REALISATION D’UNE CALCULATRICE GRACE AU LOGICIEL CROCODILE CLIPS 3.
OBJECTIF - PUBLIC - LOGICIEL - MATERIEL - METHODE - BIBLIOGRAPHIE - AVANTAGES - DIFFICULTES - AUTEUR DU DOCUMENT - LE DOCUMENT
OBJECTIFS :
Utilisation d’un afficheur 7 segments pour réaliser une calculatrice à l’aide de portes logiques.
Réutilisation d’un double additionneur.
PUBLIC :
Elèves de seconde. Option IESP.
Option MPI pour la partie thématique.
MATERIEL :
Ordinateurs PC sous Windows.
LOGICIEL :
Ordinateurs PC sous Windows.
METHODE :
Le but est de faire réaliser une calculatrice qui " compte jusqu’à 4 " aux élèves en leur faisant utiliser le simulateur qu’est crocodile clips. Cette séance a été précédée d’une étude des portes logiques sur plaquette ainsi que d’une séance sur crocodile clips pour se familiariser avec son utilisation en étudiant les semi-additionneurs et les additionneurs, puis elle a été suivie de manipulations sur les afficheurs 7 segments lors de l’étude des convertisseurs. Ce travail occupe une séance de 3 heures.
BIBLIOGRAPHIE :
Etude d’une calculatrice, diffusée par l’académie de nancy-metz :
www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/TP-phys/Iesp/roosevelt/calculatrice.html
AVANTAGES :
Cela permet aux élèves d’être confronté aux problèmes liés à l’utilisation d’afficheurs et à
l’alimentation de ceux-ci sans pour autant " griller " le matériel. Cela leur a permis également de voir le temps de réponse de la calculatrice crée et ce bien que ce soit un simulateur qui gère les calculs. Enfin, ils ont compris et vu une utilisation concrète de l’additionneur dont on avait vu le principe et le montage la semaine précédente.
DIFFICULTES:
Lors de cette séance les seuls problèmes rencontrés sont liés à la réalisation des associations afficheurs-décodeurs. Certains élèves qui n’avaient pas bien compris le rôle d’un additionneur, ont en effet peiné à réaliser la partie IV.3. Mais lorsque ces problèmes surviennent, les élèves les détectent très vite grâce au logiciel qui fait exploser les composants quand les branchements sont mal réalisés et qui donne une explication de la cause du dysfonctionnement.
AUTEUR DU DOCUMENT :
Carine FRANKLIN, lycée Jean Macé de Vitry sur Seine
REALISATION D’UNE CALCULATRICE GRACE AU LOGICIEL CROCODILE CLIPS 3.
But du TP.
On souhaite réaliser une calculatrice grâce à des portes logiques. Nous avons appris récemment à
faire des additions binaires par associations de portes NON-ET et OU-ex.
Aujourd’hui nous nous intéressons à l’addition de deux nombres X et Y dont la somme est notée Z.
Nous nous limiterons à des sommes simples. En effet, X sera codé sur 2 bits et s’écrira en binaire : A1A0 et Y sera codé sur 1 bit et s’écrira : B0.
Le résultat sera obtenu sur 3 bits et envoyé à un afficheur 7 segments de façon à visualiser le résultat.
Pour rendre la simulation proche de la réalité, on visualisera la valeur décimale de X et de Y également à l’aide d’un afficheur 7 segments.
Etude d’un afficheur 7 segments.
L’afficheur 7 segments est un ensemble de DEL disposées de la façon suivante :
Dans le logiciel Crocodile Clips, cet afficheur 7 segments est alimenté en 0V - 5V. Il y a huit entrées possibles : 7 pour les segments a, b, c, d, e, f, g et une pour le point (que l’on n'utilisera pas). Il y a également une borne de masse, appelée V-. (ne pas oublier de la placer)
Manipulation sur l’afficheur.
1.
Lancer le logiciel Crocodile clips 3.
Cliquer sur l’icône sources lumineuses puis choisir l’afficheur 7 segments.
Tester chaque segment en l’alimentant. (utiliser une entrée logique) Peut-on brancher directement cette entrée logique ?
Que se passe-t-il ? Si vous voulez remplacer le constituant que vous explique le crocodile ? Expliquer en quoi la présence d’un conducteur ohmique peut régler ce problème.
Quel est la valeur minimale de la résistance du conducteur ohmique pour régler le problème ? Vous testerez différentes valeurs de R de 50 Ω en 50 Ω .
Dans la suite vous prendrez comme valeur de la résistance R = Rmin + 50.
Passage du décimal au binaire.
1.
Une fois trouvées les conditions de fonctionnement de l’afficheur 7 segments, remplir le tableau suivant de codage sur 7 bits (correspondant aux 7 segments) des nombres décimaux de 0 à 9.
Nombre décimal N
a b c d e f g
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Ce tableau représente le codage sur 7 bits d’un afficheur 7 segments. Hélas ce type de codage n’est pas très pratique à utiliser. Pour rendre la traduction d’un nombre décimal N en un nombre binaire B nous allons utiliser un décodeur.
Etude d’un décodeur pour afficheur 7 segments.
I.
Présentation du décodeur.
1.
Ce composant permet de traduire un nombre binaire B codé sur 4 bits (écrit DCBA) en un nombre décimal N affiché sur 7 bits (a b c d e f g).
Le décodeur effectue en fait la conversion écrite dans le tableau ci-dessus.
