les portes logiques edu-011
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LES PORTES LOGIQUES EDU-011 L'Edu-011 décrit et expérimente le fonctionnement de la porte logique TTL, les principes d'une opération logique binaire et le tableau de vérité. Les différentes pratiques expérimentent avec les principaux types de portes : NOT, AND/NAND, OR/NOR, XOR, contrastant ses différences et en exposant visuellement le comportement arithmétique propre de chacune. Le module ne requiert pas de composants ou matériel additionnel pour la réalisation des différentes expériences, tous les éléments nécessaires sont inclus dans le circuit, vous n’aurez besoin que d’un multimètre et une alimentation Pratique 0 - Électronique numérique, la logique binaire. Définition niveau haut et bas. Zéro et Un logiques. Structure et types de portes logiques. Pratique 1 - La Porte OR/NOR. Fonctionnement et réponse de la porte NOR. Mise en oeuvre pour fonction OR. Pratique 2 - La Porte AND/NAND. Fonctionnement et réponse de la porte NAND. Mise en oeuvre pour fonction AND. Pratique 3 - La Porte XOR. Fonctionnement et réponse de la porte XOR de deux entrées. Pratique 4 - La Porte NOT. Fonctionnement et réponse de la porte NOT et double négation. Réglementation et Identification des Eléments de la série EDU. Pour permettre une identification rapide et une réglementation unique pour les différentes pratiques et les circuits des modules éducatifs Cebek, tous les éléments communs répondent à un code de couleurs ou forme déterminée. Test Point.(TP). Il permet de connecter les pointes de l'oscilloscope ou du multimètre pour réaliser les lectures des paramètres relatifs à la leçon pratique. Selon sa couleur, il indiquera que le Tes tPoint (TP) est connecté au positif ou au négatif du circuit, lecture de courant, detension, charge, etc www.cebek.eu - [email protected] EDU-011 Avant de commencer… Avant d'entamer chacune des pratiques, lisez s'il vous plaît attentivement les instructions et les indications de la pratique. Réalisez des connexions sûres dans les points de contact indiqués, sinon les mesures dépendantes de ces connexions seront confuses ou incorrectes. N'effectuez pas, court-circuitez ou unissez des connexions non spécifiées dans ces instructions. Cela pourrait endommager le circuit. Si la led d'alimentation « PWR » n'est pas illuminé ou cesse soudainement sa fonction, déconnectez rapidement l'alimentation du dispositif et vérifiez qu'aucun courtcircuit n’est en train de se produire, ainsi que l'état du fusible. Bien que les pratiques décrites puissent être effectuées en suivant les indications du manuel, nous conseillons l’accompagnement et la supervision de celle-ci par un personnel enseignant qui permet la consultation, l'extension et l'aide des concepts décrits. Dans le circuit, chaque pratique sera délimitée par un rectangle avec le numéro correspondant. Sur celle-ci il pourra être réalisée une ou plusieurs expériences. Alimentation du module. Le module requiert 12 V.DC pour son alimentation. Vous devez utiliser une source stabilisée de laboratoire ou si vous préférez, la source Cebek FE- 113. L'alimentation du circuit est uniquement effectuée à travers du connecteur male de la plaque, ne pas injecter d’autre type de signal sur un autre terminal du circuit . Une fois alimenté, le circuit fournit les tensions nécessaires pour expérimenter avec chaque pratique. Pour la connexion de l'alimentation, le module inclut un câble avec connecteur male à une extrémité et les terminaux nus du câble à l'autre. Connectez chacun des terminaux, en respectant la polarité du connecteur, à la sortie correspondante de la source d'alimentation. A la fin vouspourrez les insérer dans le module. Note . Le fusible du circuit est de 250 mA Connecteur mâle Connecteur femelle Matériel néces s aire. Aucun matériel ni composants additionnels ne seront nécessaires pour utiliser et expérimenter avec ce module. Il est uniquement requis les instruments de mesure indiqués pour pouvoir obtenir et contraster les valeurs des pratiques. Pour ce module vous aurez besoin d’un ou plusieurs multimètres dans leur fonction comme voltmètre et ampèremètre. Et si vous avez un Oscilloscope vous pourrez aussi l’utiliser en substitution du voltmètre. Bibliographie. - Sur Google : HD74LS Séries - Sur Google : ULN2803. - Sur Internet : www.findernet.com | www.ralux.com - Sur Internet : www.findernet.com/es/pdf/bigfiles/para_el_instalador_04-05.pdf Pratique 0. Electronique Numérique, la logique binaire et la porte logique L'électronique numérique comprend toutes les applications basées sur les deux états de base du calcul, le zéro et le un. Les opérations définies par ce principe électrique du tout ou rien ont permis le développement des opérations mathématiques électroniques de base, le stockage de données, la comparaison, la transmission de parties d'information, l'analyse de signaux, l'ordinateur… l'informatique et l'électronique moderne. Définir de la variable à l’aide de seulement deux états possibles, est connu comme fonctionnement ou «logique » binaire et elle dénommée « bit ». « Le niveau bas » représente l'état de coupure d'un transistor, (il ne conduit pas), et le «haut niveau » répond à l'état en saturation, (il conduit). Dans un circuit numérique, toute tension qui demeure sous un certain niveau, est dédaignée et se calcule comme niveau bas, alors que la tension au-dessus de l'autre niveau déterminé est calculée comme haut niveau. Graphiquement, dans un circuit numérique exprimé par une source d’alimentation constante de 5 V., le niveau bas = 0 V. alors que le haut niveau = 5 V. Par contre, dans une source d’alimentation constante de ±5 V., le niveau bas = -5 V. alors que le haut niveau = +5 V. 2 www.cebek.eu - [email protected] EDU-011 Signaux DC 5V logique Signaux +/- DC 5V logique de haut niveau 5V de haut niveau + 5V Faible Faible 0 V. -5 V. Les applications dérivées du traitement numérique, requièrent la réalisation d'opérations arithmétiques de base et simples entre les signaux logiques. Somme, soustraction, multiplication, affirmation/négation, qui à leurs tours permettent le développement d'autres plus complexes. Ces opérations sont menées à bien à l’aide des configurations de transistors groupés lesquels sont dénommés « Portes logiques ». Une porte logique est composée d'un nombre déterminé d'entrées et d’une seule sortie, et selon l'opération logique qu'ils développent ils seront électriquement exprimés avec un symbole ou un autre. Les principales portes sont OR/NOR, AND/NAD, XOR et NOT. Expression minimale d'une porte logique Alimentaire (à haute valeur déterminée) Entrée A Opération arithmétique Sortie Entrée B Alimentaire (faible valeur déterminée) Au contraire des transistors simples, les portes logiques ne sont pas distribuées industriellement de manière individuelle, les fabricants réunissent sous un même circuit intégré plusieurs portes d'un même type d'opération. Ainsi chaque circuit intégré peut normalement contenir de 2 à 6 portes de somme, de multiplication, de négation, etc. et avec un nombre différent d'entrées. Il existe principalement deux types de familles de portes logiques intégrées, TTL et CMOS. Chacune d'elles représente une certaine vitesse de traitement de calcul, consommation et tension de contrôle, ainsi que logique positive ou négative. Toutes les deux rassemblent d'innombrables types de configurations de porte ce qui permet de sélectionner et de travailler avec des constantes communes de famille selon les besoins de la conception. Pratique 1. La porte OR/NOR. L'EDU-11 utilise des circuits intégrés TTL pour le développement des pratiques. La tension d’alimentation et de travail de cette famille sont normalement de 5 V.DC., ce pourquoi le haut niveau est 5 V. et le bas est 0 V. En outre chaque expérience de l'EDU-11 utilise la logique positive. Ainsi, le « 1 » logique équivaut et représente au haut niveau, (5 V.), et le « 0 » logique équivaut au niveau bas, (0 V.). Symboles électriques Le symbole électrique de la porte NOR est la négation de sa porte de référence, la OR, comme toutes les portes niées, elle est représentées de al même manière que son homologue mais en ajoutant un point identificateur à la sortie. Le nombre d'entrées se partage uniformément à gauche du symbole, à droite est centrée la sortie. Porte OR Porte Nor La pratique un permet de vérifier le fonctionnement d'une porte NOR de deux entrées avec toutes les possibilités que la combinaison de tension « 0 » ou « 1 » dans les deux peut produire sur la sortie. L'objectif de la pratique est d'élaborer un tableau de résultats, « tableau de vérité », qui vérifie la fonction de Somme inversée dans une