M19 Logique Sequentielle EM-GE-EM [PDF]

Zitiervorschau

ROYAUME DU MAROC

OFPPT

Office de la Formation Professionnelle et de la Promotion du Travail DIRECTION RECHERCHE ET INGENIERIE DE FORMATION

RESUME THEORIQUE & GUIDE DE TRAVAUX PRATIQUES

MODULE N° 19

SECTEUR

LOGIQUE SQUENTIELLE

: ELECTROTECHNIQUE

SPECIALITE : EM NIVEAU

: QUALIFICATION

ANNEE 2010

Résumé de Théorie et Guide de travaux pratiques

Module 19 : Logique sequentielle

Document élaboré par : Nom et prénom Mme PANTAZICA LIVIA

EFP

DR

CDC - GE

Révision linguistique Validation -

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Module 19 : Logique sequentielle

SOMMAIRE RESUME THEORIQUE ................................................................................................ 7 I. Représantation graphiques d’une séquence ou d’un cycle ..................................... 8 II. Les principaux symboles associés à diverses représentations graphiques d’une séquence............................................................................................................... 16 III. Modes de marche et d’arrêt d’une séquence......................................................... 16 III.1 Les modes de marche : ................................................................................ 16 III.2 Les arrêts :.................................................................................................... 17 IV. Les éléments de mémoires :.................................................................................. 20 IV.1 Concept de mémorisation :........................................................................... 20 IV.3 Les bascules :............................................................................................... 22 V. Les registres: ..................................................................Erreur ! Signet non défini. VI. Les compteurs : ..................................................................................................... 32 VI.1 Identification de la fonction :...................................................................... 32 VI.2 Les compteurs asynchrones : ................................................................... 33 VII.4 Les compteurs synchrones: ...................................................................... 37 VII.5 Les compteurs intégrés:............................................................................ 39

GUIDE DE TRAVAUX PRATIQUES ........................................................................... 40 Exercices : .................................................................................................................. 41 TP.1 – Essai des bascules élémentaires : .................................................................. 44 TP.2 – Essai des registres à décalage:....................................................................... 48 TP.3 – Essai des compteurs asynchrones:................................................................. 50 TP.4 – Essai des compteurs synchrones:................................................................... 53 Évaluation de fin de module :...................................................................................... 55 Liste bibliographique ................................................................................................... 56

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Module 19 : Logique sequentielle

MODULE 19 : Code :

LOGIQUE SÉQUENTIELLE

EM 19

Durée : 60 h

OBJECTIF OPERATIONNEL

COMPORTEMENT ATTENDU Pour démontrer sa compétence, le stagiaire doit appliquer des notions de logique séquentielle selon les conditions, les critères et les précisions qui suivent.

PRESENTATION L’objectif de ce module de compétence transversale est de faire acquérir les connaissances relatives à l’analyse de différentes représentations graphiques d’une séquence, à leur traduction sous forme de schéma, à la sélection des composants, au traçage de schémas de montage et au montage de circuits de base de logique séquentielle. Il vise donc à rendre le stagiaire apte à appliquer des notions de logique séquentielle.

CONTEXTE DE REALISATION • A l’aide : - de manuels techniques; - de fiches techniques; - de composants logiques; - d’instruments de mesure. • A partir : - de directives; - d’une représentation graphique d’une séquence.

REFERENCES - Notes de cours

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Module 19 : LOGIQUE SEQUENTIELLE

PRECISION ET PREALABLES

ELEMENTS DE CONTENU

A. Avant d’analyser différentes représentations graphiques d’une séquence : - algorithme - chronogramme - Grafcet le stagiaire doit : 1.

Décrire les règles de construction de diverses représentations graphiques d’une séquence

- Détermination : • des grandes étapes (action) • des points d’entrée ou de sortie des données • du point de prise de décision • de l’aspect sécuritaire de la séquence, etc. • s’il y a répétition ou arrêt de la séquence, etc.

2.

Reconnaître les principaux symboles associés à diverses représentations graphiques d’une séquence

- Début ou extrémité de l’ordinogramme. - Parallélogramme : • point d’entrée ou de sortie de données - Rectangle : • opération sans entrée ni sortie ou opération mathématique - Losange : • indication d’un point de décision - Petit cercle : • possibilité de raccorder des segments de grands programmes - Carré : • pour les étapes - Tiret : • pour les transitions - Flèche : • sens du déplacement

3.

Décrire les modes de départ, de marche et d’arrêt d’une séquence

- Insertion de la condition de départ dans un compteur binaire, à décade et un registre à décalage : • manuel • automatique - Remise à zéro des compteurs et des registres - Un automatisme simple - Un circuit dont l’opération est conditionnel à

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plusieurs paramètres - Une charte de dépannage d’un équipement (voir manuel de dépannage du fabricant d’un appareil)

B. Avant de traduire des représentations graphiques d’une séquence sous forme de schémas logiques, le stagiaire doit : 4.

Identifier les règles de conversion d’une étape en schéma et reconnaître les divergences et les convergences

- Règle de conversion d’une étape en schéma : • électronique • électrique (échelle) - Divergence et convergence ET, OU - Circuit intégré représentant : • registre à décalage • compteur et décompteur

C. Avant de sélectionner les composants, le stagiaire doit : 5.

Reconnaître la fonction et les symboles de composants logiques

- Fonction et symboles : • bascules RS, JK, D, T • portes logiques - Compteurs - Horloge

D. Avant de monter des circuits de base, le stagiaire doit : 6.

Identifier tous les composants et interpréter le brochage des circuits intégrés concernés

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- Recherche des symboles et des caractéristiques des composants dans la documentation technique. - Choix et arrangement de diverses bascules pour obtenir : • des compteurs linéaires - Montage de circuits : • positionnement des composants • tension d’alimentation • entrées, sorties - Circuit de base : • compteurs et diviseurs • décodeurs • afficheurs

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Module 19 : LOGIQUE SEQUENTIELLE

Présentation du Module : Ce module de logique séquentielle constitue la suite du module sur la logique combinatoire. Son objectif est de faire acquérir aux stagiaires des connaissances relatives aux éléments de mémoire à savoir les bascules, aux compteurs asynchrones et synchrones. Dans un même temps le stagiaire aura l’occasion de faire l’étude de montages de circuits de base en logique séquentielle. Il vise donc à rendre le stagiaire apte à appliquer des notions de logique séquentielle.

