Examen d'une Bascule de Schmitt et de son Fonctionnement :
Avec cette nouvelle pratique, nous
allons examiner les bascules de Schmitt et les oscillateurs.
Les bascules de Schmitt sont des
circuits très utilisés pour remettre en forme des signaux de mauvaise qualité,
soit parce qu'ils sont parasités, soit parce qu'ils ont des fronts montants et
descendants trop lents, donc peu efficaces pour commander des circuits numériques.
Les oscillateurs sont des circuits
qui génèrent des signaux cycliques. Ils sont indispensables dans les circuits
numériques synchronisés auxquels ils donnent la cadence de fonctionnement de
sorte que certains composants, comme les bascules travaillent de façon synchrone.
Nous avons vu en effet, que la
plupart des bascules possède une entrée appelée CLOCK.
En envoyant sur cette entrée le signal d'un oscillateur qui est précisément
appelé à cette occasion SIGNAL
D'HORLOGE,
on autorise la bascule à changer d'état uniquement en présence d'une
impulsion de cette horloge.
Si, on envoie le même signal
d'horloge aux bascules et aux composants du circuit possédant une entrée CLOCK,
leur fonctionnement sera synchronisé, c'est-à-dire que tous changeront d'état
au même moment.
1. - PRÉPARATION DES MATÉRIAUX
Dans cette pratique, vous utiliserez
les matériaux suivants :
1 résistance de 12 kW
1 / 4 W tolérance 5 % (marron - rouge - orange - or)
1 résistance de 22 kW
1 / 4 W tolérance 5 % (rouge - rouge - orange - or)
1 résistance de 15 kW
1 / 4 W tolérance 5 % (marron - vert - orange - or)
1 résistance de 100 kW
1 / 4 W tolérance 5 % (marron - noir - jaune - or)
1 résistance de 470 kW
1 / 4 W tolérance 5 % (jaune - violet - jaune - or)
1 résistance de 2,2 MW
1 / 4 W tolérance 5 % (rouge - rouge - vert - or)
2 résistances de 1,5 MW
1 / 4 W tolérance 5 % (marron - vert - vert - or)
3 résistances de 150 kW
1 / 4 W tolérance 5 % (marron - vert - jaune - or)
1 condensateur électrolytique
au tantale de 0,33 µF - 10 V
1 condensateur électrolytique
au tantale de 1 µF - 10 V
1 condensateur polyester de 0,1 µF
1 condensateur polyester de 0,01 µF
1 condensateur céramique disque de 330 pF
1 potentiomètre multitours linéaire
de 10 kW
2 diodes 1N 4148
2 circuits intégrés MM 74C14
1 circuit intégré MM 74C175
1 circuit intégré MM 74C02
1 circuit intégré MM 74C04
1 circuit intégré MM 74C74
1 tresse de fil rigide isolé
(rouge et noir)
2. - PREMIÈRE EXPÉRIENCE : EXAMEN DU FONCTIONNEMENT
D'UNE BASCULE
DE SCHMITT
Dans cette manipulation, vous allez
d'abord comparer le fonctionnement d'un circuit réalisé avec deux inverseurs
et le fonctionnement d'une bascule de Schmitt disponible sous forme de circuit
intégré.
2. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT
a) Débranchez
l'alimentation, enlevez les liaisons et les composants laissés sur la matrice
au terme des expériences précédentes et enlevez le circuit intégré du
support ICX.
b) Insérez dans la matrice
le circuit intégré MM 74C04 contenant six
inverseurs, le potentiomètre multitours de 10 kW
et la résistance de 22
kW 1
/ 4 W 5% (rouge
- rouge - orange - or) dans la position indiquée à la figure 1-a ;
effectuez ensuite les liaisons illustrées par cette même figure.
Ne mettez pas pour l'instant la résistance
de 100 kW
dessinée en pointillé.
Le schéma du circuit ainsi réalisé
est reporté dans la figure 1-b.
L'entrée du premier INVERSEUR (broche
1) est reliée au curseur du potentiomètre à travers la résistance
de 22 kW
(R1).
Ce curseur, au moyen de la vis de réglage,
peut être déplacé vers une extrémité ou l'autre du potentiomètre et donc
vers la masse ou vers la tension positive d'alimentation.
