TP d'électronique P1 n°4 : L’analogique et la logique
novembre 2000
Objectif du TP
L’objectif du TP est d’étudier la différence entre 2 "mondes" différents de l’électronique : le monde analogique et le monde logique.
• L’électronique analogique est celle des tensions qui peuvent avoir n’importe quelle valeur, pouvant passer de manière continue d’une valeur à une autre. Les composants analogiques sont les composants passifs R, L, C et des composants actifs : transistors et amplificateurs opérationnels (que l’on étudiera plus tard), entre autres ;
• L’électronique logique (encore appelé numérique) est celle de tensions ne pouvant prendre que 2 valeurs, notées 0 et 1. "0" est appelé niveau bas ; en général il correspond à une tension de 0V. "1" est le niveau haut ; selon le type de circuits intégrés utilisés il peut correspondre à des tensions différentes (dans notre cas, ça sera 5V). Les composants logiques sont les circuits intégrés logiques, les mémoires, les microprocesseurs, etc.
Durant cette séance nous allons :
• étudier un montage purement analogique : un circuit RLC ;
• comparer des portes logiques de 2 technologies différentes (TTL et CMOS), et de 2 séries différentes d’une même technologie (série 4000 et série 74HC) ;
• étudier deux montages purement logiques : une mémoire à 1 bit et un additionneur logique
I) Montage purement analogique : circuit RLC
On reprend le circuit déjà étudié dans le cadre du TP sur Pspice :
Q1(théorique). Donner le diagramme de Bode de ce circuit
Q2(pratique). Réaliser l'expérimentation réelle et relever les courbes de gain 20log|vS/vE| en fonction de la fréquence, pour R=120Ω.
L=560µH, C=150nF
Q3(p). Utiliser une résistance variable de 200Ω pour R (voir le guide de TP pour son utilisation). A l’aide d’un petit tournevis, faire varier cette résistance, décrire et expliquer l’effet produit sur le signal de sortie.
II) Etude d’une porte logique
Remarque importante
Les circuits intégrés doivent être alimentés par une tension continue. Ici ils seront alimentés en 5V (qui correspondra alors au niveau logique 1). C’est la première chose à faire avant d’utiliser les portes logiques qu’ils contiennent.
II.1) Principale propriété d’une porte logique
Une porte logique est prévue pour fonctionner avec des niveaux logiques "0" ou "1". Mais que se passe-t-il quand on leur applique en entrée une tension analogique, comprise entre 0V et 5V ? La réponse est que la sortie de la porte va basculer d’un niveau à l’autre.
Pour cette question on utilisera une porte NON-ET (NAND) à deux entrées (d’un circuit intégré 74HC00 qui en contient quatre). On reliera les deux entrées de la porte entre elles par un petit fil.
Q4(p). Appliquer à l’entrée d’une porte NON-ET une tension continue dont on peut ajuster la valeur (par exemple à l’aide d’un des 2 blocs d’alimentation disponibles). Faire varier cette tension de 0 à 5V, relever une dizaine de points de mesure (choisis surtout dans la zone de transition de vs), pour représenter la caractéristique de transfert vs=f(ve) de cette porte.
Interpréter cette courbe.
II.2) Différences entre les familles CMOS et TTL
Il existe deux grandes familles de circuits intégrés : la famille TTL et la famille CMOS, toutes deux toujours étudiés dans l’industrie, même si l’utilisation de la famille CMOS a tendance à se généraliser. Nous allons étudier quelques différences de caractéristiques entre ces deux familles.
Les principales différences sont :
• des seuils d’entrée différents : entre deux circuits différents de la même famille, les seuils d’entrée ne seront pas tout à fait les mêmes, mais en moyenne ceux de la famille TTL seront plus faibles que ceux de la famille CMOS.
• la consommation d’énergie : les circuits de la famille TTL consomment plus d’énergie que ceux de la famille CMOS (ce qui représente un inconvénient, par exemple pour les systèmes portables) ; c’est l’objet de la question qui suit.
Q5(p). Garder le montage de la question précédente et insérer l’ampèremètre continu à aiguille entre la patte d’alimentation du circuit intégré et le bloc d’alimentation. Relever la valeur de l’intensité. Répéter la même opération pour le circuit TTL 74LS00 (le brochage est le même) et comparer les résultats. Conclure.
II.3) Différentes séries de la famille CMOS
Dans la famille CMOS, il existe plusieurs séries, qui se caractérisent par des performances différentes. La série 4000 est plus ancienne que la série 74HC ; elle est de moins en moins utilisée dans l’industrie. La seconde possède des temps de propagation (voir en annexe pour la définition) inférieurs à la première.
Q6(p). Mesurer le temps de propagation d’une porte NON-ET d’un circuit 4011 (attention le brochage n’est pas le même que le 74HC00), puis d’une porte NON-ET d’un circuit 74HC00, à l’aide de l’oscilloscope. Représenter les signaux visualisés lors de la mesure. Comparer avec les valeurs indiquées par les constructeurs (les documentations, ou datasheet, sont disponibles sur la page web-élec de l’EFREI). Préciser le choix de la fréquence à laquelle la mesure est effectuée.