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Module 19 : LOGIQUE SEQUENTIELLE

MODULE N° 19:

LOGIQUE SQUENTIELLE RESUME THEORIQUE

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I.

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Représentation graphique d’une séquence ou d’un cycle •

Introduction :

Toute machine fonctionne selon un cycle, c’est à dire que partant d’un état donné, la machine effectuera différents mouvements, différentes actions et repassera à l’état de départ. Tout ce qui se passe entre deux passages dans cet état de départ est appelé cycle. Exemple 1 : Poinçonneuse semi-automatique. La poinçonneuse représentée schématiquement ci-dessous se compose d’une table fixe, la tôle à poinçonner et d’un poinçon mobile. Considérons la poinçonneuse en sa position origine de repos, poinçon en haut. L’opérateur en donnant l’information «Marche» provoque automatiquement la descente du poinçon suivie de sa remontée en position de repos. Nous dirons alors que la poinçonneuse a décrit un cycle.

Constitution de la poinçonneuse

Une séquence est un ensemble de comportements liés les un aux autres par des conditions. Pour pouvoir construire les diverses représentations graphiques d’une séquence ou d’un cycle, il faut déterminer : a) Les grandes étapes : Reprenons l’exemple de la poinçonneuse semi-automatique. Une telle machine présente successivement trois comportements différents. On appelle «Étape»chacun de ces comportements.

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Description des étapes Une étape peut être définie comme une situation du cycle de fonctionnement pendant laquelle le comportement de l’automatisme de commande demeure constant. Sous une autre forme, tout changement de comportement provoque obligatoirement le passage à une autre étape. Sur la machine le comportement de l’automatisme se manifeste par des actions ou plus exactement par des ordres envoyés vers les organes chargés d’exécuter ces actions. Sur la poinçonneuse deux actions sont effectuées : -

La descente du poinçon associée à l’étape 2. La remontée du poinçon associée à l’étape 3.

b) Les points de prise de décision : Il s’agit maintenant de déterminer ce qui provoque un changement de comportement de la machine c’est-à-dire les conditions logiques qui déterminent le passage d’un comportement à un autre. Nous qualifierons chaque passage d’un comportement à un autre comme étant le franchissement d’un point de prise de décision pour bien montrer son irréversibilité. OFPPT/DRIF/CDC_GE

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Par exemple, le passage de la position de repos (étape 1) à la descente du poinçon (étape 2) ne peut s’effectuer que si l’opérateur fournit l’information «Marche» et que si le poinçon est en position haute («condition initiale»)

Reprenons l’exemple de la poinçonneuse semi-automatique ETAPE 1 : Étape initiale Position initiale du poinçon. Point de décision 1 : Condition de passage de l’étape 1 à l’étape 2 : Information «marche» et poinçon en position haute. ETAPE 2 : Descendre le poinçon. Point de décision 2 : Condition de passage de l’étape 2 à l’étape 3 : Poinçon en position basse. ETAPE 3 : Remonter le poinçon. Point de décision 3 : Condition de passage de l’étape 3 à l’étape 1 : Poinçon en position haute. On peut donc définir des points de prise de décision comme des points où on exploite des conditions variables impliquant le choix d’une voie parmi plusieurs ou le passage d’une étape à une autre. C’est là où on effectue des tests ou alternance. Ces points de décision sont appelés aussi transitions qui sont conditionnées par des réceptivités constituées de fonctions logiques des différentes variables nécessaires au passage à l’étape suivante.

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Exemple 2 On peut présenté le cycle de fonctionnement en utilisant une représentation graphique nommée organigramme (ou algorigramme) ou un algorithme du fonctionnement: Un organigramme est un mode de représentation graphique du fonctionnement d’un système automatisé. Il permet de représenter les liaisons entre les différentes opérations effectuées par le système Composition d’un organigramme :

Un four à micro-ondes chauffe pendant un temps de fonctionnement « tf », jusqu'à ce que tf atteigne le temps « tp », programmé par l'utilisateur.

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Exemple 3 Prenons le cas d’un chariot – voir la figure ci-dessous

Le cahier des charges nous dit la chose suivante : Lorsque l’opérateur appuie sur un bouton poussoir « Bp1 », le chariot se déplace pour atteindre « b ». Une fois atteint « b », il revient vers « a ». Une fois ce cycle fini, il faudra que l’opérateur ré appuie sur « Bp1 » pour lancer un nouveau cycle. En ce cas on peut décrire le cycle de fonctionnement du chariot par l’intermédiaire d’une autre représentation graphique nommée GRAFCET point de vue système. Le GRAFCET est un modèle de représentation graphique des comportements successifs d’un système logique, préalablement défini par ses entrées et ses sorties. Ce GRAFCET a pour particularité de pouvoir être fait par tout le monde même les personnes n’ayant aucune connaissance en automatisme ou en électricité. C’est ce que l’opérateur ou une personne peut voir. Pour l’exemple du chariot, voici le GRAFCET point de vue système :

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Comme on peut le voir, il n’y a besoin d’aucune connaissance particulière, tout le monde peut faire se GRAFCET après observation du cycle. Pour réaliser le GRAFCET point de vue commande, il faut au préalable fait le petit travail qui suit :

On peut maintenant, faire le GRAFCET point de vue commande. Le GRAFCET point de vue commande, mets en évidence les organes électriques qui vont nous servir pour nos transitions ou nos étapes.

Sur ce GRFACET, on peut voir que pour passer à l’étape 1, il faut que le chariot soit en position « a » et donc que l’on ait a et que l’opérateur appuie sur le bouton et donc que l’on ait Bp1. C’est juste la retranscription technique de du GRAFCET point de vue système.

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Exemple 4 Une autre possibilité de représenter un cycle de fonctionnement d’un équipement est le chronogramme Le chronogramme est un outil permettant de représenter graphiquement l’évolution d’un système au cours du temps. Le temps est représenté sur l’axe horizontal (abscisse) et les états logiques (0 et 1) des variables sur l’axe vertical (ordonnée). Les graphes des différentes variables sont placés les un au-dessous des autres avec la même échelle de temps. Chronogramme d’un démarrage étoile - triangle d’un moteur asynchrone triphasé à cage : commande semi-automatique, un sens de marche.

