Cours1 L2 SPI 2102 Fait

Université de la Réunion Année 2010/2011

Alicalapa F.

Plan général du cours

 Rappels des lois de base   L’AOP   Les quadripôles   Introduction aux semi-conducteurs   La diode : composant actif et modèle   Le transistor  Circuits analogiques et équations d’état

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Informations

  Informations sur le module

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Intervenants

  Intervenant cours : Alicalapa Frédéric – Laboratoire LE²P – Département de Physique – FST Université de la Réunion

  Intervenant TD et TP : Jonkisz / ATER 63 / Doctorant – Laboratoire LE²P

 Adresse électronique : [email protected] ou annuaire sur la page web : www.univ-reunion.fr.

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Volume horaire

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Examens

 Modalités d’examen :   Contrôle continu de rigueur (entre 2 et 3 CCs) : 2 QCMs   1 examen sur copie classique   Notes = jeu de coefficients Écrits=2, TPs=1.

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Objectifs de l’UE

  Énoncer les fondements physiques associés à l’électrocinétique,

  Acquérir des éléments de culture générale sur la Physique, l’Électronique,

  Voir ou revoir les concepts et théorèmes de base de l’électrocinétique et l’électronique.

  Mieux comprendre les appareils de mesure et les techniques de mesure.

  D’avoir quelques notions de sécurité électrique et de production électrique.

  Acquisition du vocabulaire.   Présentation sur les puissances et énergies (si assez de temps).   Préparation aux concours. 7

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Références

  Références bibliographiques :   HPrépa « électronique- électrocinétique », Jean Pierre Brébec, Hachette

Supérieure   Belin Prépas, Physique (mécanique – électrocinétique 1ere période)   Électronique pratique, JM Fouchet, Dunod   « Amplificateurs Opérationnels » (Girard, Ediscience)   « Microélectronique » de J. Millman, Ediscience

  A vous de choisir le livre correspond à votre méthodologie d’assimilation

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Web, sources d’informations

  Sites web :   http://www.abcelectronique.com   mots clés = électrocinétique, ALU, registres,…., autres mots clés du cours   http://fr.wikipedia.org/wiki/Catégorie:électronique   http://lewebelectronique.free.fr   http://www.lelectronique.com/annuaire/electronique-generale-c15-p2.html

  vérifier les informations lues sur le web via les ouvrages   Choisir les documents en fonction de sa méthode d’assimilation

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Prise de notes

  Les éléments principaux du cours écrits ou dictés. Une version, qu’avec les figures du cours, sera en ligne (http://personnel.univ-reunion.fr/alica).

  Mais une partie intégrante de votre formation est de :   savoir discerner les points pertinents (propre à chacun) dans une présentation orale   savoir les noter correctement avec les informations utiles à la relecture, à la compréhension

et aux révisions   s’aider de la numérotation des diapositives et du plan du cours pour prendre des notes.

  En terme de connaissance : 60% de connaissance vous sont présentés en cours, les 40% restant (compréhension et extension des connaissances vues, vocabulaire de l’électronique, les subtilités et cas particuliers) sont de l’ordre du travail personnel.

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Consignes de travail

 Quelques consignes de travail pour mémoire LONG TERME :   régularité pour mémorisation plus facile   efficacité : refaire les TD en temps en limité (TOUJOURS)   concentration : meilleure efficacité

  Psychologue Jost a montré : « si nous lisons un texte 6 fois coup sur coup, nous le retenons moins bien que si nous le lisons 6 fois, à 5 minutes d’intervalle »

  Si deux traces mnésiques ont la même force, •  1) la répétition de la plus ancienne la renforce plus que la répétition de la

plus récente et, •  2) la trace la plus ancienne se détériorera moins rapidement que la plus

récente.   cours le matin ; révision aussitôt après le cours (cette révision a lieu après le

contrôle que l'on fait soi-même pour vérifier que l'on "sait").   1ère révision, le soir   2ème révision, 2 ou 3 jours après   3ème révision, la semaine suivante…à tester pour trouver son rythme.

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 Formulations :

  « Il est plus efficace de faire une lecture/révision suffisamment vite pour que la précédente lecture ait encore une trace assez prononcée, mais suffisamment tard pour que cette révision ne représente pas un effort inutile ».