porte NOR et la somme dans une OR. La pratique utilise le circuit intégré 7402, composé intérieurement de quatre portes NOR de deux entrées. La première porte fonctionne comme une NOR standard, alors que la deuxième se configure pour nier le résultat de l’antérieure et obtenir grâce au schéma complète la même réponse que si il n’y avait qu'une seule porte OR. Les interrupteurs SW-1A et SW-1B fournissent « 0 » ou « 1 » à chaque entrée. Appliquez un voltmètre ou oscilloscope entre les pointes de test TP1A et TP1C pour affichée la chute de tension sur l'entrée 2 et un autre dispositif de mesure entre TP1B et TP1C pour vérifier l'entrée 3. La sortie sera affichée entre TP1D et TP1E. Quand la tension de chute dans l'entrée 2 ou dans l'entrée 3 sera égale à Vcc, (5 V. approx), la sortie sera égal 0 V. et la Led Low sera illuminé. Quand les deux entrées seront égal à 0 la sortie il sera égale à Vcc et uniquement la Led High s’illuminera. L'allumage de la led Low reflète la logique de la porte OR, alors que l'illumination de High indiquera celle de la porte NOR. www.cebek.eu - [email protected] 3 EDU-011 Pratique un schéma de câblage Somme logique. La porte OR effectue cette opération, indifférente du nombre d'entrées, (bit), tout bit auquel sera ajouté un 1 donnera toujours comme résultat un 1. La porte NOR, (OR niée), effectue de la même manière la somme mais inverse le résultat. Pratique 2. La porte AND/NAND. Le tableau de vérité sert à représenter graphiquement, complètement et clairement le résultat de toutes les combinaisons possibles des entrées d'un système numérique. Elle est toujours représentée comme un rectangle où les colonnes représentent les entrées et la sortie, et les lignes chaque possible combinaison avec son résultat. Au lieu d'enregistrer la valeur de tension des entrées on utilise le 1 et 0 logiques. Symboles électriques Comme toutes les portes niées, le symbole électrique de la porte NAND est représente de la même manière que son homologue, la AND mais en y ajoutant un point identificateur à la sortie. Le nombre d'entrées se te reparti uniformément à gauche du symbole, à droite est centrée la sortie. Porte AND Porte NAND La pratique deux, multiplication binaire, utilise une porte NAND de deux entrées avec toutes les possibilités que la combinaison de tension « 0 » ou « 1 » dans les deux peut produire sur la sortie. L'objectif de la pratique est d'élaborer un tableau de vérité, qui vérifie la fonction de multiplication inversée dans une porte NAND et la multiplication dans une AND. La pratique utilise un circuit intégré 7401, composé intérieurement de quatre portes NAND de deux entrées. La première porte fonctionne comme une NAND standard, alors que la deuxième se configure pour nier le résultat de l’antérieure et obtenir par le schéma complet la même réponse que si il s’agissait d'une seule porte OR. Schéma de câblage Pratique 2 4 www.cebek.eu - [email protected] EDU-011 Les interrupteurs SW-2A et SW-2B fournissent « 0 » ou « 1 » à chaque entrée. Appliquez un voltmètre ou oscilloscope entre les pointes de test TP2A et TP2C pour afficher la chute de tension sur l'entrée 2 et un autre dispositif de mesure entre TP2B et TP2C pour vérifier l'entrée 3. La sortie sera affichée entre TP2D et TP2E. Quand la tension de chute dans l'entrée 2 ou dans l'entrée 3 sera égale à 0 V., la sortie sera égale à Vcc. et la led High sera illuminé. Quand les deux entrées seront égal à Vcc. La sortie 1 sera égale à 0 V. et seul la led Low sera illuminée. L'allumage de la led High indique la logique de la porte AND, alors que l'illumination de la led Low indique celle de la porte NAND. Multiplication logique. La porte AND effectue cette opération, indifféremment du nombre d'entrées, (bit), tout bit multiplié par 0 donnera toujours comme résultat 0. La porte NAND, (AND niée), multiplie de la même manière mais inverse le résultat. Pratique 3. La porte XOR. Un précepte de conception dans des circuits logiques est de connecter entre les pins positif et négatif d'alimentation de chaque circuit intégré, normalement définis comme VCD et VSS, un condenseur de déconnexion de 100nF, opération proposée par ex. C4, C5, C6 ou C7. La fonction de ce condenseur est de protéger l'entrée de parasites dans le circuit intégré à travers de l'alimentation et d'éviter des anomalies de fonctionnement pour