Arrêt

1 S1 0

Marche

1 S2 0

Etoile

1 KM1 0

Ligne

1 KM2 0

Triangle

1 KM3 0

Moteur

M

1 Couplage en Y

Couplage en

∆

0

Temporisation

Decalage de 40 ms à la fermeture

t

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II. Les principaux symboles associés à diverses représentations graphiques d’une séquence. Les principaux symboles associés à diverses représentations graphiques d’une séquence sont résumés dans le tableau ci-dessous : Symboles

Désignations Début d’un organigramme

Point d’entrée de données ou de sortie de résultats

Action c’est-à-dire opération ou groupe d’opérations sur des données. C’est le symbole général «traitement»

Indication d’un point de décision (test ou alternance) C’est-à-dire exploitation de conditions variables impliquant le choix d’une voie parmi plusieurs.

Étape initiale

Étape simple

Transition

Fin d’un organigramme

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III.

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Modes de marche et d’arrêt d’une séquence. III.1 Les modes de marche :

Un mode de marche est un choix de fonctionnement, effectué par l’opérateur, conditionnant la façon dont doit se dérouler le cycle de l’automatisme de commande. Malgré la grande variété des modes de marche rencontrés sur les automatismes industriels, il est possible de les regrouper en deux grandes catégories : • •

Les marches automatiques ou de production. Les marches d’intervention.

a) Les marches automatiques : Les marches automatiques sont considérées comme le fonctionnement normal de l’automatisme. •

Fonctionnement semi-automatique – Marche cycle par cycle – Cycle unique :

Chaque cycle, commandé par l’information «départ cycle», se déroule automatiquement mais nécessite à chaque fois une nouvelle intervention de l’opérateur pour pouvoir exécuter le cycle suivant. Exemple : Droite CM1

HLIM

-

Gauche

CM1

HLIM

Le chariot est initialement à gauche. En activant un bouton poussoir départ cycle (dcy), le chariot effectue le cycle suivant : • Déplacement vers la droite jusqu’à fin de course HLIM; • Déplacement vers la gauche jusqu’à fin de course HLIM; • Arrêt du chariot.

D’après le cahier de charge de cet exercice, il faut une nouvelle activation du bouton dcy pour exécuter le cycle suivant. •

Fonctionnement automatique – Marche cycle automatique – Cycles continus :

Après action sur un bouton poussoir «départ cycle», le cycle se répète indéfiniment jusqu’à ce que l’ordre d’arrêt soit donné, cet arrêt ne s’effectuant qu’une fois le cycle terminé. OFPPT/DRIF/CDC_GE

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Précisons bien que cette demande d’arrêt n’intervienne que pour éviter l’exécution d’un nouveau cycle mais ne provoque pas l’arrêt du cycle en cours. Exemple : Reprenons l’exemple précédent avec un cahier de charge différent : - Le chariot est initialement à gauche. - Dès qu’on active un bouton poussoir «départ cycle», le chariot effectue les déplacements suivants : • •

Déplacement à droite jusqu’à fin de course HLIM Déplacement à gauche jusqu’à fin de course HLIM

Le cycle recommence jusqu’à l’activation d’un bouton poussoir «arrêt cycle» à la fin du cycle. Le choix de ces marches de production est laissé à l’opérateur. Elles peuvent être réalisées par un commutateur bidirectionnel à deux positions maintenues :

Cycle / Cycle

Cycle automatique

S

Remarque : L’arrêt des cycles continus s’effectue en plaçant le commutateur sur la position «Cycle par Cycle». b) Les marches d’intervention : Les marches dites d’intervention ou de maintenance, dont les plus connues sont les marches manuelles, nécessitent de la part de celui qui les utilise une connaissance très précise de la machine et de ses possibilités. Ces modes ne seront donc généralement exécutés que sous la responsabilité d’un régleur ou d’un agent de maintenance.

III.2 Les arrêts : Les arrêts ne constituent pas à proprement parler un mode de marche mais peuvent imposer aussi au cycle des structures particulières. a) L’arrêt momentané : Un arrêt momentané interrompt immédiatement les ordres de commande de toute ou partie des actions en cours.

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Il est donc possible, sous le contrôle de l’opérateur, de reprendre le fonctionnement du cycle à l’endroit où il a été interrompu. b) Les arrêts d’urgence : Un arrêt d’urgence provoque l’annulation de tous les ordres de commande, que ceux-ci soient manuels ou automatiques. Il peut quelques fois laisser certaines actions maintenues ou en enclencher d’autres suivant le sens de la sécurité. L’arrêt d’urgence peut aussi effectuer la remise à zéro du ou des cycles, c’est à dire la désactivation de toutes les étapes actives ou réinitialiser le cycle si cette opération ne s’avère pas dangereuse pour la partie opérative. La machine doit donc dans certains cas être ramenée à sa position initiale ou d’origine, manuellement ou, à partir d’une séquence particulière de dégagement.

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IV.

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Les éléments de mémoires :

IV.1 Concept de mémorisation : Pour certains opérateurs, l’état de la sortie dépend non seulement de la combinaison appliquée à l’entrée (logique combinatoire) mais aussi de l’état précédent des sorties du circuit : ils sont dits séquentiels et ont un effet « mémoire ». Il est possible de modéliser un système combinatoire de la manière suivante :

Les relations entre les variables d’entrée et les variables de sortie pour un tel système suivent les règles suivantes : 1 - À des signaux d’entrée E correspond un unique signal de sortie S. 2 - À un signal de sortie S correspond un ou plusieurs signaux d’entrée E. Un circuit séquentiel respecte la règle 2, mais la règle 1 doit être remplacée par : 3 - À des signaux d’entrée E correspond un ou plusieurs signaux de sortie S. Considérons par exemple, le vérin pneumatique (A), piloté par un distributeur 4/2, dont le chronogramme est défini ci-après :

