Bascules et compteurs

Matériel

• Platine d'essais pour circuits intégrés
• Petits fils de connection
• Multimètre
• Bascules D (circuit intégré 4013)
• DELs et résistances 220 Ω (au moins 4 de chaque par groupe)
• Alimentation 5V

1. Présentation
   
    
   1. Utilisation de la platine d'essais
      
      Les rangées et les lignes sont connectées selon le schéma ci-dessus (on peut voir les lignes de cuivre sous la platine)
      Les petits fils qui sortent de la plaque support sont connectés à la borne de même couleur la plus proche: on peut ainsi connecter une alimentation ou un multimètre à la platine.
      Il est pratique d'utiliser la ligne du bas comme masse, reliée à la borne négative de l'alimentation, et une des lignes du haut pour la borne positive (attention les deux lignes du haut ne sont pas liées entre elles).
       
   2. Convention pour le comptage
      On a besoin pour compter en binaire de représenter les chiffres 0 et 1. On va représenter chacun d'eux par un potentiel électrique.
      Par exemple le 0 peut être représenté par un potentiel proche de 0, et le 1 par un potentiel proche de 5V : c'est la convention TTL en logique positive.
      Exemple : réaliser le montage représenté ci-dessous et le faire vérifier. Les DELs nous permettront de visualiser facilement les potentiels des points A, B, C, D.
      
      
       
      1. A l'aide de petits fils, relier A et C à la ligne du haut (5V) et B et D à la ligne du bas (masse). Quelle valeur numérique est alors écrite en binaire sur A, B, C et D, A étant considéré comme le digit le plus à gauche ?
      2. Quelle est la plus grande valeur numérique que l'on puisse afficher à l'aide de ces quatre diodes ? Défaire le montage
   
    
2. Bascule D
   
   La bascule D est un type de circuit dit 'logique' possédant au moins quatre bornes: deux entrées et deux sorties. Chacune de ces bornes peut prendre deux états : 1 ou 0, traduits par deux niveaux de potentiel électrique, haut et bas.
   Les deux entrées (à gauche) sont appelées H (pour horloge) et D (pour donnée).
   
    
   1. Visualisation du principe de fonctionnement à l'aide d'un logiciel de simulation.
      Lancer le logiciel Crocodile clips.
      • Ouvrir le menu 'Circuits intégrés' et 'prendre' avec la souris une bascule D pour la déposer sur l'espace de travail, en cliquant sur la bascule puis sur l'espace de travail.
      • Ouvrir le menu 'Logique' et placer devant chacune des entrées H et D un bouton-poussoir. Le bouton-poussoir fournit un potentiel haut (valeur binaire 1) lorsqu'il est enfoncé, et un potentiel bas (valeur binaire 0) lorsqu'il est retiré.
      • Relier chacun des boutons-poussoir à une entrée : pour cela placer la souris au dessus d'une borne, cliquer, déplacer la souris qui prend la forme d'un dérouleur jusqu'à l'autre borne, cliquer de nouveau. Si la souris prend la forme d'un rond barré cela signifie qu'on ne peut pas faire la liaison à cet endroit. Cela se produit par exemple si la liaison risque de recouvrir du texte ou un élément de circuit. On peut alors contourner l'élément gênant: cliquer sur l'espace de travail lorsque la souris a la forme d'un dérouleur permet de changer de direction.
      • Toujours avec le menu 'Logique' , relier un voyant à chacune des sorties : le voyant se comporte comme les DELs que nous avons utilisées précédemment, il est rouge (allumé) lorsque la sortie est au potentiel haut (valeur binaire 1) et blanc (éteint) si elle est au potentiel bas (valeur binaire 0).
       
      
      1. Essayer tous les états possibles pour les deux entrées : quelle est la relation entre les états des deux sorties Q et ? La notation signifie "non Q" et traduit cette observation.
         
      2. La bascule "recopie" l'état de D dans Q au signal donné par H.
         Vérification à l'aide du simulateur :
         Mettre D dans le même état que . Agir sur H, observer à quel moment la valeur de Q devient égale à celle de D. Modifier la valeur de D et recommencer. Quel est parmi les propositions ci-dessous le signal qui permet à Q de prendre la valeur de D ?

         H est à 0		H est à 1
         H passe de 0 à 1		H passe de 1 à 0

         Vérifier qu'une fois que Q a pris la valeur de D, le signal de H n'a plus aucun effet sur lui.
      3. Justifier le nom de "bascule sur front montant" donné à cette bascule.
      
       
   2. Exemple d'application :
      On peut utiliser la bascule D comme une petite mémoire permettant de mémoriser un digit binaire:
      • On donne à D la valeur à mémoriser (0 ou 1) .
      • On envoie un front montant sur H pour déclencher la mise en mémoire : Q prend la valeur à mémoriser
      • Quelles que soient les modifications ultérieures de D, Q garde sa valeur, tant que H n'a pas donné un nouveau signal.
   
    
3. Le circuit intégré CD4013
   
   Le circuit intégré se présente sous la forme d'une 'puce'à 14 'pattes' , chacune ayant une fonction différente : voir ci-dessous le schéma du brochage.
   
