L’électronique numérique

L’électronique numérique • La place du numérique • Dans la technologie actuelle • Dans le programme de MPI • Comprendre les fiches techniques de matériel Exao : Interfaces Exao Bases de l’électronique numérique • Programme • Les bases • Le monde Analogique / Le monde numérique • Les numérations binaire / décimale / hexadécimale • Opérateurs logique / Circuits intégrés logique • Mémoires • Conversion Analogique Numérique • Résolution , erreur de quantification • Échantillonnage • Technologie des CAN • Conversion Numérique Analogique • Réseau R/2R

Exemple : capteur de position angulaire ( girouette ) Exemple : mesure d’une température 1/ Analogique - Numérique Bases de l’électronique numérique Le monde analogique Le monde numérique •  Les avantages du numérique • Tolérance sur les niveaux de tension ( Immunité au bruit ) • Puissance de calcul – Programmation – Facilité de stockage •  Les inconvénients du numérique • Beaucoup de fils en transmission parallèle • Erreurs de quantification et d’échantillonnage

2.a/ Numération - Bases Bases de l’électronique numérique • Les 3 principales bases de numération Un même nombre N possède une écriture différente suivant la base : Le nombre 31 ( en décimal ) s’écrit 11110 en binaire et 1E en hexadécimal , Il vaut mieux préciser la base pour éviter les ambiguïtés : N10 = 31 N2 = 11110 N16 = 1Eou 31 11110b, #11110 1Eh, $1E, Ox1E

Dans une numération de position , un chiffre n’a pas le même poids suivant sa position ( son rang ) dans le nombre. Exemple en décimal : ce 4 signifie 4 dizaines , son poids est 10 ce 4 signifie 4 milliers , son poids est 1000 2.b/ Numération de position - Rang , Poids Bases de l’électronique numérique Règles générales Rang d’un chiffre : le chiffre le plus à droite a toujours le rang 0 Dans une écriture en base B, le poids du chiffre de rang R est BR En écriture binaire,le bit le plus à droite s'appelle le LSB ( Less Significant Bit )le bit le plus à gauche s'appelle le MSB ( Most Significant Bit )

2.c/ Conversion d’une base B vers le décimal Bases de l’électronique numérique Pour obtenir l’écriture décimale d’un nombre écrit dans une base B, il suffit d’attribuer à chaque chiffre son poids. Exemples :N2 = 1001 N10 = 1.23 + 0.22 + 0.21 + 1.20 = 9 N16 = 4F  N10 = 4.161 + 15.160 = 79 ( F représente le « chiffre » 15 ) La calculatrice Windows permet les conversions dans les deux sens entre les bases 2 , 8 , 10 et 16

Exemple : écriture du nombreN10 = 43en base 2N2 = 101011 2.d/ Conversion de décimal vers une base B Bases de l’électronique numérique Il faut réaliser des divisions Euclidiennes successives par B,chaque reste donne un chiffre.  Le premier restedonne le chiffre de poids faible.

2.e/ Compter en base B Bases de l’électronique numérique C’est déjà le dernier chiffre ! Remises à 0en cascade ! C’est le nombre max avec 3 bits,le nombre suivant est 1000b = 23 En base B avec n chiffres, on peut compter de 0 à Bn – 1 Soit Bn valeurs différentes. Exemple : sur un PC les couleurs sont codées par un nombre de 16 bits ( 2 octets ),on peut donc dénombrer 216 = 65536 couleurs différentes.

3.a/ Opérateur logique - exemple Bases de l’électronique numérique Exemple :TA et TB sont les températures aux deux extrémités d’une très grande salle. Le chauffage doit se mettre en marche si TA ou TB est inférieure à 25°C. On peut définir la table de vérité de cet opérateur OU :

Symbole Non Not A R R est à 0 si l’entrée est à 1 Et And A R B R est à 1 si toutes les entrées sont à 1 Non Et Nand A R B R est à 0 si toutes les entrées sont à 1 Ou Or A R B R est à 1 si au moins une des entrées est à 1 Non Ou Nor A R B R est à 0 si au moins une des entrées est à 1 OuExclusif Xor A R B R est à 1 si une seule des entrées est à 1 3.b/ Opérateurs logique Bases de l’électronique numérique  Ce sont des opérateurs booléens et non arithmétiques Les 5 opérateurs logique de base :

Le HEF4011 construit par Philips est un Circuit Intégré ( CI ) de la famille CMOS .Extraits de la documentation : Attention,ancienne norme du symbole 3.c/ Exemple de Circuit Intégré : HEF4011 Bases de l’électronique numérique Documentation complète du 4011 ( pdf ) : HEF4011UB Pour pouvoir fonctionner le CI doit être alimenté par une tension continue entre VDD ( +5 à +15V ) et VSS ( Ground = 0V ). Il existe une autre famille de CI logique : la famille TTL,plus rapide mais consommation plus importante.L’équivalent du 4011 en TTL est le 7400.

