Bascules Synchrones - Bascule "D" de Structure Maître Esclave - Diviseur de Fréquence par 2 :
Dans cette théorie, nous allons
examiner le fonctionnement de deux bascules parmi les plus utilisées : labascule "D" MAÎTRE ESCLAVE
et la bascule "JK" MAÎTRE
ESCLAVE.
Ces bascules ont un fonctionnement
synchrone comme nous allons le voir à présent.
1. - BASCULES
SYNCHRONES
Nous savons que la bascule D
de type LATCH permet grâce à l'entrée de
commande de mémoriser un bit d'information. Cette bascule D de type LATCH fonctionne en mode asynchrone.
En effet, lorsque l'entrée de commande est au niveau H,
l'état de la sortie suit l'état de l'entrée. Autrement dit, dès que l'entrée
change d'état, la sortie change également d'état.
Or, certains montages numériques nécessitent
des bascules dont les sorties commutent à un instant bien déterminé. Ces
bascules sont synchrones car la prise en compte de l'information, présente sur
leurs entrées, s'effectue simultanément lors de la transition d'un niveau
logique à un autre de l'entrée de commande. La prise en compte des données
logiques peut se faire soit sur une transition positive (de L
à H), soit sur une transition négative (de H à L) de l'entrée de commande.
La figure 1-a représente une
transition positive (de L à H)
d'un signal logique tandis que la figure 1-b représente une transition négative
(de H à L) du signal.
Les passages de l'état haut à l'état
bas et vice-versa ne s'effectuent pas de façon instantanée que le montrent les
figures 1-a et 1-b.
Suivant la technologie employée, le
temps mis par un signal logique pour passer d'un état é l'autre peut varier de
moins d'une nanoseconde à plusieurs centaines de nanosecondes comme nous
l'avons vu dans les leçons de technologie digitale.
La figure 2-a montre une transition
positive d'un signal logique suivie d'une transition négative. On parle alors
d'impulsion positive.
La figure 2-b représente, quant à
elle, une impulsion négative d'un signal logique.
L'entrée de commande des bascules
synchrones s'appelle l'entrée d'horloge (en anglais CLOCK).
En effet, le signal appliqué sur cette entrée est généralement fourni par un
oscillateur de fréquence bien déterminée. Ainsi les éventuels changement d'états
ont lieu à des instants précis et régulièrement espacés dans le temps. La
figure 3 représente un signal d'horloge fourni par un oscillateur de période T.
La figure 4 montre le chronogramme
d'une bascule synchrone qui mémorise la donnée au moment de la transition
positive du signal d'horloge.
On s'aperçoit que la sortie ne
bascule pas toujours à chaque transition positive de l'entrée d'horloge. En
effet, une bascule synchrone dispose, en plus de l'entrée d'horloge, d'une ou
plusieurs entrées d'informations. Suivant le niveau logique de celles-ci, la
bascule commute ou reste dans l'état où elle se trouve.
Les bascules synchrones sont conçues
à partir de bascules asynchrones que l'on associe dans la configuration MAÎTRE
ESCLAVE. La première des bascules synchrones est la bascule
"D"
MAÎTRE ESCLAVE que nous allons examiner à présent.
2. 1. - CONSTITUTION ET FONCTIONNEMENT DE LA BASCULE "D" MAÎTRE ESCLAVE
La bascule D
de structure MAÎTRE ESCLAVE est constituée de deux bascules D à verrouillage (ou latch)
placées l'une à la suite de l'autre. La première est appelée MAÎTRE,
la seconde est appelée ESCLAVE. La figure 5 montre le synoptique d'une bascule D MAÎTRE ESCLAVE.
On s'aperçoit que l'entrée D
de la bascule ESCLAVE est reliée à la sortie Q' de la bascule MAÎTRE.
Cela explique les dénominations MAÎTRE et ESCLAVE
affectées à la première et à la seconde bascule.
En effet, L'entrée
D de l'ESCLAVE recopie la sortie Q' du MAÎTRE. Toute
variation du niveau logique à la sortie du MAÎTRE
se retrouve donc à l'entrée de l'ESCLAVE. L'ESCLAVE est bien asservi au MAÎTRE.