  « Une révision doit être faite suffisamment tôt pour que l'on n'ait pas oublié, mais pas trop tôt, sinon c'est de l'énergie inutilement dépensée. Le moment idéal est celui où l'on commence juste à oublier une partie de ce que l'on a étudié. ».

A vous de vous observer

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 Sur ces principes de travail :

  diversifier vos sources d’informations pour trouver celle qui vous correspond – cette démarche vous permet aussi de « passer plusieurs couches » sur un même sujet.

  La simple lecture/compréhension de quelques paragraphes d’un livre sur un le sujet d’un exercice de TD, est une étape permettant d’imprimer dans notre mémoire, cette notion de façon durable.

  Fiches : si nous voulons retenir efficacement des connaissances, il faut commencer par les organiser, les ranger, les classer (fiche claire, schéma, couleur)

  De se faire une table des matières claire AU FUR ET A MESURE DU DEROULEMENT DU COURS permet de bien visualiser les grandes parties du cours et de mieux retenir le cours.

  Faire cette table c’est déjà une étape de la mémorisation.

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 Secret d’une bonne mémoire A LONG TERME (pas de bachotage):   Les multiples associations liées à la notion à mémoriser.

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  Exemple : comment apprendre les points clés du théorème de Thevenin ? Quelques PISTES !

  Dans TheVenin, Thé, Venin !!!!!   Lire une petite biographie de M. Thevenin et chercher des liens avec

« modélisation d’un circuit sous la forme d’un générateur de tension en série avec une impédance »

  Faire un simple exercice 4 fois de suite à 1 jour d’intervalle   Puis-je utiliser une formule sur laquelle est basée ce TH…Loi d’Ohm

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 Comment acquérir une nouvelle connaissance :

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Plan

  Informations sur le module   Objectifs du module   Méthodologie de présentation

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Approche des notions abordées

  1ère étape : cas particulier – exemple : amplificateur « audio », capteur

Se poser certains nombre de questions :

Pourquoi évaluer la consommation ?

Pourquoi un AOP ?

Pourquoi une réponse en fréquence ?

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Le support du cours

  2ème étape : du cas particulier vers la généralisation

Généralisation des concepts, pour aborder : •  capteurs, hautes fréquences, appareils de mesure……

Est-ce que cette notion concerne d’autres systèmes ?

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Le support du cours

  3ème étape : mise en place du formalisme :   Théorèmes et équations

Objectifs de ce formalisme :   support pour les TDs-TPs,   concours   acquisition d’une démarche scientifique :

  1) observation et raisonnement physiques   2) mises en équation   3) analyses des équations   4) optimisation du système

F(p) = e− p.t0

+∞

∫ . f (t).dt

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Plan du cours

  Informations sur le module   Objectifs du module   Méthodologie de présentation   Cours

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Plan du cours

0. Préambule a) Les fondements de l’électronique

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Préambule

  Électrocinétique : Étude des phénomènes de l'électricité en mouvement, abstraction faite des phénomènes magnétiques qui en résultent {définition du

Larousse}. Étude de l’action du champ électrique dans les circuits fermés de matériaux conducteurs, nom commun électricité {définition du Encarta}.

  Avant de présenter les Lois Macroscopiques du type :

  Revenons un peu en arrière, au microscopique : pourquoi ?

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Préambule

  D’un point de vu BASSEMENT MATERIEL : pour comprendre la majeure partie des phénomènes qui se déroule dans notre vie de tous les jours !   Les couleurs des pixels de nos écrans LCD ou plasma

  Bon nombre de réactions chimiques (ex : utilisation d’une pile rechargeable – Pile d’Alessandro Volta 1745-1827)

  L’utilisation d’une ampoule à incandescence ou basse consommation

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Préambule

  D’un point de vu plus SCIENTIFIQUE, voire PHILOSOPHIQUE, voire EPISTEMOLOGIQUE : pour appréhender la nature, ses postulats, ses lois de base !

  « Existe-t-il un principe premier dont tout découlerait ? Existe-t-il bel et bien une matière à l’origine de tout ce qui se trouve sur Terre ? »1.

