Créée le, 19/06/2015

 Mise à jour le, 19/05/2019

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Signets : 
  Compteur intégré synchrone : le 4520        Les compteurs-diviseurs par n       Compteur intégré modulo 10 : le 7490
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Les Compteurs Binaires Synchrones :


3. - LES COMPTEURS BINAIRES SYNCHRONES

3. 1. - DÉFINITION

Ce sont des compteurs (décompteurs) dont tous les étages (bascules) sont commandés par le même signal d'horloge.

Ce mode de fonctionnement permet de limiter la durée des périodes d'instabilité et par conséquent autorise des vitesses de fonctionnement plus élevées qu'en mode asynchrone.

3. 2. - MODÈLES DE COMPTEURS SYNCHRONES

3. 2. 1. - COMPTEUR MODULO 4

Ce compteur réalisé avec deux bascules D est représenté à la figure 21.

Compteur_synchrone_modulo_4.gif 

Si vous vous reportez à la table de vérité de la figure 11, vous vous apercevez que la sortie Q1 passe alternativement de l'état «0» à l'état «1» à chaque front actif de l'horloge H.

Ainsi, la sortie Q1 de ce diviseur par deux peut constituer le bit le moins significatif (LSB) du compteur. La première bascule D d'un compteur fonctionnant en code binaire sera d'ailleurs toujours câblée en diviseur par deux. La sortie Q2 de la deuxième bascule du compteur modulo 4 doit fournir quant à elle, le bit le plus significatif (MSB), c'est ce qui est représenté à la figure 22.

Table_de_verite_du_compteur_synchrone_modulo_4.gif

En fonction de l'état de Q2 qui est donc imposé, voyons quel doit être l'état de l'entrée D2 correspondante.

Si le compteur est à l'état 0 (sorties Q1 et Q2 à l'état «0»), l'entrée D2 doit être à l'état «0» puisqu'au front d'horloge suivant, la sortie Q2 doit rester à l'état «0». Ceci est symbolisé par une flèche sur la figure 22.

Quand le compteur est à l'état 1 (sortie Q1 à «1» et Q2 à «0»), D2 doit être à l'état «1» puisque Q2 doit passer à «1» au front d'horloge actif suivant et ainsi de suite...

A partir de cette table de vérité, on écrit dans le tableau de Karnaugh de la figure 23.

Tableau_de_Karnaugh_du_compteur_modulo_4.gif

On peut en déduire :

D2 = Q1.Q_barre.gif2 + Q_barre.gif1. Q2 = Q1 Symbole_du_OU_exclusif.gif Q2

Il s'agit du OU EXCLUSIF, ce qui apparaît dans le montage de la figure 21.

3. 2. 2. - COMPTEURS DE MODULE SUPÉRIEUR A QUATRE

Selon le même principe, la figure 24 représente un compteur synchrone de module 8 réalisé avec 3 bascules D.

Dans ce montage, il y a deux portes supplémentaires par rapport à celui de la figure 21.

Compteur_synchrone_modulo_8.gif

La troisième bascule ne commute que dans deux cas :

      Tout d'abord, si les deux sorties Q1 et Q2 sont à l'état «1» et la sortie Q3 à l'état «0». Le compteur indique dans ce cas 0112 = 310 et doit passer à 1002 = 410.

      Ensuite, elle commute quand le compteur est à 1112 = 710 et doit passer à 0002 = 010.

Pour réaliser ces deux conditions, il faut utiliser deux portes supplémentaires : une porte ET qui reçoit les sorties Q1 et Q2, et une porte OU EXCLUSIF recevant la sortie Q3 et la sortie de la porte ET.

Pour réaliser un compteur synchrone de module 16, il est nécessaire d'ajouter une bascule supplémentaire. Ainsi, on est conduit au schéma de la figure 25.

Compteur_synchrone_modulo_16.gif

Par rapport au précédent montage, celui-ci possède deux portes supplémentaires : une porte ET à deux entrées et une porte OU EXCLUSIF.