On remarque que les entrées de
commande des deux bascules se situent toujours à des niveaux logiques opposés.
En effet, un inverseur est situé entre les deux entrées de validation C'
et C.
L'entrée de commande qui active les
entrées C' et C est appelée ENTRÉE D'HORLOGE (CLOCK
en anglais). En effet, la bascule examinée a un fonctionnement synchrone comme
vous allez le voir.
De l'extérieur, la bascule D
MAÎTRE ESCLAVE apparaît comme une bascule ayant une entrée de donnée
D (DATA), une entrée d'horloge (CLOCK) et deux
sorties complémentaires Q et .
Si on ajoute une entrée de mise à
0 (RESET) et une entrée de mise à 1 (SET), on aboutit au schéma de
la figure 6.
Rappelons le fonctionnement d'une
bascule D latch.
Nous savons que si son entrée de
commande C est portée à l'état 1,
la sortie Q recopie l'entrée D. Si l'on met l'entrée de commande C à l'état
0, la sortie mémorise le dernier état
logique présent sur l'entrée juste avant la transition négative de l'entrée
de commande.
La figure 7 rappelle la structure
d'une bascule D latch, tandis que la figure 8 montre l'action de l'entrée de commande C
sur les sorties Q et
en fonction de l'entrée D.
Lorsque la sortie Q
recopie l'entrée D, la bascule D
latch est transparente
(l'état logique de la sortie Q est le même que
celui de l'entrée D). Lorsque la bascule
est en position mémoire, elle est
verrouillée
(aucune action de l'entrée D sur la sortie Q).
Ces deux modes de fonctionnement
(transparence et verrouillage) peuvent être symbolisés par un interrupteur qui
serait commandé par l'entrée C.
Le mode «transparence» est illustré
par la figure 9-a, tandis que la figure 9-b représente le mode «verrouillage».
Dans le mode «transparence»,
l'interrupteur fermé indique bien que la sortie Q suit l'entrée D.
Dans le mode «verrouillage»,
l'interrupteur ouvert indique bien que la sortie Q
ne suit pas l'entrée D. La sortie Q
reste à l'état où elle était juste avant la transition négative de C.
La bascule D
MAÎTRE ESCLAVE peut se représenter par la mise en série de deux
interrupteurs commandés par l'entrée d'horloge. Cette représentation conduit
aux schémas des figures 10 et 11 selon que l'horloge est à l'état 0
ou à l'état 1.
On constate que si l'entrée
d'horloge de la bascule D MAÎTRE ESCLAVE est portée à un état logique stable (0 ou
1), l'état de l'entrée D n'a aucune influence sur l'état de la sortie Q.
En effet, pour aller de D à Q, il y a toujours un interrupteur ouvert.
Nous allons voir maintenant que la
commutation effective de la bascule ne peut avoir lieu que lors de la transition
du niveau L au niveau H de l'horloge.
Pour cela appliquons à l'entrée
d'horloge une impulsion de tension dont la forme est représentée figure 12-a.
Ceci correspond à la réalité comme nous l'avons vu précédemment, les temps
de montée et de descente de la tension n'étant jamais nuls.
Il faut également tenir compte du
fait que l'inverseur disposé entre les deux entrées de commande C
et C' possède un seuil de basculement plus bas que celui des autres portes logiques du circuit (figure 12-a).
La figure 12-b représente le niveau
logique obtenu ainsi sur l'entrée de commande C'
de la bascule MAÎTRE, tandis que la figure 12-c représente le signal logique actif sur la bascule ESCLAVE.
Analysons l'action de l'entrée
d'horloge sur la bascule MAÎTRE et sur la bascule ESCLAVE:
De l'instant t0
à l'instant t1, C'
= 1 et C = 0. Le
MAÎTRE est transparent et l'ESCLAVE est verrouillé (voir figure 13).
La bascule MAÎTRE
transfère la donnée D en sortie Q'.
Par contre, la donnée Q' n'est pas transférée en sortie Q de la bascule ESCLAVE,
car cette dernière est verrouillée.