  Par exemple les notions courantes de tension/courant sont expliquées aux niveaux microscopique par des calculs sur les charges. Même si nous pensons connaître ses notions !

1 Le monde de Sophie, Jostein Gaarder, Ed. Seuil

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Préambule

  Par rapport à l’électrocinétique :   Il faut savoir que l’électrocinétique est la fille de l’électromagnétisme !!!!

  Des différentes interactions étudiées :   Ex : la pesanteur que nous « subissons » tous les jours   Les interactions électromagnétiques (EM) sont celles qui sont le plus souvent mises en

jeu (communication, éclairage, les objets « intelligents »….)   Dans toute la diversité des exemples cités, remarquable de noter que ces

interactions EM sont décrites dans 4 équations : Les équations de Maxwell (James Clerk Maxwell en 1873).

  D’un point de vu scientifique et philosophique, l’aspect remarquable tient à l'unification des forces gouvernant le monde physique = fantasme des scientifiques voire d’autres personnes !)

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Préambule

  Voici ces équations sous forme différentielle et intégrale:

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Préambule

  Voici ces équations sous forme différentielle et intégrale:

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Les fondements des tensions et des courants

 Revenons à notre niveau microscopique voire atomique

  En l’état actuel de nos connaissances : nous avons les particules dites élémentaires comme constituants élémentaires de toute matière.

  Particules élémentaires à l’atome (électrons, neutrons, protons)

 De l’atome à la molécule (liaisons covalentes)

 De l’atome/molécule au cristal objets à notre échelle

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 De l’e- au courant en passant par la densité de courant :   Beaucoup de nos calculs se feront à un niveau macroscopique (nous

n’allons pas faire de calculs sur chaque électron !)   De même nous n’allons pas travailler avec des paquets d’atomes

  Cela nous emmène à définir ce qu’on appelle les grandeurs locales (microscopiques) et globales (macroscopiques)

  Nous allons en électrocinétique travailler avec des « Lois Macroscopiques »

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 Nous allons donc réaliser des « sommations de phénomènes physiques » calcul d’intégrales de grandeurs qui ont été obtenues par dichotomie des objets à notre échelle :

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  L’électrostatique, la magnétostatique : font partie des domaines stationnaires (les phénomènes sont constants dans le temps)

  l’électromagnétisme : beaucoup plus général, fait AUSSI intervenir des variations dans le temps des grandeurs (de nouveaux phénomènes apparaissent)

 Ces sciences font abondamment appel à la notion de champs :   Scalaire : à chaque point de l’espace est associé un nombre (ex :

champ de température)

  Vectoriel = ? ( champ E)

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  En EM nous utilisons beaucoup le champ électrique E et magnétique B: E ?? Loi de Coulomb :

| F | = k | Q qo | / r2

S’écrit encore : | F | = | qo [k Q/r2] |

Sachant que : F = qo E

Nous avons champ électrique E (vecteur !!!! En stationnaire) :

| E | = | k Q / r2 | Les charges sont les sources de E (

exemples)

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  le champ électrique E : même chose que pour le champ gravitationnel G.

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  le champ magnétique B (vecteur aussi) : a pour origine des courants ou des vecteurs densités de courant = des charges en mouvement.

En STATIQUE Loi de Biot et Savart

dB = µo / 4.Pi. (I dL x r) / r3

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  La notion de champ très utile pour définir :   Potentiels   Forces en présence   Les énergies du système

  Exemple : bouger une charge + dans un champ E, nécessite dans un cas un travail (= une énergie). Idem avec gravitation.

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 Autre exemple : Le champ peut aussi se concevoir sur l’exemple d’un feu : plus on s’en rapproche plus nous sentons l’intensité

du champ thermique

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  Le potentiel électrostatique (en VOLT) = travail dépensé pour emmener une charge q1 vers autre charge q2 (q2 qui est à l’origine d’un champ E).

