Générateur de Nombres Aléatoires compris entre 1 et 90Réalisation d'un Chronomètre et Générateur de Nombres Aléatoires compris entre 1 et 90 :
8. - CINQUIÈME EXPÉRIENCE : RÉALISATION D'UN CHRONOMÈTRE
Dans cette expérience, les afficheurs vont servir à réaliser un chronomètre pouvant compter jusqu'à 99 secondes.
8. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT
a) Enlevez toutes les liaisons et les composants relatifs à l'expérience précédente.
b) Insérez sur la matrice, le compteur modulo 16 MM 74C163, le décodeur 4 entrées - 10 sorties MM 74C42, le circuit intégré MM 74C00 (quadruple NAND), le décodeur 4 entrées - 16 sorties MM 74C154 et le compteur synchrone à 4 bits MM 74C193.
c) Effectuez les liaisons indiquées à la figure 25-a.
Comme ce montage comporte un nombre élevé de liaisons, utilisez des fils de couleurs différentes et procédez au câblage avec attention.
Vous pouvez vous assurer que le circuit réalisé reflète bien le schéma électrique de la figure 25-b.
Vous remarquez que ce schéma électrique commence à être assez complexe.
En effet, il comprend déjà cinq circuits intégrés, et la compréhension globale du circuit nécessite un certain travail de réflexion.
Aussi, en électronique, on utilise généralement des schémas synoptiques qui permettent une compréhension beaucoup plus aisée des circuits.
La figure 26 représente un tel schéma synoptique. C'est celui du circuit que vous venez de réaliser.
La différence fondamentale par rapport au schéma électrique est la diminution radicale du nombre des liaisons.
Dans ce schéma synoptique, vous remarquez qu'il existe deux types de liaisons. L'un est représenté par une ligne unique, l'autre par deux lignes parallèles se terminant par une flèche.
Une ligne unique représente un seul conducteur électrique (une seule liaison). Deux lignes parallèles représentent un ensemble de liaisons de même type. C'est le cas des quatre sorties du compteur des unités.
Parfois, le nombre des liaisons est indiqué. C'est toujours le cas de la figure 26 avec les quatre sorties du compteur des unités.
Il est possible d'analyser le fonctionnement du circuit à partir de ce schéma synoptique.
Le compteur des unités s'incrémente au rythme d'une unité toutes les secondes. Lorsqu'il arrive à 9, la sortie 9 du décodeur qui lui est rattaché applique un niveau logique L sur l'entrée CLEAR.
Au dixième front actif de l'horloge, le compteur des unités passe donc à 0 et le compteur des dizaines passe à 1 et ainsi de suite. A chaque fois que le compteur des unités passe de 9 à 0, celui des dizaines s'incrémente d'une unité.
En effet, la sortie 9 du décodeur des unités passe au niveau L au niveau H et occasionne ainsi un front montant actif sur l'entrée CLOCK du compteur des dizaines. Parallèlement à l'incrémentation des deux compteurs, les deux afficheurs DIS0 et DIS1 indiquent les chiffres situés en sortie des deux compteurs.
8. 2. - ESSAI DE FONCTIONNEMENT
a) Mettez SW0 sur la position 0.
b) Mettez le digilab sous tension.
Les deux afficheurs indiquent 00, car les entrées LOAD des deux compteurs étant au niveau L, le compteur des unités est prépositionné à 0 lors du premier front positif du signal CP1 (le compteur des dizaines est remis à 0 instantanément).
c) Ramenez SW0 sur la position 1. A partir de cet instant, le chronomètre commence à compter les secondes qui s'écoulent. L'afficheur DIS0 indique les secondes et l'afficheur DIS1 les dizaines de secondes.
Lorsque le compteur arrive à 99, il repasse à 00 au coup d'horloge suivant.
d) Appuyez sur P0 pendant quelques secondes. Vous observez que les afficheurs restent bloqués.
e) Relâchez P0. Le comptage reprend, non pas à partir du nombre sur lequel il s'est arrêté mais à partir du nombre réel de secondes qui se sont écoulées depuis le début du comptage.
En effet, en appuyant sur P0, les entrées LATCH LE0 et LE1 sont activées et le nombre présent à cet instant est mémorisé. Cependant, le comptage continue, ce qui explique que lorsque vous relâchez le bouton P0, les afficheurs indiquent le nombre réel atteint par le chronomètre à cet instant.
f) Mettez SW0 sur la position 0. Le chronomètre repasse donc à zéro.
g) Mettez le digilab hors tension.
Cette expérience vous a permis de voir qu'il est possible de réaliser un chronomètre à l'aide de circuits intégrés spécifiques.
Le principe utilisé dans les montres digitales est le même. Les deux différences résident dans le fait qu'un oscillateur à quartz est utilisé dans les montres numériques et dans le fait que le niveau d'intégration des circuits logiques est très poussé. Dans l'expérience que vous avez réalisé, vous utilisez des circuits intégrés standards et universels, dont les applications peuvent être multiples, et pour cela votre montage occupe un certain volume non négligeable.
Analysons maintenant en détail le fonctionnement de ce montage.
Quand SW0 est positionné sur 0, le compteur MM74C193 charge le nombre binaire présent sur ses entrées, soit 0000 dans le cas présent.
Le compteur des unités charge le même nombre binaire 0000 au front actif de l'horloge puisque l'entrée LOAD est synchrone.
Tant que SW0 reste sur la position 0, le compteur des unités est en mode chargement et par conséquent charge en permanence 0000 à chaque front actif d'horloge.
Dès que SW0 est ramené sur la position 1, le chronomètre commence à compter les secondes qui s'écoulent.