III) Montages purement logiques
II.1) Mémoire à 1 bit
Pour les deux entrées de cette bascule on utilisera des résistances de pull-down (voir en annexe).
Q7(p). Réaliser une bascule D à verrou à l’aide de portes NON-ET (à l’aide de deux circuits 74HC00). Tester son bon fonctionnement, et décrire cette démarche de test. Expliquer en quoi on peut parler de mémorisation. Exprimer la sortie Q(t+1) en fonction de D, H et Q(t).
III.2) Additionneur binaire
Voir informations utiles en annexe.
Q8(th). Donner le résultat (théorique) de toutes les additions possibles de nombres binaires à 2 bits.
Q9(th). Réaliser un additionneur complet 1 bit à l’aide de portes ET, OU et OU-EXCLUSIF. Le bit de sortie, ainsi que la retenue, seront visualisés au moyen de diodes électro-luminescentes (Light-Emitting Diodes, ou LED). Ces DELs peuvent être connectées directement en sortie des circuits intégrés, le courant délivré par chaque broche étant de l'ordre de 25mA. Représenter le schéma de câblage (schéma des connexions entre les broches des circuits intégrés) de ce montage.
Q10(p). Câbler le montage et décrire la procédure de test.
Annexe
Support théorique pour les Travaux Pratiques de logique
Fonctions logiques élémentaires
Toutes les fonctions logiques que l’on peut trouver dans les domaines de l’électronique numérique et de l’informatique industrielle sont réalisées à partir de fonctions logiques élémentaires :
NON-ET (NAND) :
&
ET (AND) :
&
OU (OU) :
>1
NON-OU (NOR) :
>1
NON (inverter) :
1
OU-EXCLUSIF (XOR) :
=1
(Représentation de gauche : norme française ; droite : norme anglo-saxone)
Ces fonctions sont réalisées par des portes logiques. Les portes logiques peuvent avoir deux entrées, comme sur le schéma, ou plus.
Portes à 1 seuil de basculement
Dans une porte logique à 1 seuil de basculement l’entrée est considérée comme un "0"
logique (respectivement "1"), si elle est inférieure (respectivement supérieure) à Vcc/2, où Vcc est la tension d’alimentation des circuits intégrés.
Portes à hystérésis (2 seuils de basculement)
Certaines portes logiques possèdent deux tensions de seuil différentes, selon que la tension d'entrée croît ou décroît (elles seront notées respectivement veh et veb dans la suite du texte). La différence entre ces deux tensions de seuil est appelée tension d’hystérésis (notée vh dans la suite : vh=veh-veb).
Additionneur binaire
Lorsqu’on effectue une addition avec un ordinateur, celle-ci est réalisée par un additionneur situé dans l’unité arithmétique et logique (UAL), elle-même située dans le microprocesseur.
Un demi-additionneur permet de réaliser l’addition de 2 variables binaires E1 et E2 (entrées). Il comporte 2 sorties : la somme proprement dite S et une retenue R.
1/2 additionneur E1
E2
S R
E1 E2 S R
0 1
0 0 0
0 1 0
0 0
0
1 1
1 1 1
Figure 1
S = E E1 2. +E E1 2. S= ⊕E1 E2 R E E= 1 2.
Un demi-additionneur peut donc être réalisé à l’aide d’une porte OU EXCLUSIF et d’une porte ET.
E1
E2
=1
&
1/2 add.
S
R
Figure 2. Demi-additionneur
Pour additionner 2 nombres à plusieurs bits, il faut tenir compte de l’éventuelle retenue de l’étage précédent : il faut donc utiliser deux demi-additionneurs 1 bit pour réaliser un additionneur 1 bit complet.
E1
E2
=1
&
1/2 add.
>1 S
R
=1
&
1/2 add.
Rn-1 n
B0
S0 R0 A
A1 B1
S1 A R1
A2 B2
S2 A R2
A3 B3
S3 A R3
A0
Figure 3. Additionneur (1 bit) complet Figure 4. Additionneur 4 bits
Fonction mémoire
Les technologies d’intégration actuelles permettent de mettre au point des circuits mémoires de capacité de plusieurs méga-octets (millions d’octets).
La fonction mémoire la plus simple pouvant exister consiste à mémoriser 1 élément binaire (=1 bit). Cette fonction doit comporter au moins 2 entrées, et 1 sortie : une entrée sur laquelle est présentée la donnée à mémoriser, une entrée de commande de mémorisation, et une sortie sur laquelle apparaît la donnée mémorisée.
Une telle mémoire élémentaire est une bascule D avec verrou (latch). Elle peut être obtenue à partir d’une bascule RS, avec R = S et une entrée supplémentaire H (pour Horloge) (figure 1).