  Faire analogie gravitation G

http://en.wikibooks.org/wiki/FHSST_Physics/Electrostatics/Electrical_Potential

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 Ce n’est pas une énergie perdue, elle peut potentiellement être utilisée = énergie potentielle (comme un ressort comprimé).

http://en.wikibooks.org/wiki/FHSST_Physics/Electrostatics/Electrical_Potential

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Plan du cours

0. Préambule a) Les fondements de l’électronique b) L’électronique analogique et numérique

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Numérique Analogique

  A la base nous avons 3 souhaits en ce qui concerne les systèmes que nous utilisons et que nous développons :

  Fiabilité/répétitivité des systèmes

  Souvent, nécessité croissante de réaliser des calculs (calculs : voir suite du cours) et ceci de plus en plus rapidement.

  Nécessité de réaliser des systèmes de plus en plus sophistiqués et intelligents, portables, à longue autonomie sur batterie.

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Introduction : Le monde du numérique et de l’analogique

Dans une chaîne de mesure par exemple circulent des informations analogiques et numériques :

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  Pourquoi ces 2 mondes ??

  Historiquement les grandeurs de notre monde d’abord vues comme analogiques

  Ex : tension 15V ou courant 8.12mA pouvant prendre toutes valeurs possibles.

  Ces valeurs s’appuient sur la base de numération décimale.

  L’homme a ensuite vu une opportunité •  de réaliser plus rapidement des calculs •  de stocker l’information de façon fiable, de réaliser systèmes plus

sophistiqués   en exprimant les grandeurs analogiques décimales en base binaire

(en utilisant que les symboles 0 et 1)

  Le numérique a pris le pas sur l’analogique (concerne la technique de conception des systèmes)

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Avantages du numérique par rapport à l’analogique

  Facilité de conception des fonctions complexes (nombreux outils informatiques FIABLES/gratuits d’aide à la conception et de simulation)

  Mémorisation (stockage) fiable des informations (disque dur, DVD, mémoire ROM, mémoire RAM)

  Manipulation des données aisée et base de calculs riche, faciles et rapides (scilab, excel, matlab, …) ex : analyse matlab

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  Faible sensibilité au bruit électronique et électrique – qu’est ce le bruit électromagnétique ? - définition bruit électronique

  domaine de la CEM (compatibilité électromagnétique) blindage, potentiel d’isolation - Représentation ↓

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 Représentation :

  Si la perturbation suffisamment forte modification de l’information numérique, conséquences plus ou moins graves

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  faible sensibilité ou « robustesse » du signal numérique/signal analogique, tient au fait que la valeur de la tension exacte n’a pas d’importance en numérique (dans une certaine limite)

  Raison de la robustesse du signal numérique :   Pour un circuit numérique, « 1 » logique = tension comprise entre 2V et 5V.   « 0 » logique = tension comprise entre 0V et 0.8V   Représentation ↓

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 Représentation :

Observation à l’oscilloscope

Définition de Vth et Vtl (datasheet)

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 Représentation : Définition signal numérique 1

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  La « qualité » de la tension de sortie du CNA est la même dans les 2 cas :

Système à entrée numérique

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 Toujours concernant les avantages :   Codes correcteurs d’erreur (Parity check code) :   consiste à ajouter un ou plusieurs bits de contrôle à la fin du message à

envoyer.   Commençons par considérer le cas où m=1, c'est-à-dire où un unique

bit de contrôle est employé.   Pour déterminer le bit de contrôle, il faut compter le nombre de 1

envoyés dans le message initial. Si ce nombre est impair, le bit de contrôle est 1. Si le nombre de 1 est pair, le bit de contrôle est 0.

  À la réception…il faut des circuits pour compter le nombre de « 1 » !!!

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 Toujours concernant les avantages :   Affichage facile avec de nombreux composants « plug and play » (voir

afficheur LCD)

  Reprogrammation souple et rapide des fonctions déjà développées avec les « Réseaux logiques programmables « (composants programmables FPGA Field Programmable Gate Array), CPLD Complex Programmable Logical Device) et les microcontrôleurs.

•  Refaire une nouvelle fonction en analogique demande souvent de refaire une nouvelle carte.

•  En numérique : si erreur dans la fonction → reprogrammation et même en temps réel.

•  Exemples

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  Reprogrammation souple et rapide, temps réel

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  Indépendance des fonctions par rapport température   Fonctions analogiques (amplification, filtrage) sont souvent fonction de

la température !!!!   Ex : transistors et fonction amplification 25°C et 65°C   4_spice\Schematic1.sch

  Qu’en est il en numérique ????

