1 Notes de cours de CIRCUITS LOGQUES

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1 1 Notes de cours de CIRCUITS LOGQUES 1.1 Introduction La notion de circuit logique remonte à bien longtemps dans l histoire de l électronique et tient même ses fondements de théorie mathématiques, algèbre de Boole, datant du 19 ie siècle. De nos jours, nos sommes entourés de circuits logiques. En faits, il serait tout simplement impossible de vivre sans. Les ordinateurs, les baladeurs numériques, les téléphones portables et tout ce qui porte de près ou de loin toutes les variations l adjectif «numérique», ou encore «digital», ne sont en réalité que la descendance des circuits logiques élémentaires qui font l objet de ce cours. Ce document se veut une très brève introduction aux circuits logiques élémentaires. Un nombre incalculable d ouvrages ont été publiés à ce sujet, l intention de ce recueil de notes n est donc pas de réécrire en long et en large tout ce qui déjà disponible, mais bien de permettre aux étudiants de franchir les premiers pas dans ce domaine. Une fois ces rudiments acquis, il sera beaucoup plus facile de faire référence à des ouvrages publiés beaucoup plus complets sur l électronique numérique. L information présentée ici, à été recueillie dans différents volumes, sur divers site web et constitue un résumé en français des concepts à acquérir dans les cadres des premiers projets à réaliser dans le cours de Circuits Logiques. 2 Signaux électriques En électronique, il y a deux méthodes pour représenter l information : le continu et le discret. Continu est synonyme de «analogique» et discret quant à lui, réfère à «numérique» ou «logique». Un signal est dit analogique lorsque son information est représentée par la variation d'une grandeur physique, la tension par exemple. Tandis que pour un signal numérique, l information est contenue sous forme de nombres; le plus souvent en binaire, des zéros et des uns. En vulgarisant, on peut dire qu un signal analogique EST l information et qu un signal numérique CONTIENT l information. N.B : Attention à ne pas généraliser ce concept, car des signaux analogiques peuvent également contenir de Auteur : Jean-François Fortier, 25/08/10 1 de 9

2 l information par des techniques de modulation, mais cela n est pas dans le cadre du cours. Dans le cas qui nous intéresse, l électronique numérique, le but est d utiliser l information à sa plus simple expression, c est-à-dire si elle est vraie ou fausse. On peut littéralement parler de blanc ou noir! Une information ne peut donc avoir que deux états. D où la notion de binaire, qui signifie deux états. Il est resté avec les années une convention de base en électronique voulant qu une information binaire soit représentée par deux niveaux de tension, 0 Vet 5 V, qui correspondent respectivement à vrai et faux. On rencontre également des situations de logique inverse où 0 V représente vrai et 5V, faux. On verra plus loin les origines et avantages de la logique inverse, mais pour l instant, continuons en logique conventionnelle. La convention du 0-5 V tient son origine de la première technologie de circuits intégrés réalisant des fonctions logiques à la fin des années Bien connue sous l acronyme TTL, Transistor-to-Transistor Logic, cette technologie à introduit la convention du 0 V et du 5V encore largement employée aujourd hui, particulièrement pour enseigner ces concepts. Il existe plusieurs autres conventions par exemple, en technologie CMOS la tension varie jusqu à 16V. Ce sujet sera brièvement abordé ultérieurement. 3 Système de numération binaire La représentation des nombres la plus humainement répandue est la notion décimale qui utilise un ensemble de 10 symboles. Pensons également à notation romaine de 5 symboles. La notation élémentaire en électronique, est la notation binaire avec un ensemble de 2 symboles. Base Décimale (b = 10) {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9} Notation romaine (b = 5) {X,L,C,D,M} Auteur : Jean-François Fortier, 25/08/10 2 de 9

