Chapitre A3 : Logique Séquentielle

Ce laboratoire explore les compteurs et décompteurs en logique séquentielle, essentiels dans les systèmes numériques comme les montres électroniques. Il permet de comprendre la conception, le fonctionnement et la mise en œuvre des compteurs asynchrones et synchrones, ainsi que l'utilisation de circuits intégrés spécifiques. Pour réaliser ce TP, il est nécessaire de disposer de bascules JK et D, de circuits intégrés comme les 74192, 74161, 7490, ainsi que d'un générateur d'horloge et d'outils de mesure numérique.

Objectifs

• Comprendre le principe de fonctionnement des compteurs et décompteurs.
• Concevoir et réaliser des compteurs asynchrones et synchrones.
• Utiliser des circuits intégrés pour réaliser des compteurs décimaux et binaires.
• Mettre en cascade plusieurs compteurs pour obtenir des compteurs modulo supérieurs.
• Analyser les chronogrammes et vérifier le comportement des compteurs.

Prérequis et installation

• Connaissances de base en logique séquentielle et fonctionnement des bascules JK et D.
• Matériel : circuits intégrés 74192, 74161, 7490, générateur d'horloge, oscilloscope ou analyseur logique.
• Logiciels ou outils pour tracer les tables de vérité et les logigrammes.
• Compréhension des notions de front montant et front descendant d'horloge.

Étape 1 : Introduction aux compteurs et décompteurs

Un compteur ou décompteur est un circuit à base de bascules permettant de modifier un mot binaire à chaque impulsion d'entrée et de mémoriser son état de sortie. La capacité d'un compteur, appelée modulo N, correspond au nombre de combinaisons possibles, de 0 à N-1, avec n bascules telles que 2^(n-1) < N ≤ 2^n.

Exemples :

• Compteur modulo 8 : cycle de comptage de 0 à 7, nombre de bascules égal à 3.
• Compteur modulo 13 : cycle de comptage de 0 à 12, nombre de bascules égal à 4.

Les compteurs asynchrones sont réalisés en cascade avec des bascules T issues des bascules JK ou D. Seule la première bascule reçoit le signal d'horloge (CLK), les autres bascules reçoivent l'horloge depuis la sortie de la bascule précédente.

Pour un compteur à bascules :

• Front descendant : l'entrée CLK est reliée à la sortie Q de la bascule précédente.
• Front montant : l'entrée CLK est reliée à la sortie Q̅ (complémentaire) de la bascule précédente.

Pour un décompteur à bascules :

• Front descendant : l'entrée CLK est reliée à la sortie Q̅ de la bascule précédente.
• Front montant : l'entrée CLK est reliée à la sortie Q de la bascule précédente.

Avantages des compteurs asynchrones :

• Conception simple par répétition de modules diviseurs de fréquence par deux.
• Sortie Q reliée à l'entrée D pour une bascule D.
• J=K=1 pour une bascule JK.

Inconvénients :

• Temps d'établissement long.
• Passage par des états parasites.

Étape 2 : Compteurs et décompteurs synchrones

Dans un compteur synchrone, toutes les bascules sont commandées simultanément par le même signal d'horloge. Le basculement dépend uniquement de l'état des entrées de commande JK ou D.

Méthode de conception :

1. Déterminer le modulo pour choisir le nombre de bascules nécessaires.
2. Établir la table de comptage ou décomptage.
3. Établir la table de fonctionnement des bascules selon la table d'excitation.
4. Écrire les équations des entrées de commande de chaque bascule.
5. Tracer le logigramme ou schéma logique du circuit.

Exemple : Compteur synchrone modulo 8 avec bascules JK à front descendant

• Nombre de bascules n = 3.
• Cycle de comptage de 0 à 7.

Le logigramme correspondant doit montrer les connexions des entrées J et K de chaque bascule selon les équations issues de la table d'excitation.

Un autre exemple avec bascules D à front montant est aussi possible, avec un logigramme adapté.

Pour les décompteurs synchrones, la méthode est similaire mais le sens de comptage est inversé. Par exemple, un décompteur modulo 5 à bascules JK à front descendant peut être conçu en suivant la même démarche.

Étape 3 : Utilisation des compteurs/décompteurs intégrés

Les compteurs intégrés sont classés en deux catégories :

• Compteurs intégrés asynchrones.
• Compteurs intégrés synchrones.

Compteur synchrone décimal 74192

Le circuit intégré 74192 est un compteur/décompteur décimal (BCD) synchrone 4 bits avec horloge UP/DOWN et remise à zéro (CLR).

Caractéristiques :

• DIV10 : compteur modulo 10.
• CLR : entrée de remise à zéro (active à 1), met QDQCQBQA à 0000.
• UP : horloge pour compter (incrémenter) à chaque impulsion (active à 1).
• DOWN : horloge pour décompter (décrémenter) à chaque impulsion (active à 0).
• LOAD : entrée de chargement (active à 0), charge les sorties QA=A, QB=B, QC=C, QD=D.
• CO : sortie fin de comptage (CO=0 toutes les 10 impulsions UP, sinon CO=1).
• BO : sortie fin de décomptage (BO=0 toutes les 10 impulsions DOWN, sinon BO=1).

