L électronique pour les débutants qui sèchent les cours mais soudent sans se brûler les doigts Auteur : Rémy MALLARD Éditeur : Elektor ISBN : 978-2-86661-180-4 Format : 17 23,5 cm Nbre de pages : 320 Prix : 39,50 Complément de la section 2.10.4 Affichage et multiplexage Présentation Dans un système d affichage, le multiplexage est un procédé qui consiste à utiliser plusieurs voyants ou plusieurs afficheurs et à ne pas les allumer tous à la fois, en vue d économiser l énergie et de limiter le nombre de fils de câblage. Par exemple, l affichage de votre radio-réveil, de votre machine à laver ou de votre four micro-onde est fort probablement multiplexé. Principe de fonctionnement Le principe est fort simple à comprendre, surtout si vous savez déjà que la vidéo que vous regardez sur un téléviseur est constituée d une suite d images, elles-mêmes constituées de plusieurs lignes ; chaque ligne est composée de plusieurs points (non, ce n est pas aussi hors sujet que cela peut sembler l être). Les points sont allumés à tour de rôle, les lignes sont dessinées les unes après les autres, les images se succèdent rapidement, à une cadence de 25 images par secondes (en réalité 50 trames par secondes, mais on ne va pas entrer dans les détails). Bref, à un instant donné, un seul point de l écran est éclairé sur votre téléviseur, pourtant vous voyez une image complète. Pourquoi? Parce que tout se passe très vite, à tel point que votre œil n arrive pas à suivre. À la création de la télévision, la technique employée ne permettait de transmettre qu un seul point à la fois. Pour tromper le
téléspectateur, il faut envoyer les points les un après les autres à très grande vitesse (là encore je simplifie car en télévision analogique, on ne transmet pas des points mais des tensions continues qui varient dans le temps ; au niveau de l analyse de l image effectuée dans la caméra et au niveau du téléviseur qui restitue cette image, il est bien question de points finis). Vous devez vous demander quel rapport il peut bien exister entre télévision et afficheur à sept segments... : la persistance rétinienne. Pour que le cerveau (via les yeux) n y voit que du feu, c est-à-dire pour qu il ne se rende pas compte que tout n est pas affiché en même temps, il faut que la cadence d affichage aille au-delà d une certaine cadence, voisine de 20 Hz. Les vieux films tournés à quinze images par seconde rendent parfaitement le côté saccadé ou «scintillant» que l on a cherché par la suite à éliminer pour diminuer la fatigue visuelle due à ce défaut. Les téléviseurs à 50 Hz ont fait leur apparition (affichage doublé de chaque image d origine) et les écrans d ordinateur affichent actuellement entre 60 et 100 images par seconde. Pour revenir à nos moutons, l affichage d un nombre de 0000 à 9999 implique l emploi de quatre afficheurs ; si chacun est allumé à tour de rôle, il faut que ce soit rapide. Multiplexage «simple» On peut avoir intérêt à utiliser le multiplexage dès qu on a recours à au moins deux afficheurs. Le schéma suivant montre l exemple d un circuit qui permet d afficher un nombre compris entre 000 et 999, à l aide de trois afficheurs à LED à sept segments. Une façon simple de faire (sans multiplexage) est d attaquer les trois afficheurs de façon séparée, ce qui porte le nombre total de fils de commande à 24, en tenant compte de l électrode commune des afficheurs. Le schéma qui suit montre ainsi comment afficher le nombre 274 en mode non multiplexé. Affichage sans multiplexage (état haut (H) = rouge ; état bas (L) = bleu) Avec le schéma qui précède, les trois afficheurs sont alimentés en continu, la consommation globale est maximale pour l affichage du nombre 888 (tous les segments sont alors allumés). Regardons maintenant le schéma suivant qui met en œuvre le multiplexage.
Affichage avec multiplexage Le nombre total de fils de commande est passé de 24 à 10, pour un nombre identique d afficheurs. Ce qui est loin d être négligeable quand on sait qu un seul fil en moins permet parfois de se sortir d une situation «embêtante». Et encore, nous n avons affaire ici qu à trois afficheurs. Avec un système à quatre afficheurs, on passe de 32 fils de commande à 11 fils seulement (ou de 36 fils à 12 fils si on ajoute le point décimal sur chaque afficheur)! Maintenant détaillons le fonctionnement du système. Dans le cas du système non multiplexé, les trois afficheurs étaient alimentés en même temps, ce n est plus le cas ici. Les fils de commande qui permettent d allumer les segments A à G sont reliés en même temps à tous les afficheurs, mais les points communs des segments sont quant à eux pilotés à part au travers des fils C1, C2 et C3. Les trois vues qui suivent montrent que l on active en fait un seul afficheur à la fois, en lui faisant allumer les seuls segments nécessaires pour le chiffre qui le concerne. Dans le cas présent, on souhaite l affichage du nombre 274, le premier afficheur doit donc afficher le chiffre 2, le second afficheur le chiffre 7 et le dernier afficheur le chiffre 4. L affichage du nombre 274 s effectue ainsi en trois étapes qui sont les suivantes : 1. Activation de l afficheur n 1 (cathode commune à la masse au travers de la jonction E-C de Q3) et activation des segments B et C. 2. Activation de l afficheur n 2 (cathode commune à la masse au travers de la jonction E-C de Q2) et activation des segments A, B et C. 3. Activation de l afficheur n 3 (cathode commune à la masse au travers de la jonction E-C de Q1) et activation des segments B, C, F et G. Puis on retourne au point 1 et ainsi de suite.
