Cette nouvelle théorie vous permettra d'examiner tout d'abord les circuits monostables, ensuite les bascules de Schmitt et les oscillateurs.
Ces nouveaux circuits font appel à des notions d'électronique analogique (ou fondamentale), car
des résistances et condensateurs sont généralement nécessaires à leur fonctionnement.
1. - LES MONOSTABLES
1. 1. - DÉFINITION ET FONCTION
Dans la théorie précédente, différents circuits logiques vous ont été présentés. Il s'agissait essentiellement de la bascule D
maître esclave et de la bascule J.K. Or, vous avez constaté que ces bascules étaient caractérisées par deux états
stables, ces bascules passant d'un état à l'autre sous l'effet d'une commande extérieure au circuit. Ces bascules restent en permanence dans l'état où
elles se trouvent jusqu'à ce que le signal de commande les fasse basculer dans l'état stable complémentaire de l'état précédent.
Ceci est la définition des circuits "bistables".
Dans cette théorie, vous verrez des circuits "monostables"
ne possèdant qu'un seul état de stabilité. Sous l'effet d'une commande extérieure, ces monostables peuvent passer à l'état complémentaire de l'état stable,
mais retrouvent invariablement leur état de stabilité après une durée déterminée par le type de circuit. En fait, ces circuits possèdent bien deux états
logiques complémentaires, mais l'un est stable, l'autre ne l'est pas.
L'état stable est l'état de repos du circuit. La figure 1 vous montre une représentation simple d'un monostable.
Les signaux logiques présents à l'entrée et en sortie vous sont présentés à la figure 2.
L'état de stabilité du monostable est caractérisé par deux niveaux logiques L, à l'entrée et à la
sortie du circuit.
Par contre, si on applique un échelon de tension à l'entrée
du circuit à l'instant t1, la sortie passe à un niveau H transitoire qui dure T secondes et retombe au niveau L à l'instant t2. C'est la durée fixe
T qui est la caractéristique fondamentale du monostable. Cette durée
T est déterminée par l'utilisateur en fonction de l'application dans laquelle le monostable est inséré.
Voici deux exemples qui mettent en évidence l'utilité des monostables.
1. 2. 1. - CIRCUIT DE VISUALISATION D'UNE IMPULSION BRÈVE
Dans un ensemble électronique, il peut être nécessaire de visualiser une impulsion de courte durée en un point donné de cet ensemble.
Or, pour des durées inférieures à 1/10 de seconde environ, il est impossible de percevoir l'éclairement d'une LED.
Il sera nécessaire d'utiliser un monostable qui jouera un rôle de temporisation en créant une impulsion à sa sortie suffisamment longue pour éclairer
une LED témoin.
Le montage type est celui indiqué à la figure 3.
Une impulsion de sortie de 1 seconde environ est dans ce cas suffisante pour l'éclairement de la
LED.
1. 2. 2. - MESURE DE FRÉQUENCE
Cette application d'un circuit monostable permet de mesurer la
fréquence d'un signal. Le schéma de principe est indiqué à la figure 4.
A l'entrée du monostable est appliqué le signal dont on veut mesurer la fréquence.
A la sortie du monostable est situé un réseau composé
d'une diode, d'un condensateur et de deux
résistances. Les deux cas A et B
indiqués à la figure 5 permettent de comprendre le fonctionnement du circuit.
Dans le cas A, la fréquence du signal est relativement faible. A chaque impulsion à l'entrée, correspond
une impulsion au point 1 en sortie du monostable.
Cette impulsion permet la charge du condensateur C à travers la résistance R1, car la diode
est alors polarisée dans le sens direct ou passant. Le condensateur se charge donc durant la période d'impulsion T, puis
la tension au point 1 retombe au niveau bas. La diode est alors polarisée en inverse et le condensateur tend à se décharger
à travers la résistance R2. La tension au point 2 est donc une tension positive continue qui possède une faible
ondulation. Il est possible de l'assimiler à une tension continue.
Dans le cas B, la fréquence est beaucoup plus élevée. Le fonctionnement du circuit est le même que dans
le cas A, mais si le temps de charge du condensateur est identique, le temps de décharge est beaucoup plus court.
Le condensateur tend à beaucoup moins se décharger que dans le cas A et la tension au point
2 sera plus élevée que dans le cas A. Il y a donc proportionnalité entre la fréquence du signal qui arrive à l'entrée
du circuit et la tension continue que l'on recueille en sortie du circuit. Ce montage est donc un fréquencemètre ou un convertisseur fréquence-tension.
Ces deux exemples montrent les applications réalisables à
l'aide de circuits monostables.
Ces circuits sont subdivisés en deux catégories, tout d'abord celle des pseudo-monostables, puis celle des vrais monostables.
1. 3. 1. - PSEUDO-MONOSTABLES
Ces différents montages nécessitent certaines conditions pour fonctionner en monostable, alors que les vrais monostables peuvent ne pas
respecter ces conditions.
a) Circuit de base.
C'est le circuit représenté à la figure 6.
Le symbole
désigne seulement un amplificateur, c'est-à-dire que le signal de sortie varie dans le même sens que celui présent au point VR.
Quand l'entrée passe du niveau L au niveau H, le condensateur se comporte
comme un court-circuit et le point VR est porté au niveau H. Ensuite, le condensateur C se charge à travers la résistance R
comme indiqué à la figure 7.
Quand la tension au point VR franchit le seuil de basculement de l'amplificateur A,
la sortie retombe au niveau L. La durée T est donc déterminée uniquement par les valeurs de R et
de C. Elle vaut approximativement 0,7 R.C. Ceci et valable en technologie CMOS.
Il faut noter que l'entrée doit rester au niveau H au moins aussi longtemps que la durée de l'impulsion de sortie du monostable.
