Bascule synchrone Il existe plusieurs types de bascule synchrone : -

La bascule RSH La bascule D La bascule T La bascule J.K

1) Bascule RSH Cette bascule synchronisée par le niveau haut de l’horloge H comporte deux fonctionnements distincts : H = O : la sortie ne tient pas compte du changement pour R et S ; elle reste stable quelles soient les variations de R et S : c’est le fonctionnement mémoire. H = 1 : la sortie est synchronisée ; la bascule respecte la table de fonctionnement d’une bascule RS avec les mêmes restrictions.

185

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3



2èmeÉdition

Symboles

Q

Entrées

R

Sorties

H Q

S 

Table de vérité

H

R

S

Qn + 1

0

X

X

Qn

1

0

0

Qn

1

0

1

1

Remise à 1

1

1

0

0

Remise à zéro (0)

1

1

1

-

Interdit



Mémorisation

Chronogramme

H t R

t

S

t Q M

MAZ

M MAU

186

t

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3



2èmeÉdition

Schema logique

Q

S

S

Q

H

H

Q

S Q

R

2) Bascule D Elle mémorise l’information d’entrée ; on peut transformer la bascule SHR en bascule D si on pose à tout instant R = S = D ; le schéma devient D

Q

S

H Q

R  Table de vérité Symbole

H

D

Qn + 1

0

0

Qn

0

1

Qn

1

0

0

1

1

1

D

H

187

Q

Q

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

 Bascule D particulière (verrou ou Latch)

Symbole

Table de vérité

D

Q

V

Q

V

D

Qn + 1

0

X

Qn

1

0

0

1

1

1

V = validation Remarque

Lorsqu’on câble l’ensemble D et Q , on dit que la bascule fonctionne en bistable (bascule T) Exemple

Q D

Q

H

3) Bascule T (Tigger) Table de vérité

Q T(H) Q

188

T

Qn

Qn + 1

0

0

0

1

0

1

0

1

1

1

1

0

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

 Chronogramme

H

2èmeÉdition

T

Qn + 1

0

Qn

1

Qn

t (ms) Qn+1

t (ms) TS TS = 2 T e  1  2 

 S e

fe = 2 fs

NB

: La période est un intervalle de temps pendant lequel le signal se reproduit identiquement à lui-même. 4) Bascule JK a) Fonctionnement et but

Ce sont les bascules utilisées pour supprimer l’état indéterminé rencontré dans les bascules RHS ; il existe plusieurs méthodes de réalisation des bascules JK ; dans tous les cas, son fonctionnement est comme suit : -

J = K = 0, la bascule est dans l’état mémoire J = K = 1, la donnée inverse est mémorisée J = K , la sortie Qn + 1 = J  Schéma logique

J

Q

H

Q

K

189

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Lorsqu’à tout instant J = K = 1 on dit que la bascule fonctionne en bistable (2 états stables) Exemple «1» 0 + Vcc

Q

J

Q

J

H

H Q

K

K

Q

5) Bascule RSH maître esclave Ce sont deux bascules RSH non nul dont l’une est appelée maître positionné par les entrées et l’autre appelé esclave et suit les états des maîtres. Lorsque le maître est transparent, l’esclave est bloqué et inversement.

S

S1

Q1

S2

Q2

R1

Q1

R2

Q2

Q

H R

Q

 Entrées Asynchrones

Ce sont des entrées de forçage qui mettent prioritairement une bascule à « 1 » ou à « 0 » ; on peut aussi les appeler entrée de pré positionnement. Exemple

RAU = 1  RAZ = 0  Q = 0  Q = 1 RAU = 0  RAZ = 1  Q = 1  Q = 0 190

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

RAU (Preset) J

Q

K

Q

H

RAZ (clear)  Application des bascules 

Circuit Anti – Rebond

C’est un circuit qui nous permet de supprimer les transitions existantes entre deux tensions dues au rebondissement des contacts mécaniques. Problème

VS

Passage de 21

12

+ 5V

Solution

1

Q

S

K R

2

+ 5V

Q

191

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Position 2

S=0R=1Q=0 Position 1

S=1;R=0Q=1 S’il y a rebondissement

S = 0 ; R = 0  Q = Qn = 1 chronogramme

H t Q t

192

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Chapitre

8

COMPTEURS - DECOMPTEURS

193

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

1. Généralités Un compteur est un circuit séquentiel ayant une longueur de cycle et présentant N état différent. Il y a deux fonctions principales à savoir : -

Fonction comptage Fonction diviseur de fréquences

Il existe deux types de comptage : le comptage synchrone et le comptage asynchrone.

