Étude d'une "Bascule D" Synchrone comme Compteur Modulo 2 :
Au cours de cette pratique, vous
allez vérifier expérimentalement le fonctionnement des compteurs et des diviseurs.
Un compteur permet de connaître le
nombre d'événements survenus pendant une période donnée. Un diviseur réduit
dans un rapport donné le nombre d'événements qui se présentent sur l'entrée
du diviseur.
Les deux fonctions, comptage et
division, sont souvent réalisées par le même circuit. Une analogie peut être
donnée par l'horloge d'un clocher, représentée figure 1. En effet, le nombre
des secondes écoulées est divisé par 3 600.
Toutes les 3 600 secondes les
carillons signalent qu'une heure vient de s'écouler.
En électronique numérique, les événements
sont traduits, en impulsions appliquées sur l'entrée CLOCK
des circuits concernés comme illustré à la figure 2.
La fréquence du signal de sortie
d'un diviseur est toujours inférieure à celle du signal d'entrée. Le rapport
entre les fréquences des signaux d'entrée et de sortie est un nombre entier N.
Dans le cas d'un compteur, l'état
logique de la ou des sorties évolue à chaque impulsion d'horloge.
Ainsi, les sorties renseignent sur
le nombre d'impulsions appliquées sur l'entrée d'horloge. De cette façon, les
sorties permettent de connaître le nombre d'impulsions parvenues à l'entrée.
Les caractéristiques principales
d'un compteur sont :
sa capacité
son module
La capacité est le plus grand
nombre d'événements qu'un compteur peut totaliser ; un compteur kilométrique
de voiture par exemple a une capacité de 99 999
kilomètres.
Le module, par contre, est le nombre
des états possibles du compteur, y compris l'état initial. Il est donc égal
à la capacité augmentée de un.
Ainsi, un compteur kilométrique de
voiture a un module de :99 999 + 1 = 100 000.
Pour réaliser les expériences de
cette pratique, vous aurez à utiliser les circuits intégrés suivants :
MM 74C74
ou équivalent
MM 74C175
ou équivalent
MM 74C86
ou équivalent
MM 74C08
ou équivalent
MM 74C163
ou équivalent
MM 74C00
ou équivalent
MM 74C193
ou équivalent
MM 74C85
ou équivalent
MM 74C32
ou équivalent
2. - PREMIÈRE EXPÉRIENCE : EMPLOI D'UNE
BASCULE D
SYNCHRONE COMME COMPTEUR MODULO 2
Dans cette expérience, vous allez réaliser
le plus simple des compteurs en utilisant une bascule D
câblée en diviseur par
2.
La capacité de comptage de ce
circuit très simple est limitée ; en effet, il compte seulement jusqu'à
1. Il a donc
une
capacité de 1 et il est de
module 2.
Tout en étant très simple, ce
circuit est cependant important parce qu'il constitue l'élément de base des
compteurs de capacité plus élevée.
2. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT
a) Enlevez de la matrice et
des contacts du groupe de connecteurs toutes les liaisons et composants relatifs
à l'expérience précédente.
b) Prenez le circuit intégré
MM 74C74
(double
bascule D), introduisez-le sur la matrice dans la position indiquée
à la figure 3-a et effectuez les raccordements indiqués.
La figure 3-b montre le schéma électrique
du circuit réalisé.
2. 2. - ESSAIS DE FONCTIONNEMENT
a) Placez
SW0
et SW1 sur la position
0,
puis introduisez la fiche dans la prise de courant et mettez sous tension le
digilab. Vous constatez que les LED L0
et L1
sont éteintes.
b) Mettez à présent
SW1
sur la position 1: ainsi, l'entrée
PRESET
devient inactive. La bascule se trouve à l'état
0
(Q = 0 et = 1) puisque l'entrée
CLEAR
est active. Ceci est confirmé par le fait que L0
est éteinte et L1 allumée.
c) Placez SW0
sur la position 1, l'entrée
CLEAR
devient inactive comme l'entrée PRESET. La
bascule n'est donc plus forcée à aucun état et elle peut donc transférer en
sortie Q le niveau logique présent sur
l'entrée D à chaque transition positive du
signal d'horloge.
d) Appuyez ensuite sur le
bouton P0, le niveau
H
présent sur l'entrée D est donc transféré
en sortie Q, ce que vous remarquez en
observant la LED L0 allumée et la
LED
L1 éteinte.
En effet, la sortie
Q
est passée au niveau H et la sortie
au niveau L.
