Ch 4 etude des circuits sequentiels




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I) Etude des bascules.
La bascule est un circuit bistable pouvant prendre deux états logiques "0" ou "1" . L'état de la bascule peut être modifié en agissant sur une ou plusieurs entrées. Le nouvel état de la bascule dépend de l'état précédent, c'est l'élément de base des circuits séquentiels. La bascule peut conserver son état pendant une durée quelconque, elle peut donc être utilisée comme mémoire.

1,1) Bascules R S et

R

S



Q1

Q1


RSQ1Q2

00x

0110

1001

1100

R

Q2



1
Q2

S

Q2



Niveau « 1 » actif

Interdit

S : Set = mise à un. . . Q1 est forcé à un par .S . .

R : Reset = mise à zéro. . . Q2 est forcé à un par .R . .


Autre montage : Bascule Application : Anti-rebond.


&

Q1


RSQ1Q2

0011

0101

1010

11x

Interdit


Niveau « 0 » actif
Q2

&


1,2) Bascule R S H ( Bascule synchrone ).
C'est une bascule R S dont la prise en compte de l'état des entrées est synchronisée par une impulsion d'horloge. Ceci permet d'éviter l'arrivée accidentelle de "zéro" sur R ou sur S.
S

Q

Lorsque H = .0. il y a mémorisation de l’état précédent.



S
&

&



Q

R

H



S

Q



&

&

R



R




Signal d'horloge: Une bascule synchronisée peut être déclenchée sur le front montant  ou sur le front descendant  de l'impulsion d'horloge.

De plus, afin d'obtenir un fonctionnement correct, le constructeur indique des temps à respecter.


Entrée

ts : temps de stabilisation .

Horloge

th : temps de maintien (holding time)


ts

th

Chronogramme

h

Table de vérité

t

RSQ



00x

0110

1001

11

S
t
R


Interdit

t
Q
t




1,3) Bascule J K synchrone.
La bascule J K synchrone (simple étage) est obtenue à partir d'une bascule R S H dont les sorties sont rebouclées sur les entrées. Ceci permet d'éliminer l'état indéterminé.
&

&

J



Q

J

Q



H

K



&

&



K

Chronogramme

Table de vérité h
t

RSQ

00x

0110

1001

11x

J
t
K


t
Q
t


Remarque: Pour J = K = .1. , on dit que l'on est dans le mode basculement et l'on définit la bascule « T »(Toggle). Cette bascule passe à l'état opposé à chaque signal d'horloge.
Attention: Les montages que nous avons vus sont des montages de principe qui permettent de comprendre le fonctionnement mais ils ne répondent pas à l'exigence « déclenchement sur front ».

Les bascules déclenchées sur front possèdent un circuit détecteur de front qui permet leur basculement uniquement sur un front montant ou un front descendant.



1,4) Bascule D.
A) Bascule D synchrone.
Une bascule D est réalisée à partir d'une bascule R S ou J K dont les entrées sont reliées par un inverseur. Ceci impose donc que les entrées prennent des états complémentaires.
Réalisation:
Q

D

Q



Q

S

D



J

D







1

1
k


R


Table de vérité Chronogramme

h

DQ



00

11

t

D


t
Q
t


Utilisation: La sortie prend l'état de l'entrée D aprés l'impulsion d'horloge. Ceci permet par exemple de synchroniser le transfert de données en parallèle. (Voir codeur de clavier).
B) Bascule D à verrouillage ( Latch ).
Cette bascule ne possède pas de circuit détecteur de front et la sortie Q prend donc l'état de l'entrée D tant que l'horloge est à l'état haut.

D
&


&

Q

D



Q

H

V





&

&



1

Table de vérité Chronogramme

D

DVQ



x0Q

010

111

t
V
t


D
t


Remarque : On ne parle plus dans cette bascule de l’entrée d’horloge mais plutôt de l’entrée de validation.

1,5) Bascule Maitre-Esclave.
Problème: Les bascules synchrones nécessitent des états stables sur leurs entrées au moment de la transition du signal d'horloge, cela n'est pas toujours possible lorsque plusieurs bascules sont cablées entre elles (ex: en comptage) et l'on a des aléas de fonctionnement.

Q

Q


Q

J

J



QA
A

B

H


H

K

K


t

Solution: Il existe des bascules à 2 étages qui évoluent en 2 temps.
1er temps: Verrouillage du 2ème étage

Prise en compte des entrées par le 1er étage

2ème temps Verrouillage du 1er étage

Prise en compte des données par le 2ème étage





  1. Bascule R S H Maitre-Esclave.

Maitre Esclave

S
&

&

&



&

Q

1



H

&



&

&

&


R
B) Bascule J K Maitre-Esclave.
Maitre Esclave

S
&


&

&

&



J

Q

1



H

&



&

&

&


K
R


Remarque: En agissant directement sur la bascule esclave, on peut forcer à "1" ou "0" la sortie Q de la bascule J K R et S sont des entrées de forçage.

