Le chronogramme de la figure 26 représente l'évolution des tensions en différents points du montage.

Le signal de sortie du LM 555 est inversé et appliqué à l'entrée de verrouillage LATCH (LE0) de l'afficheur DIS0. Ce signal qui parvient sur l'entrée LATCH est ensuite inversé quatre fois de suite, ce qui permet d'avoir un signal identique sur les entrées LATCH de l'afficheur et CLEAR du compteur. Celui parvenant sur l'entrée CLEAR possède un certain retard occasionné par les 4 portes inverseuses par rapport au signal appliqué sur l'entrée LATCH de l'afficheur. En effet, il faut que la remise à zéro du compteur s'effectue après le verrouillage de l'afficheur.

Lorsque le signal LE0 passe de l'état 0 à l'état 1, l'afficheur DIS0 mémorise le contenu du compteur, ce dernier n'étant remise à zéro qu'un certain temps après cette mémorisation du contenu du compteur.

10. - SEPTIÈME EXPÉRIENCE : RÉALISATION D'UN FRÉQUENCEMÈTRE DIGITAL A DEUX CHIFFRES

Le circuit que vous allez réaliser est très semblable au précédent. Néanmoins, il possède de meilleures performances au niveau de la mesure de fréquence. Tout d'abord, la mesure est automatique et répétitive, ensuite le résultat est affiché sur deux digits. Cependant, ce montage ne prétend pas être un appareil de laboratoire mais seulement un circuit didactique.

10. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT

a) Enlevez de la matrice toutes les liaisons et les composants relatifs à l'expérience précédente.

b) Insérez sur la matrice les circuits intégrés CD4040, MM74C74, MM74C08, MM74C04, LM 555 et effectuez les liaisons indiquées figure 27.

c) Préparez le générateur de signal rectangulaire du Digilab sur la fréquence de 1 Hz.

La figure 28 représente le schéma électrique et le schéma synoptique du circuit réalisé.

Le principe de fonctionnement est le même que précédemment ; il s'agit toujours de compter le nombre d'impulsions parvenant sur l'entrée d'un compteur pendant un temps déterminé.

Dans l'expérience présente, la mesure de fréquence est rendue automatique et répétitive. Pour cela, le monostable est remplacé par un oscillateur qui génère un signal soit de 1 Hz, soit de 100 Hz et par un diviseur par quatre.

Comme vous le verrez, de cette façon on effectue une mesure toutes les quatre secondes dans le premier cas (oscillateur à 1 Hz), et vingt-cinq mesures par secondes dans le second cas (oscillateur à 100 Hz).

Le compteur est constitué par le circuit intégré CD 4040 à 12 étages. C'est un compteur binaire asynchrone possédant une entrée de remise à zéro asynchrone.

Ici, huit sorties du CD 4040 sont utilisées et sont reliées aux deux afficheurs DIS0 et DIS1.

La sortie Q10 du compteur est reliée au détecteur de front montant installé sur le Digilab. Ainsi, quand il se produit un dépassement de capacité du fréquencemètre, la LED L0 s'allume.

Le circuit de synchronisation est formé par trois portes ET du circuit MM 74C08 et par trois inverseurs MM 74C04.

Ce circuit de synchronisation fournit les différents signaux nécessaires au fonctionnement du compteur, au verrouillage de l'afficheur et à la remise à zéro de l'indicateur de dépassement.

10. 2. - ESSAI DE FONCTIONNEMENT

a) Mettez le Digilab sous tension et observez les afficheurs. Ils doivent indiquer 01 puisque la fréquence du signal appliqué à l'entrée vaut 1 Hz.

Néanmoins, la précision de la base de temps (signal issu du LM 555), ainsi que celle du signal d'horloge n'étant pas très élevée, il est possible que l'afficheur indique 00 ou bien 02.

b) Disposez le générateur d'horloge du Digilab sur 10 Hz. Vous devez lire 0A sur les afficheurs, ce qui correspond à 10 en base décimale. Pour les raisons évoquées précédemment, vous pouvez lire 09, 0B, 0C,...

c) Disposez le générateur d'horloge sur 100 Hz. L'afficheur doit indiquer 6416, soit 10010. Toutefois, la valeur réelle peut s'écarter notablement de cette valeur théorique.

Jusqu'à présent, la base de temps du fréquencemètre valait 1 seconde, soit une fréquence de 1 Hz. Or, avec deux afficheurs hexadécimaux, il est possible d'afficher au maximum FF16, soit 25510. Donc la capacité du fréquencemètre avec cette base de temps vaut 255 Hz.

Pour augmenter cette capacité, il faut réduire la base de temps, donc augmenter la fréquence du signal de la base de temps.

Dans ce but, procédez comme indiqué ci-après.

d) Mettez le Digilab hors tension.

e) Enlevez la liaison reliant la broche 6 du LM 555 à la broche positive du condensateur C2 et reliez cette broche 6 à l'extrémité libre du condensateur C3 comme indiqué par la ligne en pointillé de la figure 27.

f) Disposez le générateur d'horloge du Digilab sur la fréquence de 1 kHz.

g) Retirez du contact CP1 la liaison provenant de la broche 9 du circuit intégré MM 74C08 et introduisez-la dans le contact CP2 comme indiqué par ligne en pointillé figure 27.

h) Mettez le Digilab sous tension et observez les afficheurs. Vous devez lire une valeur voisine de 0A16, soit 1010. La base de temps vaut 0,01 seconde soit 1 / 100e de celle de l'essai précédent, il faut donc multiplier par 100 la valeur affichée pour obtenir la valeur réelle.