Ainsi, le circuit a pris en compte
une impulsion d'horloge et l'a signalée par un changement d'état en sortie
Q.
e) Appuyez une nouvelle fois
sur P0;L1
s'allume et L0 s'éteint.
En effet, le niveau
L
présent sur l'entrée D
a été transféré
en sortie Q. La bascule est revenue à l'état
0 (Q = 0
et = 1).
On peut interpréter ceci en disant
que le compteur a dépassé sa capacité et qu'il est retourné à son état
initial.
f) Commutez l'interrupteur de
l'alimentation sur "OFF".
En résumé, le circuit examiné se
révèle être un compteur de capacité 1.
En effet, mis à zéro initialement
au moyen de l'entrée CLEAR (sortie
Q à l'état
0), il est en mesure
de signaler une seule impulsion appliquée à son entrée CLOCK.
Cet événement a été indiqué par
la sortie Q qui est passée du niveau
L
au niveau H. Le compteur s'est donc porté
à l'état 1.
En appuyant une seconde fois sur
P0,
donc en appliquant une seconde impulsion d'horloge, vous avez dépassé la
capacité du compteur et ce dernier est revenu à l'état 0
initial.
Puisque deux impulsions suffisent
pour que le compteur revienne à son état initial, le compteur est de module
2.
La succession des états
0
et 1 du compteur peut être représentée
par le diagramme des états de la figure 4. Celui-ci montre bien qu'il n'y a que
deux états possibles.
Le passage d'un état à l'autre du
compteur ne se produit qu'à l'arrivée d'un front actif sur l'entrée CLOCK.
3. - DEUXIÈME EXPÉRIENCE : EMPLOI D'UN COMPTEUR COMME
DIVISEUR
DE FRÉQUENCE
Dans cette manipulation, vous allez
poursuivre l'examen du même circuit que celui utilisé dans l'expérience précédente.
Ce circuit sera examiné non pas comme compteur, mais comme diviseur.
Auparavant, la bascule a été
utilisée comme compteur de module 2. A présent,
celle-ci va être utilisée pour diviser par 2
la fréquence du signal appliqué à l'entrée CLOCK.
3. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT
a) Débranchez la liaison qui
relie la broche 3 du circuit intégré MM 74C74
au contact P0.
b) Reliez la
broche 3 au
contact CP1 et au contact L2,
comme indiqué à la figure 5-a.
c) Disposez le premier générateur
d'horloge du digilab sur la fréquence 1 Hz
en reliant le contact COM 1 au contact repéré
par l'inscription 1 Hz comme indiqué à la
figure 5-c.
Le schéma électrique du circuit réalisé
est représenté à la figure 5-b.
3. 2. - ESSAIS DE FONCTIONNEMENT
a) Placez SW0
sur la position 0 et
SW1
sur la position 1.
b) mettez sous tension le
digilab, vous constatez que L2 clignote à
la fréquence de 1 Hz tandis que
L0
est éteinte et L1 allumée.
c) Mettez SW0
sur la position 1, vous constatez que
L0
s'allume et s'éteint périodiquement. Elle reste allumée pendant
une seconde, puis reste éteinte la seconde suivante.
La période du signal sur la sortie
Q
vaut donc 2 secondes et la fréquence de ce
signal est de 1 / 2 Hz.
L0 clignote donc à une fréquence
2 fois
plus petite que celle de
L2.
Autrement dit, le
circuit divise par 2 la fréquence du signal
présent sur l'entrée CLOCK. Puisque le
signal d'entrée à une fréquence de 1
Hz,
le signal de sortie a donc une fréquence de 0,5 Hz.
La figure 6 représente la
succession des états 0 et
1
en entrée et les changements correspondants de l'état de la sortie.
Comme vous pouvez l'observer, la
sortie Q
de la bascule ne change d'état
qu'au front montant du signal d'horloge. Pour obtenir un cycle complet en
sortie, il faut donc deux cycles complets du signal d'horloge. La fréquence de
ce signal se trouve donc réduite de moitié.
Le compteur kilométrique de voiture
pourrait être considéré comme un diviseur s'il générait par exemple un
signal sonore (ou lumineux) chaque fois qu'il indique 00
000. En effet, un tel signal (en supposant que la vitesse de la
voiture soit constante) aurait une fréquence 100 000
fois plus petite que celle du signal qui fait avancer le compteur
d'un kilomètre.
Préparation du matériel
sa capacité
= 1) puisque l'entrée
CLEAR
est active. Ceci est confirmé par le fait que L0
est éteinte et L1 allumée.
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