Pour effectuer ce codage, on dispose de 3 entrées supplémentaires : Quand l’entrée LT est à l’état bas (0) alors tous les segments s’allument.
Quand l’entrée BI est à l’état bas (0) (et l’entrée LT à 1) alors tous les segments s’éteignent.
Quand l’entrée EL passe de 0 à 1, les entrées A à D se verrouillent et les sorties restent fixes jusqu’à ce que l’entrée EL bascule à nouveau.
Pour effectuer un codage il faudra donc placer : LT sur 1
BI sur 1 EL sur 0.
Fonctionnement du décodeur.
1.
Remplir le tableau ci-dessous :
Entrées Sorties
D C B A a b c d e f g N
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 0 0 1
Application à l’addition X + Y = Z.
2.
En vous aidant du tableau ci-dessus et des caractéristiques de X , Y et Z et sachant qu’on veut utiliser 3 afficheurs 7 segments :
De quelles entrées D,C,B,A a-t-on besoin pour coder X ? De quelles entrées D,C,B,A a-t-on besoin pour coder Y ? Même question pour Z.
Connexion de l’afficheur 7 segments avec le décodeur.
1.
A l’aide de Crocodile Clips 3, connecter le décodeur à l’afficheur en faisant en sorte de prendre le moins de place possible.
Vous ferez une connexion pour le nombre X, une pour Y et une pour Z.
Utilisez la fonction ajout de texte du logiciel pour repérer ces associations.
Création de la calculatrice.
I.
Principe : 1.
On veut additionner deux nombres binaires X = A1A0 et Y = B0 .
Le résultat de cette opération est codé sur 3 bits : représentés par S2S1S0 . Pour effectuer cet additionneur on va utiliser des portes logiques.
Quelle association utiliser ? 2.
Poser l’addition de X et Y en tenant compte des retenues éventuelles.
a.
De combien d’additions différentes doit-on tenir compte ? b.
Tracer la table de vérité.
c.
En vous aidant du TP sur la création d’un additionneur, expliquer comment faire pour additionner un nombre de deux bits avec un nombre de 1 bit grâce à des portes logiques NON-ET et Ou-Ex.
d.
Tracer le schéma électronique à l’aide du logiciel, en indiquant quelles entrées représentent A0, A1, B0, S0, S1, S2.
e.
Imprimer ce montage une fois le professeur appelé pour vérification.
f.
Montage calculatrice.
2.
Associer les afficheurs connectés aux décodeurs sur le montage précédent en tenant compte de
votre réponse à la question e.
Faites fonctionner votre calculatrice, vérifier qu’elle effectue correctement les additions de X et Y en donnant le bon résultat (il doit être compris entre 0 et 4).
Si le résultat est concluant, imprimez votre travail pour l’addition donnant X + Y = 3.
Utilisation en classe.
IV.
J’ai effectué ce TP avec deux groupes de 13 élèves. La séance dure trois heures. Pour les plus rapides, elle ne dure que 2h30 ; pendant la dernière demi-heure, ils ont cherché à comprendre pourquoi l’affichage est si long et ce qu’il faudrait changer pour arriver à faire compter jusqu’à 10 une calculatrice construite sur le même mode.
L’étude de l’afficheur 7 segments grâce au logiciel, a pour effet de leur faire prendre conscience, de façon visuelle, de l’importance de placer correctement la masse dans un circuit (les composants qui explosent dans ce logiciel lorsque les branchements ont été mal faits ont un effet étonnant sur les élèves) ainsi que l’importance de bien choisir la résistance de protection.
A la suite de ce TP, un TP sur maquette EFFELOR avec un afficheur 7 segments leur a été proposé et aucun élève n’a eu de problème de branchements. L’effet visuel a eu un impact certain.
Le décodeur est présenté ici comme un outil pratique mais son étude théorique n’est pas abordée et les élèves l’acceptent sans même se poser de questions. A l’issu du travail demandé avec le décodeur, ils sont en mesure d’effectuer les branchements entre l’afficheur, les résistances de protection (il existe dans crocodile clips des barrettes de 8 résistances prévues pour l’afficheur, elles sont présentes dans l’icône des dipôles passifs) et le décodeur. Ils ont ainsi préparer le " bloc affichage " de la calculatrice.
Dans un groupe, qui n’est pas très autonome, j’ai à ce moment, fait un point de résumé en demandant aux élèves quels étaient les branchements à effectuer et ce qu’il restait à faire. A l’issu de cette discussion tous les élèves étaient au même niveau.
La dernière partie qui consiste à associer ces blocs d’affichage avec un double additionneur a posé problème aux élèves qui lors du TP précédent n’avaient finalement pas bien compris son fonctionnement. Ici, le fait de l’appliquer et de voir grâce aux afficheurs le résultat de cette association de portes logiques, a permis aux élèves de lever le voile sur les zones qui leur apparaissaient encore sombres.
Cela dit cette partie est sans aucun doute améliorable car la fenêtre de crocodile clips étant assez petite il faut être très soigneux pour faire les raccords et ne pas s’y perdre ce qui est certes formateur pour les élèves mais qui je pense, a ajouté aux difficultés rencontrées par les élèves les plus faibles des deux groupes.
L’utilisation de crocodile clips 3 permet ici, de rendre l’étude proposée par nos collègues du GRIESP de nancy-metz moins théorique et peut-être plus ludique pour les élèves.
Annexe : calculatrice réalisée en classe :