II) Etude du comptage.
2,1) Comptage / décomptage asynchrone.(Le modulo 8 nécessite 3 bascules J K)

Compteur modulo 8 Chronogrammes.

h

NQcQbQa



0000

1001

2010

3011

4100

5101

6110

7111

1

2



3

4

5



6

7

0


t
Qa
t

Qb
t


Qc

t


Qc

Qa

Qb


« 1 »

J Q


K

J Q


K

J Q


K
h

RaZ


Décompteur modulo 8. Chronogrammes.

NQcQbQa

7111

6110

5101

4100

3011

2010

1001

0000

h

7



6

5

0



1

4

3



2
t
Qa
t

Qa

Qb


t

Qb
Qc


Qc
t

Qc

Qa



Qb
« 1 »

J Q


K

J Q


K

J Q


K
h

RaZ



c) Compteur / Décompteur modulo 8. (Hb = Comp . Qa + Décomp . Qa ).

C

&



&

1

1



1
J Q

K

J Q



K

J Q


K
1

1

h



a

b

c



&

&

D



d) Compteur asynchrone modulo 10.
En général, La réalisation d'un compteur modulo 10 se fait par la remise à zéro du compteur à la 10ème impulsion.

Ce type de compteur présente donc pendant un court instant la combinaison 1 0 1 0 (10) sur ses sorties, le temps de la remise à zéro.

Afin d'éviter cet état intermédiaire on peut anticiper l'évolution des bascules au passage de

1 0 0 1 (9) à 0 0 0 0 (0) au lieu de 1 0 1 0.


Il faut donc: - Forcer le bit de poids fort à passer à zéro. . .

- Interdire au bit de poids 21 de passer à « 1 ». . . . . .


Montage

Qa

Qc



Qb

Qd

1



1
J Q

K

J Q



K

J Q


K

J Q


K

a

c



d

b

1



1

1
Table de vérité. Chronogrammes.

h

t

NQdQcQbQa



00000

10001

20010

30011

40100

50101

60110

70111

81000

91001

101000

Qa
t


Qa
t
Qa

t
Jd


t
Qa
t
Jb

t

2,2) Comptage en synchrone.


a) Compteur modulo 8 synchrone.
L'impulsion d'horloge est appliquée simultanément à chaque bascule. Celles-ci évoluent en fonction des informations présentent sur leurs entrées J, K au moment ou apparait l'impulsion. Il faut donc prépositionner J et K à l'instant t pour obtenir le basculement désiré à l'instant t+1.

JKQ

00Q

010

101

11

QnQ n-1


01

10

11

00

JK


1x

x1

x0

0x

Si QC, QB, QA, sont les sorties de trois bascules on a la table de vérité suivante:


NQcQbQaJcKcJbKbJaKa

00000x0x1x

10010x1xx1

20100xx01x

30111xx1x1

4100x00x1x

5101x01xx1

6110x0x01x

7111x1x1x1


Equations: (des entrées J et K obtenues par KARNAUGH).
JA = KA = 1
JB = KB = Qa
JC = KC = Qa . Qb
Schéma:
Qc

Qa

Qb


« 1 »

&

J Q



K

J Q


K

J Q


K
a

c

b


h


b) Décompteur modulo 8 synchrone.

NQcQbQaJcKcJbKbJaKa

7111x0x0x1

6110x0x11x

5101x00xx1

4100x11x1x

30110xx0x1

20100xx11x

10010x0xx1

00001x1x1x

Equations: (des entrées J et K obtenues par KARNAUGH).

JA = KA = 1.

JB = KB =

JC = KC = .


Schéma:

Qc

Qa



Qb
« 1 »

&

J Q



K

J Q


K

J Q


K
a

c

b


h


c) Compteur / Décompteur modulo 8 synchrone.
Analyse du problème En comptage C = .0. JB = KB = .Qa.

En décomptage C = .1. JB = KB = . Qa.

d'ou JB = KB = Qa . + a C = Qa C

/D

JC = KC = Qa . Qb . + a b C = (Qa C) (Qb C)

&
=1

=1

1



J Q

K

J Q



K

J Q


K
a

b

c



h
2,3) Compteur prépositionnable.
Si nous avons accés aux entrées de forçage S et R sur les bascules, nous pouvons initialiser (prépositionner) le compteur à une valeur autre que zéro. Une entrée de chargement (load) permet la prise en compte des entrées parallèles a,b,c …
Schéma.

