Avec cette nouvelle pratique, nous allons examiner les bascules de Schmitt et les oscillateurs.

Les bascules de Schmitt sont des circuits très utilisés pour remettre en forme des signaux de mauvaise qualité, soit parce qu'ils sont parasités, soit parce qu'ils ont des fronts montants et descendants trop lents, donc peu efficaces pour commander des circuits numériques.

Les oscillateurs sont des circuits qui génèrent des signaux cycliques. Ils sont indispensables dans les circuits numériques synchronisés auxquels ils donnent la cadence de fonctionnement de sorte que certains composants, comme les bascules travaillent de façon synchrone.

Nous avons vu en effet que la plupart des bascules possède une entrée appelée CLOCK. En envoyant sur cette entrée le signal d'un oscillateur qui est précisément appelé à cette occasion SIGNAL D'HORLOGE, on autorise la bascule à changer d'état uniquement en présence d'une impulsion de cette horloge.

Si on envoie le même signal d'horloge aux bascules et aux composants du circuit possédant une entrée CLOCK, leur fonctionnement sera synchronisé, c'est-à-dire que tous changeront d'état au même moment.

1. - PRÉPARATION DES MATÉRIAUX

Dans cette pratique, vous utiliserez les matériaux suivants :

2. - PREMIÈRE EXPÉRIENCE : EXAMEN DU FONCTIONNEMENT D'UNE BASCULE DE SCHMITT

Dans cette manipulation, vous allez d'abord comparer le fonctionnement d'un circuit réalisé avec deux inverseurs et le fonctionnement d'une bascule de Schmitt disponible sous forme de circuit intégré.

2. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT

a) Débranchez l'alimentation, enlevez les liaisons et les composants laissés sur la matrice au terme des expériences précédentes et enlevez le circuit intégré du support ICX.

b) Insérez dans la matrice le circuit intégré MM 74C04 contenant six inverseurs, le potentiomètre multitours de 10 kW et la résistance de 22 kW 1 / 4 W  5% (rouge - rouge - orange - or) dans la position indiquée à la figure 1-a ; effectuez ensuite les liaisons illustrées par cette même figure.

Ne mettez pas pour l'instant la résistance de 100 kW dessinée en pointillé.

Realisation_avec_2_inverseurs_(bascule_de_Schmitt).jpgSchema_avec_2_inverseurs_(bascule_de_Schmitt).gif

Le schéma du circuit ainsi réalisé est reporté dans la figure 1-b.

L'entrée du premier INVERSEUR (broche 1) est reliée au curseur du potentiomètre à travers la résistance de 22 kW (R1).

Ce curseur, au moyen de la vis de réglage, peut être déplacé vers une extrémité ou l'autre du potentiomètre et donc vers la masse ou vers la tension positive d'alimentation.

Ainsi, il est possible d'appliquer à l'entrée du circuit une tension variable de façon continue entre zéro volt et la tension d'alimentation.

La sortie du circuit (broche 4) est reliée à la LED L0.

2. 2. - ESSAI DE FONCTIONNEMENT

a) Branchez l'alimentation.

b) Reliez le contrôleur positionné sur tension continue calibre 10 V, entre la masse (pointe de touche noire) constituée par le pôle négatif de la pile et la borne de R1 qui est reliée au curseur du potentiomètre (pointe de touche rouge) comme illustré sur la figure 2-a.

Sur la figure 2-b, un agrandissement vous montre comment doit être effectuée cette dernière liaison, en utilisant un morceau de fil rigide isolé de longueur appropriée dont une extrémité dénudée sera enroulée sur l'extrémité de la pointe de touche rouge et l'autre insérée dans le point de mesure.

Tension_seuil_inverseur.jpgTension_seuil_inverseur(1).jpg

c) Maintenez fermement en place avec un doigt le potentiomètre et avec un tournevis, tournez la vis de réglage dans le sens des aiguilles d'une montre jusqu'à ce que le voltmètre indique zéro volt (figure 2-a). Dans ces conditions, le curseur est en fin de course, vers l'extrémité reliée à la masse, et vous constatez que la LED L0 est éteinte.

d) A présent, tournez lentement la vis du potentiomètre dans le sens contraire des aiguilles d'une montre jusqu'au moment où la LED L0 s'allume et notez sur une feuille de papier la valeur de tension indiquée par le voltmètre.

e) Continuez à tourner la vis dans le même sens jusqu'à ce que la tension lue sur l'appareil atteigne la valeur de la tension d'alimentation (+ 4,5 V environ), ce qui indique que le curseur a atteint l'autre extrémité reliée à la tension positive. Vous constatez que la LED L0 reste allumée.

f) Tournez à nouveau la vis dans le sens des aiguilles d'une montre pour abaisser la tension d'entrée du circuit en vous arrêtant dès que vous verrez la LED s'éteindre et notez la valeur de tension lue sur le voltmètre.

Vous remarquez que cette valeur coïncide avec celle mesurée dans la phase «d» quand vous avez tourné la vis dans le sens contraire des aiguilles d'une montre et que la LED s'était allumée.

