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I - La fonction COMPTER/DECOMPTER

Introduction

Nous allons nous intéresser à la réalisation d'un réveil numérique.

Le réveil, en tant que système technique, est décrit par des diagrammes répondant à la norme SysMl:

  

Diagramme des cas d'utilisation (usecase):

Diagramme de définition de blocs du réveil:

Diagramme de définition de blocs de la partie "horloge":

 

Le travail de cette partie de TP va consister à gérer la partie "minutes"

   

La fonction COMPTER/DECOMPTER (apport de connaissances et de vocabulaire technique)

 

I.1 Généralités sur le comptage

En logique séquentielle, les compteurs peuvent être décris en citant 4 caractéristiques :

A – Le sens de comptage Il permet de différencier :

  • Les compteurs (évolution croissante de la valeur de sortie dans le temps)
  • Les décompteurs (évolution décroissante de la valeur de sortie dans le temps)


B – Le code dans lequel est exprimé la valeur sortie Il permet de différencier :

  • Les compteurs en binaire naturel (le binaire que l'on connait)
  • Les compteurs BCD (un codage binaire mais qui se limite à compter de 0 à 9, un peu comme le décimal) appelés aussi compteurs « décimaux » (ou à décade)
  • Les compteurs en Code Gray (code binaire mais différent du binaire naturel)
  • Etc...


C – Le type de basculement du compteur Il permet de différencier :

  • Les compteurs asynchrones (les composants ne fonctionnent pas en même temps mais les uns après les autres)
  • Les compteurs synchrones (les composants fonctionnent en même temps)


D – Le nombre de bits en sortie, ou l’intervalle de la valeur de sortie. Il permet de connaître l’ensemble des valeurs que peut prendre la valeur de sortie du compteur.

E - Il faut aussi impérativement préciser le mode de comptage

       Il permet de différencier :

  • Les compteurs  à cycle complet (par un exemple un compteur sur 3 bit qui compte de 000 à 111 (0 à 7)
  • Les compteurs  à cycle incomplet (par un exemple un compteur sur 3 bit qui compte de 000 à 101 (0 à 5). Il est incomplet car ce compteur est modulo 6 alors qu'il "pourrait" être modulo 8 (car sur 3 bits).


Exemples :

  • Un compteur 4 bits qui compte de 0 à 15 en binaire naturel est un compteur à cycle complet, car sa valeur de sortie utilise toutes les combinaisons possibles de ses sorties (24 = 16 combinaisons possibles). On dit souvent: compteur modulo 16
  • Un compteur 4 bits qui compte de 0 à 9 seulement (on l’appelle aussi compteur BCD) est un compteur  à cycle incomplet, car les 16 combinaisons de ses 4 sorties ne sont pas toutes utilisées.
  • Si on parle d’un compteur binaire naturel 7 bits à cycle complet, on sait qu’il compte forcément de 0 à 127 et qu'il est donc modulo 128 (128 = 27).


Remarque : Dans tous les cas, on appelle MODULO d’un compteur  le nombre d’états différents que peut prendre la valeur de sortie sur l’ensemble du cycle de comptage

  

   

Partie 1: questions d'ordre général:

Les réponses aux questions se trouvent dans les diagrammes SysMl décrivant le réveil. Les réponses doivent être justifiées.

1. L'affichage permettra de visualiser les heures, les minutes et les secondes ou seulement les heures et les minutes?

2. La partie horloge travaille-t-elle avec les heures les minutes et les secondes ou seulement avec les heures et les minutes?

  

Le signal généré par la partie "secondes" va être le signal suivant:

La fréquence donnée est 0,0166666667Hz

3. Calculer la période du signal. La valeur vous paraît-elle correcte?

  


Faisons quelques applications maintenant


4 - Un compteur en binaire naturel sur N bits est un compteur MODULO  :    N22N ou  2*N   (justifiez votre réponse)?

5 - Un décompteur en binaire naturel sur N bits est un compteur MODULO ............... N22N ou  2*N   (justifiez votre réponse)?

