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.

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