Telechargé par 15 35

Tp portes logiques

publicité
TP PSI
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
TP PSI
I-Objectifs du T.P.
I-Objectifs du T.P
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
TP PSI
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
I-Objectifs du T.P.
Partie 2 - Formation expérimentale
Notions et contenus
Capacités exigibles
Oscillateur.
Mettre en œuvre un ALI ou une porte
logique pour réaliser un oscillateur.
Partie 3 - Formation disciplinaire
Notions et contenus
Capacités exigibles
Porte logique.
Mettre en œuvre une porte logique
pour réaliser un oscillateur.
TP PSI
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
I-Objectifs du T.P.
On cherche à réaliser un oscillateur multivibrateur astable à l’aide de portes
logiques c’est-à-dire de composants fonctionnant en régime saturé et dont l’état de
sortie dépend de l’état de deux entrées en suivant les règles de la logique booléenne.
TP PSI
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
I-Objectifs du T.P.
On cherche à réaliser un oscillateur multivibrateur astable à l’aide de portes
logiques c’est-à-dire de composants fonctionnant en régime saturé et dont l’état de
sortie dépend de l’état de deux entrées en suivant les règles de la logique booléenne.
Les portes logiques sont donc très utilisées dans le traitement des signaux
numériques.
TP PSI
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
I-Objectifs du T.P.
On cherche à réaliser un oscillateur multivibrateur astable à l’aide de portes
logiques c’est-à-dire de composants fonctionnant en régime saturé et dont l’état de
sortie dépend de l’état de deux entrées en suivant les règles de la logique booléenne.
Les portes logiques sont donc très utilisées dans le traitement des signaux
numériques.
En notant 0 et 1 les valeurs des différents états (correspondant à des valeurs de
tension qui différent suivant la technologie utilisée), on trouve différents types de
portes :
TP PSI
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
I-Objectifs du T.P.
porte
ET
(ou AND)
OU
(ou OR)
NON-ET
(ou NAND)
schéma
E1
E2
E1
E2
E1
E2
&
≥1
&
condition logique
S
S
S
La sortie est à 1 si les 2
entrées sont à 1
La sortie est à 1 si au
moins une des 2
entrées est à 1
La sortie est à 1 si les 2
entrées ne sont pas
simultanément à 1
Il existe d’autres portes logiques (voir par exemple ici)
Table de
vérité
E1
E2
S
1
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
E1
E2
S
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
0
0
E1
E2
S
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
TP PSI
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
II-Présentation du circuit intégré 4011
I-Objectifs du T.P
II-Présentation du circuit intégré 4011
TP PSI
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
II-Présentation du circuit intégré 4011
Le circuits intégré de la série 4011 est l’un des composants de technologie CMOS le
plus largement utilisé dans le monde.
TP PSI
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
II-Présentation du circuit intégré 4011
Le circuits intégré de la série 4011 est l’un des composants de technologie CMOS le
plus largement utilisé dans le monde.
Travail demandé : que signifie CMOS ?
TP PSI
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
II-Présentation du circuit intégré 4011
Le circuits intégré de la série 4011 est l’un des composants de technologie CMOS le
plus largement utilisé dans le monde.
Il contient quatre portes NAND indépendantes. Sa popularité est fondé sur le fait
que n'importe quelle autre porte logique peut être créée en utilisant seulement des
portes NAND.
TP PSI
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
II-Présentation du circuit intégré 4011
Le circuits intégré de la série 4011 est l’un des composants de technologie CMOS le
plus largement utilisé dans le monde.
Il contient quatre portes NAND indépendantes. Sa popularité est fondé sur le fait
que n'importe quelle autre porte logique peut être créée en utilisant seulement des
portes NAND.
À ce titre, le 4011 est idéal pour apprendre la logique numérique en électronique
aussi bien qu‘en tant que pièce de rechange universelle pour réaliser une fonction
logique quelconque.
TP PSI
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
II-Présentation du circuit intégré 4011
Le schéma du brochage du composant est le suivant :
VCC
3
4
La broche 7 est reliée à la
masse.
6
5
7
12
11
10
&
Les broches 3, 4, 10, 11
sont les sorties des
portes.
14
13
&
2
&
Les broches 1, 2, 5, 6, 8, 9,
12, 13 sont les entrées
des portes.
&
1
masse
9
8
La broche 14 est sous 5 V obtenu
à partir de la sortie réglable de
l’alimentation (à vérifier avant
d’appliquer la tension).
TP PSI
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
II-Présentation du circuit intégré 4011
La porte NAND est dite universelle, car elle permet de reconstituer toutes les
autres fonctions logiques.
Par exemple, la porte NON (ou NOT), dont la table de vérité est
peut s’obtenir avec le circuit suivant :
E
&
S
E
S
1
0
0
1
TP PSI
II-Présentation du circuit intégré 4011
La porte NAND est dite universelle, car elle permet de reconstituer toutes les
autres fonctions logiques.
