Dans cette 4ème pratique, vous allez poursuivre le montage du pupitre digital en augmentant ses possibilités d'emploi grâce à deux boutons-poussoirs. ces derniers permettront de générer des impulsions de tension nécessaires à de nouvelles expériences. Vous câblerez aussi un circuit permettant de déceler les fronts montants d'un signal, c'est-à-dire le passage d'une tension du niveau L au niveau H.

Vous apprendrez également le fonctionnement des bascules. Les circuits vus précédemment (ET, OU, NAND, NOR, EX-OR) sont utilisés dans la logique COMBINATOIRE.

Ce terme signifie que le niveau logique présent en sortie du circuit considéré est uniquement fonction des niveaux logiques présents à l'entrée à l'instant considéré. Autrement dit, le niveau logique de la sortie ne dépend pas des états antérieurs des entrées.

Les bascules font partie des systèmes SÉQUENTIELS ; ces derniers permettent d'obtenir en sortie un niveau logique qui dépend du niveau des entrées au moment considéré, mais qui tient également compte de leur état antérieur.

Les circuits séquentiels peuvent être très complexes.

Les bascules sont les plus simples d'entre eux.

Nous allons examiner quelques types de bascules réalisées tout d'abord avec des circuits NAND puis par la suite avec des circuits intégrés spécialisés uniques.

  1. - PRÉPARATION DU MATÉRIEL

Afin de pouvoir réaliser les exercices proposés, veuillez utiliser les composants suivants (que vous prélèverez parmi le matériel en votre possession) :

• 2 boutons-poussoirs inverseurs

• 2 circuits intégrés MM 74C00

• 1 circuit intégré MM 74C74

• 4 résistances de 4,7 kW, 1/4 W, 5%  (jaune, violet, rouge, or)

2. - PREMIÈRE EXPÉRIENCE : EXAMEN D'UNE BASCULE RESET - SET (R-S) RÉALISÉE AVEC 2 NAND

Examen d'une bascule Reset - Set (R - S) réalisée avec 2 NAND.

Une bascule est un circuit bistable, c'est-à-dire caractérisée par une sortie pouvant prendre deux états logiques stables dans le temps (L ou H) ; la sortie basculant dès que l'on agit sur une entrée appropriée. Une bascule possède en général deux sorties notées Q et . Les deux sorties se trouvent toujours à des niveaux complémentaires : lorsque Q est au niveau H, se trouve au niveau L et vice-versa.

Généralement, on se base sur la sortie Q pour définir l'état de la bascule. On dit que la bascule est à l'état logique 1 si la sortie Q est à l'état logique haut et que la bascule est à l'état logique 0 si la sortie Q est à l'état bas.

Dans cet exercice, vous allez étudier la bascule la plus simple : la bascule RESET - SET réalisée avec deux circuits NAND.

On appelle SET, l'état 1 de la bascule et RESET l'état 0.

Préparation des fils de liaison à trois conducteurs :

a)  Coupez trois morceaux de fil rigide isolé : l'un de 10 cm environ et les deux autres de 5 cm. Dénudez-en les extrémités. Reliez les trois fils entre eux à une extrémité en les torsadant, puis en effectuant une soudure comme représenté figure 1.

b)  Procédez comme ci-dessus, préparez deux autres fils de liaison à trois conducteurs. Vous pouvez maintenant commencer l'exercice.

c)  Enlevez toutes les liaisons relatives à la dernière expérience.

d)  Enlevez du support I.C.X. le circuit intégré utilisé précédemment et remplacez-le par le circuit intégré MM 74C00.

En vous référant à la figure 2-a, effectuez les liaisons suivantes :

e)  A l'aide de deux morceaux de fil de 5 cm, reliez la broche 1 du circuit intégré (entrée du 1er NAND) à l'interrupteur SW0 et la broche 5 (entrée du 2ème NAND) à l'interrupteur SW1.

f)  Au moyen du fil triple préparé précédemment, reliez la broche 3 (sortie du 1er NAND) et la broche 4 (entrée du 2ème NAND) à la LED L0.

g)  Avec le second fil triple que vous avez préparé, reliez la broche 2 (entrée du 1er NAND) et la broche 6 (sortie du 2ème NAND) à la LED L1.

h)  Mettez les deux interrupteurs SW0 et SW1 sur la position 1. Avec les liaisons effectuées, vous avez réalisé le circuit illustré figure 2-b. Comme vous pouvez l'observer, le circuit possède deux entrées et deux sorties. Une entrée est désignée par le symbole et l'autre par le symbole . Les lettres S et R sont les abréviations des termes Set (écriture ou mise à 1) et Reset (effacement ou remise à 0).

Les deux sorties sont notées Q et car il existe une possibilité pour que les deux sorties ne soient pas complémentaires. La sortie Q est la sortie de référence du circuit.

Branchez maintenant l'alimentation et observez les LED L0 et L1, l'une des LED sera allumée et l'autre éteinte. Il n'est pas possible de prévoir laquelle des deux s'allumera car cela dépend des caractéristiques physiques des deux circuits NAND et plus exactement de leur temps de réponse. Ils ne sont jamais parfaitement identiques.

Puisque le temps de réponse d'un circuit logique peut varier dans un éventail assez large, il n'est pas possible de savoir lequel des deux NAND constituant la bascule commutera le premier à la mise sous tension.

Positionnez la bascule à un état bien précis à la mise sous tension, certains aménagements sont nécessaires. Ils seront examinés dans la pratique suivante.