2. Compteur asynchrone Pour un compteur asynchrone, les étages basculent en cascade à partir de l’horloge placée à l’entrée de la 1ère bascule. Il existe des compteurs à cycle complet et des compteurs à cycle incomplet. Toutefois le nombre de bascules est déterminé à partir de la formule 2n ; 2n étant le modulo du compteur et n le nombre de bascule. Exemple

Compteur modulo 8

 2n = 8 =  n = 3 bascules Et les états du compteur en décimal seront = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 0… et le cycle recommence.

a) Compteur à cycle complet 1. Compteur modulo 2 Modulo 2  une bascule «1»

Q

J

K

Q

194

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

2. Compteur modulo 4 Modulo 4  2 bascules «1»

«1»

Q1

Q0 J0

J1

K0

K1

Chronogramme

H t

Q0 t

Q1

t

Exercice : réaliser un compteur modulo 8 et dessiner son chronogramme

b) Compteur à cycle incomplet (modulo  2N) 1. Modulo 6 195

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Table des états

Q2

Q1

Q0

ND

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

2

0

1

1

3

1

0

0

4

1

0

1

5

1

1

0

6

1

1

1

7

«1»

000

«1»

«1»

J0 Q0

J1 Q1

J2 Q2

H

K0

K1 RAZ

H

K2 RAZ

RAZ

Chronogramme

t

Q0 t

Q1 t

Q2

t

RAZ t 196

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

3. Décompteur Asynchrone Pour un compteur, il s’incrémente (augmente de 1) lorsqu’il reçoit une impulsion et pour un dé compteur, il se décrémente (diminue de 1) lorsqu’il reçoit une impulsion.

a) Modulo 8 Modulo 8  3 bascules 1

1

1

Q0

Q2

Q1

J0

Q0

J1

Q1

J2

Q2

K0

Q0

K1

Q1

K2

Q2

H



Table des états

NI

ND

Q2

Q1

Q0

1

7

1

1

1

2

6

1

1

0

3

5

1

0

1

4

4

1

0

0

5

3

0

1

1

6

2

0

1

0

7

1

0

0

1

8

0

0

0

0

197

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3



2èmeÉdition

Chronogramme

H

Q0

t

0

t 0 Q0 t

Q1 0

t

0 Q1

t

Q2 0 0

1

1

1

1

0

0

0

t

4. Compteur et décompteur synchrone Un compteur synchrone est un circuit séquentiel dont le basculement des étapes est synchronisé par le même signal : signal d’horloge.

a) Réalisation des compteurs synchrones Soit à réaliser un compteur modulo 8 : on sait que pour ce compteur, on compte de 0 à 7 et on a 8 états. Le graphe des états est le suivant : Table de transition

8 7

0

J

K

Qn

Qn + 1

0

X

0

0

1

X

0

1

X

1

1

0

X

0

1

1

1

6

2

5 4

3

198

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Modulo 8  2N = 8  N = 3 bascules

Q2

Q1

Q0

J2

K2

J1

K1

J0

K0

0

0

0

0

0

X

0

X

1

X

1

0

0

1

0

X

1

X

X

1

2

0

1

0

0

X

X

0

1

X

3

0

1

1

1

X

X

1

X

1

4

1

0

0

X

0

0

X

1

X

5

1

0

1

X

0

1

X

X

1

6

1

1

0

X

0

X

0

1

X

7

1

1

1

X

1

X

1

X

1

199

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

SIMPLIFICATION Table de codage

Q2Q1

00

01

11

J0 10

Q0

Q2Q1

00

01

11

10

Q0 0

0

2

6

4

0

1

1

1

1

1

1

3

7

5

1

X

X

X

X

K0 = 1 K0

J0 = 1

J1 Q2Q1

00

01

11

10

Q2Q1

Q0

00

01

11

X

X

X

X

10

Q0 0

X

X

X

X

0

1

1

1

1

1

1

K1

1

J1 = Q0

J2 Q2Q1

00

01

11

10

Q2Q1

Q0

1

00

01

11

10

X

X

X

X

Q0 0

X

1

X

X 1

1

K1 = Q0

X

0 1

1

J2 = Q0Q1

K2 Q2Q1

00

01

0

X

X

1

X

X

11

10

Q0 K2 = Q0Q1 1 200

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Q1

Q0

1

Q2

J0

J1

J2

K0

K1

K2

H b) Décompteur modulo 8 Il a le même principe que le dé compteur asynchrone ; à la seule différence que l’horloge attaque toutes les bascules en même temps. Tableau de transition J

