TECHNOLOGIES DES SYSTÈMES ORDINÉS PROGRAMME 243.A0 Session: Hiver 2013 PLAN DE COURS COMPLÉMENTS D ÉLECTRONIQUE NUMÉRIQUE 247-265-SH (2-3-1), 2 unités Groupe 2117 Préalable relatif : Fondements de l électronique numérique (243-165-SH) Préalable relatif à : Diagnostic de systèmes ordinés (247-366-SH) Enseignante: Francine Bérubé Bureau : 2-48-209 819-564-6350, poste 4086 francine.berube@cegepsherbrooke.qc.ca
NOTES PRÉLIMINAIRES Les circuits logiques câblés, combinatoires comme séquentiels, constituent à la fois l origine de ce que devinrent les systèmes ordinés et l un ou l autre de ses possibles sous-ensembles. Ces circuits peuvent réaliser des fonctions de support direct au microprocesseur (générateur d horloge, décodage, multiplexage), de support aux interfaces d entrée/sortie (circuit à verrouillage ou latch, registre à décalage, tampons), d interfaces système (tampons bidirectionnels, décodage). Ces fonctions peuvent aussi être réalisées en composants logiques câblés ou intégrés à l intérieur d un circuit intégré programmable. Dans l un ou l autre de ces cas, les habiletés requises de mesure et diagnostic mènent directement aux habiletés de même nature touchant les systèmes basés sur microprocesseur. Le cours Compléments d électronique numérique est le deuxième cours de l axe Électronique numérique et est offert en deuxième session. Suite du cours 243-165-SH Fondements de l électronique numérique, préalable relatif à notre cours, il réutilisera les notions acquises sur les opérateurs de logique booléenne et les techniques de simplification des équations logiques, le système de représentation binaire des nombres, le branchement et la manipulation des circuits intégrés permettant la matérialisation des dites équations et l utilisation des outils de mesure de base dans une démarche minimale de diagnostic. Le cours Compléments d électronique numérique vise à familiariser l élève avec : Les spécificités (technologies, capacités de sortie, caractéristiques électriques) des diverses familles de composants logiques et les règles permettant leur interconnexion ainsi que du transistor en commutation; L interprétation complète des fiches techniques décrivant ces composants; Le fonctionnement et l utilisation des composants matérialisant les fonctions usuelles de support à un microprocesseur (monostable, astable, décodage, multiplexage/démultiplexage, tampons, logique à trois états); Le fonctionnement et l utilisation des composants usuels de logique séquentielle (diverses bascules, circuits à verrouillage (latches), compteurs et registres à décalage); L intégration d équations de logique combinatoire et séquentielle en un composant programmable (PLD, CPLD ou FPGA); L utilisation d un logiciel de simulation numérique et de compilation pour la programmation de composants; L utilisation d outils avancés de diagnostic. Bien que la compétence visée fasse référence au diagnostic de problèmes, une certaine capacité de conception de circuits permettant la matérialisation de fonctions logiques et de leur dépannage doit être développée. Le plus souvent, ces circuits accompagnent et font office de support à une réalisation à base de microprocesseur permettant de combler une problématique donnée. Une fois la topologie de circuits fixée, les techniques de diagnostic permettent de valider la justesse de la solution retenue et d y apporter, le cas échéant, les ajustements requis. Cette démarche étant récurrente dans les fonctions de travail, le cours Compléments d électronique numérique doit lancer le développement progressif de ces habiletés. Les compétences et habiletés développées durant le cours seront nécessaires pour plusieurs autres cours du programme et en particulier pour le cours 247-366-SH, Diagnostic de systèmes ordinés, dont il est le préalable relatif. 2
Énoncé du plan cadre Compétence 037F- Diagnostiquer un problème d électronique numérique. Finale Contexte de réalisation Avec : - différents circuits numériques; - des mémoires et des systèmes d acquisition de données; - des plans de circuits numériques; - un équipement comportant une défectuosité électronique d origine numérique. À partir de procédures. À l aide : - de la documentation technique appropriée : en français; en anglais; - d appareils de test et de mesure; - d équipement et de matériel antistatiques; - d un ordinateur relié à un réseau; - d outils de diagnostic; - de logiciels de simulation. Dans le respect des règles de santé et de sécurité au travail. CONTENU La matière du cours est divisée en quatre modules répartis sur 15 semaines à raison de deux périodes de théorie et de trois périodes de laboratoire par semaine. La 16 e semaine est réservée pour l'évaluation finale. Le regroupement en modules qui suit se veut un regroupement de la matière à couvrir en fonction de thèmes, il ne représente pas la séquence des éléments à voir dans le cours. La séquence de la matière sera fonction de la séquence des laboratoires. Les éléments abordés en théorie seront ceux nécessaires à la réalisation et la compréhension des laboratoires. Module 1: Logique combinatoire et familles logiques Durée : 15 heures Le module permettra de faire un rappel et d approfondir les caractéristiques techniques des principales familles logiques et des éléments qui s y rattachent comme le transistor. Rappel sur la logique combinatoire Portes de base et table de vérité associée Simplification d équations logiques simples Transistor en commutation Transistor bipolaire Transistor à effet champ Calcul de valeur de résistance à ajouter au circuit des transistors pour atteindre ou limiter une certaine valeur de courant dans ce circuit. Utilisé entre autre pour un circuit comportant un affichage à LED 7 segments ou pour réaliser un interrupteur électronique. Rappel sur les familles logiques Type de familles logiques Type de boîtiers Caractéristiques électriques 3