&

&



fs
1

J Q


a
K

J Q


b
K

J Q


c
K

h

1



1

1
&


&

&
&


&

&
load

a

c

b




Chronogrammes:
7
6

4

5



7

3

3

4

5



6

7

h



Qa

Qb

Qc



fs

load


Application: Diviseur de fréquence différent de 2n . (voir manipulation)
2.4) Applications sur le comptage asynchrone.
a) Tracer les chronogrammes des sorties Qa, Qb, Qc, Qd d’un compteur 74 LS 90 lorsqu’il est utilisé : - en B C D;

- en biquinaire.


b) Réaliser le schéma complet et normalisé d’un compteur modulo 60 à l’aide des compteurs 74 LS 90 et 74 LS 92 avec sortie sur afficheurs.
c)réaliser l’étude d’un compteur-décompteur synchrone modulo 10.

2,5) Réalisation de chaine de comptage ( x. 4 BITS )
Pour réaliser des compteurs de grande capacité, on connecte des compteurs 4 bits en cascade ce qui est rendu très aisé par la présence de fonctions particulières sur certains circuits.


  1. Etude du 74190 et du 74191:

Ces compteurs B C D synchrones possédent deux sorties particulières;

- RCE ou RCO : transmet le dixième front d’horloge pour la décade de poids supérieur .

- M + m : passe à 1 pour 9 en comptage  et 0 en décomptage.

0

9

0



9
h
Chronogrammes:

M+m


RCE

Cette connexion peut être réalisée de 3 manières différentes.


1) Chaîne connectée en mode asynchrone
Seule la décade des unités (LSB) reçoit les impulsions à compter sur son entrée d’horloge (CP). Les autres décades reçoivent sur l'entrée CP, le signal de sortie de la décade de poids inférieur. Toutes les décades sont en position de "fonctionnement autorisé", avec l'entrée à "0" sauf la premiere qui reçoit un ordre extérieur pour valider ou non le comptage. Enfin, toutes les décades reçoivent le signal de comptage/décomptage UP/DOWN.

D C B A


Cp U RCE

En

D C B A



Cp C RCE

En

D C B A



Cp D RCE

En

h


0v

0v


Trois conditions sont nécessaires pour un bon fonctionnement.


- l'état de l'entrée "DOWN / UP " ne doit pas être modifié quand le signal d'horloge est à zéro, car sinon la sortie RCE qui est conditionnée par l'état de DOWN / UP à travers la sortie M+ m, pourrait délivrer une impulsion parasite ;
- cet état de DOWN / UP ne doit pas être non plus modifié avant que le signal d'horloge ne se soit propagé jusqu'au dernier étage de la chaîne, sinon les derniers étages pourraient compter au lieu de décompter d'une impulsion (ou inversement) ;
- la vitesse de fonctionnement est limitée par le temps de propagation du signal "horloge" à travers la chaine. La durée du signal d'horloge sera conditionnée par le temps de réponse des sorties , elle dépend aussi du nombre d'étages.
2) Chaîne connectée en mode synchrone (propagation en cascade)
Toutes les décades reçoivent simultanément l'impulsion de comptage (en CP). La premiere décade permet de bloquer le fonctionnement par son entrée . La sortie est utilisée pour permettre l’incrémentation de la décade de poids supérieur en validant cette-dernière par .

h

D C B A



Cp U RCE

En

D C B A



Cp C RCE

En

D C B A



Cp D RCE

En
999

1000
Comme une sortie ne passe à zéro que lorsque l'entrée (c'est-à-dire ici la sortie de la décade précédente) passe à zéro, il y a nécessairement un retard qui devient de plus en plus grand à mesure que le nombre d'étages croît. La fréquence de fonctionnement en sera donc limitée d'autant. On retrouve la limitation propre au report série.

RCE u


RCE d
RCE c


3) Chaîne connectée en mode synchrone avec propagation anticipée
C'est l'organisation qui permet le fonctionnement le plus rapide, pour des bascules d'un type donné. Les impulsions de comptage sont envoyées simultanément à toutes les décades, ainsi que la commande DOWN / UP, mais l'autorisation de fonctionnement (condition sur l'entrée ) est élaborée en mettant en condition ET les états, exprimés par M + m, de tous les étages précédents (report parallèle).

h

D C B A



Cp U RCE

En M+m


D C B A

Cp C RCE


En M+m

D C B A


Cp D RCE

En M+m


D C

Cp M


En

&

&


On constate que la premiere décade reçoit un ordre extérieur sur l'entrée , par lequel on commande l'état de toute la chaîne (validation de fonctionnement) et l'autorisation de la décade de poids supérieur est simplement obtenue à partir de la sortie de la premiere décade (la sortie est conditionnée par l'état de M + m).
La fréquence maximale de fonctionnement de cette chaîne est donc seulement limitée par un seul temps de retard, quelque soit la longueur de cette chaîne, celui de M + m plus le temps de réponse d'une porte NON ET, soit au total typiquement 25 ns.


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