Les Portes Logiques à Travers l'Electronique

I Présentation

A) Introduction

Nous avons utiliser les portes logiques au TP précédent. Mais des questions restent en suspend à ce jour :

• Pourquoi un tel langage de programmation ?
• Pourquoi travailler avec des fonctions logiques comme "or" et "and" ?
• Quel est l'intérêt de manipuler exclusivement des zéros et des uns ?

Commençons par définir les termes scientifiques que nous allons utiliser.

B) Grandeurs binaires

Une grandeur binaire ne peut prendre que deux valeurs, par exemple :

Le résultat d'un test  :	Température < 25°C	peut être	Vrai ou Faux
L'état d'un composant :	un interrupteur	peut être	Ouvert ou Fermé
	un témoin lumineux	peut être	Allumé ou Éteint
En informatique :	un bit	peut prendre la valeur	1 ou 0

Pour simplifier on se ramène toujours aux valeurs 0 et 1

par exemple 

• si le test (Température < 25°C) est faux le résultat sera : 0
• si le test (Température < 25°C) est vrai le résultat sera : 1    

C) Opérateurs logiques

Un opérateur logique va effectuer une opération logique entre des grandeurs binaires pour donner un résultat sous forme de grandeur binaire, 0 ou 1.

Pour décrire une opération logique on peut donner sa "Table de vérité", c'est à dire un tableau qui donne la valeur du résultat pour toutes les combinaisons possibles des grandeurs d'entrée .

D) Aspect technologique

Les portes logiques sont des circuits intégrés ( C.I. ) permettant de réaliser des fonctions logiques fondamentales ; ils en contiennent généralement 4 exemplaires identiques. Elles sont présentes par milliers dans les ordinateurs et permettent d'obtenir une rapidité de calcul impressionnante.

Les circuits intégrés que nous allons utiliser ont 14 broches ( 2 x 7 ) :

• deux sont réservées à l'alimentation ( une patte à la masse et l'autre au potentiel +Vcc ).
• les douze autres pattes concernent 4 portes identiques.

Chaque porte a, en général, deux entrées et une sortie.

Nous utiliserons des circuits de technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor ), mais, il existe également des circuits de technologie TTL ( Total Transistor Logic ).

Il existe plusieurs types de portes comme nous le verrons par la suite.

Exemples de brochage :

La porte 4069 ( 6 inverseurs )	Brochage de la série 4000 ( sauf 4069 )

E) Niveau de tension

Suivant la famille logique utilisée, les tensions d'alimentation , d'entrées et de sorties varient.

Une variable logique (dite booléenne) est une grandeur binaire: elle peut donc prendre deux valeurs « 0 » ou « 1 ».

Sur le plan électrique, pour représenter chacune d’entre elles, il faut utiliser deux tensions.

	Suivant la famille logique utilisée, les tensions d'alimentation , d'entrées et de sorties varient. Une variable logique (dite booléenne) est une grandeur binaire: elle peut donc prendre deux valeurs « 0 » ou « 1 ». Sur le plan électrique, pour représenter chacune d’entre elles, il faut utiliser deux tensions.
	Suivant la famille logique utilisée, les tensions d'alimentation , d'entrées et de sorties varient. Une variable logique (dite booléenne) est une grandeur binaire: elle peut donc prendre deux valeurs « 0 » ou « 1 ». Sur le plan électrique, pour représenter chacune d’entre elles, il faut utiliser deux tensions.

Par exemple avec une porte CMOS alimentée par V_cc = 9 V : les domaines de niveau logique Bas et Haut sont obtenus à partir des tensions e1 =2,7 V et e2 = 4,9 V.

F) Algèbre de Boole

Une variable logique (dite booléenne) peut donc prendre deux valeurs « 0 » ou « 1 ». Elle peut être utilisée pour représenter une proposition ou l'état d'un objet.

Exemple : elle sera égale à " 1 " pour une DEL allumée (ou tout autre dispositif), "0" si elle est éteinte.

L'algèbre de BOOLE est l'algèbre qui régit les opérations sur des variables logiques (0 ou 1)

Exemple:

Cuircuit série	Circuit dérivation

L est allumée si I1 ET I2 sont fermés. L est allumée si Il OU I2 (ou les deux) sont fermés.

On peut définir deux variables logiques a et b qui représentent les états des interrupteurs Il et I2

a est à :	b est à :
« 0 » Si Il est ouvert	« 0 » Si I2 est ouvert.
« 1 » Si I1 est fermé	« 1 » Si I2 est fermé.

On peut définir une fonction logique S (sortie) qui représente l'état de la lampe L :

• Si L est éteinte => S = « 0 »
• Si L est allumée =>S= « 1 »

On peut alors définir une table de vérité qui permet de connaître la valeur de la fonction logique S en fonction des diverses combinaisons des valeurs des variables a et b. Les valeurs des variables sont placées dans l'ordre binaire naturel. La table de vérité traduira le fonctionnement du système.