On veut utiliser le 1er Nand : entrées I1 , I2 , sortie O1 • Le CI est alimenté avec VDD = +5V • Pour mettre une entrée à 1 , il faut la porter à un potentiel compris entre 3,5V et 5V : on peut la relier au +5V. • Pour mettre une entrée à 0 , il faut la porter à un potentiel compris entre 0V et 1,5V : on peut la relier à la masse ( 0V ). • Si le résultat est 0 : le potentiel de O1 sera proche de 0V • Si le résultat est 1 : le potentiel sera proche de VDD Pour un courant  0 dans la sortie 3.d/ Utilisation du CI 4011 Bases de l’électronique numérique 5V  C’est l’utilisateur qui doit fixer l’état des entrées ( pas d'entrée en l'air ) : Document ( pdf ) : HEF4000 family  C’est le CI qui fournit l’état de la sortie :

3.e/ En plus pratique • Des interrupteurs pour choisir l'état des entrées R : Résistance de tirage ( Pullup ) de l'ordre de 10 k Inter fermé = "0" sur l'entrée Bases de l’électronique numérique • Une DEL pour visualiser l'état de la sortiela DEL "en direct" sur la sortie c'est pas clean : suivant la famille logique , la tension sur la sortie O1 peut chuter en dessous de VOHon utilise un transistor pour que le courant demandé à la sortie O1 reste faible.On peut remplacer le transistor par un inverseur "tampon" ( 4049B ) Simulation Crocodile: DELvisualisation

11011+ 1001 Réalisation d'un "demi additionneur" A S B R • Somme de deux nombres binaires 3.f/ Addition Bases de l’électronique numérique • Somme ( arithmétique ) de deux bits 100100

4.a/ Bascule RS – antirebond Bases de l’électronique numérique • Des portes qui se mordent la queue ! Qn-1 état précédent de Q Simulation Crocodile :Bascule RS • Un interrupteur ça rebondit ? Simulation Crocodile :AntiRebond

La bascule D Simulation Crocodile : BasculeD 4.b/ Bascule D Bases de l’électronique numérique Une bascule D est une mémoire élémentaire. Document ( pdf ) :Bascule D : HEF4013B • Autres bascules : • bascule JK • bascule T …

4.b/ Compteurs Bases de l’électronique numérique • Un compteur ( binaire ) asynchrone avec des bascules D : Si D=/Q,Q change d'étatà chaque front actif de H Le front montant de /Q , c'est le front descendant de Q Document ( pdf ) :Compteur 12bits : HEF4040

4.d/ Mémoires • Mémoires électroniques : • - ROM : Read Only Memory ( Mémoire morte ) • ROM , PROM : destruction de fusibles , court circuit de jonctions • EEPROM : charge piégée dans la grille isolée d'un transistor MOS • - RAM : Random Access Memory ( assimilé à Mémoire vive ) • SRAM (statiques) : bascule à transistor MOS • DRAM (dynamiques) : charge ( ou absence de charge ) de la capacité d'un transistor MOS • MRAM (magnétiques) : en développement Bases de l’électronique numérique • Mémoires de masse : • disquette , disque dur : changement de polarité ( +/- ) de la magnétisation d'une couche magnétiquelecture et écriture par induction magnétique • CD , DVD : trou / absence de trou dans une couche métallique , lecture et écriture optique Un site très intéressant : Comment ça marche l'informatique http://www.commentcamarche.net

Bus d'adresse Bus de donnée 4.e/ Adresse - Donnée Bases de l’électronique numérique • Je dispose d'un CI qui peut mémoriser des données sous forme d'octet (8 bits)sa capacité est de 64 Octets ( 64 Bytes ). • Chaque case numérotée de 0 à 63 contient un octet • Pour repérer une case, je dois fournir son adressedonc un nombre ( binaire ) de bits. 6 • Pour accéder au contenu d'une case , la donnéeil faut bits. 8 Document ( pdf ) :Mémoire SRAM 512K x 8

Une entrée R/W du CI sert à sélectionner l'opération : 1 0 R/W = 1 : opération lecturec'est la mémoire qui fournitsur le bus la donnée lue à l'adresse spécifiée. R/W = 0 : opération écriturela donnée présente sur le busest écrite à l'adresse spécifiée( l'ancienne donnée est perdue ). 4.f/ Lire – Écrire dans une RAM Bases de l’électronique numérique

4.g/ Le troisième état du binaire ?? Plusieurs CI sont branchés sur le même bus , Bases de l’électronique numérique lorsqu'un CI n'est pas concerné par l'échange des données , on met ses broches Do… Dn dans l'état "Haute Impédance" ( Hi-Z ) à l'aide d'une broche E ( Enable ) ou CE ( Chip Enable ) ou OE ( Output Enable ) … Principe d'une sortie 3 états : On peut aussi trouver une broche qui met le CI en mode Standby : économie d'énergie. Document ( pdf ) :Mémoire SRAM 512K x 8 mode Hi-Z et standby page 8

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