Types de sortie des circuits intégrés Standard, avec buffer Collecteur ou drain ouvert Trois états Module 2: Composants utilisés en support à un microprocesseur Durée : 35 heures Le module permettra de faire l analyse de certains composants utilisés en support à un microprocesseur. Pour chaque type de composants présentés dans la liste suivante on y abordera ou approfondira les concepts d identification, de caractérisation, de normes de fonctionnement et d utilisation de ces composants. On abordera également différentes applications dans lesquelles se retrouvent ces composants. Oscillateurs, cristaux Monostables, astables Décodeurs BCD/7segments Décodeur de clavier Sélection de mémoire Multiplexeurs et démultiplexeurs Mémoires Mémoires de type ROM (EPROM, Flash) Mémoires de type RAM Différences entre mémoires statiques et dynamiques Augmentation de la capacité mémoire Buffers et circuits bidirectionnels Affichages 7 segments multiplexés Intelligent LCD Module 3: Composants usuels en logique séquentielle Durée : 10 heures Le module permettra de faire l analyse de certains autres composants numériques à logique séquentielle. Pour chaque type de composants présentés dans la liste suivante on y abordera ou approfondira les concepts d identification, de caractérisation, de normes de fonctionnement et d utilisation de ces composants. On abordera également différentes applications dans lesquelles se retrouvent ces composants. Rappel sur les bascules RS, JK, T, D Compteurs Asynchrones et synchrones Ascendants et descendants Exemples en C.I. Interconnexion entre plusieurs compteurs en cascade Registres à décalage Analyse de chronogrammes associés à un composant à logique séquentielle 4
Module 4: Composants logiques programmables Durée : 15 heures Le module permettra de faire l analyse de composants logiques programmables. Principe de fonctionnement Exemples de circuits CPLD Exemples de circuits FPGA Logiciels de programmation MÉTHODOLOGIE Le cours est dispensé à raison de 2 périodes d enseignement théorique et 3 périodes de travaux pratiques en laboratoire par semaine pendant 15 semaines. Théorie La théorie sera vue sous forme de cours magistraux et divers exemples seront apportés pour aider les élèves à maîtriser les nouveaux concepts. Des exercices formatifs seront soumis aux élèves pour compléter leur apprentissage. Pour approfondir la théorie du cours, on utilisera un volume et des notes de cours du professeur. L'évaluation de la partie théorique se fera à l'aide de 2 évaluations. Les exercices formatifs doivent être remis au moment indiqué par le professeur pour être notés. Travaux pratiques Les travaux pratiques sont réalisés en laboratoire et la présence est obligatoire afin d atteindre les objectifs et habiletés associés à ceux-ci. Les élèves doivent terminés et rendre opérationnel un laboratoire avant de débuter un autre laboratoire. Pour un laboratoire comportant un montage physique, la qualité du montage doit être adéquate pour que le professeur le note. Si pour des motifs valables, l élève ne peut assister à une séance de laboratoire, l élève doit prendre contact avec le professeur pour fixer les modalités de reprise des manipulations. Pour chaque laboratoire, l énoncé indiquera à l élève les éléments qui seront notés et leur pondération. Le professeur peut compléter cette information au besoin. Il y aura 4 évaluations sur les laboratoires durant la session. Deux parmi ceux-ci consisteront à dépanner un circuit numérique que l élève a monté pendant ses activités de laboratoire. L élève doit rendre opérationnel son circuit avant l évaluation qui est à une date fixe. Pour ces évaluations, l'élève devra identifier et corriger des troubles électriques qui auront été préalablement introduits par le professeur dans le circuit. Deux autres consisteront à programmer un circuit programmable pour répondre à un problème donné, l élève devra aussi interconnecter correctement ce circuit à des éléments externes, entrées et sorties reliées au problème. Préparation pour les travaux de laboratoire : Lorsqu une préparation sur un laboratoire est demandée, l élève doit préparer son travail avant d arriver en laboratoire. Cette préparation est indiquée dans les énoncés de laboratoire fourni par le professeur. Le professeur peut compléter cette information en classe théorique. Pour être notée, l élève doit montrer sa préparation au