Vous notez tout d'abord que le schéma se complique avec l'augmentation du nombre de bascules. Vous remarquez qu'une bascule étant à zéro, celle-ci ne passe à «1» que si toutes les bascules précédentes sont à «1». Ceci explique l'utilisation des portes ET.

Il serait possible de rajouter de nouvelles bascules afin d'augmenter la capacité du compteur. Néanmoins, le schéma deviendrait vite très complexe, donc il sera préférable d'utiliser les compteurs en circuits intégrés.

Il est possible de calculer la vitesse de fonctionnement d'un compteur synchrone de module 16.

Si nous reprenons les mêmes valeurs qu'au chapitre 2. 3., à savoir q » 100 ns et si l'on réserve toujours 100 ns pour prélever le contenue du compteur, on aboutit à une fréquence limite :

Frequence_maximum_du_compteur_synchrone.gif

Nous pouvons noter que durant les 100 ns réservés au prélèvement, le réseau combinatoire formé par les portes ET et OU EXCLUSIF a le temps de se stabiliser.

En réalité, les compteurs intégrés synchrones autorisent des vitesses de fonctionnement beaucoup plus élevées que celle calculée ici.

HAUT DE PAGE 3. 2. 3. - UN COMPTEUR INTÉGRÉ SYNCHRONE : LE 4520

Le circuit intégré HEF 4520 B est réalisé en technologie MOS.

Il comprend un double compteur binaire synchrone 4 bits. Son synoptique et son brochage sont donnés à la figure 26 et le schéma logique d'un compteur à la figure 27.

Brochage_du_CI_HEF_4520B.gif

Chaque compteur comprend une entrée d'horloge active sur un front montant (CP0) et une entrée d'horloge active sur un front descendant (CP_barre.gif1).

Schema_logique_d_un_compteur_CI_HEF_4520_B.gif

Il existe une entrée de remise à zéro asynchrone MR pour chaque compteur. Elle est prioritaire et active au niveau haut. Il est possible d'utiliser l'une des deux entrées d'horloge comme entrée de validation pendant que l'autre reçoit le signal d'horloge.

HAUT DE PAGE 4. - LES COMPTEURS - DIVISEURS PAR  n

4. 1. - LE DIAGRAMME DES ÉTATS

L'état d'un compteur est la combinaison particulière formée par l'ensemble des sorties de ce compteur. Un compteur modulo 2 possède deux états. Son unique sortie est soit à l'état «0», soit à l'état «1». Un compteur modulo 4 possède 4 états. Ses deux sorties peuvent réaliser 4 combinaisons différentes (00, 01, 10, 11).

Le diagramme des états d'un compteur permet de représenter l'ensemble des états que peut prendre ce compteur. La figure 28 représente le diagramme des états d'un compteur modulo 4.

Diagramme_des_etats_d_un_compteur_modulo_4.gif

Dans ce diagramme, chaque état est représenté par un nombre décimal dans un cercle. Les flèches représentent le sens de «parcours» du compteur.

Le diagramme des états peut aussi être représenté comme indiqué à la figure 29.

Diagramme_des_etats_d_un_compteur_modulo_8.gif

D'une façon générale, on dit qu'un compteur possède n états, ou bien qu'il s'agit d'un diviseur par n. On parle alors de compteur-diviseur par n.

A chaque impulsion sur l'entrée d'horloge le compteur passe d'un état au suivant en respectant l'ordre donné par le diagramme des états.

4. 2. - COMPTEUR N'UTILISANT PAS LE CODE BINAIRE

Jusqu'à présent, vous avez vu des compteurs utilisant le code binaire, mais il existe aussi des compteurs utilisant d'autres codes.

C'est le cas des compteurs de Johnson dont un exemple vous sera présenté dans la théorie suivante, car ces compteurs utilisent un circuit de décodage.

La figure 30 présente la table des états d'un tel compteur à 5 étages. Il s'agit du circuit de comptage du circuit intégré HEF 4017 B réalisé en technologie MOS.

Table_des_états_d_un_compteur_de_Johnson_a_5_etages.gif

Ces cinq sorties Q1, Q2, Q3, Q4 et Q5 sont des sorties des bascules, internes au circuit intégré, et par conséquent, ne sont pas accessibles.