Par exemple, la porte NON (ou NOT), dont la table de vérité est
peut s’obtenir avec le circuit suivant :
E
&
E
S
1
0
0
1
S
VCC
3
5
6
7
12
11
4
10
&
Travail demandé : En faisant varier la tension constante
E de 0 à VCC, vérifier la table de vérité d’une porte NON et
déterminer le seuil de basculement Vb entre l’état logique 0
et l’état logique 1 lorsque E augmente, puis lorsque E
diminue.
14
13
&
2
&
1
&
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
masse
9
8
TP PSI
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
II-Présentation du circuit intégré 4011
VCC
3
10
&
6
7
12
11
4
5
14
13
&
2
&
Travail demandé : vérifier électroniquement la table de
vérité d’une porte NAND en adoptant comme tension d’entrée
VCC pour le niveau logique 1 et 0V pour le niveau logique 0.
&
1
masse
9
8
TP PSI
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
II-Présentation du circuit intégré 4011
I-Objectifs du T.P
II-Présentation du circuit intégré 4011
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
TP PSI
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
I-Objectif
II-Présentation du circuit intégré 4011
On réalise le circuit suivant :
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
&
VCC
3
10
&
6
7
12
11
4
5
14
13
&
2
&
Travail demandé : Justifier que ce montage est un oscillateur
et que la période d’oscillation est de l’ordre de grandeur du
temps de commutation de la porte.
Mesurer ce temps de commutation et le comparer à celui
annoncé dans le datasheet du composant.
&
1
masse
9
8
TP PSI
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
II-Présentation du circuit intégré 4011
I-Objectifs du T.P
II-Présentation du circuit intégré 4011
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
2) Oscillateur à deux portes
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
2) Oscillateur à deux portes
TP PSI
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
I-Objectif
II-Présentation du circuit intégré 4011
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
2) Oscillateur à deux portes
Il existe de nombreux montages de multivibrateurs astables utilisant deux portes
NAND. En voici un exemple :
R
&(1)
S1
E2
R’
&(2)
S2
R = 100 kΩ
R’ = 1M Ω
C = 10 nF
C
La résistance R’ sert à augmenter la résistance d’entrée de la porte (2). Elle doit
rester grande devant R et alors, elle n’intervient pas dans l’expression de la période
d’oscillation.
TP PSI
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
I-Objectif
II-Présentation du circuit intégré 4011
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
2) Oscillateur à deux portes
Il existe de nombreux montages de multivibrateurs astables utilisant deux portes
NAND. En voici un exemple :
R’
&(2)
S2
C
2
La résistance R’ sert à augmenter la résistance d’entrée de la
porte (2). Elle doit rester grande devant R et alors, elle
n’intervient pas dans l’expression de la période d’oscillation.
Travail demandé : acquérir les tensions des points S1 , E2 et
S2 par rapport à la masse. Représenter vS1(t), vS2(t) et vc(t) =
vE2(t)− vS1(t) en indiquant l’état successif des portes.
Mesurer la période pour plusieurs valeurs de R et tracer la
courbe T en fonction de R.
VCC
1
3
6
7
12
11
4
5
14
13
&
E2
10
&
S1
&
&(1)
&
R
R = 100 kΩ
R’ = 1M Ω
C = 10 nF
masse
9
8
TP PSI
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
II-Présentation du circuit intégré 4011
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
2) Oscillateur à deux portes
Calcul de la période
R
vC
&(1)
S1
E2
R’
&(2)
S2
C
La résistance R’ est supposée assez grande pour négliger l’intensité qui y circule.
Justifier la relation
dvC ( t )
RC
+ vC ( t ) = vS2 ( t ) − vS1 ( t )
dt
TP PSI
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
II-Présentation du circuit intégré 4011
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
2) Oscillateur à deux portes
Calcul de la période
R
vC
&(1)
S1
E2
R’
&(2)
S2
C
La résistance R’ est supposée assez grande pour négliger l’intensité qui y circule.
Justifier la relation
dvC ( t )
RC
+ vC ( t ) = vS2 ( t ) − vS1 ( t )
dt
L’étude de la bascule NOT a montré que sa tension de sortie vaut 0 V ou VCC alors
que la tension de bascule Vb ≈ VCC/2. Par ailleurs on peut montrer que les deux portes
ne sont jamais simultanément dans le même état (si R’ est très grand).
TP PSI
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
I-Objectif
II-Présentation du circuit intégré 4011
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
2) Oscillateur à deux portes
Calcul de la période
R
vC
&(1)
S1
E2
R’
&(2)
S2
C
La résistance R’ est supposée assez grande pour négliger l’intensité qui y circule.
Justifier la relation
dvC ( t )
RC
+ vC ( t ) = vS2 ( t ) − vS1 ( t )
dt
L’étude de la bascule NOT a montré que sa tension de sortie vaut 0 V ou VCC alors
que la tension de bascule Vb ≈ VCC/2. Par ailleurs on peut montrer que les deux portes
ne sont jamais simultanément dans le même état (si R’ est très grand).
On prend comme instant initial un instant de bascule de la porte (2) de l’état bas
à l’état haut. Les conditions initiales sont donc vS2(t = 0+) = VCC, vS1(t = 0+) = 0 et vc(t =
0+) = vc(t = 0−) = vb− E d’après la continuité de la tension aux bornes du condensateur.