K

Qn

Qn + 1

0

X

0

0

1

X

0

1

X

1

1

0

X

0

1

1

Table de vérité

Q2

Q1

Q0

J2

K2

J1

K1

J0

K0

1

1

1

X

0

X

0

X

1

1

1

0

X

0

X

1

1

X

1

0

1

X

0

0

X

X

1

1

0

0

X

1

1

X

1

X

0

1

1

0

X

X

0

X

1

0

1

0

0

X

X

1

1

X

201

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

0

0

1

0

X

0

X

X

1

0

0

0

1

x

1

x

1

X

Table de codage

Q2Q1

00

01

11

10

0

0

2

6

4

1

1

3

7

5

Q0

J0

J1 Q2Q1

00

01

11

10

Q2Q1

00

01

11

10

1

X

X

1

X

X

J0 = 1 Q0

Q0 0

X

X

X

X

0

1

1

1

1

1

1

K0

J1 = Q 0

K1 Q2Q1

00

01

11

10 K0 = 1

Q0

Q2Q1

00

01

11

10

1

1

X

Q0

0

1

1

1

1

0

X

1

X

X

X

X

1

X

202

X

K1 = Q 0

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

K2

J2 Q2Q1

00

01

11

10

Q0

Q2Q1

00

01

11

10

Q0 0

1

1

X

X

0

X

X

X

X

1

X

X

1

K2 = Q 0 Q 1 = Q0  Q1

J2 = Q 0 Q 1 = Q0  Q1 Câblage

Q1

Q0

1

J0

K0

Q2

J1

J2

K1

K2

Q0

H Remarques Pour un dé compteur asynchrone à cycle complet (modulo 2N) ; soit Vn la fonction appliquée à un étage Qn 0 =

J0 = K0 = 1  1 = J1 = K1 = Q 0  2 = J2 = K2 = Q 0 Q 1  n = Jn = Kn = Q 0 Q 1 = Qn + 1 Pour les compteurs synchrones à cycle complet (modulo 2N) ; soit Kn la fonction appliquée à un étage Qn ; on aura 0 = 1 =

J0 = K0 = 1 J1 = K1 = Q0

2 =

J2 = K2 = Q0 Q1 203

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

n =

2èmeÉdition

Jn = Kn = Q0 Q1 …… Qn – 1

NB : Contrairement aux compteurs qui ont des sorties initialement à zéro et s’incrémentent

(augmente de 1) à chaque arrivée d’une impulsion, les dés compteurs ont leurs sorties initialement à 1 et se décrémentent (diminue de 1) à chaque arrivée d’une impulsion. Ils ont donc besoin d’une remise à 1 (RAU) alors que les compteurs ont besoin d’une remise à 0 (RAZ) Pour un dé compteur modulo 10, il décrémentera 10 états et à la 11è état, il reviendra à l’état initial : état 0 (111)

204

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Chapitre

9

REGISTRE

205

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

1. Définition C’est un ensemble de cellules de mémoire capable de stocker une information ; c’est donc un ensemble ordonné de bascules.

2. Schéma de principe E0

E2

E1 D Q

D

E3 D Q

D

S0

S1

S2

S3

Moyennant une interconnexion entre les cellules, le registre précédent devient capable d’opérer une translation des chiffres du nombre initialement stocké. Le déplacement s’effectue soit vers la droite, soit vers la gauche. Le registre est alors appelé registre à décalage.

a) Décalage à droite

1

0

1

1

1

Q0

0

1

ESG Après impulsion

HAvant impulsion ESG

D0

1

D1

Q1

D2

206

Q2

D3

Q3

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

b) Décalage à gauche ESD 1

0

1

1

0

1

1

1

Après impulsion

Avant impulsion

ESD

D0 Q0

D1 Q1

D2 Q2

Dn Qn

c) Fonctions mémoire Elle peut être réalisée de différentes façons suivant les bascules : -

