Remise à niveau en électronique -

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1 Remise à niveau en élecronique - Documens Alexandre BOYER Alexandre.boyer@insa-oulouse.fr epembre 27

2 Cours concernés en 2MIC Elecronique pour les communicaions (I2MIEN) Ce cours de RAN adresse aussi cerains des conceps des UF suivanes : ysèmes logiques e srucures des ordinaeurs (I2MIIM) Analyse e signal (I2MIMT2) 2

3 Tension & couran Lois élémenaires pour l analyse des circuis E U AB = V A -V B A B C I I 2 I 3 2 E U BC = V B -V C + U 3 4 D IC ources ension/couran e impédances connecés par l inermédiaire de nœuds Convenion généraeur vs. récepeur Lois de Kirchoff : Loi des nœuds: En chaque nœud, la somme des courans enrans = somme des courans sorans. Ex: I+I2 = I3 Loi des mailles : La somme des ensions dans chaque maille =. Ex : U AB +U BE +U EA = Circui à composans linéaires Théorème de superposiion : la réponse d un circui à plusieurs exciaions e la somme des réponses de ce circui aux exciaions appliquées individuellemen.. 3

4 Impédance I Loi d Ohm : U = I U Résisance : U = R I = R Condensaeur : I = C du d Régime harmonique (ω = 2πf) : I ( ω) = C jωu ( ω) = jcω Bobine : U = L di d Régime harmonique (ω = 2πf) : U ( ω) L jωi ( ω) = = jlω 4

5 Impédance Mise en série Mise en parallèle U A B I U A U U A B I A U U I I U I + = + = = I B I B U B ( )I U U I U B A B A eq + = + = = B A eq + = Pon diviseur de ension : U U B A A A + = U U B A B B + = B A B A eq I I I + = + = = B A eq + = Pon diviseur de couran : I I B A B A + = I I B A A B + = 5

6 Transformée de Fourier Opéraion linéaire conduisan à la décomposiion de ou signal s réel en une somme (infinie) de foncions rigonomériques. Transformée de Fourier ( f ) TF[ s( ) ] = s( ) + j πf = e d Transformée de Fourier inverse 2π + + j2πf = e df 2 s( ) ( f ) Ouil de conversion emps fréquence : du domaine emporel au domaine fréqueniel Inérê praique pour l éude des sysèmes linéaires (don les sysèmes élecroniques linéaires) : Analyse des signaux simplifiée dans le domaine fréqueniel Remise à niveau Période élecronique T = ns, rappor cyclique = 5 %, Tr = Tf = ns 6

7 Transformée de Fourier Inérê praique pour l éude des sysèmes linéaires (don les sysèmes élecroniques linéaires) : implificaion de l analyse des circuis élecroniques en régime harmonique (exciaion sinusoïdale) : Foncion de ransfer H(f) : Réponse impulsionelle e() h() s() E(f) H(f) TF s ( ) = h( ) e( ) ( f ) = H ( f ) e( f ) (f) Opéraions elles que dérivées ou inégrales deviennen des opéraions algébriques : Exemple : condensaeur ( ) i = C du( ) d TF I ( f ) = C jωu ( f ) 7

8 Transformée de Laplace Généralisaion de la ransformée de Fourier, permean de prendre en compe le régime ransioire, e pas simplemen le régime harmonique : Transformée de Laplace ( p) = L[ s( ) ] s( ) = + e p d s( ) = L ( p) Variable de Laplace p = α+jω Fréquence complexe Transformée de Laplace inverse j2π ξ + j [ ] = ( p) ξ j Inérê praique : Calcul opéraionnel sur des sysèmes linéaires résoluion d équaions différenielles par des équaions algébriques en passan du domaine emporel au domaine de Laplace e p dp 8

9 Transformées de Laplace usuelles 9

10 Transformées de Laplace usuelles (suie)

11 Diagramme de Bode (représenaion module phase vs. Fréquence) Filre passe-bas d ordre (RC) : R = kω e C = nf Fréquence de coupure : F C = = 59kHz 2 π RC Tracé foncion de ransfer