Ainsi, il est possible d'appliquer
à l'entrée du circuit une tension variable de façon continue entre zéro volt
et la tension d'alimentation.
La sortie du circuit (broche
4) est reliée à la LED L0.
2. 2. - ESSAI DE FONCTIONNEMENT
a) Branchez l'alimentation.
b) Reliez le contrôleur
positionné sur tension continue calibre
10 V,
entre la masse (pointe de touche noire) constituée par le pôle négatif de la
pile et la borne de R1
qui est reliée au
curseur du potentiomètre (pointe de touche rouge) comme illustré sur la figure
2-a.
Sur la figure 2-b, un agrandissement
vous montre comment doit être effectuée cette dernière liaison, en utilisant
un morceau de fil rigide isolé de longueur appropriée dont une extrémité dénudée
sera enroulée sur l'extrémité de la pointe de touche rouge et l'autre insérée
dans le point de mesure.
c) Maintenez fermement en
place avec un doigt le potentiomètre et avec un tournevis, tournez la vis de réglage
dans le sens des aiguilles d'une montre jusqu'à ce que le voltmètre indique zéro
volt (figure 2-a). Dans ces conditions, le curseur est en fin de
course, vers l'extrémité reliée à la masse, et vous constatez que la
LED L0 est éteinte.
d) A présent, tournez
lentement la vis du potentiomètre dans le sens contraire des aiguilles d'une
montre jusqu'au moment où la LED L0 s'allume
et notez sur une feuille de papier la valeur de tension indiquée par le voltmètre.
e) Continuez à tourner la
vis dans le même sens jusqu'à ce que la tension lue sur l'appareil atteigne la
valeur de la tension d'alimentation (+ 4,5 V environ),
ce qui indique que le curseur a atteint l'autre extrémité reliée à la
tension positive. Vous constatez que la LED L0
reste allumée.
f) Tournez à nouveau la
vis dans le sens des aiguilles d'une montre pour abaisser la tension d'entrée
du circuit en vous arrêtant dès que vous verrez la LED
s'éteindre et notez la valeur de tension lue sur le voltmètre.
Vous remarquez que cette valeur coïncide
avec celle mesurée dans la phase "d" quand vous avez tourné la vis
dans le sens contraire des aiguilles d'une montre et que la LED
s'était allumée.
La tension ainsi mesurée est appelée
TENSION DE SEUIL.
Avec cet essai, vous avez constaté
que la tension de seuil pour laquelle la LED
s'allume ou s'éteint selon que l'on fait croître ou décroître la tension
d'entrée est environ la moitié de la tension d'alimentation.
g)Débranchez
maintenant l'alimentation et insérez sur la matrice la résistance R2
de 100 kW
1/4 W 5%
(marron - noir - jaune - or) représenté en
pointillé sur la figure 1-a.
h) Branchez à nouveau
l'alimentation. En procédant comme décrit précédemment, mesurez les valeurs
des tensions correspondant à l'allumage et à l'extinction de la LED.
Vous constatez qu'en augmentant la
tension d'entrée du circuit à partir de 0 V,
la LED s'allume à une valeur de tension supérieure
à celle mesurée précédemment. Cette nouvelle valeur est appelée SEUIL
SUPÉRIEUR. En réduisant ensuite la tension d'entrée, vous mesurez
une autre valeur de tension de seuil appelée SEUIL INFÈRIEUR,
correspondant à l'extinction de la LED. En
comparant la valeur du seuil supérieur avec celle du seuil inférieur, vous
pouvez constater qu'elles sont différentes.
Avec les valeurs des résistances
utilisées et pour une valeur de tension d'alimentation de
4,5 V, le seuil supérieur est en effet de 2,8
V environ tandis que le seuil inférieur est d'environ
1,8 V.
Cette propriété
du circuit est désignée par le terme d'HYSTÉRÉSIS
; l'écart d'hystérésis, c'est-à-dire la différence entre les deux valeurs
des tensions de seuil supérieur et inférieur est donné par le produit de la
tension d'alimentation et du rapport entre les résistances R1
et R2 (figure 1-b).
