Cette pratique vous permet d'étudier les circuits monostables. Ces derniers sont assez souvent utilisés dans la conception de circuits numériques. Ces monostables relèvent à la fois de l'électronique numérique et de  l'électronique analogique.

Les bascules peuvent avoir deux états stables et passer d'un état à l'autre grâce à une commande extérieure. Par contre, le monostable est caractérisé par un seul état de stabilité.

Ce circuit monostable peut passer à un état instable sous l'effet d'une commande extérieure. Il restera dans cet état d'instabilité pendant une durée fonction des caractéristiques du circuit, puis reviendra à l'état stable de départ.

Les circuits monostables intégrés sont souvent utilisés pour augmenter la durée d'un signal bref, ou pour créer une temporisation. Leur principe est basé sur une constante de temps réalisée au moyen d'une cellule R.C. (résistance et condensateur).

1. - PRÉPARATION DU MATÉRIEL

Dans cette pratique, vous utiliserez les composants suivants, que vous prélèverez parmi le matériel en votre possession :

• 1 circuit intégré MM 74C08

• 1 circuit intégré MM 74C04

• 1 circuit intégré MM 74C74

• 1 circuit intégré MM 74C221

• 1 circuit intégré CD 4528

• 1 circuit intégré MM 74C85

• 2 diodes 1N 4148

• 1 condensateur électrolytique au tantale 0,33 µF - 10 V

• 1 condensateur électrolytique au tantale 0,47 µF - 10 V

• 2 condensateurs électrolytiques au tantale 1 µF - 10 V

• 1 condensateur électrolytique au tantale 10 µF - 10 V

• 2 résistances de 1 MW - 1 / 4 W  tolérance ± 5 % (marron - noir - vert - or)

• 1 résistance de 2,2 MW - 1 / 4 W  tolérance ± 5 %  (rouge - rouge - vert - or)

• 2 résistances de 470 kW - 1 / 4 W  tolérance ± 5 % (jaune - violet - jaune - or)

• 2 résistances de 330 kW - 1 / 4 W  tolérance ± 5 % (orange - orange - jaune - or)

• 2 résistances de 220 kW - 1 / 4 W  tolérance ± 5 % (rouge - rouge - jaune - or)

• 2 tresses de fil étamé isolé (une rouge, une noire).

2. - PREMIÈRE EXPÉRIENCE : UTILISATION D'UN PSEUDO-MONOSTABLE POUR GÉNÉRER DES IMPULSIONS DE DURÉE DONNÉE

Vous avez vu que le signal de commande d'un circuit numérique peut être constitué par l'impulsion générée par les boutons-poussoirs montés sur le pupitre.

La durée de ce signal de commande correspond au temps pendant lequel le bouton-poussoir est enfoncé.

Ce type de signal de commande n'est pas toujours approprié. En effet, certains circuits numériques nécessitent un signal de commande de durée bien définie.

Les circuits intégrés monostables sont utilisés dans ce but.

Vous allez maintenant examiner le plus simple des circuits monostables appelé pseudo-monostable car c'est un circuit monostable imparfait.

Commencez maintenant l'expérience en effectuant le montage du circuit en suivant les indications ci-après.

2. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT

a) Assurez-vous que l'alimentation soit débranchée et enlevez de la matrice et du groupe de connecteurs l'ensemble des liaisons établies précédemment ainsi que le circuit intégré en ICX.

b) Réalisez le montage tel qu'il est indiqué à la figure 1-a, en suivant les indications suivantes :

      veillez à l'orientation correcte du circuit intégré MM 74C04. Tous les circuits intégrés sont repérés par une encoche ou un point comme représenté à la figure 2.

      La broche 14 est reliée à la tension positive.

      La broche 7 est reliée à la tension négative (masse).

      La résistance R1 de 1 MW 1 / 4 W  tolérance 5 % (marron - noir - vert - or) est connectée entre la broche 1 et la masse.

      Les broches 2 et 3 sont reliées entre elles.

      La broche 4 est reliée au contact L0 du groupe de connecteurs.

      Insérez sur la matrice le condensateur électrolytique au tantale C1 de 1 µF - 10 V entre la broche 1 du circuit intégré et un contact situé à gauche du circuit intégré.

N'insérez pas pour l'instant le deuxième condensateur figuré en pointillé.

