Cette théorie présente l'ensemble
des circuits numériques utilisés pour les fonctions de comptage et de décomptage.
1. - DÉFINITION ET FONCTION D'UN COMPTEUR
Un compteur (ou décompteur) est un
circuit électronique constitué essentiellement par un ensemble de bascules et
le plus souvent d'un réseau combinatoire.
Ce compteur (ou décompteur) permet
de comptabiliser le nombre d'événements qui se produisent pendant un temps donné.
Chaque événement est traduit en
impulsion électrique.
Ces circuits possèdent le plus
souvent une entrée (quelquefois deux entrées) sur laquelle parviennent les
impulsions à compter ou à décompter.
L'information disponible est située
sur l'ensemble des sorties des bascules.
Il existe de nombreuses applications
des compteurs.
Nous pouvons citer le comptage
d'objets (figure 1), la mesure du temps (figure 2), la division du temps pour
l'obtention de signaux d'horloge permettant la commande des systèmes synchronisés
(figure 3).
Note :
Un compteur dont le contenu augmente d'une unité
s'incrémente.
Un décompteur dont le contenu diminue d'une unité
se décrémente.
Il existe une grande variété de
compteurs que vous allez découvrir au cours des prochains chapitres.
2. - LES COMPTEURS BINAIRES ASYNCHRONES
Les compteurs binaires asynchrones
utilisent le code binaire pur pour compter (ou décompter).
Ces compteurs sont asynchrones, car
seule
la première bascule reçoit le signal d'horloge.
Toutes les bascules qui suivent
celle-ci sont commandées par la bascule précédente comme indiqué à la figure 4.
2. 1. - LE COMPTEUR / DIVISEUR PAR DEUX
Le montage situé à la figure 5 est
le compteur le plus simple puisqu'il utilise qu'une bascule de type D
et qu'il n'est capable de compter qu'un seul événement.
La sortie
est rebouclée sur l'entrée D.
Le chronogramme de la figure 6
permet de suivre l'évolution des signaux d'horloge et des sorties Q
et .
Supposons que la sortie
Q soit au niveau L à l'instant t0,
donc
et D au niveau H.
A l'instant t1
se produit le premier front actif. La sortie Q
bascule et passe au niveau H puisque l'entrée D est au niveau H.
Entre les instants t1
et t2, l'entrée D est au niveau L. Donc, à l'instant t2, Q revient au niveau
L et D au niveau H. A l'instant t3, Q
repasse au niveau H et ainsi de suite.
La période du signal qui est présent
sur la sortie Q est ainsi le double de celle du signal d'horloge.
Autrement dit, la fréquence du
signal de sortie est la moitié de celle du signal d'horloge. C'est pour cette
raison que ce montage est un diviseur par 2.
Il est l'élément de base de la plupart des compteurs.
Ce compteur possède deux états,
qui sont 0 et 1, l'état d'un compteur étant défini par une combinaison particulière des états
logiques des différentes sorties. Ce compteur ne peut déceler qu'une seule
impulsion, à condition de fixer l'état initial de la bascule.
Nous allons voir qu'il existe un
problème lié au temps de propagation à l'intérieur de la bascule.
En effet, si vous regardez la figure
7, vous remarquez qu'il existe un état transitoire entre les instants t1 et t2 et entre les instants t3
et t4.
Nous reviendrons sur ce problème au
cours de cette théorie.
Un diviseur par deux peut aussi être
obtenu avec une bascule JK comme représenté figure 8.
Le montage situé à la figure 9 est
un compteur constitué à partir de deux bascules D.
Ce montage est bien un compteur
asynchrone puisque le signal de l'horloge H n'est appliqué que sur l'entrée CLOCK de
la première bascule (CLOCK1).
La sortie 1
est reliée à l'entrée CLOCK de
la deuxième bascule (CLOCK2).
Chaque bascule est câblée en
diviseur par deux.
Le chronogramme de la figure 10
permet de suivre l'évolution du compteur au cours du temps.
A l'instant t0,
les deux sorties Q1 et Q2 sont au niveau L.
Au premier front actif d'horloge
(instant t1), la sortie Q1
commute et passe au niveau H. 1
passe au niveau L.
A l'instant t2,
Q1 repasse au niveau
L et 1
au niveau H, donc un front actif est appliqué sur l'entrée d'horloge de la deuxième bascule. Q2
passe donc au niveau H.
A l'instant t3,
Q1 repasse au niveau H et Q2 reste au niveau H.
A l'instant t4,
Q1 revient au niveau L et Q2 également. Les deux
sorties sont revenues à leur état initial. Il a donc fallu quatre impulsions
d'horloge pour retrouver l'état initial des deux bascules.
La
table
de vérité de la figure 11
permet de résumer l'évolution du compteur et du diviseur par 4.
Ce compteur est de module 4.
Le module est le nombre d'états logiques formés par l'ensemble des sorties du
compteur.
Dans le cas présent, il s'agit d'un
compteur possédant quatre états logiques (00, 01, 10, 11) en code binaire ou 0, 1, 2 et
3 en code décimal).
La capacité de ce compteur est
3.
La capacité est le nombre maximum d'événements qu'un compteur peut
comptabiliser. Elle est toujours égale au module moins un
puisque
durant l'état initial (ici 00) aucun événement
n'a encore été pris en compte.
La sortie Q1
divise par deux la fréquence de l'horloge H et la sortie Q2 divise par quatre cette même
fréquence de l'horloge H. Sur la figure 10,
il apparaît bien que la période du signal en sortie Q1
vaut deux fois la période de l'horloge et en sortie Q2
la période du signal vaut quatre fois la période de l'horloge.