Ce compteur utilise le principe d'un registre à décalage rebouclé sur lui-même.

En effet, lors de la première impulsion d'horloge, la sortie Q1 passe à l'état «1» puis, cet état «1» se décale de Q1 vers Q5. Une fois que la sortie Q5 est passée à l'état «1», la sortie Q1 repasse à l'état «0» au front d'horloge actif suivant. Au total, ce compteur possède dix états et peut comptabiliser neuf impulsions.

4. 3. - COMPTEUR A MODULE VARIABLE

Jusqu'à maintenant, vous avez vu des compteurs dont le module est une puissance de 2 (2, 4, 8, 16,...). Or, il peut être nécessaire de disposer de compteurs dont le module soit un nombre entier quelconque (3, 5, 7, 9, 10,...).

Il faut alors modifier les circuits de comptage vus jusqu'à maintenant. La figure 31 présente un compteur modulo 3 synchrone réalisé avec deux bascules D.

Compteur_synchrone_modulo_3.gif

Le chronogramme de fonctionnement et le diagramme des états sont représentés à la figure 32.

Chronogramme_et_diagramme_des_etats.gif

Supposons que le compteur soit à l'état 0. Q1 et Q2 sont à l'état «0», donc Q_barre.gif1 et Q_barre.gif2 sont à l'état «1» et D1 est à l'état «1».

A l'instant t1, le compteur passe à l'état 1 (Q1 = «1» et Q2 = «0»). A l'instant t2, le compteur passe à l'état 2 (Q1 = «0» et Q2 = «1»).

A ce moment là, D1 = «0» et non «1» comme dans le cas du compteur modulo 4. Donc à t3, le compteur est «forcé» à l'état 0 et ne passe pas par l'état 3.

A la mise sous tension, il peut arriver que le compteur soit positionné à l'état 3. Dans ce cas, il repasse à l'état 2 au premier front d'horloge montant et, dès lors, il reste dans l'anneau des trois états (0, 1 et 2) sans jamais revenir à l'état 3.

Ce compteur est un compteur à cycle incomplet et à réaction synchrone. En effet, le cycle est incomplet puisque deux bascules D permettent 22 = 4 états différents et que l'on, en utilise 3 dans le cas présent.

D'autre part, la réaction est synchrone puisque la porte ET permet de décoder l'état 2 (102 = 210) et que la remise à zéro s'effectue au front d'horloge actif.

Il existe aussi des compteurs à cycle incomplet à réaction asynchrone.

Si le compteur doit revenir à 0 après l'état N, il suffit de décoder l'état N + 1, ce qui permet de remettre le compteur à 0 en agissant sur l'entrée CLEAR asynchrone. Un exemple vous est donné ci-après.

4. 4. - LES DÉCADES SYNCHRONES ET ASYNCHRONES

Les décades sont des compteurs possédant 10 états stables. Ce sont des compteurs que l'on rencontre couramment. En effet, ils permettent de matérialiser directement la numération décimale.

Nous allons voir deux modèles de décades réalisées avec des bascules discrètes et un compteur intégré.

4. 4. 1. - UNE DÉCADE ASYNCHRONE

Son schéma est donné à la figure 33.

Compteur_asynchrone_modulo_10_realise_avec_des_bascules_D.gif

Le chronogramme de la figure 34 permet d'en comprendre le fonctionnement.

Chronogramme_du_compteur_asynchrone_modulo_10.gif

Ce montage est un exemple de compteur à cycle incomplet à réaction asynchrone.

En effet, dans le cas présent, c'est l'état 1010 (10102) qui est décodé à l'aide de la porte ET et qui autorise la remise à zéro générale des quatre bascules.

Néanmoins, ce montage pose un certain nombre de problèmes de fonctionnement :

      Tout d'abord, il faut que T soit supérieure à t1 et à t2, donc que la remise à zéro des bascules soit très rapide (T est la durée de l'impulsion de remise à zéro à la sortie de la porte ET).