TP PSI
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
I-Objectif
II-Présentation du circuit intégré 4011
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
2) Oscillateur à deux portes
Calcul de la période
R
vC
&(1)
S1
E2
R’
&(2)
S2
C
Déterminer vc(t) pour t ≥ 0 et déterminer l’instant t1 où se produit la nouvelle
bascule de la porte (2).
L’étude de la bascule NOT a montré que sa tension de sortie vaut 0 V ou VCC alors
que la tension de bascule Vb ≈ VCC/2. Par ailleurs on peut montrer que les deux portes
ne sont jamais simultanément dans le même état (si R’ est très grand).
On prend comme instant initial un instant de bascule de la porte (2) de l’état bas
à l’état haut. Les conditions initiales sont donc vS2(t = 0+) = VCC, vS1(t = 0+) = 0 et vc(t =
0+) = vc(t = 0−) = vb− E d’après la continuité de la tension aux bornes du condensateur.
TP PSI
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
II-Présentation du circuit intégré 4011
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
2) Oscillateur à deux portes
Calcul de la période
R
vC
&(1)
S1
E2
R’
&(2)
S2
C
Déterminer vc(t) pour t ≥ 0 et déterminer l’instant t1 où se produit la nouvelle
bascule de la porte (2).
Les conditions initiales pour t = t1+ sont donc vS2(t = t1+) = 0, vS1(t = t1+) = VCC et
vc(t = t1+) = vc(t = t1−) = vb d’après la continuité de la tension aux bornes du
condensateur.
TP PSI
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
I-Objectif
II-Présentation du circuit intégré 4011
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
2) Oscillateur à deux portes
Calcul de la période
R
vC
&(1)
S1
E2
R’
&(2)
S2
C
Déterminer vc(t) pour t ≥ 0 et déterminer l’instant t1 où se produit la nouvelle
bascule de la porte (2).
Les conditions initiales pour t = t1+ sont donc vS2(t = t1+) = 0, vS1(t = t1+) = VCC et
vc(t = t1+) = vc(t = t1−) = vb d’après la continuité de la tension aux bornes du
condensateur.
Déterminer vc(t) pour t ≥ t1 et déterminer l’instant t2 où se produit la nouvelle
bascule de la porte (2).
TP PSI
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
I-Objectif
II-Présentation du circuit intégré 4011
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
2) Oscillateur à deux portes
Calcul de la période
R
vC
&(1)
S1
E2
R’
&(2)
S2
C
Déterminer vc(t) pour t ≥ 0 et déterminer l’instant t1 où se produit la nouvelle
bascule de la porte (2).
Les conditions initiales pour t = t1+ sont donc vS2(t = t1+) = 0, vS1(t = t1+) = VCC et
vc(t = t1+) = vc(t = t1−) = vb d’après la continuité de la tension aux bornes du
condensateur.
Déterminer vc(t) pour t ≥ t1 et déterminer l’instant t2 où se produit la nouvelle
bascule de la porte (2).
  VCC + Vb 
 2VCC − Vb  
En déduire l’expression de la période T = RC  ln 
 + ln 
 

 VCC − Vb  
  Vb 
TP PSI
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
I-Objectif
II-Présentation du circuit intégré 4011
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
2) Oscillateur à deux portes
Calcul de la période
R
vC
&(1)
S1
E2
R’
&(2)
S2
C
Que devient l’expression de T si l’on tient compte de la relation entre VCC et E vue
précédemment ?
Les conditions initiales pour t = t1+ sont donc vS2(t = t1+) = 0, vS1(t = t1+) = VCC et
vc(t = t1+) = vc(t = t1−) = vb d’après la continuité de la tension aux bornes du
condensateur.
Déterminer vc(t) pour t ≥ t1 et déterminer l’instant t2 où se produit la nouvelle
bascule de la porte (2).
  VCC + Vb 
 2VCC − Vb  
En déduire l’expression de la période T = RC  ln 
 + ln 
 

 VCC − Vb  
  Vb 
TP PSI
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
II-Présentation du circuit intégré 4011
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
2) Oscillateur à deux portes
Calcul de la période
R
vC
&(1)
S1
E2
R’
&(2)
S2
C
Que devient l’expression de T si l’on tient compte de la relation entre VCC et E vue
précédemment ?
Travail demandé : comparer les résultats de ce modèle (allure des courbes et
valeur de la période) avec les résultats expérimentaux obtenus précédemment.
TP PSI
I-Objectif
OSCILLATEUR À PORTES LOGIQUES
II-Présentation du circuit intégré 4011
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
2) Oscillateur à deux portes
Complément :
Travail demandé : Étudier les montages indiqués dans ce document.
Source : http://gilbert.perse.pagesperso-orange.fr/electronique/cmos/4011/4011applis.htm
TP PSI
I-Objectif
DIAGRAMME DE BODE FILTRAGE
II-Présentation du circuit intégré 4011
III-Astables à portes logiques
1) Oscillateur à une porte
2) Oscillateur à deux portes
C’est tout pour aujourd’hui
R & Q prod
Téléchargement