Dans le cas présent, on obtient 10 x 100 = 1 000 Hz, soit 1 kHz.

i) Disposez le générateur d'horloge sur 10 kHz. Les afficheurs doivent indiquer un nombre voisin de 6416 ou 10010. La valeur réelle est bien de 100 x 100 = 10 000 Hz, soit 10 kHz.

j) Disposez le générateur d'horloge sur 100 kHz. Vous constatez que la LED L0 s'allume. En effet, la capacité maximum du fréquencemètre vaut : 255 x 100 = 25 500 Hz, soit 25.5 kHz.

k) Les essais étant terminés, mettez le Digilab hors tension.

Afin d'analyser le fonctionnement de ce montage, reportez-vous à la figure 28-a ainsi qu'à la figure 29 où est reporté le chronogramme relatif au fonctionnement du fréquencemètre.

La partie oscillateur constituée par le LM 555 peut générer deux signaux rectangulaires, l'un de 1 Hz avec C2, l'autre de 100 Hz avec C3.

Ce signal, issu du LM 555, parvient sur la bascule A qui divise par deux la fréquence de ce signal. On obtient donc un signal de fréquence F01 = 0,5 Hz (ou 50 Hz) parfaitement symétrique.

Ce deuxième signal de frèquence F01 est envoyé sur la deuxiàme bascule B qui divise à nouveau par deux. Le signal en sortie (02) de cette bascule B constitue la base de temps (0,25 Hz ou 25 Hz) du fréquencemètre. Ce signal parvient sur l'une des deux entrées de la porte ET n° 1, tandis que le signal dont on veut mesurer la fréquence parvient sur l'autre entrée.

Cette porte ET permet de valider le signal d'entrée, soit pendant 2 secondes (02 = 0,25 Hz), soit pendant 2 / 100e s (02 = 25 Hz).

Le signal issu de cette porte est appliqué à l'entrée d'horloge f du compteur CD 4040.

Cette durée de comptage est notée T2 sur le chronogramme.

Le circuit de synchronisation constitué par les trois portes ET (2, 3 et 4) et les trois inverseurs (1, 2 et 3) génère trois signaux de commande a, b et c. C'est un réseau combinatoire qui utilise les signaux de fréquence F0, F01, 01 et F02.

Le signal a est appliqué aux entrées LATCH LE0 et LE1 des deux afficheurs. Lorsque ce signal a est au niveau L (temps T3), le résultat du comptage, présent sur les sorties du compteur, est mémorisé et transféré aux afficheurs.

Le signal b permet la remise à zéro du compteur lorsqu'il est au niveau H (temps T1).

Le signal c permet la remise à zéro de la bascule D servant à détecter un front montant (indicateur de dépassement du fréquencemètre). Cette remise à zéro s'effectue également pendant le temps T1.

La mesure de fréquence s'effectue ainsi :

      Pendant la durée T1, le compteur et la bascule de dépassement sont remis à zéro.

      Pendant le temps T2, la mesure de fréquence s'effectue, le compteur comptabilise les impulsions qui transitent à travers la porte ET n° 1.

      Durant l'instant T3, le résultat du comptage est mémorisé par le circuit d'affichage.

      Ensuite, un nouveau cycle de mesure recommence.

Si pendant la mesure le comptage dépasse les 8 bits, la sortie Q10 du compteur passe au niveau H et déclenche le détecteur de front montant. Dans ce cas, la LED L0 s'allume.

Vous pouvez remarquer que la sortie Q1 du compteur n'est pas utilisée. Ceci s'explique par le fait que la base de temps vaut 2 secondes (temps pendant lequel la porte ET N° 1 est validée) et non pas 1 seconde. Donc, en utilisant les sorties Q2 à Q9 du compteur, on ne comptabilise qu'une seule impulsion sur deux, mais comme la base de temps vaut 2 secondes et non pas 1 seconde, on comptabilise bien le nombre d'impulsions réelles pendant une seconde.

Ce fréquencemètre reste assez simple et sa précision est basée essentiellement sur celle de l'oscillateur astable du circuit intégré LM 555.

La figure 30 montre un exemple relatif à ce problème de précision.

Dans cet exemple, si la base de temps vaut réellement 1 seconde, le résultat affiché sera 10 Hz, mais si elle se termine à l'instant TA à cause d'un manque de stabilité, le résultat sera 9 Hz ; si elle se termine à l'instant TC, le résultat sera 11 Hz.

Pour cette raison, il faut que l'oscillateur de la base de temps soit très stable et précis.

Dans les appareils de laboratoire, les oscillateurs sont pilotés par un quartz et sont stabilisés en température. Ainsi, la précision et la stabilité sont très élevées et le résultat obtenu est très voisin de la réalité.

Ainsi se termine cette pratique. La suivante sera consacrée à l'examen des convertisseurs digital / analogique et analogique / digital.

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