Affichage du chiffre 2 - Mise en conduction de Q3 Affichage du chiffre 7 - Mise en conduction de Q2 Affichage du chiffre 4 - Mise en conduction de Q1 Vous l avez compris, si on activait en même temps les trois afficheurs, chacun afficherait le même chiffre et le nombre affiché ne serait pas celui attendu. Remarque : avec un tel mode d affichage, on peut fort bien utiliser une combinaison d afficheurs numériques et de LED isolées.
Exemple de prototype avec quatre afficheurs à sept segments J ai réalisé le prototype suivant pour tester mes circuits qui mettent en œuvre le multiplexage d afficheurs à sept segments. Les afficheurs sont montés sur des supports de type barrette sécable, ce qui me permet de monter aisément des afficheurs à anode commune ou à cathode commune. Il est parfois rigolo de prendre en photo un affichage multiplexé. Si le temps «d ouverture» du système de prise de vue est trop court par rapport à la fréquence de balayage des afficheurs, tous les chiffres ne sont pas imprimés sur la pellicule ou enregistré dans le fichier numérique, comme peuvent en témoigner les photos suivantes, prises avec un appareil photo numérique lors d essais effectués sur un circuit de chronomètre. Les photos sont sombres parce qu elles ont été prises le soir avec pour seul éclairage un flash bien peu efficace... Multiplexage «multiple» Il existe d autres procédés de multiplexage qui permettent de réduire encore plus le nombre de fils de commande, mais qui ne conviennent pas pour des afficheurs dont les segments possèdent un point commun (anode ou cathode commune). Par exemple, il est possible de piloter 12 LED différentes avec seulement quatre fils de commande comme le suggère le schéma suivant. Pour que ce type de câblage puisse fonctionner, on ne peut pas se contenter de travailler avec des niveaux logiques hauts (par exemple +5 V) et des niveaux logiques bas (0 V). Il faut en plus avoir à disposition un troisième état logique : état logique «inexistant». Je vous rassure tout de suite, il est très facile de disposer de cet état logique «inexistant», qui ne correspond à rien d autre qu à un circuit ouvert (en électronique, on nomme aussi de l «état haute impédance»). Le principe est donc aussi simple que cela : chaque borne de chaque LED du schéma précédent peut être portée soit à un état logique bas, soit à un état logique haut... soit à rien du tout! Vous pouvez faire le compte des possibilités qu offrent quatre fils de commande, vous trouverez bien douze solutions possibles (en fait six solutions possibles, mais possibilité de câbler deux LED tête-bêche pour chacune) que le tableau suivant résume pour vous éviter tout mal de tête.
Led allumée A B C D D1 H L Z Z D2 L H Z Z D3 H Z L Z D4 L Z H Z D5 H Z Z L D6 L Z Z H D7 Z H L Z D8 Z L H Z D9 Z H Z L D10 Z L Z H D11 Z Z H L D12 Z Z L H État haut (H) = rouge - État bas (L) = bleu - État haute impédance (Z) = gris Exemple : pour allumer la LED D7, il faut appliquer un état logique haut sur B (carré rouge), un état logique bas sur C (carré bleu), et A et D doivent «rester en l air» (carré gris). D autres LED que D7 voient bien un niveau logique haut ou bas sur une de leurs pattes, mais seule D7 voit ce qu il faut sur ses deux pattes pour lui permettre de s illuminer. D8 aimerait sans doute bien s allumer aussi mais elle est branchée «à l envers» par rapport aux tensions appliquées et reste donc éteinte. Notez que la tension inverse appliquée à chaque LED reste limitée par la tension directe de la LED montée en parallèle tête-bêche. Multiplexage en colonne Il existe des réalisations qui possèdent un très grand nombre de LED montées en «matrice» (plusieurs rangées et plusieurs colonnes) ; elles servent à afficher des caractères alphanumériques pour constituer un message de type texte. Il s agit de journaux lumineux constitués parfois de plusieurs centaines de LED. Avec ce type de montage, le multiplexage s impose, sinon la consommation électrique serait excessive.