A l'instant t1,
le MAÎTRE se
verrouille et l'ESCLAVE reste verrouillé puisque C' = 0 et C = 0 (voir figure 14).
L'information binaire présente sur
l'entrée D juste avant l'instant t1
se trouve mémorisée à la sortie Q'
puisque C' est passée de l'état 1
à l'état 0 à l'instant t1.
On a donc stocké la donnée en Q'.
Comme l'ESCLAVE est toujours bloqué, celle-ci n'a toujours pas été transmise sur la sortie Q
qui reste inchangée.
De l'instant t1
à l'instant t2, rien ne change : la
donnée stockée à l'instant t1 est
toujours en Q'.
A l'instant t2,
le MAÎTRE est verrouillé et l'ESCLAVE devient transparent puisque C' = 0 et C
= 1 (voir figure 15).
La sortie Q
recopie donc l'entrée Q'. Il y a donc basculement de la sortie Q qui mémorise
ainsi la donnée présente en D à l'instant t1.
On peut dire aussi que la donnée présente
en D à l'instant t1 s'est trouvée transférée en sortie Q
à l'instant t2. Le
transfert s'est donc effectué sur le front montant de l'horloge.
De l'instant t2
à l'instant t3, il n'y a pas de changement puisque C' = 0 et C = 1.
A l'instant t3,
l'ESCLAVE se verrouille, tandis que le MAÎTRE est toujours verrouillé. En effet, C' = 0
et C = 0 (voir figure 16. On constate que les sorties Q' et Q
ne changent pas d'état.
De l'instant t3
à l'instant t4, le MAÎTRE et l'ESCLAVE sont toujours verrouillés et
les sorties Q' et Q conservent leur état logique.
A l'instant t4,
le MAÎTRE devient transparent puisque C' = 1 (voir figure 17).
La nouvelle donnée présente en D
est transférée en sortie Q', mais pas en sortie Q puisque l'ESCLAVE
est toujours verrouillé (C = 0). On constate donc que lors du front négatif de l'horloge (de l'instant t3
à l'instant t4), la sortie Q ne peut basculer.
En résumé, l'éventuel basculement
de la sortie Q n'a lieu qu'au moment du front montant de l'horloge (transition du niveau L
au niveau H de l'entrée CLOCK).
Le
fonctionnement d'une bascule D Maître Esclave est bien synchrone.
Son rôle est de mémoriser une donnée logique à un instant précis. Cette
donnée appliquée en D est prise en compte au début du front montant et transférée
sur la sortie Q à la fin de ce front montant. Un nouveau transfert
de l'entrée D vers la sortie Q aura lieu lors du prochain front montant de l'horloge.
Entre deux fronts montants
successifs de l'horloge, il n'y a aucun changement possible de la sortie Q.
Il est à noter que lorsque la
sortie Q bascule, la sortie
fait de même.
La figure 18 montre les étapes du
cheminement de la donnée dans la bascule D MAÎTRE
ESCLAVE lors de l'application d'une impulsion d'horloge.
A noter que si l'entrée de
l'inverseur situé entre les deux entrées de commande est connectée en C'
et la sortie connectée en C, la bascule D MAÎTRE ESCLAVE ainsi constituée
prend en compte la donnée présente en D
lors du front descendant du signal d'horloge. C'est le cas de la bascule représentée
figure 19.
Revenons à présent sur la
structure détaillée d'une bascule D MAÎTRE ESCLAVE
sensible au front montant de l'horloge.
L'inverseur placé entre les entrées
S et R de la bascule ESCLAVE peut être supprimé en
reliant R à '.
De ce fait, le schéma de la bascule D MAÎTRE ESCLAVE
devient celui de la figure 21.
Il reste à ajouter à ce schéma
les entrées de remise à 0 et de remise à 1,
appelées généralement CLEAR et PRESET.
Celles-ci sont connectées comme le montre la figure 22 qui représente donc le
schéma d'une bascule D MAÎTRE ESCLAVE avec
les entrées de remise à 0 et de remise à 1.