Vérifiez maintenant le fonctionnement du circuit :

i)  Mettez l'interrupteur SW0 sur la position 0. Ainsi, l'entrée est au niveau L. Vous constatez que la LED L0 reliée à la sortie Q est allumée, alors que la LED L1 reliée à la sortie , est éteinte. Ceci signifie que la sortie Q est à un niveau H et la sortie est à un niveau L.

j)  Remettez SW0 sur la position 1, l'état de la sortie est inchangé.

k)  Mettez ensuite SW1 sur la position 0. Vous constatez que la LED L0 s'éteint et que la LED L1 s'allume.

l)  Remettez SW1 sur la position 1. Vous constatez que L0 reste éteinte et L1 allumée.

Avec cet essai, lorsque SW1 () est positionné sur 0, vous constatez que la sortie Q (L0) reste inchangée en repositionnant SW1 sur 1.

m)  Effectuez la même manipulation avec l'interrupteur SW0 en le mettant sur la position 0. Vous constatez que L0 s'allume, tandis que L1 s'éteint.

n)  Remettez SW0 en position 1, L0 reste allumée. Quand SW0 est positionné sur 0, la LED L0 s'allume et reste allumée lorsque SW0 est repositionné sur 1.

Lorsque SW1 est positionné sur 0, la LED L0 s'éteint et reste éteinte quand SW1 est positionné sur 1.

Ne pas positionner pour l'instant les deux interrupteurs simultanément sur 0.

Des essais précédents, vous pouvez tirer les conclusions suivantes :

      les deux sorties Q et sont toujours complémentaires l'une de l'autre.

      chaque fois que l'entrée (SW0) est portée, même momentanément au niveau L, la sortie Q est portée au niveau H (L0 allumée) ; un retour au niveau H sur conserve le niveau H en sortie Q.

On peut dire que la bascule se «rappelle» que l'entrée est momentanément passée par le niveau L.

      chaque fois que l'entrée (SW1) est portée, même momentanément au niveau L, la sortie Q est portée au niveau L (L0 éteinte) ; le retour du niveau H sur n'a pas d'influence sur Q qui reste au niveau L.

On peut dire que la bascule se «rappelle» que l'entrée est momentanément allée au niveau L.

      en définitive, la bascule se «rappelle» laquelle des deux entrées a été portée la dernière au niveau L. Celle-ci reste à l'état correspondant indéfiniment jusqu'à ce que l'autre entrée soit portée au niveau L.

      une entrée est dite «active» lorsqu'elle détermine un basculement de l'état des deux sorties.

      le fait que les deux entrées soient actives à l'état bas est indiqué par la barre placée au-dessus des «symboles» R et S ( et ).

Comme pour tous les circuits logiques combinatoires, le fonctionnement de la bascule peut être décrit par la table de fonctionnement et la table de vérité.

La table de fonctionnement peut être établie sur la base des essais effectués précédemment.

Lorsque les deux entrées et sont toutes les deux portées au niveau H, la bascule ne change pas d'état.

L'état des sorties est déterminé par une des deux entrées portée antérieurement au niveau L. Cette condition est généralement représentée par «Q₀» et «₀», ce que vous retrouvez dans la première ligne de la table de fonctionnement de la figure 3-a.

Dans la dernière ligne de la table, il existe une combinaison des niveaux d'entrées qui n'a, jusqu'à présent, pas été essayée. Il s'agit du cas où les deux entrées sont au niveau L.

Pour voir ce qui se passe dans ce cas, effectuez les opérations suivantes :

a)  Mettez les deux interrupteurs SW0 et SW1 sur la position 0. Vous constatez que L0 et L1 sont toutes les deux allumées.

Ceci est contraire au fonctionnement classique d'une bascule qui, habituellement, voit ses sorties prendre des niveaux complémentaires.

b)  En positionnant simultanément les deux interrupteurs SW0 et SW1 sur 1, vous constatez qu'une des deux LED s'éteint, selon l'entrée qui atteint la première le niveau H.

Il en résulte que l'état de la bascule est indéterminé lorsque les deux entrées positionnées à L sont portées à un niveau H (état de repos). C'est pourquoi cette combinaison ( = 0 et = 0) des niveaux d'entrée est indésirable.

Dans la figure 3-b, vous est représentée la table de vérité de la bascule RESET - SET. Vous passez immédiatement de la table de fonctionnement à la table de vérité en associant au niveau logique L le chiffre 0, au niveau logique H le chiffre 1.

En résumé, la bascule RESET - SET, souvent désignée par le sigle R-S, est un élément de mémoire qui a les caractéristiques suivantes :

       les deux entrées et sont à l'état de repos quand elles sont au niveau H.

       un niveau logique L appliqué sur fait basculer la sortie Q à un niveau H : cet état est également dit SET.

       un niveau logique L appliqué sur fait basculer la sortie Q à un niveau L : cet état est également dit RESET.

       un niveau logique L appliqué sur les deux entrées et fait basculer les deux sorties à un niveau H. Quand les deux entrées reviennent à l'état de repos (H), la bascule passe à un état indéterminé. Donc la combinaison d'entrée LL est indésirable.

       pour conclure, la bascule R-S permet de mémoriser le passage au niveau L de l'une des deux entrées.

Les emplois de ce circuit sont multiples, comme vous pouvez vous en rendre compte en poursuivant les manipulations.

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