cette raison. Symboles électriques Comme toutes les portes, le symbole électrique de la porte Or Exclusive Niée, XNOR, est représentée de la même manière que son homologue, XOR mais en y ajoutant un point identificateur à la sortie. Le nombre d'entrées se repartis uniformément à gauche du symbole, à droite est centrée la sortie.. Porte XOR Porte XNOR La pratique trois, Exclusivement OR, utilise une porte XOR de deux entrées avec toutes les possibilités que la combinaison de tension « 0 » ou « 1 » dans les deux peut produire sur la sortie. L'objectif de la pratique est d'élaborer un tableau de vérité, qui vérifie la fonction XOR de deux entrées avec la réitération d'une deuxième porte XOR en série. La pratique utilise un circuit intégré 7486, composé intérieurement de quatre portes XOR de deux entrées. La première porte fonctionne comme une XOR de deux entrées standard, alors que la seconde confirme le tableau de vérité de la première, offrant toujours une sortie égale à « 0 », car il n'existe jamais une différence entre aucune de ses deux entrées. Schéma de câblage Pratique 3 Les interrupteurs SW-3A et SW-3B fournissent « 0 » ou « 1 » à chaque entrée. Appliquez un voltmètre ou oscilloscope entre les pointes de test TP3A et TP3C pour afficher la chute de tension sur l'entrée 1 et un autre dispositif de mesure entre TP2B et TP2C pour vérifier l'entrée 2. La sortie sera affichée entre TP3D et TP3E. Quand la tension de chute dans l'entrée 1 et dans l'entrée seront différents entre elles, la sortie sera égale à Vcc. ET aucun led ne sera illuminé. Lorsque les deux entrées seront égales, la sortie 3 sera égale à 0 et seule la Led High sera illuminée. L'illumination de la Led High indique la logique de la porte XNOR, alors que son extinction indique la fonction XOR pour deux entrées. Or Exclusive, (XOR). Une XOR de deux entrées donne comme résultat 1 uniquement lorsque les entrées seront différentes, (différent niveau). Dans une XOR de trois ou plus d’entrées, la sortie est égale à 1 si le nombre d'entrées = 1 est impaire. Si le nombre d'entrées = 1 est paire la sortie XOR = 0. www.cebek.eu - [email protected] 5 EDU-011 Pratique 4. La porte NOT. Selon la technologie de la porte, une entrée laissée sans connexion « à l'air » est interprétée comme un 1 logique. Cependant, pour éviter des interférences et forcer la valeur d'entrée des portes, on utilise des résistances à positif d'alimentation, (pull-up), ou résistances à négatif, (pull-down), assurant ainsi la valeur souhaitée à 1 ou 0, selon les besoins. Voir comme exemple la R13 « pull-up » de la pratique. La porte NOT est l'inversion d'un signal, et non pas l'opération logique entre plusieurs, pour cette raison sa représentation graphique est un symbole électrique avec une seule entrée et une seule sortie. Symboles électriques Porte NOT La pratique quatre, négation ou porte d'inversion, utilise deux des six portes NOT. Cette porte n’admet qu’une seule variable ou entrée à « 0 » ou « 1 » logiques. L'objectif de la pratique est d'élaborer un tableau de vérité, qui confirme la fonction d'inversion d'une porte NOT, et en même temps, l'effet de nier deux fois un même signal. La pratique utilise un circuit intégré 7404, composé intérieurement de six portes NOT. Les deux portes utilisées sont connectées en série. Les pointes de test permettent de vérifier la réponse individuelle pour chacune d’entre elles ou le résultat final à travers des deux à l’aide des leds. Schéma de câblage Pratique 4 L'interrupteur SW-4A fournira un « 0 » ou « 1 » selon sa position. Appliquez un voltmètre ou oscilloscope entre les pointes de test TP4A et TP4B pour affciher la chute de tension sur l'entrée et un autre dispositif de mesure entre TP4C et TP4D pour vérifier la sortie de la première porte d'inversion. Quand la tension de chute dans l'entrée sera égale à 0 V., la première porte fournira « 1 ». et la Led High sera illuminé grâce à une nouvelle négation de la porte 2. Lorsque les deux entrées seront égales à Vcc. la première porte fournira « 0 » et seule la Led Low s’illuminera. L'allumage de la Led High reflète la logique du signal sans changement, (double négation), et la Led Low la négation de la NOT. Négation logique. La porte NOT effectue cette opération, tout bit nié est égal à sa valeur inverse. 0 = 1/1= 0. 6 www.cebek.eu - [email protected]