Voyons maintenant comment
fonctionnent les entrées CLEAR et PRESET.
2. 2. 1. - DANS
UN PREMIER TEMPS, CONSIDÉRONS QUE L'ENTRÉE CLOCK EST AU NIVEAU L
Si l'entrée CLOCK
est à l'état 0, l'ESCLAVE est verrouillé.
Puisque l'entrée de commande
C de l'esclave est portée à l'état 0, les sorties des portes NAND5
et 6 se trouvent à l'état 1, quel que soit l'état de D.
L'étage de sortie de la bascule D,
composé des portes NAND7 et 8, constitue une bascule RS
à portes NAND analogue à celle examinée
dans la théorie précédente.
Les schémas des figures 23-a et
23-b sont donc équivalents.
Pour mettre la bascule
D à l'état 1 (Q = 1),
il faut positionner l'entrée CLEAR à l'état 1 et appliquer une impulsion négative sur
l'entrée PRESET. Celle-ci est bien l'entrée
de remise à 1 et elle est active à l'état 0.
De même, pour mettre la bascule à
l'état 0 (Q = 0),
il faut positionner l'entrée PRESET à l'état 1 et appliquer une impulsion négative sur
l'entrée CLEAR. Cette dernière est donc bien l'entrée de remise à 0 et elle est
active également à l'état 0.
Si l'on porte les deux entrées CLEAR
et PRESET à l'état 0,
les sorties Q et sont forcées à l'état 1. Cette
combinaison des entrées CLEAR et PRESET est rarement utilisée.
2. 2. 2. - DANS
UN SECOND
TEMPS, CONSIDÉRONS QUE
L'ENTRÉE CLOCK EST A L'ÉTAT 1
Le MAÎTRE est
verrouillé puisque l'entrée de commande C'
est à l'état 0 et l'ESCLAVE est transparent.
Positionnons l'entrée
CLEAR à l'état 1 et appliquons une impulsion négative
sur l'entrée PRESET. Comme on le voit sur
la figure 22, cette impulsion va faire commuter la bascule RS
composée des portes NAND3 et 4 à l'état 1
(Q' = 1 et '
= 0).
Puisque l'ESCLAVE
est transparent (C = 1), Les sorties Q
et vont recopier Q' et '.
La bascule D va donc se porter à l'état 1 (Q = 1 et
= 0).
Positionnons maintenant l'entrée
PRESET à l'état 1 et appliquons
une impulsion négative sur l'entrée CLEAR.
Cette fois, l'impulsion va faire commuter la bascule RS
à l'état 0 (Q' = 0 et '
= 1).
Puisque l'esclave est transparent,
les sorties Q et vont recopier Q' et '.
La bascule D va donc se porter à l'état 0 (Q = 0
et = 1).
De même, si l'on porte les deux
entrées CLEAR et PRESET à l'état 0, les sorties Q
et sont forcées à l'état 1 par
l'intermédiaire des portes NAND7 et 8. Il est à noter que dans ce cas l'état
des sorties Q et est identique. On ne peut plus parler alors de sorties complémentaires.
Ce cas est donc très rarement utilisé et certains constructeurs le considèrent
même comme interdit.
De plus, cet état n'est pas stable.
Il ne persiste pas si les entrées CLEAR et PRESET
reviennent à leur état inactif (c'est-à-dire 1 dans notre cas).
En résumé, quel que soit l'état
logique des entrées D et CLOCK, les entrées CLEAR et PRESET
sont prioritaires et asynchrones, ce qui peut être résumé par la table de vérité
de la figure 24. Les croix X placées dans
les cases D et CLOCK signifient que l'état de ces deux entrées n'a aucune
incidence sur l'état des sorties de la bascule.
Les deux entrées CLEAR
et PRESET doivent être à l'état 1,
c'est-à-dire inactives pour que la bascule puisse commuter sur le front actif
du signal d'horloge.
Il est à noter qu'il existe des
bascules D MAÎTRE ESCLAVE
dont les entrées CLEAR et PRESET sont actives à l'état 1. Dans ce cas, ces
deux entrées doivent être portées à l'état 0
pour que le signal d'horloge soit actif.