La bascule D, D = K La bascule RS ; R = S = 0 La bascule JK ; J = K = 0 ou J = K

3. Transfert du contenu d’un registre A dans un registre B a) Série

E

RB

RA

DAo Q0

DA1 QA1

DA2

DBo

H 207

DB1

DB2

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

Registre A

2èmeÉdition

Registre B

QAo

QA1

QA2

QBo

QB1

QB2

1

0

1

0

0

0

Etat initial

0

1

0

1

0

0

Après une impulsion

0

0

1

0

1

0

Après deux impulsions

0

0

0

1

0

1

Après trois impulsions RA

b) Parallèle DAo

QAo

DBo

QBo

DA1

QA1

DA2

QA2

QB1

DB2

QB2

H DB1

RB

4. Différents types de registres à décalage Il existe plusieurs types de registres

a) Registre à entrée série / sortie série 208

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

entrée

QA

QB

QC

2èmeÉdition

sortie

QD

H b) Registre à entrée série / sortie parallèle

entrée

QA QB

QC

QD

H

sorties c) Registre à entrée parallèle / sortie série entrées

QA

QB

QC

QD

sorties

H d) Registre à entrée parallèle / sortie parallèle entrées

QA

QB

QC

QD

H sorties

209

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Chapitre

10

TECHNOLOGIE DES CIRCUITS INTEGRES NUMERIQUES

210

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

1.

2èmeÉdition

Généralités

Un circuit intégré est une boîte noire dans laquelle plusieurs composants discrets (résistance, diodes, transistors ) sont interconnectés. La technologie des circuits a fait un bond prodigieux allant de l’intégration :  A petite échelle SSI ( Small Scul Integration ) qui loge au moins plus de 12 par puce.  A grand échelle MSI ( Medium Scul Integration ) qui loge moins de 100 portes par puce.  A large Echelle LSI ( Larguel Scul Integrétion ) qui loge moins de 1000 portes par puce.  A une très grande échelle VLSI ( Verry Larguel Scul Integration ) qui loge jusqu'à 100000 portes par puce.

2.

Caractéristiques des circuits intégrés

On distingue plusieurs types de caractéristiques des circuits intégrés :  Caractéristique électrique statique  Caractéristique électrique dynamique  Caractéristique mécanique

a.

Caractéristique électrique statistique

Un circuit délivre en générale une tension ; il fait donc faire une correspondance entre les deux niveaux de tension appelés niveau haut ( H ) et niveau bas ( L ). Les variables 0 et 1  V0 : tension de sortie  V1 : tension d’entrée  VO H : tension de sortie niveau haut garantie par le constructeur  VO L : tension de sortie niveau bas garantie par le constructeur  V i H : tension de sortie niveau haut reconnu par le constructeur  V i L : tension de sortie niveau bas reconnu par le constructeur  IO H et IO L : courant de sortie de la porte actionnée ViH et ViL  Vt- et Vt+ : tension de basculement à from montant et à from descendant.  Sortance : C’est le nombre maximal de charge que peut amender une sortie  Entrance : C’est la valeur du courant de commande imprimée en une unité qui est le courant de commande typique de la famille.  Immunité statique au bruit, il définit l’attitude du circuit à acquérir les tensions parasites sur ces entrées. VN M

VI H VIL MARGE DE BRUIT



VOH1 VOL1

MARGE DU BRUIT

VH N M = V O H 1 + V O H 2 VL N M = V O L 1 - VO L 2

211

VIH2 VI L2



VIH2

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

b.    

2èmeÉdition

Caractéristique électrique dynamique

Le temps de propagation tp : si le niveau d’un circuit change totalement son niveau de sortie ne vaut qu’avec un certain retard. Ce retard est appelé temps de propagation. La fiabilité d’un circuit est caractérisé par la probabilité pour qu’une panne se produise pendant la durée d’une heure. Facteur de mérite : c’est le produit de la puissance statistique par le temps de programmation il s’exprime en Joule Puissance consommée : C’est la puissance provoquée par le passage du courant du niveau logique 1 au niveau logique 0 et vis-versa.

c.