Figure 1 On remarque sur cet exemple que : E = (a0,a1) et S = (A) sont tels que : - si a0 = 1 et a1 = 0 alors A est à 1, - si a0 = 0 et a1 = 1 alors A est à 0, - si a0 = a1 = 0 alors A vaut soit 0, soit 1. On s’aperçoit ainsi que, pour E = (0,0), on a : S = (0) ou S = (1)

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Ce système n’est donc pas combinatoire, il ne respecte pas la règle 1 précédente, il est séquentiel : son évolution est fonction des variables d’entrée et des séquences précédentes. Un système dont l’évolution dépend à la fois des variables d’entrée et du temps est un système séquentiel. L’information sur le passé du système est donné par des variables internes au système séquentiel. Schéma général d’un système séquentiel

Figure 2 – Schéma général d’un circuit séquentiel

Exemple : On prend l’exemple d’un poste marche-arrêt qui commande le fonctionnement d’un moteur. Une action momentanée sur le bouton « marche » met le moteur en fonction aussi longtemps que le bouton-poussoir « arrêt » n’est pas actionné. Dans le tableau suivant, on remarque que les variables d’entrée des étapes 1 et 3 ont la même valeur, mais que l’état de la sortie est différent ; un dispositif de mémoire a maintenu le moteur en marche. Il devient donc impossible de construire une table de Karnaugh comme en logique combinatoire et de réaliser le circuit à l’aide de simples portes logiques. étape 1 2 3 4 5

Bouton-poussoir 0 1 0 0 0

Bouton-poussoir 0 0 0 1 0

Moteur 0 1 1 0 0

Figure 2. Poste marche-arrêt On peut dire que le concept de mémorisation est l’élément fondamental de la logique séquentielle.

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IV.2 Les bascules La réalisation de la fonction « mémoire » en technologie électronique implique un élément nommé mémoire à deux états stables ou bistables ou encore bascule. Les trois types de bascules les plus utilisées sont les bascules RS, D et JK. Pour la logique séquentielle c’est la bascule RS qui est la plus courante et que nous allons présenter ici.

IV.2.1 Bascules R S Une bascule est un composant électronique de mémorisation. Une bascule RS possède deux entrées : • Une entrée de mémorisation (S → SET), entrée de mise à 1 de Q • Une entrée d’effacement de la mémoire (R → RESET), entrée de mise à 0 de Q Elle possède également deux sorties complémentaires Q et Q

Figure 3 - Symbole d’une bascule RS 2.1.2 – Table de vérité Nous donnons ci-après la table de vérité traduisant le fonctionnement de la bascule RS ainsi que le tableau de Karnaugh de Q+. a) Bascule RS à opérateurs NON-OU : S

≥1

Q

≥1

Q

&

R

Figure 4 – Bascule RS à opérateurs NON-OU

Figure 5 - Table de vérité

b) Bascule RS à opérateurs NON-ET : S

&

&

Q

&

Q

R

Figure 6. - Bascule RS à opérateurs NON-ET

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Figure 7. - Table de vérité

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L’intérêt d’une bascule RS réside dans le fait qu’elle joue le rôle d’une mémoire élémentaire. En effet, lorsqu’on applique une commande sur R ou S, la sortie Q change de valeur et y reste ultérieurement lorsque la commande n’est plus appliquée. Exemple de réalisation Un chariot, entraîné par un moteur à deux sens de marche se déplace entre deux positions A et B (voir figure). Sa position de repos est en A. Lorsqu’on appuie sur un bouton poussoir départ cycle (dcy), le chariot part pour un aller retour. Une fois revenu en A, le chariot s’arrête si dcy est relâché, ou redémarre vers B si dcy est maintenu.

La réalisation technologique est effectuée à l’aide de 3 bascules RS asynchrones. Le fonctionnement du système est représenté par les grandeurs logiques suivantes : Variables de sorties : G = 0, D = 1 déplacement de A vers B G = 1, D = 0 déplacement de B vers A G = 0, D = 0 arrêt du chariot G = 1, D = 1 combinaison interdite Variables d’entrée : a = 1 chariot en A b = 1 chariot en B dcy = 1 bouton poussoir appuyé Équations des entrées R et S pour trois bascules :

Logigramme

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IV.2.2 Bascule R S H ( Bascule synchrone ) Nécessité d’un synchronisme Les circuits précédents sont dits asynchrones car ils ne permettent pas de contrôler les instants de commutation des entrées et des sorties. La synchronisation s’effectue à l’aide d’un signal impulsionnel de fréquence fixe nommé signal d’horloge.

Figure 7. – Signal d’horloge

Figure 8 - Symbole de la bascule RSH

Figure 9.Réalisation de la bascule RSH

La bascule RSH comprend : - Trois entrées : • S : mise à 1 ; • R : mise à 0 ; • H : entrée d’horloge, active sur le front montant ou descendant du signal ; - Deux sorties : Q et Q dont les états sont complémentaires ; Le signal d’horloge peut être active sur le front montant ou sur le front descendent :

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Table de fonctionnement : Mode de fonctionnement de la bascule

R 0

Sorties Qn+1 Qn+1 Qn Qn

1

0

1

0

Mise à 1

0

1

0

1

Mise à 0

1

1

Ambiguïté

Entrées H S 0 ou ou ou ou

Mémorisation de l’état précédent (inchangé)

Les états de sorties sont indéterminés ne pas utiliser.

Figure 9. - Table de vérité de la bascule RSH Exemple de bascule RSH déclenchée par front montant
: voir figure 12

t

R 0 0 1 1

S 0 1 0 1

Q x 1 0

Q

S

x 0 1

t R t

Interdit

Q t

Figure 10. - Table de vérité et chronogramme de bascule RSH déclenchée par front montant


IV.2.3 Bascule J K synchrone La bascule J K synchrone (simple étage) est obtenue à partir d'une bascule R S H dont les sorties sont rebouclées sur les entrées. Ceci permet d'éliminer l'état indéterminé ( voir figure 11 ).