3 Base Binaire (b = 2) {0,1} En binaire, au lieu des 10 symboles du système décimal que nous connaissons bien, il y a seulement deux symboles le «1» et le «0», dont le poids est constant et deux fois plus grand par rapport au précédant dans un ordre de droite à gauche. Le bit (BInary digit) le plus à droite est appelé bit de poids faible et il vaut 0 ou 2 0, soit 1. Le bit suivant vers la gauche vaut 0 ou 2 1, soit 2 et ainsi de suite. 1,2,4,8,16,32,64,128, etc le nombre binaire = = 26, soit (1 x 16) + (1 x 8) + (0 x 4) + (1 x 2) + (0 x 1). Pour éviter la confusion, les nombres binaires sont exprimés avec l indice «2» ( ) pour ne pas les confondre avec des nombres décimaux. La même pratique peut également s appliquer aux autres notations, par exemple : = Nous verrons plus loin comment passer d une base à l autre. Au lieu des indices 10 et 2, on rencontre également «d» pour décimal et «b» pour binaire, 110 d = b. Maintenant, pourquoi utiliser la notation binaire? La principale raison est qu il est facile de représenter en électronique un bit binaire comme il peut prendre que deux états. Avec une circuiterie très simple, on peut mettre en mémoire des bits binaires et même faire des opérations arithmétiques. Chacun des deux états, 0 ou 1 équivaut par exemple à 0 ou 5 Volts. 4 Contacts et relais 4.1 Contacts Un interrupteur (dérivé de rupture) est un dispositif ou organe, physique ou virtuel, permettant d'interrompre ou d'autoriser le passage d'un flux. Il ne faut pas confondre l'interrupteur qui permet d'éteindre ou d'allumer un appareil, et le commutateur qui permet de choisir entre plusieurs états actifs d'un appareil. Par extension, tout système destiné à interrompre quelque chose peut être dénommé interrupteur. En électricité, un interrupteur est un organe ou appareillage de commande qui permet d'ouvrir et de fermer un circuit alimentant un appareil électrique aux valeurs des intensités nominales. Il se double Auteur : Jean-François Fortier, 25/08/10 3 de 9

4 parfois d'un variateur permettant de moduler le courant. Symbole Description ont requi s pour vision ner cette ima g Interrupteur à bascule «toggle». Cet interrupteur est stable dans les deux états, ouvert ou fermé. Il n y a donc qu un seul symbole. Interrupteur à pression «push button». Cet interrupteur est stable dans un seul état, ouvert ou fermé. Il y a donc deux symboles, un «normalement ouvert (NO)» et un «normalement fermé (NC ou NF)». Symboles des contacts utilisés en logique. Il y a deux symboles, un «normalement ouvert (NO)» et un «normalement fermé (NC ou NF)». 4.2 Relais Un relais électromécanique est un organe électrotechnique permettant la commutation de liaisons électriques. Il est chargé de transmettre un ordre de la partie commande à la partie puissance d'un appareil électrique. On peut voir le relais comme un interrupteur commandé électriquement. Un relais est composé principalement d'un électroaimant, qui lorsqu'il est alimenté, transmet une force à un système de commutation électrique : les contacts. Auteur : Jean-François Fortier, 25/08/10 4 de 9

5 4.2.1 Description - L'électroaimant peut être, suivant les spécifications et besoins, alimenté en TBT 5 V ~ 48 V ou en BT 110 V ~ 400 V. - Le système de commutation peut être composé d'un ou plusieurs interrupteurs simple effet, d'un ou plusieurs inverseurs. Ces commutateurs sont adaptés aux courants et à la gamme de tensions à transmettre à la partie puissance. - Dans les systèmes mettant en oeuvre une certaine puissance, on appelle les relais des contacteurs. - Divers systèmes mécaniques ou pneumatiques peuvent créer un retard à l'enclenchement ou au relâchement. - Dans certains relais, une partie mécanique annexe permet un blocage des commutateurs dans une position précise. - Certains sont même munis de deux bobines : une pour enclencher la commutation, l'autre pour l'interrompre Utilisations - La fonction première des relais est le plus souvent de séparer les circuits de commandes, des circuits de puissances : à des fins d'isolement et bien souvent d'amplification des tensions et des courants. - On peut les utiliser aussi pour créer des fonctions logiques adaptées, comme ce fut le cas pour les premiers ordinateurs. Symboles Description Deux exemples de symboles électriques de relais (simple contact). Il y en a beaucoup d autre. Dans le premier cas, (gauche), le contact «AB» est NO. Le relais de droite offre un contact NO «BC» et un NF «AC». 5 Table de vérité Auteur : Jean-François Fortier, 25/08/10 5 de 9