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  Mais les signaux en fin de chaîne (moteurs, baffles, écran….) sont très souvent de nature analogique

  nous avons donc aujourd’hui une coexistence de ces 2 représentations :   ANALOGIQUE (informations analogiques)   BINAIRE (informations numériques)

  Avec une prédominance du numérique

  Chacun de ces 2 mondes a avantages et inconvénients, il faut savoir les utiliser et basculer dans l’autre monde quand nécessaire

  Passage entre ces 2 mondes : Convertisseur CAN CNA

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Remarque : passages entre monde analogique et numérique :

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Passages entre monde analogique et numérique :

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Passages entre monde analogique et numérique :

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Introduction : La numération binaire

  Le développement de l’électronique numérique est intimement lié à la nécessité de réaliser des calculs (applications aux domaines du bâtiment, aéronautique, chimie, électronique…)

  Besoin de réaliser des calculs mathématiques (intégrales, sommes etc…)

  Calculs pour traitement d’images (logiciel de traitement graphique) : on nomme profondeur le nombre de digits utilisés pour coder la couleur de chaque pixel

  1 bit « 0 ou 1 » : seules couleurs possibles : noir et blanc,   1 octet = « 100100012 »: 256 couleurs ou niveaux de gris,   2 octets : 65536 couleurs,   3 octets : 16 777 216 couleurs,   4 octets : 4 294 672 296 couleurs

Coloriser une image = faire des additions et des soustractions, décalages de nombres binaires

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  calculs pour traitement audio et vidéos (wav mp3)

  De nombreux exemples existent (utilisateur ne voit que niveau supérieur, bas niveau traité par processeur)

Faire de la compression = au final faire des additions, des soustractions, des comparaisons de nombres binaires

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  Pour revenir aux machines à calculer

  machines ont été réalisées sous diverses « formes » en fonction de la maîtrise technologique de chaque époque

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Une autre façon de réaliser des calculs représenter nombres « traditionnels en notation décimal» (1232)10

En un CODE adapté à une certaine technologie performante (réglette, pneumatique, optique, électronique…cf suite cours) qui va traiter ces codes Bien sure dans l’optique de gagner du temps de calcul !!!

Ce codage concerne le domaine de la numération

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  LA NUMERATION BINAIRE ?   Définition : «la numération» est ensemble de conventions et de

méthodes permettant de nommer, d'écrire les nombres   Exemples :

  système arabe : 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 9.   système romain : I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII, IX, L, C, M.

  Remarque : la numération arabe utilise une représentation positionnelle (contrairement à la numération romaine) : numération romaine : MCMXCIX où M vaut toujours 1000, C vaut toujours 100 quelque soit sa position.

  Numération positionnelle : La valeur d’un chiffre dépend de sa position. Pour le nombre 1999 où le « 9 » le plus à droite vaut « 9*100 », celui immédiatement à sa gauche vaut «9*101 », etc.. « 1999 » = 1*103 + 9*102 + 9*101 + 9*100

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  Pour comprendre notre système de numération actuel, faut remarquer que les hommes ont commencé à compter en s'aidant des doigts

  Logiquement, introduction de la notion de « base » à 10 « symboles » différents

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  Les 2 piliers de notre numération actuelle :

Les 10 symboles 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9

Convention : à chaque position d’un symbole est associée une puissance de 10 11210=1*102+1*101+2*100

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  Une autre base possible est la base 2 appelée « binaire » . Elle ne comporte que 2 symboles ou état différents : « 0 et 1 », « vrai et faux », « ouvert et fermé », « 0 volt et 5 volts », « éteint et allumé »…..

  Ces différentes significations des symboles (ouvert/fermé, etc…) correspondent exactement à l’état de composants électroniques : diodes, lampes, transistors l’électronique est une technologie adaptée à la base binaire…..d’où l’ère technologique associée à l’électronique...

  Illustration

« 0 » 0 volt Interrupteur ouvert

« 1 » +5 volts Interrupteur fermé

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  l’électronique est une technologie adaptée à la base binaire…..d’où l’ère technologique associée à l’électronique...

« 0 » 0 volt Interrupteur ouvert

« 1 » +5 volts Interrupteur fermé

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