J

&

&

&

&

Q

H

K

Q

Figure 11 – bascule JK réalisée avec les portes NAND

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La bascule JK présente : • Deux entrées J et K ; • Une entrée d’horloge H ; • Deux sorties Q et Q dont les états sont complémentaires ; J Q H Q K

Figure 12 – Symbole d’une bascule JK Fonctionnement d’une bascule J K : Les entrées J et K de ce type de bascule ont le même rôle que les entrées S et R de la bascule RSH à la différence que la condition J = K = 1 n’est pas une condition ambiguë sur l’état de Q et Q . L’état J = K = 1 provoque le changement d’état de la sortie Q ou un basculement successif à chaque top d’horloge. Il est utilisé dans de nombreux systèmes numériques. Exemple de bascule J K déclenchée par front montant
: voir figure 13 h

K 0 0 1 1

J 0 1 0 1

Q x 1 0 x

Q

x 0 1 x

t

J t K t Q t

Figure 13 - Table de vérité et chronogramme de bascule JK déclenchée par front montant


IV.2.4 Bascule D synchrone Une bascule D est réalisée à partir d'une bascule R S ou J K dont les entrées sont reliées par un inverseur. Ceci impose donc que les entrées prennent des états complémentaires. Réalisation:

Figure 14 – Réalisation de la bascule D OFPPT/DRIF/CDC_GE

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Exemple de bascule D déclenchée par front montant
: voir figure 15 D 0 1

h

Q 0 1

t

D t Q t

Figure 15 - Table de vérité et chronogramme de bascule D déclenchée par front montant
La table de vérité met bien en évidence que la sortie Q recopie l’état de l’entrée D sur le front actif du signal d’horloge, ici le front montant. Ce type de bascule, à déclenchement sur front actif du signal d’horloge, est très utilisé : Compteurs, mémoire tampon,...

IV.2.5 Bascule maître - esclave Les bascules synchrones nécessitent des états stables sur leurs entrées au moment de la transition du signal d'horloge, cela n'est pas toujours possible lorsque plusieurs bascules sont câblées entre elles (exemple: en comptage) et l'on a des aléas de fonctionnement (voir figure 16). Q

J

Q

J

A

K H

Q B

K

Figure 16 – Association de bascules synchrones Pour résoudre ce problème ont été réalisées des bascules à 2 étages qui évoluent en 2 temps. 1er temps:

Verrouillage du 2ème étage Prise en compte des entrées par le 1er étage

2ème temps

Verrouillage du 1er étage Prise en compte des données par le 2ème étage

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Exemple : bascule J K Maître-Esclave : (voir figure 17) &

J

&

&

&

&

&

&

&

&

&

Q

&

Q

H

K

&

1

Figure 17 - bascule J K Maître-Esclave :

IV.2.6 Bascule T Pour une bascule J-K, nous constatons que si J = K = 1, l'état de la sortie est inversé à chaque cycle d'horloge. Une bascule T (Trigger) est obtenue à partir d'une bascule J-K en injectant le même état dans les entrées J et K.

Sa table de vérité est : Tn

Qn+1

1

Qn

0

Qn

Sa représentation symbolique est

Figure 18 – Symbole d’une bascule T

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IV.2.7 Initialisation des bascules Les bascules RSH, J K et D ont un fonctionnement synchrone par rapport à un signal d’horloge. Leurs entrées de commande R, S, J, K et D sont des entrées synchrones. Pour le fonctionnement d’un système, il est souvent nécessaire que les bascules soient initialisées, c’est à dire que leur sortie Q soit à 1 ou à 0 et ce indépendamment du signal d’horloge. D’où, deux entrées supplémentaires asynchrones, présentes sur pratiquement tous les circuits intégrés :



Preset : mise à 1 de la sortie Q Clear : mise à 0 de la sortie Q.

Ces deux entrées asynchrones sont désignées entrées d’initialisation ou de forçage. Exemple pour la bascule JK :Voir figure 19

Figure 19 - la bascule JK avec les entées de forçage Remarque : La négation logique sur les deux entrées asynchrones PRESET et CLEAR indique qu’elles sont actives sur le niveau bas du signal qui leur est appliqué. Table de vérité (voir figure 20 ). Preset 0 0 1 1

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Clear 0 1 0 1

H X X X

Q A ne pas utiliser 1 0 Fonctionnement synchrone de la bascule

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V.

Module 19 : LOGIQUE SEQUENTIELLE

Les registres Les registres permettent de stocker temporairement des données ;
La bascule D est le registre le plus simple. Il stocke 1 bit ;
En assemblant n bascules D on obtient un registre à n bits ;

Figure 1.Registre écriture parallèle et à lecture parallèle En décalant tous les bits d'un nombre binaire vers la droite ou vers la gauche, on divise ou on multiplie le nombre par 2. Un registre PIPO (écriture parallèle et à lecture parallèle) peut donc être utilisé pour effectuer des calculs (multiplication ou division par une puissance de 2). Il suffit d'opérer le nombre adéquat de décalages vers la gauche ou la droite entre le moment où l'on introduit les bits dans le registre et le moment où on les récupère. Exemple : registre à décalage à 3 bits :

Figure 2.Registre écriture série et à lecture série L'information que l'on veut introduire dans le registre est présentée à l'entrée de la première bascule. Lors d'une impulsion d'horloge, le bit d'information est introduit dans le registre, et tous les autres bits sont décalés. Le bit qui était mémorisé dans la dernière bascule est perdu s'il n'est pas stocké ou réinséré dans la structure d'une manière quelconque. Les registres SISO (écriture série et à lecture série) sont utilisés pour réaliser des lignes à retard numériques. Le délai entre l'entrée de l'information dans le registre et sa sortie dépend du nombre de bascules et de la fréquence d'horloge

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V.1

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Registres à décalage

Les bascules D sont couramment utilisées pour réaliser des registres à décalage

à Figure 3 - Écriture parallèle et à lecture parallèle

Figure 4 - Registre à décalage à trois bits réalisé avec quatre bascules D

Ce type de registre est utilisé en cryptographie pour les implantations matérielles de certains algorithmes de chiffrement de flot. On les retrouve aussi dans certains microprocesseurs dédiés au traitement de signal, en particulier pour le filtrage. Ce type de circuit est aussi utilisé lors de la phase de test des circuits intégrés en permettant la génération automatique d'entrées (vecteurs de tests).

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VI.