En effet, si l'impulsion de remise à zéro repasse à l'état 0 avant qu'une des bascules (ici la deuxième et la quatrième) ne soit repassée à zéro, cette dernière restera à l'état «1».

Si, par exemple, la période t1 est très courte et t2 très longue et que par ailleurs le temps de propagation à travers la porte ET est également très court, la sortie Q4 peut rester à l'état «1», donc le compteur passera de l'état «9» à l'état «8», puis repassera à l'état «9» et ainsi de suite...

Pratiquement, il faut introduire des retards par des cellules RC placées à l'entrée du ET comme indiqué à la figure 35.

Cellule_RC_sur_la_porte_ET.gif

Ensuite, la porte ET peut détecter les états transitoires sus-mentionnés (paragraphe 2. 3.) et rendre le fonctionnement de l'ensemble imprévisible.

En règle générale, il faudra donc être très attentif aux choix des composants et à la réalisation de ce type de circuit.

4. 4. 2. - UNE DÉCADE SYNCHRONE

Le schéma de la figure 36 est celui d'une décade synchrone réalisée avec des bascules JK de type 7472.

Une_decade_synchrone_de_type_7472.gif

Rappelons que les trois entrées J, ainsi que les trois entrées K aboutissent sur une porte ET. C'est pour cela que les entrées non utilisées sont reliées à «1».

Avec ce montage synchrone, les problèmes rencontrés avec la décade asynchrone n'existent plus.

HAUT DE PAGE 4. 4. 3. - UN COMPTEUR INTÉGRÉ MODULO 10 : LE 7490

C'est un compteur très utilisé. Son schéma est donné à la figure 37.

Schema_du_compteur_integre_TTL_7490.gif

Ce compteur est réalisé en technologie TTL. Son brochage est donné à la figure 38. Le symbole «NC» signifie «non connecté».

Brochage_du_compteur_7490.gif

Ce circuit comporte deux sections. Une section diviseur par 2 et une section diviseur par 5.

Il est possible soit de les utiliser séparément, soit de les réunir ensemble pour obtenir un compteur BCD modulo 10 ou bien d'un diviseur par 10.

La première section diviseur par 2 est constituée par la première bascule JK dont l'entrée d'horloge est notée «INPUT A» et la sortie «Q0». Les entrées J et K non câblées sur le schéma sont toutes rattachées au niveau logique H.

La deuxième section comporte les trois bascules JK suivantes. L'entrée d'horloge est notée «INPUT B» et les trois sorties sont Q1, Q2 et Q3. Cette troisième sortie Q3 délivre un signal divisé par 5 par rapport au signal d'horloge appliqué à l'entrée «INPUT B».

Ce compteur modulo 5 utilise le code binaire.

Pour obtenir un compteur modulo 10 en code BCD, il suffit de relier la sortie Q0 à l'entrée INPUT B. La sortie Q0 qui divise par deux la fréquence d'horloge commande elle-même la section diviseur par 5. Il est donc possible de recueillir un signal en sortie Q3 dont la fréquence est le 1 / 10ème de celle de l'horloge.

La table de vérité de la figure 39 permet de préciser le fonctionnement général de ce compteur.

Table_de_verite_du_compteur_7490.gif 

Les deux entrées R9 (1) et R9 (2) permettent de prépositionner le compteur à l'état 9. Ces entrées sont prioritaires sur les entrées de remise à zéro (R0 (1) et R0 (2)).

SD est l'entrée de mise à «1» et RD est l'entrée de mise à «0».

Il existe une deuxième possibilité de raccorder les deux sections. C'est de relier la sortie Q3 à l'entrée «INPUT A». Ceci permet de recueillir un signal dont la fréquence vaut toujours le 1 / 10ème de celle de l'horloge mais cette fois-ci, le signal possède un rapport cyclique égal à 1 / 2. Ceci apparaît sur la figure 40.

Signaux_issus_des_sorties_Q3_et_Q0.gif

Par contre, avec ce raccordement, les quatre sorties n'utilisent pas le code BCD. Le compteur obtenu compte comme suit : 0, 1, 2, 3, 4, 8, 9, A, B, C.



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