professeur avant d effectuer les manipulations correspondantes et à la date prévue. Cahier de laboratoire : L énoncé, la préparation, les résultats et observations associés à chaque laboratoire sont placés dans un cahier de laboratoire. Ce cahier contiendra toute l information pour la rédaction des comptes rendus de laboratoires. Préférablement, on utilisera un cahier à anneaux afin de pouvoir y ajouter facilement toute information supplémentaire. Les schémas électriques devront être réalisés avec le logiciel (ORCAD) utilisé au département. La fonctionnalité des laboratoires sera notée. Un compte-rendu peut être demandé à la fin d un laboratoire, il peut comprendre les résultats obtenus lors de l expérimentation du laboratoire sous forme de tableau ou de formes d ondes observées à l oscilloscope, les calculs faits, la réponse aux questions posées durant les manipulations, le schéma final du circuit monté ou le fichier du programme réalisé. 5
ÉVALUATION Description Contenu % Date Test théorique 1 (2 hres) Module 1, 2 et 3 10% Semaine 9 (25 mars) Test théorique final (2 hres) Toute la matière 30% Semaine 16 Exercices formatifs, devoirs Toute la matière 10% Évaluation des laboratoires Tests en laboratoire Évaluation de la préparation, du fonctionnement, du compte-rendu de chacun des laboratoires Dépannage de circuits numériques utilisés en lab, Programmation FPGA 30% 20% Tout au long de la session Tout au long de la session Après le projet concerné par le test L évaluation portera sur la description exacte de la démarche utilisée et sur la solution de chacun des problèmes à résoudre. Calendrier de la théorie SEMAINE ÉLÉMENTS Laboratoire 1 Plan cours, astable. Rappel : compteur, leds Introduction 2 Table vérité, simplification, familles logiques, transistor bipolaire 1 3 Monostable, rebondissement, introduction FPGA 1 4 FPGA, CPLD, cristal, oscillateur 2-4 5-6 Mémoires, fréquencemètre, exercices récapitulatifs, test formatif 1-2-3 7-8 Compteurs, encodeurs, décodeurs, multiplexage, démultiplexage 3-4 9 Évaluation 1 1 à 3 10 Transistor à effet champ 5 11 Affichage LCD, exercices 5 12-13 Registre à décalage, exercices 6 14-15 Révision, exercice intégrateur 1 à 6 16 Évaluation finale 1 à 6 6
Calendrier des Laboratoires SEMAINE LABORATOIRE DURÉE (heures) 1 Oscilloscope numérique et Orcad 2 1-2-3-4 Dé électronique en circuits intégrés 10 5-6 Dé électronique réalisé avec un circuit logique programmable 6 7 Test de dépannage, Test programmation d un circuit logique programmable 8-9-10 Fréquencemètre en circuits intégrés 9 11 Affichage LCD 3 12b Test de dépannage sur fréquencemètre 1 12a-13-14 Station météo avec circuits intégrés et un circuit programmable 8 15 Cadenas électronique 3 16 Test de laboratoire 1 2 Les critères utilisés pour noter un projet seront la qualité du montage effectué (lorsque applicable) et la fonctionnalité de celui-ci selon les spécifications demandées. Qualité des montages: Utilisation adéquate des différentes couleurs de fils (spécialement pour les alimentations) Disposition des circuits et des fils Accès aux éléments d'entrée/sortie (potentiomètres, boutons poussoirs, affichage, etc.) Facilité de dépannage Pour les tests de dépannage en laboratoire, les critères d'évaluation sont: Identification des problèmes Correction des problèmes pour rendre le circuit fonctionnel ÉVALUATION DE LA QUALITÉ DE LA LANGUE FRANÇAISE Pour les différentes productions écrites, la qualité de la langue française sera notée de la façon suivante : 10% de la note totale du travail sont réservés au français. Les critères sont les suivants : Qualité de la syntaxe phrases bien construites. Qualité de l orthographe Qualité de la grammaire La qualité du français sera évaluée de façon formative dans les examens. 7
MODALITÉS D ENCADREMENT Il y aura des périodes de disponibilités du professeur de prévu selon l horaire de celui-ci et celle des élèves. Les modalités spécifiques pour rencontrer le professeur seront fixées lors des premières rencontres de la session. Durant ces périodes, l élève peut rencontrer le professeur, dans un local prévu à cet effet, pour compléter son apprentissage sur les sujets exposés en théorie ou en laboratoire. De façon générale, le professeur demeure disponible à son bureau en dehors des périodes prévues à l horaire pour répondre aux questions des élèves. Il est par contre préférable pour l élève de prendre rendez-vous avec son professeur afin de s assurer de sa disponibilité. RÉTROACTION La rétroaction se fera d'une façon continue pendant la session. Les élèves sont invités à exprimer leurs commentaires sur les différentes parties du cours que ce soit verbalement ou par écrit afin d'en améliorer le contenu ou la présentation. MÉDIAGRAPHIE Volumes, notes et matériel obligatoires: SYSTÈMES NUMÉRIQUES, 9 e édition Thomas L. Floyd, Les Éditions Reynald Goulet, 2006 (déjà acheté dans le cadre du cours Fondements de l électronique numérique). CIRCUITS ÉLECTRONIQUES, Louis Trussart,, Éditronique éditeur, 2006, 850p. Document Notes de cours (théorie et laboratoire). Volumes de référence Circuits numériques : théorie et applications, Ronald J. Tocci. 8