Module 19 : LOGIQUE SEQUENTIELLE

Les compteurs VI.1 Identification de la fonction

La fonction comptage existe dans de nombreux systèmes dans lesquels le résultat d’un calcul effectué : - sur une série d’objets, - ou sur la répétition d’un événement déclenche : • une décision prise par l’utilisateur, • Ou une action gérée automatiquement par le système. Compteur : ensemble de n bascules connectées par des portes logiques, Exemples : Le comptage d'objets (figure 1), par exemple, compter le nombre de flacons de parfums passant sur une chaîne d’embouteillage.

Un capteur enverra une impulsion lors de chaque passage de pièce.

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Diviser la fréquence d’un signal logique : la division de fréquence s’apparente au comptage : il s’agit d’obtenir une impulsion en sortie pour n impulsions d’entrée.

Caractéristiques des compteurs La caractéristique principale d’un compteur est sa capacité de comptage. Cette capacité de comptage détermine le nombre de bits du mot binaire de sortie. Un compteur peut être : •

BINAIRE : un compteur binaire à n bascules possède 2n états distincts. Le comptage est employé lorsqu’on désire utiliser au maximum les combinaisons offertes.

•

DECIMAL : un compteur décimal possède 10 états distincts. Il s’agit d’un compteur binaire à 4 bascules dont 6 états sont inutilisés.

VI.2 Compteur asynchrone Les compteurs binaires asynchrones utilisent le code binaire pour compter (ou décompter). Ces compteurs sont asynchrones, car seule la première bascule reçoit le signal d'horloge. Toutes les bascules qui suivent celle-ci sont commandées par la bascule précédente comme indiqué à la figure 2.

Figure 2 – Principe de fonctionnement d’un compteur asynchrone

Dans la structure synchrone, l’horloge est la même pour tous les étages : le basculement de toutes les bascules se fait en même temps.

V.3.1 Compteur asynchrone modulo 2 Les compteurs asynchrones sont les plus simples à concevoir. Le montage situé à la figure 3 est le compteur le plus simple puisqu'il utilise qu'une bascule de type D et qu'il n'est capable de compter qu'un seul événement.

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Figure 3 – Compteur modulo 2 (diviseur par 2) Le chronogramme de la figure 4 permet de suivre l'évolution des signaux d'horloge et des sorties Q et Q .

Figure 4- Chronogramme d’un compteur modulo 2

V.3.2 Compteur asynchrone modulo 4 Si on utilise 2 bascules on obtient un compteur de 2 bits qui peut compter jusqu’à 4 impulsions.

Figure 5 – Compteurs 2 bits et son chronogramme

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Sur la figure 6 sont donnés un compteur modulo 4 réalisé avec des bascules JK et son chronogramme.

Figure 6 – Compteur modulo 4 et son chronogramme On réalise ce compteur en branchant en cascade deux bascules JK. La sortie de la première bascule devient l’entrée d’horloge de la deuxième bascule.

V.3.3 Compteur asynchrone modulo 8 En reliant trois bascules D comme indiqué à la figure 7, on obtient un compteur modulo 8.

Figure 7 – Compteur modulo 8 Le chronogramme de la figure 8 permet de comprendre le fonctionnement de ce compteur. Le principe de fonctionnement est toujours le même.

Figure 9 – Chronogramme du compteur module 8

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Chaque étage permet de diviser par 2 le signal appliqué sur son entrée d'horloge. Sur la sortie Q3, le signal que l'on peut prélever est donc à une fréquence 8 fois plus petite que le signal d'horloge. D'une façon générale, il est donc possible d'augmenter le module d'un compteur asynchrone en augmentant le nombre de bascules. Avec une nouvelle bascule, le module double. Exemple : 1. Compteur modulo 8 avec des bascules JK On réalise ce compteur en branchant en cascade trois bascules JK. La sortie de la première bascule devient l’entrée d’horloge de la deuxième bascule, la sortie de la deuxième bascule devient l’horloge de la troisième bascule ( voir figure 1).

«1»

H

Qb

Qa

J

K

Q

J

Q

K

Qc

J

Q

K

RaZ

Figure 1 - Compteur modulo 8 asynchrone Table de vérité et chronogramme du Compteur modulo 8 asynchrone voir figure .2.

Figure.2 - Table de vérité et chronogramme du compteur modulo 8 asynchrone 2. Décompteur modulo 8 avec des bascules JK Pour obtenir un décompteur, il faut regarder les sorties Qi ou brancher les sorties Qi de chaque bascule sur l’horloge de la bascule suivante et regarder l’évolution des sorties Qi, voir figure 5

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Qa

«1»

h

J

Q

K

Qc

Qb

J

Q

K

J

Q

K

RaZ

Figure 5 - Décompteur modulo 8 asynchrone Table de vérité et chronogramme du décompteur modulo 8 asynchrone voir figure 6.

Figure 6 - Table de vérité et chronogramme du décompteur modulo 8 asynchrone

VI.3 Compteurs synchrones Ce sont des compteurs (décompteurs) dont tous les étages (bascules) sont commandés par le même signal d'horloge. Ce mode de fonctionnement permet de limiter la durée des périodes d'instabilité et par conséquent autorise des vitesses de fonctionnement plus élevées qu'en mode asynchrone.

V.4.1 Compteur synchrone modulo 4 Ce compteur réalisé avec deux bascules D est représenté à la figure 21.