Vous devez respecter la polarité de C1. La borne positive est repérée par le signe (+) comme indiqué sur la figure 3.

      La connexion positive de C1 est reliée à SW0 par un fil de liaison, tandis que la connexion négative de C1 est reliée à la broche 1 du circuit intégré MM 74C04.

Le montage terminé, vérifiez l'exactitude des liaisons effectuées (figures 1-a et 1-b).

2. 2. - ESSAI DE FONCTIONNEMENT

a) Branchez l'alimentation. La LED L0 est éteinte.

Si ce n'est pas le cas, vérifiez avec attention l'ensemble du montage. Notez cependant qu'à la mise sous tension, la LED peut s'allumer un bref instant.

b) Mettez l'interrupteur SW0 sur la position 1.

La LED s'allume pendant 1 seconde environ pour s'éteindre ensuite, l'interrupteur SW0 étant toujours en position 1. Répétez l'expérience en partant toujours de la position 0 pour SW0. La LED s'allume toujours pendant 1 seconde environ.

c) Commutez SW0 sur la position 0. Mettez SW0 sur la position 1 et ramenez SW0 rapidement sur la position 0. La LED s'éteint dès que SW0 est ramené sur la position 0, même si elle ne s'est pas allumée pendant 1 seconde.

Ceci est la limite principale d'utilisation du circuit. En effet, il est nécessaire que l'impulsion de commande générée par SW0 dure au moins aussi longtemps que la durée de l'impulsion de sortie.

Dans le cas contraire, l'impulsion de sortie du circuit ne durera que le temps pendant lequel l'interrupteur est en position 1.

De façon analogue, après être revenu en position 0 pour SW0 en réduisant la durée de l'impulsion de sortie, vous remettez SW0 sur la position 1. Vous remarquez alors que l'impulsion de sortie sera encore inférieure à 1 seconde.

Dans la théorie 6 électronique digitale vous trouverez les explications relatives à ce phénomène.

d) Prenez maintenant un autre condensateur électrolytique au tantale de 1 µF - 10 V (C2) et insérez-le en respectant les polarités des bornes en parallèle avec le premier condensateur C1, comme illustré à la figure 1-a en pointillé.

La capacité équivalente des deux condensateurs est 2 µF.

e) Actionnez l'interrupteur SW0. Vous constatez que l'impulsion de sortie dure environ deux fois plus longtemps que l'impulsion de sortie de l'essai précédent.

Donc la durée de l'impulsion augmente avec la capacité.

f) Enlevez C2, inséré en dernier. Il ne reste que C1, de valeur de 1 µF et remplacez la résistance de 1 MW (R1) par une autre résistance de 2,2 MW.

Refaites l'essai. Vous constatez également que la LED s'allume environ 2 secondes.

Une valeur approximative de cette durée d'impulsion appelée T est donnée par le produit RC.

T = RC        (T en seconde, R en Ohm et C en Farad)

Avec un condensateur ayant une capacité C = 1 µF = 1 x 10^-6 F et une résistance R = 1 MW = 1 x 10⁶ W le temps T est égal à :

T = 1 x 10⁶ x 1 x 10^-6 = 1 s

Cette valeur est celle obtenue expérimentalement avec le montage. En fait, vous n'obtenez pas cette valeur exactement, car beaucoup des caractéristiques des composants (résistance, capacité, inverseur) ne sont pas prises en considération.

Dans le montage, vous avez utilisé deux inverseurs alors qu'un seul aurait suffi pour l'essai du pseudo-monostable.

En fait, le deuxième inverseur nous permet d'allumer la LED durant l'impulsion de sortie. Les formes d'ondes reportées sur le schéma de la figure 1-b représentent l'allure de la tension en différents points du circuit, telle qu'elle apparaîtrait à l'oscilloscope.

La commutation de SW0 en position 1 délivre une impulsion positive sur le condensateur C1. A l'entrée 1 du schéma, il se produit également une impulsion positive qui décroît progressivement. En sortie 2, vous avez l'impulsion négative qui dure 1 seconde (ou 2 secondes) et en sortie 4, la même impulsion inversée.

3. - DEUXIÈME EXPÉRIENCE : EXAMEN D'UN PSEUDO-MONOSTABLE COMMANDÉ PAR UN FRONT DESCENDANT

Le circuit relatif à cette expérience est très semblable à celui réalisé auparavant, comme vous le constatez à la figure 4.