Caractéristique mécanique 

Gamme de température

Les circuits ont été classés en deux grandes gammes * La gamme militaire qui est encore la série 54 ( -55°c à +125°c) * La gamme grand public qui es encore la Scul 74 ( 0 à 79°c)  Le boîtier : Il existe plusieurs types de boîtiers  les boîtiers ronds  Les boîtiers plats  Les boîtiers DIL ( Dual- Inclure)  Les boîtiers SIL ( Single Inclure)  Les boîtiers SOL  Les boîtiers Clup carrier

Il existe plusieurs familles de circuits intégrés. Ce qui différencie les diverses familles, ce sont les éléments utilisés dans leurs familles. Les familles RTL et DTL ne feront pas l’objet de notre étude car ils sont dépassés. Les familles TTL et ECL utilisant le Xtor bipolaire dans les familles NMOS et CMOS PMOS. C’est le transistor effet de champ. Dans tous les cas, chaque circuit possède un code pour identification comprenant les indications, comprenant la série relatif à la fabrication , sa fonction , le type de boîtier , le nom du constructeur et sa technologie. Exemple : SN 74 L5 00A

Type de boîtier

Sous-Famille Famille Sigle du constructeur

3.

Technologie TTL ( logique à Xtor d’entrée et de sortie)

C’est une technologie basée essentiellement sur l’intégration des Xtors avec en plus l’utilisation du transistor émetteur. La tension d’alimentation est fixée à 5V, la tension de sortie niveau haut est égale à 3,3V ; la tension de sortie niveau bas est sensiblement égale à 0,3V et la tension de 212

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

basculement bt=1,3V. On reconnaît les circuits TTL par leur numéro d’identification qui commence toujours par 74 ou 54 suivi de leur numéro de fonction ( 74 ; 54 ) Exemple : 74L00 La technologie TTL a subit plusieurs améliorations technologiques de façon à diminuer les vitesses de communication et les puissances dissipées. On aboutit alors à la création des sous-familles telles que :  TTLL ( faible consommation 74L00)  TTLS (Shottky)  TTL LS (Low Shottky)  TTL H ( Hight Speed)  TTL AS ( advanced Shottky)  TTL ALS ( Advanced Low Shottky) 74L00 Avantage du TTL  Le temps de propagation est court ce qui entraîne une fréquence élevé Inconvénient du TTL  Faible sortance  Système d’alimentation imposé à 5V  Consommation très élevé

4.

Technologie CMOS ( Complasurtary MOS)

Ils sont réalisés à base de deux transistors d’effet de champ ( à canal P et à canal N). Voir montage Push-Pull à transistor effet de champ. Leur tension d’alimentation varie entre 3 et 15V, les valeurs normalisées sont : 5, 10 et 15V. Les circuits CMOS commencent généralement par 40, 45, 47, 54C, 74HC, 74HCP. Exemple : 4017 compteur décimal s’alimente entre 3 et 15V. Remarque : Les 74HCP s’alimente à 5V et son compatible broche à broche avec le TTL Avantages CMOS  Large possibilité de choix de la tension d’alimentation entre 3 et 15V  Faible consommation  Leur niveau de sortie est presque parfait ( VO H= VO D VO L =0)  Leur commutation est très faible  Sortance élevée  La technologie de fabrication permet une plus grande intégration d’où la fabrication des circuits intègre comme le micro processeur. Inconvénient du CMOS  Immunité au bruit très élevée : 30% VD  Nécessité de précaution d’emploi car ils sont très sensibles aux charges électrostatiques. Conclusion CMOS

Sortance élevée Tension de sortie variable Consommation faible

TTL

213

Sortance faible Tension de sortie fixe Consommation élevée

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Remarque : 1.

Tout entrée non connectée est à un niveau logique pour les TTL niveau haut. Pour les CMOS, ça ne correspond ni à 1, ni à 0 ; par contre peut détruire notre circuit intégré car les CMOS ne supportent par les charges électrostatiques Les entrées inutilisées doivent être raccordées.

2.

4. Famille ECL ( Logique à Couplage par émetteur) C’est amélioration de la technologie TTL, mais son principe de fonctionnement est celui de la commutation de crt. Leur vitesse de commutation est plus rapide que celle des TTL. Exemple de caractéristique de transfert par un triverseur.

6v «1»

VO VOH

(a )

VI

VO

2,4v indéterminé (b )

2,8v «0»

(C ) VOL VIL VIH



* Zone a et c La tension d’entrée est inférieure ou égale à VI L ( « o » ), la tension de sortie est égale à VO H ( « 1 » ). La tension d’entrée est supérieure à VI H (« 1 » ), la tension.