12 Tracé foncion de ransfer Diagramme de Bode (représenaion module phase vs. Fréquence) -3 db Tracé log/log Filre passe-bas d ordre (RC) : R = kω e C = nf Fréquence de coupure F C F C = = 59kHz 2 π RC -45 F C 2

13 Tracé asympoique Repérer les grandes endances e les fréquences caracérisiques -3 db db/dec -2 db/dec F C -45 F C 3

14 Elecronique analogique vs. numérique Inerfaces (Blueooh, UB) Périphériques (clavier, affichage, caméra, TV, ) Processeurs (applicaions, bande de base, mulimédia) Mémoires IM Traiemen audio Eage RF Filre CAN Codage voix Filre CNA Traiemen de signal numérique ignal numérique Emission Anenne Filre CNA Décodage voix CAN Filre Récepion 4

15 Exemples de circuis inégrés Elecronique analogique vs. numérique 64-bi microprocessor Inel Hashwell 8 cores Texas Insrumens OMAP5432 (Applicaion processors) 5

16 Représenaion signal binaire ension U T T U emps i la ransmission des signaux binaires es cadencée à un ryhme fixe de période T, le signal numérique es di synchrone, produi par un circui synchrone. inon, il s agi d un signal asynchrone, produi par un circui asynchrone. 6

17 Conversion analogique - numérique Infinié d éas possibles Enrée analogique Voix «bruié» CAN Nombre fini d éas ysème numérique # # Filrage numérique CNA Infinié d éas possibles orie analogique Voix filré Transformaion avec erreurs (règles de dimensionnemen) 7

18 Quanificaion en ampliude Valeurs analogiques Conversion analogique - numérique Eas discres Plage de conversion n ou Pleine Echelle PE U max N- N-2 2 Nombre d éas : N = 2 n, n enier Pas de conversion ou résoluion : = PE N = PE n 2 U min 8

19 Codage Valeurs analogiques Conversion analogique - numérique Eas discres Plage de conversio on PE V max n n 2 N = 2 bn + 2 bn b + V min MB (Mos ignifican Bi) 2 N- N-2 2 Codage binaire b LB (Leas ignifican Bi) 9

20 Conversion analogique - numérique Erreur de conversion code éa Plage de conversion Analogique Numérique Erreur de conversion - Conversion par roncaure Enrée analogique (V) Enrée analogique (V)

21 Conversion analogique - numérique Echanillonneur - bloqueur Ampliude Te Ampliude Te + ignal analogique C échanillonnage blocage Fréquence d échanillonnage Fe doi respecer le héorème de Nyquis-hannon : Fe = 2 T e f max 2

22 Conversion analogique - numérique Exercice Numérisaion voix humaine. Fréquence d échanillonnage minimum? 2. On veu une erreur de conversion <.5 % de la PE. ur quel nombre de bis doi- on coder les échanillons? 3. Quelle es la résoluion sachan que la PE du CAN es compris enre e 5 V? A E I O U 4. Le CAN renvoie le mo x. Quelle ension éai appliquée en enrée du CAN? Peu-on la connaîre avec précision? 5. Quel es le débi binaire en sorie du CAN? 22

23 Circuis numériques rucure générale d un circui numérique Enrées Enrées communes Données séries Données parallèles Alimenaion + Bloc commun Bloc Bloc 2 ories Données séries Données parallèles Commandes Bloc N Commandes Horloge Alimenaion - Négaion logique en enrée/sorie Enrée dynamique (acive sur fron) 23

24 Circuis numériques Eas logiques Circui E E2 2 En E2 E 2 En E2 E Table de vérié Circui Logique E3 E4 2 3 X. X X. X 24

25 Circuis numériques ories oem pole vs 3 éas Alimenaion + Alimenaion + Enrée orie Enrée orie Enable Enrée Enable orie Alimenaion - Alimenaion - orie Toem pole X orie 3 éas 25