L’entrée D est l’entrée sur laquelle la donnée à mémoriser est présentée ; H est la commande de mémorisation (la notion d’horloge sera vue plus tard).
&
&
&
&
&
D H
Q
Figure 1. Bascule D avec verrou
La fonction réalisée par cette bascule est la suivante (Qn représente l’état de la sortie Q à un instant donné, et Qn+1 son état à l’instant suivant).
- si H=0, alors Qn+1=Qn : la sortie est inchangée (mémorisée) - si H=1, alors Qn+1=D : mémorisation
Processus de mémorisation : si H passe à 1 et qu’à ce moment là la donnée ne change pas, celle-ci est recopiée en sortie Q. Une fois que H est repassé à 0, Q restera inchangé, même si l’entrée D change. Il y a donc eu mémorisation sur Q de la donnée présentée sur D au moment ou H était à 1.
Codeur binaire
Un codeur binaire est un circuit numérique possédant N entrées et n sorties. En entrée, une seule des entrées est à 1 à chaque instant : chaque entrée représente un chiffre décimal ; en sortie, le codeur fournit un nombre binaire correspondant à cette entrée.
Le nombre de sorties doit être suffisant pour que toutes les entrées puissent être codées en binaire (par exemple, pour 9 entrées, il faut 4 sorties).
La table de vérité d’un codeur décimal-binaire (c’est à dire à 10 entrées) est la suivante :
codeur binaire
E9 E0
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
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 0
1 2 3 4 5 6 7 8
chiffre
décimal E0 E1E2 E3 E4E5 E6E7 E8 E9 S3 S2 S1S0
entrées sorties
La relation entre les sorties et les entrées est obtenue immédiatement : par exemple, S3 est à 1 uniquement lorsque E8 est à 1 OU E9 est à 1 : on a donc S3=E8+E9. La simplicité des relations entrées-sorties est due au fait que l’on suppose que toutes les combinaisons d’entrées ne sont pas possibles, et qu’une seule des entrées est à 1 à chaque fois.
Décodeur DCB-7 segments
DCB signifie Décimal-Codé-Binaire : les chiffres de 0 à 9 sont codés en binaire. 4 bits sont nécessaires pour cela. Dans le code binaire simple, toutes les combinaisons possibles sont utilisées (de 0 à 15 dans le cas de 4 bits) ; dans le codage décimal, seules les combinaisons de 0 à 9 sont nécessaires.
Un décodeur DCB-7 segments est un circuit numérique qui fait correspondre des entrées sur lesquelles un nombre binaire est appliqué, à des sorties destinées à piloter un afficheur 7- segments (permettant l’affichage des chiffres de 0 à 9 et de certaines lettres de l’alphabet, voir informations sur le "Guide de TP").
La table de vérité de ce décodeur est la suivante :
E0 E3
décodeur DCB- 7 segments a b c d e f g
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 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 chiffre
décimal E3 E2E1 E0
entrées sorties
1 1 1 1 1 1 0 a b c d e f g
0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1
Mesure du temps de propagation d’une porte
Le temps de propagation est le temps que met un signal pour "franchir" une porte logique. Ce temps est mesuré à 50% de la valeur de la tension correspondant au niveau logique 1.
50%
tpHL tpLH
entrée sortie
t v
tpLH : temps de propagation à la montée tpHL : temps de propagation à la descente
tpLH +tpHL
On peut mesurer le temps de propagation d’une porte logique de manière simple : on connecte ses entrées entre elles puis on lui applique en entrée un signal logique périodique (signal carré 0 ou 5V). Il faut que la fréquence de ce signal soit élevée (de l’ordre de quelques MégaHz), pour que le temps de propagation soit mesurable à l’aide de l’oscilloscope.
Il faut bien sûr 2 sondes, l’une pour le signal d’entrée et l’autre pour le signal de sortie.
Notes importantes
• Il est conseillé de lire attentivement le support théorique ci-dessus avant d’aborder l’expérimentation.
• Les circuits intégrés seront alimentés en 5V (tension continue !). Sur les documentations des constructeurs cette tension d’alimentation est souvent notée VDD, et la masse VSS.
• Ne pas oublier que les afficheurs 7-segments sont composés de DELs (Diodes Electro- Luminescentes) et que le courant qui y circule doit être limité à 25mA environ. Sa caractéristique est celle d'une diode et appliquer à ses bornes par exemple 5V ferait tendre le courant vers l'infini, ce qui lui serait fatal ! Par contre elles peuvent être connectées directement en sortie des fonctions logiques des circuits intégrés car ceux-ci délivrent des courants limités.
• Lorsque plusieurs combinaisons d'entrée d'un circuit logique doivent être testées, on utilisera des résistances de "pull-down", utilisées pour "tirer" le potentiel de ces entrées vers la masse (voir figure ci-dessous). Ainsi par défaut un niveau "0" sera appliqué, et pour appliquer un
"1" il suffira de relier ces entrées à Vcc par l'intermédiaire d'un fil.
Résistance de pull-down
