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