Pour réaliser un compteur modulo 100, on met en cascade deux 74192 :

• Compteur unité : CLR=0, LOAD=1, UP=horloge, DOWN=1.
• Compteur dizaine : mêmes réglages.
• La sortie CO du compteur unité est reliée à l'entrée UP du compteur dizaine.

Compteur intégré binaire-BCD 4029

Caractéristiques :

• Compteur synchrone 4 bits pouvant compter ou décompter selon l'entrée U\D.
• Compte en binaire naturel (0 à 15) ou BCD (0 à 9) selon l'entrée B\D.
• Entrée PL pour pré-chargement des valeurs sur P0 à P3.
• Auto-correcteur : revient au cycle normal en cas de valeur hors BCD.
• Cascadable grâce aux entrées CE (retenue d'entrée) et sortie TC (retenue de sortie).
• Entrée CP pour l'horloge, active sur front montant.

Pour un décompteur modulo 100 :

• Compteur unité compte de 9 à 0.
• Compteur dizaine se décrémente d'une impulsion toutes les 10 impulsions unité.
• Sortie TC du compteur unité reliée à l'entrée CP du compteur dizaine.
• PL=0, U\D=0, B\D=0.

Compteur synchrone binaire 74161

Le 74161 est un compteur synchrone binaire modulo 16 (0 à 15) avec :

• Entrées ENP et ENT : validation du compteur (doivent être à 1 pour que le compteur fonctionne).
• LOAD : chargement synchrone des données DCBA sur QDQCQBQA quand LOAD=0 et CLK actif.
• CLK : horloge active sur front montant.
• CLR : remise à zéro asynchrone, active à 0.
• RCO : signal de fin de cycle (RCO=1 en fin de comptage, sinon 0).

Exemples d'application :

• Compteur modulo 256 obtenu par mise en cascade de deux 74161.
• Horloge appliquée aux deux circuits ou seulement au premier.

Compteur asynchrone décimal 7490

Le CI 7490 est un compteur asynchrone décimal ou bi-quinaire avec deux étages :

• Premier étage : diviseur par 2 (entrée INPUT-A, sortie QA).
• Deuxième étage : diviseur par 5 (entrée INPUT-B, sorties QDQCQB).

Pour obtenir un compteur BCD, relier la sortie QA à l'entrée INPUT-B.

Pour un compteur bi-quinaire, relier la sortie QD à l'entrée INPUT-A.

Étape 4 : Réalisation de compteurs modulo spécifiques

Compteur modulo 100 avec CI 7490 :

• Mise en cascade d'un compteur modulo 10 pour les unités et d'un autre modulo 10 pour les dizaines.
• La sortie QD du compteur des unités est reliée à l'horloge du compteur des dizaines.

Compteur modulo 20 avec CI 7490 :

• Mise en cascade d'un compteur modulo 10 pour les unités et d'un compteur modulo 2 pour les dizaines.
• La sortie QD du compteur des unités est reliée à l'horloge du compteur des dizaines.
• Lorsque le compteur atteint la valeur (20)10 = (10100)2, il doit être réinitialisé à 0.
• Pour cela, on relie certaines sorties des deux compteurs aux entrées de remise à zéro via une porte logique.

Autres compteurs asynchrones :

• CI 7493 TTL : compteur modulo 16, composé d'un étage diviseur par 2 et d'un étage diviseur par 8.
• Mise en cascade des deux étages (INPUT-B=QA) pour obtenir le compteur modulo 16.

Résultats attendus

• Observation des cycles de comptage correspondant aux modulos choisis (ex : 0 à 7 pour modulo 8, 0 à 9 pour modulo 10).
• Chronogrammes montrant les fronts d'horloge et les sorties des bascules évoluant correctement.
• Pour les compteurs en cascade, synchronisation correcte entre unités et dizaines.
• Remise à zéro effective lorsque la valeur maximale est atteinte (ex : 20 pour compteur modulo 20).
• Comportement conforme aux tables de vérité et aux équations des entrées de commande.

Pièges courants

• Mauvaise connexion des entrées d'horloge dans les compteurs asynchrones, entraînant des erreurs de comptage.
• Confusion entre front montant et front descendant, provoquant des dysfonctionnements.
• Oubli ou mauvaise gestion des entrées CLR et LOAD, empêchant la remise à zéro ou le chargement correct.
• Non-respect des conditions ENP et ENT dans le 74161, bloquant le comptage.
• Erreurs dans la mise en cascade des compteurs, notamment dans le raccordement des sorties CO ou TC aux entrées UP ou CP.
• Passage par des états parasites dans les compteurs asynchrones, visible par des sorties instables.
• Ne pas vérifier les chronogrammes pour détecter les retards ou les états indésirables.