214

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Chapitre

11

GRAFCET

215

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

1. Généralités a) Définition Le grafcet ou graphe de commande étape transition est un moyen d’écrire le cahier de charge d’un système automatisé. Il permet de lire, d’interpréter et de modifier les évolutions d’un processus automatique. Il est caractérisé par une succession d’étapes et de transition auxquels sont associées les réceptivités. Pour faciliter la compréhension, deux niveaux sont proposés : -

Niveau 1

C’est le grafcet du point de vu système (spécification fonctionnelle) on décrit le comportement de la partie commande vis-à-vis de la partie opératrice. -

Niveau 2

C’est le grafcet du point de vue partie commande (spécification technologique). Elle précise de la façon dont l’automatise doit s’insérer dans l’ensemble du système automatisé et de son environnement.

2. Structure générale d’un système automatisé D’une façon générale, tout système automatisé comporte deux parties : -

Partie opérative Partie commande

a) Partie commande Elle est composée d’un pupitre de commande composé de bouton marche, arrêt, signalisation, etc.… permet tant d’envoyer les informations à la partie opérative à travers l’opérationnel (contacteur, relais, etc…)

b) Partie opérative Elle est composée des actionneurs (vérin, moteur) qui transforment des informations venant des pré actionneurs en un moment visible (poussée d’un pièce ; Rotation d’une pièce) et les capteurs qui captent les défauts ou consignent vers le traitement de l’information via l’interface d’entrée.

216

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Partie opérative actionneur

capteur

Interface d’entrée

Pré actionneur Partie commande Traitement d’information

communication

Pupitre de commande L’élaboration du cahier de charge n’est pas toujours aisée, c’est pourquoi un organisme ADEPA (Agent national pour le Développement ou de la Production Automatisée) permet de réaliser le grafcet.

3. Eléments de base du grafcet a. L’étape Elle caractérise un comportement invariant d’une partie ou de la totalité de la partie commande. Exemple

1 217

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Remarque

Une étape initiale est représentée en doublant les côtés du symbole. Exemple

0

A l’instant t et suivant l’évolution du système, une étape est soit active ou inactive. L’activation d’une étape est mentionnée par un point.

b. Actions associées aux étapes Les actions sont décrites de façon littérale ou symbolique à l’intérieur d’un ou plusieurs rectangles associés aux étapes. Exemple

Monté Vérin 1 Moteur en marche

c) Transition Elle indique la possibilité d’évolution entre deux étapes ; elle est représentée par une barre perpendiculaire entre les deux étapes.

1 transition 2 218

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

d) Réceptivité A chaque transition, on associe une condition logique ; cette condition logique est appelée réceptivité qui peut être vrai ou fausse Exemple

1 R = 0 ou 1 2 Remarque

1 1

1 R=0

2

R=1

R=1 2

2

a) L’état est validé ; mais la réceptivité est fausse ou nul b) L’étape n’est pas active mais la réceptivité est vraie ; la transition n’est donc pas franchise. c) L’étape est activée ; la réceptivité est vraie ; la transition est donc franchise. NB : Le franchissement d’une transition entraîne l’activation de toutes les étapes immédiate

et la désactivation de toutes les étapes immédiatement précédentes.

4. Principe de base a) Divergence en « OU »

219

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

1

r

r 11

21

Pour passer de l’étape 1 à l’étape 11, il faut que l’étape 1 soit validée et la réceptivité r soit vraie r = 1. Pour passer de l’étape 1 à l’étape 21, il faut que 1 soit validée et que r = 1 (réceptivité vraie)

b) Convergence en « OU »

21

11 r 3

Pour passer de l’étape 11 à l’étape 3 ; il faut que 11 soit validé et r = 1. Pour passer de l’étape 21 à l’étape 3, il faut que l’étape 21 soit validée et que la réceptivité r = 1

c) Divergence en « ET » 220

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

1 a

11

21

Pour passer de l’étape 1 aux étapes 11 et 21, il faut que l’étape 1 soit validée et la réceptivité a=1

d) Convergence en « ET » Pour passer de l’étape 11 et 21 à l’étape 3, il faut que les étapes 11 et 21 soient validées et la réceptivité vraie.

e) Temporisation T/4/10s : 10 secondes passées après l’activation de l’étape 4 pour que l’étape 5 soit active