La tension ainsi mesurée est appelée TENSION DE SEUIL.

Avec cet essai, vous avez constaté que la tension de seuil pour laquelle la LED s'allume ou s'éteint selon que l'on fait croître ou décroître la tension d'entrée est environ la moitié de la tension d'alimentation.

g) Débranchez maintenant l'alimentation et insérez sur la matrice la résistance R2 de 100 kW 1/4 W 5% (marron - noir - jaune - or) représenté en pointillé sur la figure 1-a.  

h) Branchez à nouveau l'alimentation. En procédant comme décrit précédemment, mesurez les valeurs des tensions correspondant à l'allumage et à l'extinction de la LED.

Vous constatez qu'en augmentant la tension d'entrée du circuit à partir de 0 V, la LED s'allume à une valeur de tension supérieure à celle mesurée précédemment. Cette nouvelle valeur est appelée SEUIL SUPÉRIEUR. En réduisant ensuite la tension d'entrée, vous mesurez une autre valeur de tension de seuil appelée SEUIL INFÉRIEUR, correspondant à l'extinction de la LED. En comparant la valeur du seuil supérieur avec celle du seuil inférieur, vous pouvez constater qu'elles sont différentes.

Avec les valeurs des résistances utilisées et pour une valeur de tension d'alimentation de 4,5 V, le seuil supérieur est en effet de 2,8 V environ tandis que le seuil inférieur est d'environ 1,8 V.

Cette propriété du circuit est désignée par le terme d'HYSTÉRÉSIS ; l'écart d'hystérésis, c'est-à-dire la différence entre les deux valeurs des tensions de seuil supérieur et inférieur est donné par le produit de la tension d'alimentation et du rapport entre les résistances R1 et R2 (figure 1-b).

Dans notre cas, il est de : Tension_d_Hysteresis.gif

En conclusion, le circuit expérimenté est caractérisé par deux seuils de commutation, l'un valable lorsque la tension d'entrée croît et l'autre la tension d'entrée décroît.

Cette propriété est très utile pour les signaux perturbés par les parasites.

En effet, dès que le signal d'entrée a franchi le seuil supérieur, le circuit bascule et reste dans cet état tant que le signal d'entrée ne redescend pas en dessous du niveau du seuil inférieur comme nous l'avons vu précédemment.

Ainsi, même si le signal d'entrée devrait subir des fluctuations importantes, le circuit les ignorerait tant que l'amplitude de ces fluctuations est inférieure à l'écart d'hystérésis, c'est-à-dire la différence entre les valeurs des deux seuils de la bascule.

Dans la figure 3, le comportement de ce circuit, connu sous le nom de bascule de Schmitt ou trigger de Schmitt, est comparé avec celui d'un circuit CMOS normal.

Comparaison_entre_2_bascules.gif

Dans le cas du circuit ordinaire, puisque la tension d'entrée franchit plusieurs fois le seuil de commutation, la tension de sortie subit autant de changements d'états.

Au contraire, la bascule de Schmitt donne en sortie un signal qui n'est pas sujet aux fluctuations indésirables qui se manifestent au voisinage des seuils de commutation.

2. 3. - EXAMEN DE LA BASCULE DE SCHMITT INTÉGRÉE MM 74C14

Pour disposer d'une bascule de Schmitt, il n'est pas nécessaire de recourir au circuit que vous venez de réaliser. En effet, cette bascule est disponible sous forme de circuit intégré.

Un exemplaire typique est le circuit intégré MM 74C14 que vous avez sûrement en votre possession et dont le schéma électrique est représenté figure 4.

Comme vous pouvez le voir, il comprend six inverseurs, chacun d'eux ayant la caractéristique d'une bascule de Schmitt.

Schema_du_CI_MM_74C14.gif 

Rappelez-vous que cette caractéristique est propre aux entrées des circuits et que le comportement des inverseurs est identique à celui d'un inverseur normal du point de vue de la table de fonctionnement et de la table de vérité.

Pour vérifier le fonctionnement du MM 74C14, procédez comme suit :

a) Débranchez l'alimentation, enlevez de la matrice le circuit intégré MM 74C04 et remplacez-le par le MM 74C14. Enlevez également la résistance R2 de 100 kW. Laissez en place, par contre, les autres composants et liaisons.

Vous avez ainsi simplement remplacé les inverseurs normaux par des inverseurs à bascules de Schmitt.

b) Branchez l'alimentation et faites varier la tension d'entrée du premier inverseur en agissant sur le potentiomètre.

Vous constatez que le comportement de ce nouveau circuit est le même que celui relevé pour le circuit précédent quand, avec l'insertion de la résistance de 100 kW, vous avez obtenu deux seuils différents de commutation.

Les deux valeurs de seuil que vous avez mesurées sont celles des caractéristiques du circuit intégré en question.

A part celui utilisé, il en existe d'autres dans le commerce, comme certaines portes NAND dont les entrées ont la caractéristique propre des bascules de Schmitt.

3. - DEUXIÈME EXPÉRIENCE : UTILISATION D'UNE BASCULE DE SCHMITT POUR RÉALISER UN OSCILLATEUR

Un oscillateur est un circuit qui n'a pas d'état stable mais qui, comme l'indique son nom, oscille continuellement entre deux états dits instables.