En effet, le compteur des unités s'incrémente de 0 à 9, à 9 la sortie 9 du décodeur MM74C42 passe au niveau L ; or, cette sortie est reliée à l'entrée CLEAR synchrone du compteur des unités et à l'entrée COUNT UP du compteur des dizaines.
Donc au dixième front d'horloge actif, le compteur des unités passe à zéro puisque l'entrée CLEAR est au niveau L. L'afficheur DIS 0 indique donc le chiffre 0. Simultanément, la sortie 9 du décodeur MM74C42 repasse à l'état H et par conséquent, le compteur des dizaines s'incrémente d'une unité et passe ainsi à 1.
Le comptage continue ainsi jusqu'à 99.
Au centième front actif de l'horloge, le compteur des unités repasse donc à 0. Le compteur des dizaines passe à 10 et la sortie 10, du décodeur MM74C154 passe donc à 0 simultanément. Donc l'entrée CLEAR asynchrone du compteur des dizaines est activée et ce compteur repasse immédiatement à zéro.
Donc en fait, le chronomètre passe de façon presque instantanée de 99 à 00.
La sortie 10 du décodeur MM74C154 ne reste que quelques dizaines de nanosecondes au niveau L.
La figure 27 représente un chronogramme du fonctionnement du chronomètre relatif aux deux sorties des deux décodeurs.
Ce chronomètre constitue également un compteur modulo 100.
9. - SIXIÈME EXPÉRIENCE : RÉALISATION D'UN GÉNÉRATEUR DE NOMBRE
ALÉATOIRES COMPRIS ENTRE 1 et 90
Vous allez maintenant réaliser un circuit qui, une fois actionné, affiche automatiquement un nombre compris entre 1 et 90.
Ce circuit est bien entendu un compteur dont le fonctionnement est basé sur le même principe que celui de l'expérience précédente. Il diffère seulement par le fait qu'il compte jusqu'à 90 au lieu de 99 et qu'il repart de 1 au lieu de 0.
9. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT
a) Supprimez du dernier circuit réalisé les liaisons indiquées en pointillé sur la figure 28.
b) Ôtez de la matrice le circuit intégré MM 74C00 et mettez à sa place le circuit intégré MM 74C02 (quadruple NOR).
c) Insérez sur la matrice la diode 1N4148, un condensateur électrolytique au tantale de 1 µF (respectez la polarité de ses bornes) et une résistance de 1 MW comme indiqué à la figure 29.
d) Effectuez les liaisons représentées en noir sur la figure 29.
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La figure 30 représente le schéma électrique et le schéma synoptique du circuit réalisé. Ces deux schémas diffèrent de ceux du chronomètre par la présence du réseau comprenant les portes NOR A, B et la porte NOR C.
Le réseau comprenant les portes A et B est chargé d'assurer le caractère aléatoire du tirage du nombre.
La porte C permet de mettre à zéro le compteur des dizaines lorsque arrive la quatre-vingt-onzième impulsion d'horloge.
9. 2. - ESSAI DE FONCTIONNEMENT
a) Branchez l'alimentation : les afficheurs indiquent un nombre aléatoire compris entre 1 et 90.
b) Appuyez sur P0 : le compteur s'incrémente à la fréquence de 100 Hz. Vous voyez donc défiler les nombres sur les deux afficheurs.
c) Relâchez P0 : au bout d'un certain temps, les deux afficheurs s'immobilisent sur un nombre qui est le résultat du tirage.
Chaque fois que vous actionnez P0, vous procédez à un nouveau tirage.
d) Débranchez l'alimentation.
Le circuit examiné a la même structure que celui de la cinquième expérience. A part le fait qu'il compte de 1 à 90 au lieu de 0 à 99, il ne comporte pas de remise à zéro initiale.
Pour que le compteur passe de 90 à 01, il suffit de décoder le nombre 91 et faire une remise à zéro du compteur des dizaines.
Le décodage est assuré par la porte NOR C qui reçoit les signaux de la sortie 9 du décodeur des dizaines et de la sortie 10 du décodeur des unités.
Lorsque ces deux sorties passent au niveau L, cela indique que le compteur a incrémenté jusqu'à 91. Ainsi, la sortie de la porte NOR C passe au niveau H et effectue donc une remise à zéro du compteur des dizaines par l'entrée CLEAR.
Le compteur étant asynchrone, le circuit reste à l'état 91 pendant un court instant pour passer presque instantanément à l'état 01, comme on le voit à la figure 31.
Les deux autres portes NOR A et B, conjointement avec une cellule RC et une diode, ont pour but de rendre le tirage plus aléatoire.
Lorsque l'on appuie sur P0, on applique un niveau H à l'entrée de la porte NOR A. Cette porte étant câblée en inverseur, on trouve à sa sortie un niveau L qui valide la porte NOR B. Ainsi le signal d'horloge de 100 Hz fourni par CP1 se retrouve inversé à la sortie de la porte NOR B et incrémente le circuit composé des deux compteurs.
Lorsque P0 est relâché, la tension à l'entrée de la porte A ne chute pas immédiatement car le condensateur de 1 µF met un certain temps pour se décharger dans la résistance de 1 MW.
La sortie de la porte A ne passera au niveau H que lorsque la tension aux bornes du condensateur descendra, en dessous du seuil de commutation de cette porte.
Dès lors, le signal d'horloge de 100 Hz ne pourra plus franchir la porte B et le comptage s'arrêtera donc.
Le tirage est doublement aléatoire. Tout d'abord celui qui appuie sur P0 ne peut savoir à quel nombre est parvenu le compteur (les chiffres des afficheurs défilent trop rapidement), ensuite la décharge du condensateur introduit une indétermination supplémentaire.
Dans la prochaine pratique, seront examinés les circuits sommateurs et les multiplexeurs.
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