4

T/4/10s 5

f) Saut d’étapes et reprises de séquences

221

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

2 a

a 3 b Saut d’étapes

4

Reprise de séquence

c 5 d

d

5. Mise en équation d’un grafcet L’équation générale de l’étape active d’une étape de rang n a deux états : actif et inactif qui s’écrivent respectivement An et

A

n

Les conditions d’activation d’une étape sont : -

L’étape de rang n-1 doit être activée La réceptivité de la transition entre l’étape de rang n-1 et l’étape de rang n doit être vraie

La condition de désactivation est que l’étape de rang n-1 soit active de plus après l’activation l’étape mémorise son état. Si M(n) est la mémoire alors M(n) = 1 d’où l’équation générale





An  An1 t n1t n  M n  An1

222

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

3

A A R  M A A 4

R1 4 R2

5

2èmeÉdition

6

223

3

1

4

5

6

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

Chapitre

12

LES MEMOIRES

224

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

1. Généralités 1) Définition Une mémoire est un dispositif capable d’emmagasiner puis de restituer une information. Son fonctionnement apparaît sous trois aspects : -

L’inscription ou l’écriture de l’information La rétention ou stockage La lecture

2) Caractéristique générale d’une mémoire a) Capacité C’est la quantité d’information qui peut être stockée dans un dispositif donné. Elle s’exprime en bit. Dans les systèmes à microprocesseurs, l’unité couramment utilisée est l’octet ou bytes en anglais. 1Ko = 210 = 1024 1Mo = 220 = 1048576 Exemple

Un livre de 200 pages contient un Max de 800 000 caractères environ soit 0,8M octets car un caractère alphanumérique dans la plupart des systèmes occupe en fait 1 octet. b) Modes d’accès à l’information Il existe deux modes d’accès à l’information : -

Les mémoires à accès aléatoire ou directs Les mémoires à accès séquentiel (bandes magnétiques) c) Mode de fonctionnement

Il existe deux modes de fonctionnement : -

La lecture L’écriture d) La permanence

C’est la capacité de rétention d’une information. Il existe des mémoires volatiles et des mémoires permanentes (qui assurent le stockage de l’information même en l’absence de source d’énergie) 225

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

e) Rapidité C’est le temps qui s’écoule entre la demande d’information et le moment où elle est effectivement disponible.

f) Organisation – structure On peut assimiler une mémoire à un tableau contenant les informations binaires. On appelle organisation d’une mémoire les dimensions de ce tableau. Elle est exprimée en mot de N bits où N représente le nombre de colonnes du tableau. Exemple

Une mémoire de 64K x 1 est constituée de 64K mots de 1 bit. Sa capacité est de 64K bits. - Une mémoire de 8K x 8 a une capacité de 64K mots - Mais le nombre de ligne du tableau dont le nombre de mots est de 8K

3) Classification des mémoires suivant le support a) Mémoire magnétique Ce sont les supports magnétiques tels que les bandes ou les disques, leur temps d’accès à une cellule dépend du défilement des têtes de lecture. b) Les mémoires optiques Elles permettent le stockage de très grandes quantités d’informations. Exemple

Il est possible de stocker dans un CD l’équivalent d’une encyclopédie de 20 volumes de 1 000 pages. c) Les mémoires à semi-conducteur Leur cellule mémoire est constituée de transistor, on distingue deux grandes classes : - Mémoires mortes - Mémoires vives i.

Mémoire vive : la RAM (Randon Access Memory)

La RAM est la mémoire à lecture et à écriture c’est-à-dire que l’utilisateur a accès à chaque mot pour lire ou modifier le contenu. ii.

Mémoire morte : la ROM (Read Only Memories)

C’est la mémoire à lecture seule en l’usage normale. Elles sont destinées uniquement à être lu. Elles sont écrites une fois pour toutes lors de la fabrication. 226

ÉLECTRONIQUE INDUSTRIEL ET NUMÉRIQUE 1ère F2 & F3

2èmeÉdition

-

La PROM (Programmable Read Only Memory) : contrairement au ROM, elles peuvent être écrites après fabrication du circuit.

-

L’EPROM (Erasable PROM) : Elles sont effaçables généralement pour exposition aux rayons ultra-violets. EAROM ou EEPROM (Electrically Alterable ROM ou Electrically Erasable PROM) : ce sont les PROM effaçables ou modifiables électriquement.

-

227