Enfin, certaines bascules voient
leurs deux sorties Q et passer à l'état 0 (et non pas 1
comme dans le cas précédent) lorsque les deux entrées CLEAR
et PRESET sont toutes deux actives. Toutes
ces différences s'expliquent par des différences de constitution technologique.
Le fonctionnement complet de la
bascule D MAÎTRE ESCLAVE examinée est résumé
par la table de vérité de la figure 25.
Le symbole
que l'on peut voir dans la colonne CLOCK de
la table de vérité indique une transition positive du signal d'horloge.
Dans cette table, les trois premières
lignes indiquent que les entrées CLEAR et PRESET
sont prioritaires et actives sur un niveau bas.
La quatrième ligne indique que l'état
logique 0 présent en D est transféré à la sortie Q sur le front
montant du signal d'horloge.
La cinquième ligne indique que l'état
logique 1 présent en D est transféré à la sortie Q sur le front
montant du signal d'horloge.
Aux sixième et septième lignes, Q0
et 0
sont les états logiques que les sorties Q
et ont pris lors du dernier front actif de l'horloge. Ces états
logiques Q0 et 0
ont pu être imposés par les entrées prioritaires CLEAR
et PRESET.
Autrement dit, ces deux dernières
lignes de la table de vérité indiquent bien que les sorties Q
et ne basculent pas sur un niveau logique du signal d'horloge mais bien
sur un front montant de ce signal.
La figure 26 montre un exemple de
chronogramme de la bascule D MAÎTRE ESCLAVE examinée.
Au début de ce chronogramme, l'entrée
PRESET est mise à l'état 0, donc elle est active. La bascule se trouve par conséquent à l'état 1.
Puis l'entrée PRESET retourne à l'état 1.
La sortie Q reste positionnée à l'état 1.
L'entrée CLEAR reçoit une impulsion négative qui fait passer la bascule à l'état 0.
Le deuxième front actif de
l'horloge n'a pas d'action sur la sortie Q
de la bascule puisqu'il a lieu lorsque l'entrée CLEAR
est active, donc prioritaire. Ensuite, les entrées CLEAR
et PRESET deviennent inactives puisqu'elles sont portées à l'état 1. La bascule ne
pourra désormais commuter que sur le front positif de l'horloge.
Au troisième front actif de
l'horloge, l'état logique présent en D est
l'état 1. La bascule qui était à l'état 0
passe donc à l'état 1.
Lorsque survient le quatrième front
positif, l'entrée D se trouve à l'état 0.
La bascule commute donc pour passer à l'état 0.
Lors du cinquième front montant de
l'horloge, la bascule ne change pas d'état puisque D
se trouve toujours à l'état 0.
L'entrée D
passe à l'état 1 juste avant le sixième
front actif de l'horloge. Par conséquent, la sortie Q de la bascule passe à l'état 1 lors du
sixième front montant de l'horloge.
2. 4. - APPLICATION
AU DIVISEUR DE FRÉQUENCE PAR 2
La figure 27 montre le raccordement
à effectuer pour transformer une bascule D MAÎTRE ESCLAVE en diviseur de fréquence par 2.
La donnée D
mémorisée en sortie Q lors du front actif
de l'horloge est ,
puisque est reliée à D. Autrement dit, quel que soit l'état logique de la sortie Q
avant le top de l'horloge, la bascule passera dans l'état logique complémentaire
durant le front d'horloge actif. Ce mode de fonctionnement est appelé dans les
catalogues de constructeurs TOGGLE.
Avec le chronogramme de la figure
28, on s'aperçoit bien que les sorties Q et
sont à une fréquence moitié de celle de l'entrée d'horloge. Le
diviseur de fréquence par 2 est très utilisé dans les compteurs électroniques
qui seront examinés plus tard.
Après la bascule D,
examinons à présent les bascules de type JK MAÎTRE
ESCLAVE.
Bascule "D" de Structure Maître Esclave
.
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que l'on peut voir dans la colonne CLOCK de
la table de vérité indique une transition positive du signal d'horloge..gif)
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