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 2004 - Giustini R. -
1/ Analogique - Numérique Bases de l’électronique numérique Le monde analogique Le monde numérique Exemple : mesure d’une température Exemple : capteur de position angulaire ( girouette ) 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 2004 - Giustini R. -
2.a/ Numération - Bases Les 3 principales bases de numération Base Bases de l’électronique numérique Les 3 principales bases de numération Base Binaire 2 Décimale 10 Hexadécimale 16 Symboles utilisés 0,1 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 0,1,..,9,A,B,C,D,E,F Bit = Binary Unit 0 : état bas = Low 1 : état haut = High Chiffres Le 'A' est l'équivalent du "chiffre" 10 … 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 = 1E ou 31 11110b, #11110 1Eh, $1E, Ox1E 2004 - Giustini R. -
2.b/ Numération de position - Rang , Poids Bases de l’électronique numérique 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 Nombre 4 9 1 Rang du chiffre 3 2 Poids du chiffre 103 102 101 100 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 ) 2004 - Giustini R. -
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 ) Autres codes binaires : Binaire réfléchi ( Gray ) , avec signe , … La calculatrice Windows permet les conversions dans les deux sens entre les bases 2 , 8 , 10 et 16 2004 - Giustini R. -
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 reste donne le chiffre de poids faible. Exemple : écriture du nombre N10 = 43 en base 2 N2 = 101011 LSB = 1 : chiffre impair 2004 - Giustini R. -
2.e/ Compter en base B Base 10 Base 2 Bases de l’électronique numérique Base 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 … Base 2 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100 … C’est déjà le dernier chiffre ! Remises à 0 en cascade ! C’est le nombre max avec 3 bits, le nombre suivant est 1000b = 23 Voir couleurs dans Propriétés de l'affichage / Paramètres Voir palette couleur de PaintShopPro avec codage RVB sur 3 octets = 6 chiffres Hexa ouvrir un nouveau dessin ( bmp 24 bits ) puis cliquer sur sélection de couleur avant ou arrière plan. 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. 2004 - Giustini R. -
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 : Logique combinatoire sur des grandeurs binaires ( 1 bit ) TA<25 TB<25 Résultat Commentaires il ne faut pas chauffer 1 il faut chauffer ( il fait trop froid à l’extrémité B ) il faut chauffer ( il fait trop froid à l’extrémité A ) il faut chauffer ( il fait trop froid partout ) 2004 - Giustini R. -
3.b/ Opérateurs logique Bases de l’électronique numérique Ce sont des opérateurs booléens et non arithmétiques Les 5 opérateurs logique de base : R est à 0 si l’entrée est à 1 A R Not Non Symbole R = /A R = A . B R = /(A . B) R = A + B R = /(A + B) R = A B R est à 1 si toutes les entrées sont à 1 A R B And Et R est à 0 si toutes les entrées sont à 1 A R B Nand Non Et R est à 1 si au moins une des entrées est à 1 A R B Or Ou Algèbre de Bool R est à 0 si au moins une des entrées est à 1 A R B Nor Non Ou R est à 1 si une seule des entrées est à 1 A R B Xor Ou Exclusif 2004 - Giustini R. -
3.c/ Exemple de Circuit Intégré : HEF4011 Bases de l’électronique numérique Le HEF4011 construit par Philips est un Circuit Intégré ( CI ) de la famille CMOS . Extraits de la documentation : Attention, ancienne norme du symbole Laisser ouvert la doc du 4011 pour Voh Vol … 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. 2004 - Giustini R. -
3.d/ Utilisation du CI 4011 Bases de l’électronique numérique On veut utiliser le 1er Nand : entrées I1 , I2 , sortie O1 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. 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 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 ). Le CI est alimenté avec VDD = +5V 5V C’est l’utilisateur qui doit fixer l’état des entrées ( pas d'entrée en l'air ) : Courant limite en CMOS , entrée en l'air en TTL = 1 Document ( pdf ) : HEF4000 family C’est le CI qui fournit l’état de la sortie : Pour un courant 0 dans la sortie 2004 - Giustini R. -
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 sortie la 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 VOH on 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 Liaison avec inter et del de crocodile Mesurer U sur une entrée du port parallèle / mesure de Rpullup par ½ tension 2004 - Giustini R. -
3.f/ Addition Somme ( arithmétique ) de deux bits Bases de l’électronique numérique Somme ( arithmétique ) de deux bits Réalisation d'un "demi additionneur" A B S R A B Somme Retenue 0 1 1 0 1 11011 + 1001 Somme de deux nombres binaires 27 + 9 = 36 Attention : opérateur logique + <> opérateur arithmétique + 100100 2004 - Giustini R. -
4.a/ Bascule RS – antirebond Bases de l’électronique numérique Des portes qui se mordent la queue ! S R Q 1 Qn-1 Interdit Qn-1 état précédent de Q Simulation Crocodile : Bascule RS Un interrupteur ça rebondit ? Simulation Crocodile : AntiRebond 2004 - Giustini R. -
4.b/ Bascule D La bascule D Une bascule D est une mémoire élémentaire. Bases de l’électronique numérique La bascule D Simulation Crocodile : BasculeD D H Q x Qn-1 1 Une bascule D est une mémoire élémentaire. Document ( pdf ) : Bascule D : HEF4013B Logique séquentielle , voir 4013 avec Set (preset) et Reset (clear) Laisser ouvert fichier croc pour compteur Autres bascules : bascule JK bascule T … 2004 - Giustini R. -
4.b/ Compteurs Bases de l’électronique numérique Un compteur ( binaire ) asynchrone avec des bascules D : Si D=/Q, Q change d'état à chaque front actif de H Le front montant de /Q , c'est le front descendant de Q Défaut des compteurs asynchrone Document ( pdf ) : Compteur 12bits : HEF4040 2004 - Giustini R. -
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 magnétique lecture 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 2004 - Giustini R. -
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 ). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 63 Chaque case numérotée de 0 à 63 contient un octet Pour repérer une case, je dois fournir son adresse donc un nombre ( binaire ) de bits. 6 Pour accéder au contenu d'une case , la donnée il faut bits. 8 Bus d'adresse Bus de donnée Document ( pdf ) : Mémoire SRAM 512K x 8 2004 - Giustini R. -
4.f/ Lire – Écrire dans une RAM Bases de l’électronique numérique Une entrée R/W du CI sert à sélectionner l'opération : R/W = 0 : opération écriture la donnée présente sur le bus est écrite à l'adresse spécifiée ( l'ancienne donnée est perdue ). R/W = 1 : opération lecture c'est la mémoire qui fournit sur le bus la donnée lue à l'adresse spécifiée. 1 2004 - Giustini R. -
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 : TH TL Dx Fermé Ouvert 1 Hi-Z Voir doc SRAM page 8 ; /E : stand by ; /G : tri state 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 2004 - Giustini R. -