D'une façon générale, il est
toujours possible d'utiliser une ou plusieurs sortie d'un
compteur
pour avoir une division de la fréquence de l'horloge. Dans
l'horloge de la figure 2, cette propriété est utilisée pour compter le
temps qui s'écoule.
En effet, le signal de l'horloge de
fréquence 1 Hz est divisé par 60 et permet d'obtenir un signal de période 1 minute.
Ce deuxième signal est à son tour divisé par 60 afin d'obtenir le signal de période 1 heure.
Ensuite, il suffit de compter les heures jusqu'à 24
pour qu'une journée se soit écoulée.
En reliant trois bascules D
comme indiqué à la figure 12, on obtient un compteur de module 8.
Trois bascules D
câblées en diviseur par 2
sont utilisées.
Le chronogramme de la figure 13
permet de comprendre le fonctionnement de ce compteur. Le principe de
fonctionnement est toujours le même.
Chaque étage permet de diviser
par 2 le signal appliqué sur son entrée d'horloge. Sur la sortie
Q3,
le signal que l'on peut prélever est donc à une fréquence 8
fois plus petite que le signal d'horloge.
D'une façon générale, il est donc
possible d'augmenter le module d'un compteur asynchrone en augmentant le nombre de bascules.
Avec une nouvelle bascule, le module
double.
Si un compteur possède
n bascules, son module maximum vaut
2n.
Pour n = 4, le module vaut
16,
pour n = 5,
il vaut
32,...
Il est possible d'obtenir un
compteur de module impair (3, 5, 7...) en
utilisant les mêmes types de montages que ceux vus précédemment. Cela vous
sera présenté ultérieurement.
Par ailleurs, il est possible de
remplacer chaque bascule D
par un bascule
JK
câblée en mode
TOGGLE
(les entrées J et K sont câblées à «1»).
La figure 14 représente un compteur modulo 4
réalisé avec deux bascules
JK.
Nous allons revenir sur le problème
des états transitoires. La figure 15 représente une partie du chronogramme de
fonctionnement d'un compteur
modulo 8.
Sur ce chronogramme, il apparaît
que la durée des périodes instables (états transitoires) est fonction du
nombre de bascules. Cette durée vaut au maximum t4 - t1 = 3q
dans le cas présent.
Pendant cette période instable (t4
- t1), au lieu de passer directement de l'état 3 à l'état 4, le compteur passe
successivement par les états transitoires 2
et 0. On considère ici que le temps de
propagation de chaque bascule est sensiblement le même (q).
En réalité, ces trois temps de propagation peuvent être différents.
Il est évident que si le nombre de
bascules augmente, la durée de la période instable augmente également. Ceci
est dû au fonctionnement asynchrone du compteur puisque les bascules réagissent
les unes sur les autres en cascade.
Pour cette raison, on utilise une
impulsion de prélèvement qui permet de «lire»
l'état du compteur. Cette impulsion sera décalée par rapport au signal
d'horloge d'une durée supérieure à celle des états transitoires. Cette
impulsion pourra être générée à l'aide d'un monostable.
Les figures 16 et 17 présentent
deux schémas de prélèvement du contenu d'un compteur.
Dans le cas de la figure 17, il est
également possible de stocker le contenu du compteur dans le registre pendant
la période que l'on souhaite.
Ces états transitoires sont donc
l'un des principaux facteurs qui vont limiter la fréquence d'horloge du compteur.
En technologie
MOS,
avec q »
100
ns, et 4 bascules D, la période
des états transitoires vaut environ 400 ns.
Si l'on réserve environ 100 ns supplémentaires
pour prélever le contenu du compteur, la fréquence maximum de fonctionnement
sera 2 MHz:
Si l'on veut travailler à une fréquence
relativement élevée et utiliser un compteur de grande capacité, il faudra
donc utiliser un compteur synchrone.
La figure 18 représente le schéma
de principe du compteur intégré 7493 réalisé
en technologie TTL ainsi que son brochage.
Le schéma de principe
est le même que celui de la figure 14. Les entrées J
et K des bascules sont câblées intérieurement
à «1».
Une remise à zéro générale asynchrone du
compteur est possible grâce aux entrées
R0
et R1. Pour cela les deux entrées R0
et R1 doivent être simultanément à «1».
Ce compteur peut fonctionner en
diviseur par 8
en présentant l'horloge sur l'entrée
B
ou en
diviseur par 16 en présentant
l'horloge sur l'entrée A
et en reliant la sortie
QA
à l'entrée
B.
2. 4.
2. - LE COMPTEUR INTÉGRÉ 4024
Son schéma fonctionnel et son brochage sont
donnés à la figure 19.
Ce circuit est réalisé en
technologie MOS. Le symbole «N.C.»
signifie «non
connecté».
C'est un compteur binaire à 7 étages
en cascade. Son schéma logique est donné à la figure 20.
est l'entrée d'horloge. MR
est l'entrée de
remise
à zéro générale asynchrone
prioritaire. La présence d'un niveau H sur MR
remet tous les étages du compteur à zéro indépendamment de .
Ce compteur est incrémenté sur le front descendant
de
et peut compter jusqu'à
27
- 1 = 127 impulsions.
Les Compteurs de Module supérieur
à quatre
est rebouclée sur l'entrée D.
est l'entrée d'horloge. MR
est l'entrée de 
Cliquez ici pour la leçon suivante ou dans le sommaire prévu à cet effet.
Haut de page
Page suivante