Fig.1 – Compteur synchrone modulo 4 OFPPT/DRIF/CDC_GE

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Figure 2 – Table de vérité du compteur

V.4.2 Compteur synchrone modulo 8

Qa

Qb

Qc

«1»

& J

Q

a

J

K

Q

b

J

K

c

Q

K

h

Figure 3 - Compteur modulo 8 synchrone

V.4.3 Décompteur synchrone modulo 8 Qa

Qb

Qc

«1»

& J

Q

J

a K

Q

J

b K

Q c

K

H

Figure 4 - Décompteur modulo 8 synchrone

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VI.4 Les compteurs intégrés. On trouve sous forme de circuits intégrés, des compteurs et décompteurs asynchrones et synchrones. Leur séquence peut être soit binaire soit BCD. Certains offrent même des posibilités de prépositionnement à un nombre quelconque (chargement). Exemple : compteur intégré modulo 10

Mise en cascade de compteurs. a) Cascade asynchrone. Il suffit de remarquer que le compteur de poids supérieur doit être incrémenté sur les fronts descendants du bit de poids fort du compteur précédent. Attention: pour cascader des décompteurs asynchrones il faut prendre les fronts montants.

b) Cascade synchrone. La mise en série asynchrone est possible, mais on perd l'avantage des compteurs synchrones. On préfère donc une association synchrone (même horloge pour tous les compteurs

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Module 19 : LOGIQUE SEQUENTIELLE

MODULE N° 19:

GUIDE DE TRAVAUX PRATIQUES LOGIQUE SEQUENTIELLE

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Module 19 : LOGIQUE SEQUENTIELLE

Exercices : Exercices 1 : Compléter le tableau suivant

Symbole

D

Désignation

Q

H Q

S

Q

R

Q

S Q H Q R

S Q H Q R

J Q H Q K

Exercice2 : Reconnaître les composants logiques du tableau suivant d’après leur table de fonctionnement

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Table de fonctionnement Entrées S R 0 0 1 1

ou

ou

ou

ou

Sorties Q

Q Inchangé 0 1 1 0 Ambiguité

0 1 0 1

Entrées H S

Composant logique correspondant

0

0

Sorties Q Q Inchangé

0

1

0

1

1

0

1

0

1

1

Ambiguité

Entrées H J

R

K

Sorties Q n +1 Q n +1

0

0

Qn

Qn

0

1

0

1

1

0

1

0

1

1

Qn

Qn

Entrées H D

Entrées Q n +1 Q n +1

0

0

1

1

1

0

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Exercice 3: A l’entrée d’un collège il y a un portail automatique. Lorsque l’on appui sur le bouton ouverture demandée le portail s’ouvre puis se referme tout seul sans qu’on ne lui en donne l’ordre. Compléter l’organigramme donné ci –dessous :

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Module 19 : LOGIQUE SEQUENTIELLE

TP.1 – Essai des bascules élémentaires : 1) Objectif visé : Vérifier le comportement fonctionnement.

des

bascules

et

approfondir

l’analyse

de

leur

2) Durée du TP : 3 Heures. 3) Matériel requis : -

Circuits intégrés de la famille 74 : 7400,7402,7405 et 74LS76;

-

Boutons-poussoirs N.O. (2);

-

Diodes électroluminescentes (3);

-

Résistances de 1/2 W (5) : 200 Ω (3) et 1 k Ω (2);

-

Fiches techniques des circuits intégrés.

4) Description du TP : Dans cet exercice, vous procéderez à la vérification de la table de vérité de quelques bascules. Vous aurez à solliciter les entrées synchrones et asynchrones et à déterminer leur effet sur l’état de la bascule. 5) Déroulement du TP : 1. Faites d'abord la lecture complète des diverses étapes de cet exercice. 2. À l'aide des fiches techniques des composants, procédez d'abord à la numérotation des bornes des circuits selon les composants mis à votre disposition. Réalisez ensuite le montage du circuit de la figure suivante :

Bascule R S en porte NON - ET

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3. À l'aide des interrupteurs logiques, simulez les entrées synchrones S et R correspondant à chacune des étapes de la table de vérité afin de vérifier l'état de la bascule. Inscrivez le résultat des sorties. 4. Lorsque S = R = 1 , que pouvez-vous conclure sur l’état de la bascule par rapport à l’état précédent? 5. Modifiez votre montage afin d'obtenir le circuit de la figure suivante. Répétez l'étape 3 pour déterminer vos résultats.

Bascule R S en porte NON - OU 6. Décrivez en quelques mots la différence entre les deux montages précédents selon leur table de vérité. 7. Réalisez le montage de la figure suivante en appliquant un signal d'horloge à commande manuelle.

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Circuit d’une bascule J k 8. Vérifiez le fonctionnement asynchrone de la bascule (étape 1 de la table de vérité). Sans actionner l’horloge, faites varier les entrées Jet K à votre gré. Notez vos résultats dans la table de vérité. Est-ce que les entrées Jet K affectent le fonctionnement asynchrone de la bascule? 9. Indiquez le résultat des étapes 2 à 5 de la table de vérité 10. Appliquez des signaux d'entrée pour faire scintiller la DEL de la sortie Q . Actionnez le bouton-poussoir de remise à zéro et portez vos résultats à l’étape 6 de la table de vérité. 11. Appliquez des signaux d'entrée pour faire scintiller la DEL de la sortie Q. Actionnez le bouton-poussoir de remise à un et portez vos résultats à l'étape 7 de la table de vérité. 12. Les entrées PR et CLR sont-elles prioritaires sur celle de l 'horloge? OFPPT/DRIF/CDC_GE

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13. Réalisez le circuit de la figure suivante en appliquant un signal d’horloge de l Hz à la première bascule Observez le comportement des DEL et complétez le chronogramme de Q1 et de Q2.

14. À quoi sert le bouton-poussoir? 15. Faites vérifier vos résultats.

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Module 19 : LOGIQUE SEQUENTIELLE

TP.2 – Essai des registres à décalage: 1) Objectif visé : Vérifier le fonctionnement et les caractéristiques des circuits de registres à décalage. 2) Durée du TP : 3 Heures. 3) Matériel requis : -

Circuits intégrés de la famille 74 : 7404,7405, 74LS76 (2) et 7495; Bouton-poussoir N.O.; Diodes électroluminescentes (4); Résistances de 1/2 W (5) : 200 Ω (4) et 1 k Ω; Fiches techniques des circuits intégrés.

4) Description du TP : Dans cet exercice, vous réaliserez un registre à décalage à l'aide de composants discrets. Vous pourrez aussi vérifier Le fonctionnement des registres à décalage universels comme le 7495. 5) Déroulement du TP : 1. Faites d'abord la lecture complète des diverses étapes de cet exercice. 2. À l'aide des fiches techniques des composants, procédez d'abord à la numérotation des bornes des circuits selon les composants mis à votre disposition. Réalisez ensuite le montage du circuit de la figure suivante.