Le nombre d'oscillations que le circuit accomplit en une seconde est la fréquence, mesurée en Hertz (Hz). Un Hertz équivaut à une oscillation par seconde.

Les oscillateurs sont indispensables dans tous les circuits numériques synchronisés dans lesquels les différents composants travaillent de manière synchrone (c'est-à-dire changent d'état ou basculement à un moment précis commandé par un signal d'horloge généré par un oscillateur unique).

Au cours de cette manipulation, vous examinerez un oscillateur très simple, mais cependant efficace, qui sera ensuite monté définitivement sur le circuit imprimé du digilab et constituera un générateur de signal très utile.

3. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT

a) Débranchez l'alimentation et enlevez tous les composants et les raccordements du circuit expérimenté précédemment en laissant toutefois le circuit intégré MM 74C14 en place.

b) Introduisez sur la matrice la résistance R de 1,5 MW - 1/4 W - 5% (marron -vert - vert - or) et le condensateur électrolytique au tantale (C) de 0,33 µF - 10 V (en respectant les polarités de ses bornes) aux emplacements indiqués dans la figure 5-a qui illustre également les raccordements à effectuer. Le schéma électrique du circuit ainsi réalisé est représenté figure 5-b.

Circuit_Oscillateur.jpgSchema_electrique_Circuit_Oscillateur.gif

3. 2. - ESSAI DE FONCTIONNEMENT

a) Branchez l'alimentation et observez la LED L0 : vous constatez qu'elle s'allume et s'éteint périodiquement environ une fois par seconde. Cela signifie que la tension de sortie passe alternativement d'un niveau L à un niveau H et vice-versa, ce qui détermine l'allumage et l'extinction de la LED.

Dans ce cas également, comme pour le monostable, le fonctionnement du circuit est basé sur la charge et la décharge du condensateur à travers la résistance.

A la mise sous tension, le condensateur C est déchargé, donc l'entrée de l'inverseur se trouve au niveau L. La sortie passe par conséquent au niveau H. Puis le condensateur commence à se charger à travers la résistance R. Après un temps t dépendant de la constante de temps RC selon la relation t = RC, la tension aux bornes du condensateur a atteint une valeur telle qu'elle dépasse le seuil supérieur de commutation de la bascule et donc la sortie passe à l'état L. Dès lors, le condensateur commence à se décharger à travers la résistance.

Lorsque la tension aux bornes de C atteint le seuil inférieur, la bascule commute à nouveau, se remettant dans les conditions initiales puisque la sortie se trouve maintenant au niveau H et donc C commence à se charger.

La charge et la décharge du condensateur se répètent périodiquement de la manière décrite, donc la bascule commute continuellement d'un état à l'autre, générant une tension de sortie qui a l'allure d'un signal rectangulaire, comme représenté sur la figure 6. Dans notre cas, avec R = 1,5 MW et C = 0,33 µF, le temps de charge et de décharge du condensateur est de :

t = R X C = 1,5 X 106 X 0,33 X 10-6 = 0,495 s soit environ une 1 / 2 seconde.

Puisque le circuit commute chaque 1 / 2 seconde, il faut une seconde entière pour que la tension de sortie accomplisse un cycle complet.

Signal_rectangulaire_de_la_bascule_de_Schmitt.gif

Le temps nécessaire pour que la tension accomplisse un cycle complet est appelé PÉRIODE et est désigné par la lettre T.

Dans notre cas, nous avons T = 2t = 2 R X C

Plus la période est courte, plus le nombre de cycles complets que la tension de sortie peut accomplir en une seconde sera grand.

Le nombre de cycles à la seconde, c'est-à-dire la fréquence, est donné par le rapport

Frequence.gif

qui s'écrit de manière symbolique :

Frequence(1).gif

avec f exprimée en Hertz et T en seconde.

Dans notre cas, en remplaçant T par sa valeur de 1 s, on obtient :

Frequence(2).gif

b) Débranchez l'alimentation, remplacez la résistance de 1,5 MW par une autre de 470 kW 1/4 W 5% (jaune - violet - jaune - or) et rebranchez l'alimentation.

Vous remarquez que la LED s'allume et s'éteint à une fréquence trois fois supérieure à celle du cas précédent.

En effet, la période de l'oscillation produite par le circuit est égale à :

T = 2 RC = 2 X 470 X 103 X 0,33 X 10-6 = 0,31 s

On en déduit la fréquence du signal généré :

Frequence(3).gif

c) En débranchant à chaque fois l'alimentation, remplacez la résistance ou le condensateur par d'autres composants ayant des valeurs de plus en plus faibles.

Vous observez que la fréquence de l'oscillation augmente de plus en plus, jusqu'à ce que la LED reste allumée en permanence.

Cela ne signifie pas que l'oscillateur ne fonctionne plus, mais simplement que les phases d'éclairement et d'extinction de la LED se succèdent tellement rapidement que l'œil n'est plus en mesure de les apprécier.

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