6 Une table de vérité est un outil permettant de représenter un phénomène logique passif. Ces outils sont couramment utilisés en électronique (porte logique) et en informatique (tests). Une table de vérité est un tableau qui représente des entrées (en colonne) et des états binaire (0 / 1, faux / vrai, éteint / allumé, etc.). Une sortie, également représentée sous forme de colonne, est la résultante des états d'entrée, elle-même exprimée sous forme d'état binaire. Entrée Sortie État États Pour lire une table de vérité, on recherche dans la liste des entrées l'état souhaité pour en déterminer la sortie (qui se trouve donc sur la même ligne). Dans l'exemple suivant, pour répondre à la question «quel est l'état de la sortie quand a et b sont activés?», il faut se placer sur la dernière ligne. a b a et b Portes logiques élémentaires 6.1 NON La fonction «NON» (NOT en anglais) n a qu une seule entrée. L état de la sortie de cette porte est toujours l inverse de l état d entrée. On l appelle communément inverseur. a L L équation d une fonction NON est la négation de l entrée : on utilise fréquemment L = /a. Quic ktime etun décompres seur sont requis pourvis ionner c ette image.. Pour faciliter la rédaction, Auteur : Jean-François Fortier, 25/08/10 6 de 9

7 Symbole ANSI Qui ckti me et un décom presseur La fonction «NON» est caractérisée par un interrupteur NF (normalement fermé). La lampe «L» s'allume lorsque l'on n'appuie pas sur «a» 6.2 ET La fonction «ET» (AND en anglais) associe deux entrées à une sortie, selon l'exemple d'utilisation suivant : a b L L équation d une fonction ET est la multiplication des entrées : L = a*b Symbole ANSI 6.3 OU Illustration : La lampe s'allume si l'on appuie sur «a» ET «b» et seulement dans ce cas là. La fonction «ET» est caractérisée par des interrupteurs NO (normalement ouvert) montés en série. La fonction «OU» (OR en anglais) associe deux entrées à une sortie, selon l'exemple d'utilisation suivant : a b L Auteur : Jean-François Fortier, 25/08/10 7 de 9

8 L équation d une fonction OU est l addition des entrées : L = a+b Symbole ANSI La lampe s'allume si l'on appuie sur «a» OU «b», à plus forte raison si l'on appuie sur «a» et sur «b». La fonction «OU» est caractérisée par des interrupteurs NO (normalement ouvert) montés en parallèle. 6.4 XOU La fonction «XOU», OU exclusif, (XOR en anglais) associe deux entrées à une sortie, selon l'exemple d'utilisation suivant : a b L L équation d une fonction OU est l addition exclusive des entrées : L = a b Qui ckti me et un décom presseur sont requi s pour vi sionner cette i mage. Symbole ANSI La lampe s'allume si l'on appuie sur «a» ou «b» seulement, mais pas si l'on appuie sur «a» et «b» simultanément. Auteur : Jean-François Fortier, 25/08/10 8 de 9

9 7 Circuit équivalent La réalisation d un circuit logique à partir d une table de vérité se fait en agençant de contacts en série, en parallèle ou diverses combinaisons série et parallèle. La démarche à suivre est relativement simple; il suffit de relever dans la table de vérité les combinaisons d entrées qui donnent une sortie VRAIE. Chacune de ces combinaisons se traduit par un circuit de contacts électriques. Par exemple, en partant de la table de vérité suivante : a b S L équation de la sortie est : S = (/a * b) + (a * b). Chacun des deux termes entre parenthèses représente une des deux combinaisons VRAIE de la table de vérité. En mots, cela ce dit : «(NON a ET b) OU (a ET b)». Il faut remarquer qu il y a une fonction OU entre les deux termes; les deux circuits sont donc en parallèles. Auteur : Jean-François Fortier, 25/08/10 9 de 9