Registres à décalage à composants discrets OFPPT/DRIF/CDC_GE

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3. Remettez d'abord le contenu du registre à zéro. Placez l'entrée série à l'état logique 1 et transférez les données à l'aide de quatre impulsions d'horloge. Notez le contenu du registre. DCBA = …………. 4. Placez l'entrée série à l'état logique 0 et transférez les données à l'aide de quatre impulsions d'horloge. Notez le contenu du registre DCBA = …………………. 5. Manipulez l’entrée série et l’horloge de manière à charger la valeur DCBA = 1010 en tenant compte du fait que le bit A possède le poids le moins significatif. 6. Faites vérifier vos résultats. 7. Réalisez le circuit de la figure suivante :

Registre universel 7495. 8. Placez l’entrée mode à 1 pour valider le fonctionnement en parallèle. Placez les entrées de données parallèles à 0 et transférez l’information à l’aide d’une impulsion d’horloge. Notez le contenu du registre DCBA = ……………….. 9. Maintenez l’entrée mode à 1.Placez les entées de données parallèles à 1 et transférez l’information à l’aide d’une impulsion d’horloge. Notez le contenu du registre DCBA = …….. 10. Placez maintenant l’entée mode à 0 pour valider le fonctionnement en série. Donnez quatre impulsions d’horloge et notez le contenu du registre DCBA = …………

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TP.3 – Essai des compteurs asynchrones: 1) Objectif visé : Vérifier le fonctionnement et les caractéristiques des circuits de comptage à 3 bits 2) Durée du TP : 3 Heures. 3) Matériel requis : -

Circuits intégrés de la famille 74 : ,7405 et 74LS76 (2); Diodes électroluminescentes (3); Résistances de 200 Ω, 1/2 W (3); Fiches techniques des circuits intégrés.

4) Description du TP : Dans cet exercice, vous réaliserez un compteur élémentaire à 3 bits à l'aide de composants discrets. Vous devrez modifier votre circuit pour permettre le comptage et le décomptage des événements 5) Déroulement du TP : 1.

Faites d'abord la lecture complète des diverses étapes de cet exercice.

2.

À l'aide des fiches techniques des composants, procédez d'abord à la numérotation des bornes des circuits selon les composants mis à votre disposition. Réalisez ensuite le montage du circuit de la figure suivante :

Compteur binaire à trois bits

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Remarque : Les entrées J = 1 et K = 1 peuvent être laissées flottantes, mais il est préférable de toujours les raccorder au potentiel positif de la source. Il est toutefois essentiel de raccorder les entrées asynchrones Preset et Clear.. 3. Remettez d’abord le contenu du compteur à zéro. Toutes les DEL doivent être éteintes. 4. Raccordez l'entrée horloge du compteur à une horloge de fréquence de 1 Hz. Notez les valeurs obtenues dans le tableau suivant. Les DEL sont montées dans un ordre ascendant (du bit du poids le plus fort au bit du poids le plus faible) C

B

A

0 1 2 3 4 5 6 7 tableau des résultats pour le compteur 5. Selon les résultats que vous avez notés dans le tableau quel genre de comptage ce montage accomplit-il ? 6. Modifiez votre montage pour le rendre conforme au circuit de la figure suivante :

Décompteur binaire à trois bits

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7. Remettez d’abord le contenu du compteur à un. Toutefois les DEL doivent être allumées. 8. Raccordez l'entrée du compteur à une horloge de fréquence de 1Hz et notez les valeurs obtenues dans le tableau suivant : C

B

A

Valeur décimale

Tableau des résultats du décompteur 9. Selon les résultats que vous avez notés dans le tableau quel genre de comptage ce montage accomplit-il?

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TP.4 – Essai des compteurs synchrones: 1) Objectif visé : Vérifier le comportement des compteurs synchrones et approfondir l’analyse de leur fonctionnement 2) Durée du TP : 3 Heures. 3) Matériel requis : -

-

Circuits intégrés de la famille 74 : 7408 et 74LS76; Fiches techniques des circuits intégrés ; Circuit d’affichage à sept segments ;

4) Description du TP : Dans cet exercice, vous tracerez et monterez des circuits de comptage synchrones afin de procéder à la vérification de leur séquence d’opérations. Vous raccorderez vos circuits à un dispositif d’affichage à sept segments. 5) Déroulement du TP 1. Faites d'abord la lecture complète des diverses étapes de cet exercice. 2. Réalisez le montage du compteur MODULO-5 de la figure suivante en n'oubliant pas de brancher les entrées asynchrones. Utilisez un signal d'horloge de 1 Hz. Reliez les sorties A, B et C à votre circuit d'affichage à sept segments. Prenez soin de forcer l'entrée D du décodeur à un niveau logique BAS pour respecter le compte de O à 4. 3. Faites l'essai du compteur MODULO-5 synchrone. Énumérez la séquence de nombres obtenue. 4. Débranchez l’entrée D du décodeur et laissez-la flottante. Énumérez la séquence de nombres obtenue. Est-ce encore un compteur MODULO-5?

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Compteur MODULO-5 synchrone

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Évaluation de fin de module :

1) Durée :3 h. Compteur- décompteur modulo 8 : 2) Compétence visée : Monter un circuit dont la fonction est de compter et de décompter 8 impulsions. 3) Démarches à suivre : 1. Monter le circuit de la figure suivante :

2. Vérifier le fonctionnement de votre circuit numérique en le faisant compter de 0 à 7 à l’aide d’une horloge à basse fréquence (utiliser le générateur de fonction)

N.B : N’oublier pas de choisir les niveaux logiques convenables pour ENP, ENT, LOAD, et CLR du compteur. 3. Ajouter des LEDs pour visualiser l’état de chaque sortie et donner la table de vérité pour les deux fonctions.

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Liste bibliographique

Liste des références bibliographiques

Ouvrage Equipements et électriques

Auteur installations G.Augereau A.Bianciotto P.Boyo Schémas et études d’équipements G.Augereau A.Bianciotto P.Boyo Catalogue des principaux circuits Raymond Dreyfuss intégrés Philippe Tixier Electronique numèrique R. Mérat, R. Moreau L. Allay, J. P. Dubos

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Edition Delagrave

Delagrave

Weka NATHAN

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