Dans cette pratique, vous examinerez les circuits de l'unité centrale suivants :

• l'horloge,

• le circuit de remise à zéro,

• le décodage des mémoires,

• le circuit d'attente (WAIT)

Les expériences que vous allez réaliser vous permettront de comprendre le principe de fonctionnement des circuits et de tester le bon fonctionnement des composants.

2. - PRÉPARATION DU MATÉRIEL

Pour réaliser les expériences prévues dans cette pratique, il vous sera nécessaire d'utiliser les composants suivants :

A noter : Il vous faut également un Programmateur PROM afin de programmer cette mémoire. Vous trouverez le listing de cette programmation qui sera donné en code hexadécimal, c'est-à-dire les entrées d'adresses de mémoire, tandis que les données seront en code binaire à la figure 14 (sortie de la mémoire PROM). A titre d'exemple, voir la leçon pratique électronique digitale N° 12 à cette adresse : http://www.electronique-et-informatique.fr/Electronique-et-Informatique/Digit/Pratique/Digit_12PS1.php

• 1 résistance de 100 W - 1 / 4 W à   ±   5 %

• 1 résistance de 27 kW - 1 / 4 W à   ±   5 %

• 1 résistance de 220 W - 1 / 4 W à   ±   5 %

• 1 résistance de 22 W - 1 / 4 W à   ±   5 %

• 2 résistances de 10 kW - 1 / 4 W à   ±   5 %

• 8 résistances de 1 kW  - 1 / 4 W à   ±   5 %

• 1 condensateur de 33 pF

• 1 condensateur de 2,2 nF

• 1 condensateur électrolytique au tantale de 1 µF

• 1 condensateur électrolytique au tantale de 68 µF

• 1 diode 1N 4148

• 1 transistor BC 559 ou son équivalent

• 1 circuit intégré 74LS00

• 1 circuit intégré 74L121

• 1 circuit intégré 74S472 (PROM) ou son équivalent

• 1 circuit intégré 74LS14

• 1 circuit intégré 74LS125

• 1 circuit intégré 74LS393

• 1 circuit intégré 74LS74

• 5 tresses de fil rigide isolé (vert, rouge, noir).

3. - PREMIÈRE EXPÉRIENCE : ESSAI DU CIRCUIT D'HORLOGE  (CLOCK)

Un microprocesseur est un circuit synchrone, c'est-à-dire qu'il est synchronisé au moyen d'un signal d'horloge.

Toutes les opérations, qu'il effectue séquentiellement, sont rythmées par le signal d'horloge ou un signal de fréquence différente multiple ou sous-multiple du signal d'horloge initial.

Il est donc nécessaire de disposer d'un signal d'horloge de fréquence stable et précise, c'est pour cela qu'on utilise des montages à quartz.

L'oscillateur générant le signal d'horloge fait partie des circuits implantés sur la carte UC, il se présente sous la forme d'un boîtier métallique équipé de broches métalliques pour le câblage. La fréquence du signal fourni est de 5 MHz.

Le circuit oscillateur qui fournit le signal d'horloge n'est pas directement relié au microprocesseur, en effet, la liaison s'effectue au moyen d'une bascule D et d'un transistor PNP comme l'indique le schéma de la figure 2.

La bascule D est montée en diviseur par 2 et permet de rendre symétriquement le signal carré produit par l'oscillateur. Il peut en effet arriver que le signal produit par l'oscillateur soit asymétrique, c'est-à-dire que le temps pendant lequel le signal de sortie est au niveau haut soit différent de celui pendant lequel il est au niveau bas, comme représenté à la figure 3.

Le Flip-flop "D" bascule à chaque front montant du signal présent à l'entrée D, c'est-à-dire au début de chaque période. Comme la période du signal d'entrée est très précise, le signal obtenu en sortie du diviseur par deux est de période moitié et également très stable. Ainsi, le temps pendant lequel la sortie est haute sera égal à celui pendant lequel elle est basse d'où un rapport cyclique de 1.

Compte tenu de la fréquence élevée du signal, afin d'obtenir un bon fonctionnement du circuit diviseur, on utilise un circuit de technologie TTL. Mais l'usage d'un tel circuit implique, compte tenu que le microprocesseur Z80 est un circuit de technologie MOS, certaines modifications seront utiles dans cette pratique.