Dans notre cas, il est de :
En conclusion, le circuit expérimenté
est caractérisé par deux seuils de commutation, l'un valable lorsque la
tension d'entrée croît et l'autre la tension d'entrée décroît.
Cette propriété est très utile
pour les signaux perturbés par les parasites.
En effet, dès que le signal d'entrée
a franchi le seuil supérieur, le circuit bascule et reste dans cet état tant
que le signal d'entrée ne redescend pas, en dessous du niveau du seuil inférieur
comme nous l'avons vu précédemment.
Ainsi, même si le signal d'entrée
devrait subir des fluctuations importantes, le circuit les ignorerait tant que
l'amplitude de ces fluctuations est inférieure à l'écart d'hystérésis,
c'est-à-dire la différence entre les valeurs des deux seuils de la bascule.
Dans la figure 3, le comportement de
ce circuit, connu sous le nom de bascule de Schmitt
ou
trigger de Schmitt, est comparé avec celui
d'un circuit CMOS normal.
Dans le cas du circuit ordinaire,
puisque la tension d'entrée franchit plusieurs fois le seuil de commutation, la
tension de sortie subit autant de changements d'états.
Au contraire, la bascule de Schmitt
donne en sortie un signal qui n'est pas sujet aux fluctuations indésirables qui
se manifestent au voisinage des seuils de commutation.
2. 3. - EXAMEN DE LA BASCULE DE SCHMITT INTÉGRÉE MM 74C14
Pour disposer d'une bascule de
Schmitt, il n'est pas nécessaire de recourir au circuit que vous venez de réaliser.
En effet, cette bascule est disponible sous forme de circuit intégré.
Un exemplaire typique est le circuit
intégré MM 74C14 que vous avez sûrement
en votre possession et dont le schéma électrique est représenté figure 4.
Comme vous pouvez le voir, il
comprend six inverseurs, chacun d'eux ayant la caractéristique d'une bascule de Schmitt.
Rappelez-vous que cette caractéristique
est propre aux entrées des circuits et que le comportement des inverseurs est
identique à celui d'un inverseur normal du point de vue de la table de
fonctionnement et de la table de vérité.
Pour vérifier le fonctionnement du
MM
74C14, procédez comme suit :
a) Débranchez
l'alimentation, enlevez de la matrice le circuit intégré MM
74C04 et remplacez-le par le
MM 74C14.
Enlevez également la résistance R2
de 100
kW. Laissez
en place, par contre, les autres composants et liaisons.
Vous avez ainsi simplement remplacé
les inverseurs normaux par des inverseurs à bascules de Schmitt.
b) Branchez l'alimentation et
faites varier la tension d'entrée du premier inverseur en agissant sur le
potentiomètre.
Vous constatez que le comportement
de ce nouveau circuit est le même que celui relevé pour le circuit précédent
quand, avec l'insertion de la résistance de 100 kW,
vous avez obtenu deux seuils
différents de commutation.
Les deux valeurs de seuil que vous
avez mesurées sont celles des caractéristiques du circuit intégré en question.
A part celui utilisé, il en existe
d'autres dans le commerce, comme certaines portes
NAND
dont les entrées ont la caractéristique propre des bascules de Schmitt.
3. - DEUXIÈME EXPÉRIENCE : UTILISATION D'UNE BASCULE DE SCHMITT
POUR RÉALISER UN OSCILLATEUR
Un oscillateur est un circuit qui
n'a pas d'état stable mais qui, comme l'indique son nom, oscille
continuellement entre deux états dits instables.
Le nombre d'oscillations que le
circuit accomplit, en une seconde est la fréquence, mesurée en
Hertz (Hz). Un
Hertz
équivaut à une oscillation par seconde.
Les oscillateurs sont indispensables
dans tous les circuits numériques synchronisés dans lesquels les différents
composants travaillent de manière synchrone (c'est-à-dire changent d'état ou
basculement à un moment précis commandé par un signal d'horloge généré par
un oscillateur unique).
Au cours de cette manipulation, vous
examinerez un oscillateur très simple, mais cependant efficace, qui sera
ensuite monté définitivement sur le circuit imprimé du digilab et constituera
un générateur de signal très utile.
3. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT
a) Débranchez l'alimentation
et enlevez tous les composants et les raccordements du circuit expérimenté précédemment
en laissant toutefois le circuit intégré MM 74C14
en place.
b) Introduisez sur la matrice
la résistance R de
1,5
MW
- 1/4 W - 5%
(marron -vert - vert - or) et le
condensateur électrolytique au tantale (C)
de 0,33 µF - 10 V
(en respectant les
polarités de ses bornes) aux emplacements indiqués dans la figure 5-a qui
illustre également les raccordements à effectuer. Le schéma électrique du
circuit ainsi réalisé est représenté figure 5-b.
3. 2. - ESSAI DE FONCTIONNEMENT
a) Branchez
l'alimentation et observez la LED L0 : vous
constatez qu'elle s'allume et s'éteint périodiquement environ une fois par
seconde. Cela signifie que la tension de sortie passe alternativement d'un
niveau L à un niveau
H
et vice-versa, ce qui détermine l'allumage et l'extinction de la
LED.
Dans ce cas également, comme
pour le monostable, le fonctionnement du circuit est basé sur la charge et la décharge
du condensateur à travers la résistance.
A la mise sous tension, le
condensateur C est déchargé, donc l'entrée
de l'inverseur se trouve au niveau L. La
sortie passe par conséquent au niveau H.
Puis le condensateur commence à se charger à travers la résistance R.
Après un temps t
dépendant de la constante
de temps RC selon la relation t
= RC, la tension aux bornes du condensateur a atteint une valeur
telle qu'elle dépasse le seuil supérieur de commutation de la bascule et donc
la sortie passe à l'état L. Dès lors, le
condensateur commence à se décharger à travers la résistance.
Lorsque la tension aux bornes
de C atteint le seuil inférieur, la bascule
commute à nouveau, se remettant dans les conditions initiales puisque la sortie
se trouve maintenant au niveau H et donc
C
commence à se charger.
La charge et la décharge
du condensateur se répètent périodiquement de la manière décrite, donc la
bascule commute continuellement d'un état à l'autre, générant une tension de
sortie qui a l'allure d'un signal rectangulaire, comme représenté sur la
figure 6. Dans notre cas, avec R = 1,5 MW
et C = 0,33 µF,
le temps de charge et de décharge du condensateur est de :
t
= R X C = 1,5 X 106 X 0,33 X 10-6 = 0,495 s
soit environ une 1 / 2 seconde.
Puisque le circuit commute chaque
1 / 2 seconde, il faut une seconde entière pour que la tension de
sortie accomplisse un cycle complet.
Le temps nécessaire pour que
la tension accomplisse un cycle complet est appelé PÉRIODE
et est désigné par la lettre T.
Dans notre cas, nous avons
T = 2t = 2 R x C
Plus la période est courte, plus le
nombre de cycles complets que la tension de sortie peut accomplir en une seconde
sera grand.
Le nombre de cycles à la seconde,
c'est-à-dire la fréquence, est donné par le rapport :
qui s'écrit de manière symbolique :
avec f
exprimée en Hertz et T en seconde.
Dans notre cas, en remplaçant
T
par sa valeur de 1 s, on obtient :
b) Débranchez
l'alimentation, remplacez la résistance de 1,5 MW
par une autre de 470
kW
1/4 W 5%
(jaune - violet - jaune - or) et rebranchez
l'alimentation.
Vous remarquez que la LED
s'allume et s'éteint à une fréquence trois fois supérieure à celle du cas
précédent.
En effet, la période de
l'oscillation produite par le circuit est égale à :
T = 2 RC = 2 x 470 x 103 x 0,33 x 10-6 = 0,31 s
On en déduit la fréquence du
signal généré :
c) En débranchant à chaque
fois l'alimentation, remplacez la résistance ou le condensateur par d'autres
composants ayant des valeurs de plus en plus faibles.
Vous observez que la fréquence de
l'oscillation augmente de plus en plus, jusqu'à ce que la LED
reste allumée en permanence.
Cela ne signifie pas que
l'oscillateur ne fonctionne plus, mais simplement que les phases d'éclairement
et d'extinction de la LED se succèdent
tellement rapidement que l'œil n'est plus en mesure de les apprécier.
Examen d'une Bascule de Schmitt
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