En effet, si le signal présent à l'entrée repasse au niveau L avant la fin de cette période, la tension au point VR
repasserait à une valeur proche du niveau logique L et la sortie repasserait donc au niveau L. L'impulsion de sortie serait donc écourtée. C'est à cause de cette condition
particulière de fonctionnement que ce type de circuit est classé dans la catégorie des pseudo-monostables.
En remplaçant l'amplificateur A par un inverseur, il est possible d'obtenir une impulsion négative, telle
qu'indiquée à la figure 8.
Ce même type de montage peut aussi être déclenché par une transition d'un niveau H vers un niveau L,
comme indiqué aux figures 9-a et 9-b.
Un autre inconvénient de ce montage de base existe.
En effet, si une nouvelle impulsion de commande arrive à l'entrée du monostable immédiatement après celle qui la précède, il peut se produire
le problème suivant illustré à la figure 10.
Quand l'entrée repasse à l'instant t3 au niveau L, la tension au point VR
devient négative car le condensateur est alors chargé. A partir de t3, le condensateur amorce sa décharge. Si une nouvelle impulsion de commande
survient avant sa décharge complète, la tension au point VR ne remonte pas aussi haut qu'à l'instant t1.
La tension au point VR franchira donc le seuil logique L avant que la durée T ne se soit écoulée. La durée T' de
l'impulsion de sortie sera inférieure à T. Ceci impose une condition supplémentaire pour un fonctionnement correct du
monostable.
Il est possible d'obvier à cet inconvénient en ajoutant une diode comme le montre le montage de la figure 11.
En effet, à l'instant t3, quand l'entrée repasse au niveau L, le
condensateur C se décharge presque instantanément à travers la diode D
polarisée dans le sens direct.
Les différentes tensions sont indiquées à la figure 12. Le potentiel au point VR ne descendra pas en
dessous de - 0,6 volt, seuil de tension
d'une diode ordinaire au silicium.
Ainsi, ce montage permettra de prendre en compte un train d'impulsions très rapprochées.
b) Pseudo-monostable sans réseau RC
Pour mémoire, ce circuit est indiqué à la figure 13 car il
permet de comprendre la fonction du monostable, mais n'est pas utilisé en général dans un montage.
Le fonctionnement repose sur le fait qu'il existe un certain temps de propagation à travers une porte logique quelle qu'elle soit (NAND,
NOR...). Ceci est illustré à la figure 14. Les temps td et t'd peuvent être égaux ou non.
Dans l'exemple cité à la figure 13, l'allure des tensions aux points A et B
et à la sortie est illustrée à la figure 15.
Le signal au point A est
inversé par rapport à celui au point B à
chaque transition avec un retard TD ou
T'D dû à la somme des temps de propagation des trois inverseurs.
De même, td et
t'd sont les temps de propagation du signal à travers la porte logique NAND.
Il est visible sur le schéma de la figure 15 que la constante de temps de ce monostable est T sensiblement
à TD. L'impulsion de commande doit toujours être d'une plus grande durée que la durée T
de l'impulsion de sortie.
c) Pseudo-monostable réalisé avec un circuit
intégré de type 555.
Ce circuit intégré est d'un emploi courant dans les montages électroniques. Dans la figure 16, il est monté en pseudo-monostable (les
chiffres indiquent les broches du circuit).
Ce circuit intégré comprend essentiellement un pont diviseur de tension avec trois résistances, deux comparateurs symbolisé ,
une bascule RS dont la table de vérité est reportée à la figure 17, et un interrupteur électronique I.
Cet interrupteur obéit à la règle de fonctionnement suivante :
il est ouvert à la mise sous tension ou lorsque la sortie Q est au niveau H. Quand elle est au niveau L,
il est fermé.
Un comparateur possède essentiellement deux entrées et une sortie, et fonctionne comme indiqué à la figure 18.
Tension au point "a" supérieure à celle au point "b" → sortie S au niveau H.
Tension au point "a" inférieure à celle du point "b" →
sortie S au niveau L.
Le fonctionnement de ce pseudo-monostable est illustré à la figure 19.
A la mise sous tension, I étant ouvert, C se charge à travers R.
Lorsque le potentiel en 6 dépasse 2/3 Vcc, l'entrée R de la bascule
passe au niveau H.
La sortie Q passe donc au niveau L, et I se ferme. Le condensateur se décharge presque instantanément et l'entrée R
repasse au niveau L. Puisque l'entrée de commande est au niveau H, l'entrée S de la bascule est donc au niveau L. Nous
avons donc R = 0 et S = 0, la bascule RS est en position
mémoire. C'est l'état de repos du monostable antérieur à l'instant t1. A cet instant, l'entrée de
commande passe au niveau L, S passe au niveau H et la sortie Q au niveau H. Puisque I est maintenant ouvert, le condensateur commence à se charger.
Lorsqu'à l'instant t3, l'entrée 6 atteint le potentiel 2 / 3 Vcc, l'entrée
R repasse au niveau H. Ainsi, la sortie Q passe au niveau L car l'entrée S
est inactive, puisque portée au niveau L.
En effet, l'entrée de commande est repassée au niveau
H à l'instant t2 antérieur à l'instant t3.
Ceci est une condition obligatoire pour le bon fonctionnement du montage, sinon, à l'instant t3, les deux entrées de la
bascule se trouveraient au niveau H, donc la sortie Q serait forcée au niveau H.
La durée de l'impulsion
T de ce monostable est donnée par la formule : T = 1,1 RC.
Exemples d'application monostable
désigne seulement un amplificateur, c'est-à-dire que le signal de sortie varie dans le même sens que celui présent au point VR.
,
une bascule RS dont la table de vérité est reportée à la figure 17, et un interrupteur électronique I.
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