   
   
    
   1. Utilisation du circuit intégré avec les platines d'essais.
       
      • Pour que les circuits fonctionnent, la puce doit être alimentée : on relie la borne marquée +U à la ligne 5V et la borne marquée masse à la ligne de masse.
      • On enfiche le circuits intégré à cheval sur la ligne centrale de la platine d'essais , de façon à ce que les pattes soient toutes reliées à une ligne verticale différente.
      • Attention à la position du détrompeur: toujours à gauche
      • Attention aussi à ne pas tordre les pattes, particulièrement lors du retrait, car cela les casse : ne pas forcer ni lors de la mise en place ni lors du retrait. On pourra faciliter le retrait en soulevant légèrement la puce à l'aide d'une pointe (mine de stylo...)
      • Ne pas oublier que tous les points d'une ligne à la verticale d'une patte sont au même potentiel qu'elle, ne pas y brancher n'importe quoi.
      
      Ce circuit intégré contient en fait deux circuits identiques, 2 bascules D . Les bornes du haut appartiennent à une des bascules et celles du bas à l'autre. Les deux bascules sont indépendantes.
      Ces bascules sont un peu plus élaborées que celle que nous avons vues précédemment car chacune a deux bornes supplémentaires, R et S.
       
   2. Effet de R et S
      Mettre en place la puce, réaliser le montage représenté et faire vérifier.
      
      
      Compléter le tableau dans l'ordre des lignes en modifiant juste les connexions de R et S . Les deux lignes identiques ne sont pas dues à une erreur.

      S	R	Q
      1	0
      0	0
      0	1
      0	0

      Compléter la table de vérité ci-dessous avec les valeurs de R et S correspondant aux situations décrites à droite.

      S	R	Q
      		Gardent leurs valeurs précédentes
      		1	0
      		0	1
      		Configuration à éviter car R et S ont alors des effets contradictoires

   
    
4. Utilisation en diviseur de fréquence
   
   
   La sortie TTL du GBF (générateur basse fréquence) fournit un signal créneau (ci-dessus à droite) dont on peut choisir la fréquence, appliqué à l'entrée H.
   Régler la fréquence sur 400Hz
   EA0,EA1 et EA2 sont des entrées analogiques de la carte d'acquisition. La masse analogique de cette carte doit bien entendu être reliée à la masse du montage.
    
   1. Paramétrage de Synchronie. On va observer simultanément les signaux à l'entrée H et aux sorties Q et . On va activer sous Synchronie les voies EA1 et EA2, identifier les courbes par le nom de la borne correspondante et les afficher les unes sous les autres pour plus de clarté Menu Paramètres, onglet Acquisition: durée totale 20ms, nombre de points 200, 100µs entre deux points. Onglet Entrées AD, pour chacune des trois voies EA0, EA1, EA2 successivement : Faire apparaître le nom de la voie dans la boîte de sélection (en haut) . Dans la ligne Nom, écrire le nom de la borne de la bascule correspondant à la voie : H,Q, NONQ respectivement pour EA0, EA1, EA2 Vérifier dans la ligne Fenêtres que la case de la fenêtre 1 est cochée. A la ligne Mode, choisir AUTOMATIQUE. On va décaler verticalement les courbes pour mieux les distinguer : dans la ligne 'Decal' entrer -6V pour H (voie EA0) , 0 pour Q (voir EA1) et +6V pour (voie EA2).
       
   2. Observations
      Lancer l'acquisition par F10. On doit voir 8 créneaux sur H.
       
      1. Reproduire ci-contre les courbes obtenues.
      2. Comparer la période et la fréquence des signaux sur H et sur Q. Justifier le nom de "diviseur de fréquence" de ce montage.
         (Conserver le montage pour la suite du TP)
      
       
   3. Interprétation Compléter (ne pas oublier que l'information met un certain temps à circuler dans la bascule....)
      Si Q est initialement à 0, alors est à ..... donc D est à .... Lors du prochain 'front montant' de H, Q va prendre la valeur ...... Si Q est à 1 alors est à .... donc D est à .....Lors du prochain 'front montant' de H Q va prendre la valeur .....
   
    
5. Compteur binaire
   
   
   1. Compter en base 2:
       
      1. Ecrire en base 2 dans le tableau la succession des chiffres s'écrivant sur 3 digits, sans oublier le zéro.

         En base 10	0	1	2	3	4	5	6	7
         En base 2

      2. Représenter graphiquement la succession des valeurs prises par chacun des digits, en continuant le tracé. On appelle les digits, de gauche à droite, A2, A1 et A0.
         
      
      
   2. Réalisation
      On va utiliser la deuxième bascule à la suite de la première. (bascules en cascade). On conserve donc le montage précédent et on le complète pour obtenir le montage ci-dessous.
      
      
      Visualiser en même temps 2Q, 1Q, 1H en les affichant les uns sous les autres (en les décalant sous Synchronie).
       
       
      1. Représenter ci-contre les courbes obtenues.
      2. Indiquer sous les courbes la suite des chiffres formés (en base 10). Quelle est la particularité de ce compteur ?