Il en diffère uniquement par la résistance R1, ici raccordée à la tension positive, par l'absence du deuxième inverseur et enfin par l'inversion des bornes du condensateur C1.

Vous allez effectuer le montage du circuit à l'aide du schéma électrique et ensuite vérifiez le fonctionnement en suivant la même procédure que dans l'expérience précédente.

Débranchez l'alimentation. Retirez la borne de R1 reliée à la tension négative et reliez-la à la tension positive. Vous raccordez la sortie 2 du premier inverseur au contact L0.

N'oubliez pas d'inverser le condensateur C1.

Dans cette expérience, SW0 sera en position initiale sur 1. Après avoir vérifié l'exactitude du câblage, branchez l'alimentation et commutez SW0 en position 0. La LED L0 s'allume environ 1 seconde avec R1 = 1 MW et C1 = 1 µF et environ 2 secondes avec R1 = 2,2 MW et C1 = 1 µF.

La seule différence par rapport à l'expérience précédente est le fait que vous appliquez une impulsion négative à l'entrée 1 de l'inverseur. Ce montage évite l'emploi d'un deuxième inverseur.

4. - TROISIÈME EXPÉRIENCE : EXAMEN D'UN VRAI CIRCUIT MONOSTABLE

Les circuits pseudo-monostables vus précédemment ne sont pas en mesure de fournir des impulsions de sorties plus longues que l'impulsion de commande.

En utilisant une bascule D et la cellule comprenant une résistance, un condensateur et une diode, vous expérimentez maintenant un vrai circuit monostable, la durée de l'impulsion en sortie n'étant pas fonction de la durée de l'impulsion de commande.

 4. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT

a) Débranchez l'alimentation.

b) Enlevez tous les composants et les liaisons relatifs à l'expérience précédente.

c) Réalisez le montage indiqué à la figure 5-a, à l'aide d'un circuit intégré MM 74C74 (comprenant deux bascules D), une résistance de 1 MW, un condensateur de 1 µF et une diode de type 1N 4148.

N'omettez pas le circuit intégré MM 74C00 dans le support IC1 (circuit anti-rebond).

Vous avez ainsi réalisé le circuit schématisé à la figure 5-b.

L'entrée CLOCK est reliée au contact P0 .

La sortie Q est reliée au contact L0.

4. 2. - ESSAI DE FONCTIONNEMENT

a) Branchez l'alimentation. L0 est éteinte ou reste allumée un bref instant avant de s'éteindre.

b) Appuyez sur le bouton P0. La LED L0 s'allume pendant 1 seconde. La sortie Q est donc passée à l'état H durant 1 seconde.

c) Appuyez et relâchez immédiatement P0. La LED L0 s'allume toujours 1 seconde.

Il n'est donc plus nécessaire d'appuyer sur P0 au-delà d'une seconde, mais une brève impulsion est suffisante pour commander le circuit.

Examinons maintenant le fonctionnement de ce circuit à l'aide de la figure 5-b.

Le front montant du signal d'horloge permet le transfert de la donnée DATA à 1 en sortie Q.

Passe donc au niveau L. Le condensateur C se charge donc à travers la résistance R. La tension présente à l'entrée CLEAR diminue et quand cette tension atteint un seuil assez bas, l'entrée CLEAR est activée.

La sortie Q passe à 0 et à 1. Le temps nécessaire pour activer CLEAR est fonction de la constante de temps RC. Quand est au niveau haut, la diode D est polarisée dans le sens direct et permet la décharge rapide du condensateur C. L'entrée CLEAR retrouve le potentiel initial à l'état haut.

Le circuit se retrouve dans les conditions initiales de repos.

Vous essaierez de changer la valeur de la résistance et du condensateur (mise en parallèle de condensateur et aussi de résistance).

Le temps d'éclairement de la diode L0 est toujours égal à environ la constante de temps RC.

En conclusion, le vrai circuit monostable présente les caractéristiques suivantes :

      il génère une impulsion de durée déterminée chaque fois qu'un front montant est appliqué à l'entrée CLOCK.

      la durée de l'impulsion en sortie est fonction uniquement des valeurs de R et C.

      le signal de commande peut retomber immédiatement au niveau L sans modifier la forme et la durée du signal de sortie. 

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