Exemple :

Circuit série	Circuit dérivation
a b s 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1	a b s 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

II Etude de quelques portes logiques

A) La platine d'essai

Un circuit intégré contient ( intègre ) de très nombreux composants ( Transistors , Résistances ... ) sur une même puce de silicium.
Dans cette séance on va découvrir des circuits intégrés qui réalisent des opérations logiques. C'est dans le domaine de l'électronique numérique, mais il existe aussi des circuits intégrés pour d'autres domaines comme celui de l'électronique analogique.

Un boîtier possède beaucoup de "pattes" qu'on appelle Broches (en Anglais : Pin ), quelque soit le nombre de broches d'un boîtier elles sont numérotées de la même manière : Numérotation des broches d'un circuit intégré

Un circuit intégré ne peut fonctionner que s'il est alimenté, c'est à dire qu'il a besoin d'une tension continue sur certaines broches.

Vous découvrez sur votre platine 2 circuits intégrés 74 HC 00 ainsi que d'autres composants électroniques.

Le circuit intégré logique 74 HC 00

• Le 74 HC 00 fait partie de la famille des circuits intégrés CMOS. (Complémentary Metal Oxy Semiconductor)
• Il possède 14 broches : pour l'utiliser, il faut tout d'abord connaître l'affectation de chaque broche, c'est à dire savoir si telle broche est une entrée, une sortie ou une broche d'alimentation.

Caractéristiques de cette série :

Tension d'alimentation : 3V < Vdd < 7V
Résistance de sortie : quelques centaines d'Ohm.
Portes logiques : 4 portes Non-Et

Remarque : les sorties peuvent alimenter directement une DEL et les court-circuits sont non destructeur.

Quels sont les opérateurs logiques présentés sur la platine ?

Aide pour nommer les portes et les représenter :

 

	NO	AND	NAND ( Non AND )	OR	NOR ( Non OR )	XOR ( eXclusif OR )
	NON	ET	NON ET	OU	NON OU	OU EXCLUSIF	NON ET à 3 entrées

B) Table de vérité

Pour tester les portes # Alimenter la platine avec une tension de 5V, ce qui permet d'alimenter automatiquement les circuits intégrés. # Relier les entrées de la porte ( 0V ou 5V au choix) en mettant des fils (voir l'exemple ci-contre). # Relier la sortie de la porte à une diode électroluminescente. - la diode s'allume "état 1" de la sortie. - la diode ne s'allume pas "état 0" de la sortie.

Tester les opérateurs logiques ( portes logiques ) et compléter leur tableau de vérité du type :

Opérateur.............

entrée 1	entrée 2	sortie

Mais comment peut-on disposer de portes ET, OU et NON sur une platine qui n'utilise que deux circuits intégrés
74 HC 00 possèdant 4 portes NON-ET ?

1. C'est une bonne question isn't it n'est-ce pas ? Une question à laquelle vous allez devoir répondre néanmoins !

   Avez vous quelques idées directrices qui pourraient vous aider ?
   Noter vos idées.
   Si vous rencontrer des difficultés, essayer d'utiliser les aides suivantes qui vous sont proposées.

2. Aide N°1 le brochage du circuit intégré.

Les broches 7 et 14 sont des broches d'alimentation : 14 nommée Vdd est l'alimentation positive ; dans cette séance Vdd = +5V. 7 nommée Vss est le zéro : Vss = OV La broche 7 est la masse. Un circuit 74 HC 00 contient quatre opérateurs logiques Non-Et. Les broches 1,2,5,6,8,9, 12 et 13 sont des entrées : l'utilisateur doit imposer un état 0 ou 1 . Les broches 3,4,10 et 11 sont des sorties :c'est le résultat de l'opération logique.

3. Aide N°2 Montage théorique de la platine

Pour faire le montage de votre platine, les 8 portes logiques "Non-Et" des deux circuits intégrés ont été utilisées. Si vous observez la platine vous constatez que l'association de plusieurs opérateurs logiques peut conduire à une nouvelle opération logique.

4. Aide N°3 A faire
   Il s'agit maintenant de découvrir expérimentalement suivant le protocole énoncé en 3.1, les associations d'opérateurs logiques et d'établir leur table de vérité.

Association	Nom de la nouvelle porte et symbole	Table de vérité
		entrée entrée sortie
		entrée entrée sortie
		entrée entrée sortie

Vous êtes certainement capable maintenant de répondre à la question. Exposer donc vos conclusions

Vous avez terminé ce travail ? Vous avez tout compris ? Super!

III Résumé des connaissances révisées ou découvertes

Vous devez résumer ici ce qui vous est apparu indispensable, ou simplement utile pour l’année de MPI et pour vos révisions lors du prochain contrôle …