6 - Un décompteur synchrone à cycle incomplet, qui a 6 bits en sortie, et qui décompte de 59 à 4 est un décompteur compteur MODULO ..................... 59, 4, 56 ou 63   (justifiez votre réponse)?

7 - Soit un décompteur en binaire naturel sur 6 bits, qui est MODULO 64 :
                 S’agit-il d’un compteur à cycle complet ou incomplet    
                 Quel est l’intervalle exact des valeurs de sa sortie ? ........ de ?????  à  ???????


8 - Soit un compteur en binaire naturel sur 5 bits, qui est MODULO 11 :
                S’agit-il d’un compteur à cycle complet ou incomplet ?
                Quel est l’intervalle exact des valeurs de sa sortie ?    ..... de  0  à  ???????

  

Revenons maintenant à notre réveil:

9- Dans notre réveil, il y aura 3 compteurs (heures, minutes, secondes). Donnez les modulo des 3 compteurs et leur nombre de bits nécessaire pour chacun d'entre eux.

    

     

  

Partie 2: étude de circuits intégrés ("puces") réalisant la fonction "comptage" (cas des "minutes" ici)

  

Le compteur utilisé sera le circuit intégré 4510.

  

I.2 Simulation d’un compteur

Cette fonction peut-être faite par différents circuits. Nous allons réaliser une simulation avec le logiciel ISIS Proteus et le circuit 4510. Vous trouverez le schéma complet en dessous.

Effectuez chacune des 5 étapes suivantes en mémorisant les procédures effectuées dans le logiciel ISIS. De plus, des fonctions sont disponibles par clique droit.

Etape 1 – Ouvrez le logiciel de simulation Proteus (son icône de couleur bleue s’appelle ISIS 7 Professional et elle est disponible dans le menu Démarrer - Tous les programmes - Proteus 7 Professional ), et agrandissez sa fenêtre à tout l’écran. Dans la partie gauche de l’écran se trouve une boîte verticale de boutons : en plaçant le curseur de la souris sur un bouton, sans cliquer, une info-bulle affiche le nom du bouton. Le premier bouton de cette barre d’outils, en forme de flèche noire, s’appelle Mode sélection. Repérez les boutons nommés Mode composant, Mode point de jonction , Mode terminal et Mode générateur parmi les 23 boutons verticaux de cette barre d’outils et mémorisez leur position : vous aurez régulièrement besoin de ces boutons qui seront désormais désignés par leur nom, sans rappeler leur emplacement.

Etape 2 : Préparez les composants entourés sur l’image suivante, en allant les chercher dans les catégories indiquées. Pour cela :
Cliquez sur « Prendre un composant/symbole » dans le menu  « Bibliothèques » (raccourcis touche P)
Cliquez dans une des catégories puis double-cliquez sur le composant recherché : le composant se rajoute à la liste des composants dans votre espace de travail
Recommencez l’opération pour tous les composants que vous avez besoin
Fermez la boîte de dialogue Pick Devices après y avoir pris tous les composants (raccourcis Echap )

Etape 3 – Pour tester le compteur 4510.IEC et l’afficheur  7SEG-BCD dans leurs différents modes de fonctionnement du compteur (compteur, décompteur, remise à zéro, et pré-chargement de valeur), il faudra imposer un niveau logique fixe (0 ou 1) sur une entrée du compteur avec des générateurs LOGICSTATE . Connectez un LOGICSTATE sur chacune des entrées. Concernant l’entrée d’horloge, reliez la (borne 15) à un générateur  DCLOCK. Vous le réglerez en signal carré de période 2s. Ce générateur se trouve dans le « Mode générateur »

Astuce : pour rechercher un composant dont vous connaissez le nom mais pas la catégorie vous pouvez utiliser la recherche par Mots clés dans la boîte de dialogue Pick Devices (en cochant  identique sur tous les mots).