26 Pores à logique combinaoire Circuis numériques Inverseur = E E E E = Pore NAND 2 E E2 Pore NOR E E2 = E. E E E E2 = E + E 2 E E2 26 & E E2 E2

27 Circuis numériques Pores à logique combinaoire Ou E E2 = E + E 2 E E2 E E2 E E2 E = E + E 2 E E2 E E2 E2 Ou exclusif (XOR) E = E E 2 E E2 27 & = E E2

28 Pores à logique combinaoire Circuis numériques Table de vérié de ce circui? Idenifier sa foncion Que se passe -il si on connece en cascade ce circui? A B Rin Rou 28

29 Circuis numériques Pores à logique séquenielle Bascules asynchrones R (Rese/e) R Q Q R D (Daa) D Q Valid Q (R à NAND) R Q Q D X QN+ Q N+ Inerdi QN Q N Valid Q QN+ Q QN Q N+ Q N JK J K QN+ Q N+ J Q K Q 29 QN Q N Q N QN

30 Circuis numériques Pores à logique séquenielle Bascules synchrones D à déclenchemen D H QN+ D Q H Q X QN Q N+ Q N 3

31 Circuis numériques Caracérisiques élecriques Niveaux logiques e marges de brui Un signal numérique es associé à un éa binaire si il apparien à une plage de ension, dépendane de la echnologie. Perurbaions sorie enrée Circui Circui 2 Vsorie Venrée Valim+ Valim+ VOH Marge éa hau VIH VOL Marge éa bas VIL PRECAUTION? Valim- Valim- Niveau logique incerain 3

32 Circuis numériques Caracérisiques élecriques Temps de commuaion e de propagaion Les circuis numériques présenen une ceraine inerie face au changemen. Leur réacion n es pas insananée. Les circuis numériques on un comporemen «passe bas» qui rearden la propagaion des signaux. enrée sorie TpLH TpHL Tm Td PROBLEME? 32

33 Circuis numériques Caracérisiques élecriques Temps de sabilisaion / de mainien Les limiaions emporelles des circuis numériques imposen le respec de délais à assurer enre les signaux afin d évier oue erreur logique : Temps de sabilisaion s Temps de mainien m Donnée T TH Horloge Limiaion fréquenielle des circuis 33

34 Circuis numériques Exemples Regisre (enrées parallèles) E E2 2 EN N D H Q D H Q D H Q CLK Regisre à décalage (enrée série) 2 N Enrée D H Q D H Q D H Q CLK 34

35 Circuis numériques Exemples Regisre (enrées parallèles) E E2 2 EN N D H Q D H Q D H Q CLK Regisre à décalage (enrée série) 2 N Enrée D H Q D H Q D H Q CLK 35

36 Compeur asynchrone D Q CLK H Q Circuis numériques Exemples CLK D Q FD = F CLK /2 2 N CLK D Q D Q D Q H Q H Q H Q CLK 2 3 Mo binaire F F/2 F/4 F/8

37 Circuis numériques Exemples Compeur asynchrone Fréquence max. de foncionnemen pour un compeur à N bascules : F max = ( N ) Tp CLK Tp 2 3 Mo binaire 2Tp 3Tp Eas méasables!

38 Compeur synchrone Logique combinaoire Circuis numériques Exemples F max = T pd + T pxor + T pand 2 N D Q D Q D Q H Q H Q H Q CLK CLK F F/2 F/4 F/8

39 Circuis numériques Mémoires Hiérarchie de mémoires Microprocesseur CPU Bus de données Regisres Mémoires caches Bus de commandes Bus d adresse Mémoire principale (vive) Mémoire de masse 39

40 Archiecure d une mémoire Circuis numériques Mémoires Bus de commandes Bus d adresse R/W C OE CA RA Conrôle DEMUX M bis Décodeur de lignes 2 M lignes N bis Décodeur de colonnes 2 N colonnes cellule mémoire = bi Marice de cellules mémoires K bis Tampon d E/ Mémoire Conrôle Rafraîchissemen n 4 Bus de données