En effet, le signal d'horloge nécessaire au microprocesseur doit être caractérisé par un niveau bas compris entre 0 V et 0,8 V et un niveau haut compris entre 4,4 V et 5 V.

Le niveau bas de la tension disponible à la sortie du Flip-flop 74LS74 peut être compris entre 0 V et 0,4 V avec une valeur typique de 0,2 V, il est donc acceptable ; par contre, le niveau haut peut être compris entre 2,4 V et 4 V avec une valeur typique de 3,4 V, donc non valable pour commander le microprocesseur Z80.

La solution pour que le signal du Flip-flop D soit reconnu par le microprocesseur est d'interposer un circuit d'adaptation à transistor afin d'amener le niveau haut du Flip-flop à la valeur adéquate, comme le montrera l'expérience suivante.

3. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT

a) Assurez-vous que l'interrupteur de mise en service du digilab est sur la position OFF et que le voyant d'alimentation soit éteint.

b) Insérez sur la plaquette à contacts le circuit intégré 74LS74 (double bascule D de technologie TTL Schottky), les résistances et le condensateur tel que représenté figure 4. Ne mettez pas pour l'instant le transistor en place.

c) Effectuez les connexions indiquées à la figure 4.

3. 2. - ESSAI DE FONCTIONNEMENT

a) Mettez le digilab en service et observez la LED L0 : la lampe sera allumée ou éteinte selon la position du Flip-flop D à la mise sous tension.

b) Si L0 est allumée, appuyez sur la touche P0 pour l'éteindre.

c) Mesurez la tension entre la masse et le point A, extrémité de la résistance R2 : vous devez trouver entre 0 et 0,4 Volt, c'est-à-dire un niveau bas compatible avec celui demandé par le microprocesseur.

d) Appuyez sur le bouton P0 de façon que la LED L0 soit allumée (simulation du signal CLOCK).

e) Mesurez la tension entre la masse et le point A ; vous devez trouver environ 3,4 Volts.

Vous venez donc de constater que le niveau haut de la tension de sortie du Flip-flop est inadapté à la commande de l'entrée d'horloge du microprocesseur.

f) Mettez le digilab hors tension et insérez le transistor BC 559 dans la position indiquée à la figure 4.

g) Allumez le digilab et répétez les mesures précédentes. Vous remarquez que le niveau bas reste le même alors que le niveau haut atteint maintenant un niveau compris entre 4,5 V et 5 Volts, donc remplissant parfaitement les conditions voulues.

3. 3. - CONCLUSION

Dans cette expérience, vous avez vérifié pratiquement le fonctionnement du circuit permettant d'adapter le signal issu de l'oscillateur à quartz aux exigences du microprocesseur.

Ce circuit est constitué d'une bascule, qui divise en deux la fréquence du signal carré issu de l'oscillateur de façon à le rendre symétrique, et, d'un transistor permettant d'adapter les niveaux du signal à ceux requis par le microprocesseur.

Lorsque la sortie Q de la bascule est au niveau haut, entre 2,4 V et 4 Volts, la sortie  est au niveau bas, comprise entre 0 V et 0,4 Volt. Cette situation est illustrée à la figure 5.

Le transistor est conducteur lorsque entre la base et l'émetteur, il y a une tension d'au moins 0,6 V, ce qui ne se vérifie pas dans le cas considéré. En effet, si Q se trouve à un niveau de tension haute de 4 V, la tension entre la base de l'émetteur est de 0 Volt.

Par contre, dans le cas où le niveau Q correspond seulement à une tension de + 2,4 Volts, la valeur de la tension présente entre base et émetteur sera de :

Dans le premier comme dans le second cas, le transistor n'est pas polarisé, il est donc hors circuit ; c'est comme s'il n'existait pas. Dans ces conditions, on obtient à la sortie du circuit pour une tension comprise entre 0 et 0,4 Volt.

Lorsque par contre Q est au niveau bas (entre 0 et 0,4 Volt), la tension entre base et émetteur du transistor augmente jusqu'à 0,6 Volt.. Le transistor est donc saturé et fonctionne comme un interrupteur fermé. De cette façon, la sortie de la bascule est portée à + 5 Volts moins la chute de tension dans le transistor (VCE de saturation). Le niveau haut de tension sur est ainsi d'environ 5 Volts, valeur adaptée au microprocesseur.

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