Etape 4 – Placez le compteur 4510 ainsi que les autres composants ( cf  image ci-dessous ) sur votre feuille de travail, puis reliez les bornes suivantes ( « Mode  point de jonction » )
La borne 15 est l’entrée d’horloge active sur front montant
La borne 9 est une entrée de remise à zéro : elle doit être à 0 pour que le compteur puisse compter
La borne 5 est une entrée de validation : elle doit être à 0 pour que le circuit soit validé
La borne 10 permet de choisir le sens de comptage : compteur (si M2=1) ou décompteur (si M2=0)
La borne 1 permet de pré-charger la valeur présente sur les bornes 4 (poids faible), 12, 13 et 3 (poids fort).
Les bornes 6 (poids faible), 11, 14 et 2 (poids fort) sont les 4 sorties du compteur (codées en BCD)
Et la borne 7 permet de mettre en cascade plusieurs compteurs en la reliant à la borne de l'entrée d'horloge du compteur suivant.

Etape 5 –Nous pouvons lancer la simulation afin d’observer les valeurs numériques en sortie du compteur Pour cela, cliquez sur « Exécuter » dans le menu « Mise au point » de Proteus (vous pouvez aussi utiliser le bouton de raccourcis « Jouer » (symbolisé par un triangle noir) placé en bas à gauche de l’écran). Observez l’évolution les valeurs logiques en sortie du compteur. Pour arrêter la simulation, cliquez sur « Stop animation »dans le menu « Mise au point » de Proteus (vous pouvez  aussi utiliser le bouton de raccourcis « Arrêt » (symbolisé par un carré noir) placé en bas à gauche de l’écran).  
Sachant que si une sortie est au niveau haut (état logique 1), le petit carré à côté de la sortie est rouge et la LED correspondante est allumée.

 

Une fois le montage dessiné, simulez-le. Maintenant vous pouvez répondre aux questions (vous pouvez vous aider de la documentation technique si besoin: 4510.pdf )

1 -  Complétez le tableau ci-dessous (après essais de la simulation).

Nb d’impulsion d’horloge

Valeur de la broche n°2

( 0 ou 1)

Valeur de la broche n°14

( 0 ou 1)

Valeur de la broche n°11

( 0 ou 1)

Valeur de la broche n°6

( 0 ou 1)

décimal

nom de la sortie

Qd

Qc

Qb

Qa

Poids (binaire)

23=8

22=4

21=2

20=1

1ère impulsion

2

3

4

5

6

7ème

.

2 - Est-ce que le résultat est normal. Conclure.


3 - A quoi sert la broche n°7 ?

4 - A quoi sert la broche n°9 ? Dans quel état logique (0 ou 1) agit-elle?

  

Maintenant nous allons modifier le modulo de notre compteur:

Pour modifier le modulo d'un compteur on va modifier le câblage de la broche N°7. Par exemple, si on veut réaliser un compteur modulo 5. Il doit donc compter de 0 à 4. Quand il arrive à 5 (0101 en binaire) il faut que le compteur repasse à zéro:

Qd

Qc

Qb

Qa

décimal

action

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

...

...

...

...

...

0

1

0

1

5

RAZ (remise à zéro)

L'équation de remise à zéro est donc: RAZ = Qc.Qa (on ne prend que les sorties à "1"). On va donc réaliser cette RAZ avec une porte ET:

On branchera la sortie de la porte ET sur l'entrée de remise à zéro (RAZ) du compteur. La prote ET choisie (And Gate en anglais!) sera une ET à 2 entrées dans la série 4xxx (préférer la version .IEC)

5 - Modifiez le compteur précédant pour le rendre modulo 5. Quand la simulation fonctionne, faites valider par le professeur.

6 - Proposez maintenant une solution pour réaliser un compteur (toujours BCD) à 2 décades (modulo 100). Il vous faut donc 2 compteurs (unités et dizaines), 2 afficheurs, .... Simulez le montage.

7 - Proposez une solution pour transformer le compteur BCD précédant (modulo 100) en un compteur BCD modulo 60. Vous ferez une impression d’écran. Simulez le montage.

    ça y est, on a réalisé notre compteur pour les minutes!