Tp Portes Logiques

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Lycée Brizeux (Quimper) PSI TP de physique-chimie TP Portes logiques Ca pa ci tés exi gibles du pro gramme : Oscillateur – Mettre en œuvre un ALI ou une porte logique pour réaliser un oscillateur. Liste du ma riel : – Alimentation stabilisée – Oscilloscope – GBF – Plaquette de montage de composants – Composants à disposition – Portes logiques MX4000 – Interrupteur à lame 1 Étude de portes logiques Caractéristique d’une porte NON : Déterminer et mettre en œuvre un protocole expérimental permettant de visualiser à l’oscilloscope la caracté- ristique d’une porte NON, élaborée à partir d’une porte NON ET. On alimentara la porte logique en 5 V. 2 Oscillateurs à portes logiques Oscillateur de relaxation : Déterminer et mettre en œuvre un protocole expérimental permettant de réaliser l’oscillateur à portes logiques de l’annexe 2, mesurer sa période et la comparer à la valeur théorique. On prendra R = 100 kΩ, C = 10 nF et R 0 = 1 MΩ. Oscillateur à porte unique : Déterminer et mettre en œuvre un protocole expérimental permettant de réaliser un oscillateur « bouclé » à partir d’une seule porte NON. Modifier le montage pour augmenter la période d’oscillation. 3 Modélisation d’un « carrefour » Déterminer et mettre en œuvre un protocole expérimental per- mettant de modéliser à l’aide de LED le carrefour suivant : A, C et D sont des feux rouges, B est un bouton pour piétons permettant de déclencher le passage de C et D au rouge. Lorsque le feu A est vert, les feux C et D sont rouges, et in- versement. Si le bouton B est déclenché, le feu A passe au vert. De plus, le feux A est piloté pour passer alternativement du vert au rouge. –1– P.E LEROY

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Portes logiques

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Capacités exigibles du programme :

Oscillateur– Mettre en œuvre un ALI ou une porte logique pour réaliser un oscillateur.

Liste du matériel :

– Alimentation stabilisée– Oscilloscope– GBF– Plaquette de montage de composants

– Composants à disposition– Portes logiques MX4000– Interrupteur à lame

1 Étude de portes logiques

Caractéristique d’une porte NON :Déterminer et mettre en œuvre un protocole expérimental permettant de visualiser à l’oscilloscope la caracté-ristique d’une porte NON, élaborée à partir d’une porte NON ET.

On alimentara la porte logique en 5 V.

2 Oscillateurs à portes logiques

Oscillateur de relaxation :Déterminer et mettre en œuvre un protocole expérimental permettant de réaliser l’oscillateur à portes logiquesde l’annexe 2, mesurer sa période et la comparer à la valeur théorique.

On prendra R = 100 kΩ, C = 10 nF et R′ = 1 MΩ.

Oscillateur à porte unique :Déterminer et mettre en œuvre un protocole expérimental permettant de réaliser un oscillateur « bouclé » àpartir d’une seule porte NON. Modifier le montage pour augmenter la période d’oscillation.

3 Modélisation d’un « carrefour »

Déterminer et mettre en œuvre un protocole expérimental per-mettant de modéliser à l’aide de LED le carrefour suivant :

A, C et D sont des feux rouges, B est un bouton pour piétonspermettant de déclencher le passage de C et D au rouge.

Lorsque le feu A est vert, les feux C et D sont rouges, et in-versement. Si le bouton B est déclenché, le feu A passe au vert.

De plus, le feux A est piloté pour passer alternativement du vertau rouge.

– 1 – P.E LEROY

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Annexe 1 - Caractéristiques de porte logiques

1 Portes logiques MX4000

2 Caractéristique d’une porte NON

– 2 – P.E LEROY

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Annexe 2 - Oscillateurs à portes logiquesUn exemple d’oscillateur à portes logiques est représenté ci-dessous, les portes utilisées étant des portes NONET (ou portes NAND), utilisées pour créer des portes NON (ou inverseur logique).

1 Analyse théorique

Pour simplifier l’analyse, on néglige la résistance de sortie des portes logiques et on considère leur résistanced’entrée comme infinie. La résistance R’ ne joue donc aucun rôle dans l’étude théorique de l’oscillateur.

Supposons une phase pour laquelle on ait : Vs2 = Ve1 = E. On a donc Vs1 = 0 et le condensateur est en cours decharge. Cette phase s’achève lorsque Ve2 = Vb. Si l’on choisit cet instant comme origine des temps, on a donc :

À t = 0− : Vs2 = Ve1 = E ; Vs1 = 0 ; Ve2 = Vb et uc (tension aux bornes du condensateur)= Vb.

À t = 0+ : Vs2 = Ve1 = 0 ; Vs1 = E ; uc = Vb (continuité de la tension aux bornes du condensateur) et doncVe2 = E + Vb.

On peut alors montrer que l’on a pour t > 0 :

Ve2(t) = (Vb + E)e−

t

RC

On peut aussi déterminer l’instant Tb auquel il y a à nouveau basculement :

Tb = RC ln

(Vb + E

Vb

)Lors de la phase suivante :

À t = T−b : Vs2 = Ve1 = 0 ; Vs1 = E ; Ve2 = Vb et uc = Vb − E.

À t = T+b : Vs2 = Ve1 = E ; Vs1 = 0 ; uc = Vb − E et donc Ve2 = Vb − E.

On peut alors montrer que l’on a pour t > Tb :

uc(t) = E + (Vb − 2E)e−t− Tb

RC et Ve2(t) = E + (Vb − 2E)e−t− Tb

RC

On peut aussi déterminer l’instant Th auquel il y a à nouveau basculement :

Th = RC ln

(Vb − 2E

Vb − E

)On peut alors montrer que l’on a :

T = RC

[ln

(Vb + E

Vb

)+ ln

(Vb − 2E

Vb − E

)]

expression qui se simplifie dans le cas où Vb =E

2.

Remarque : La tension d’entrée aux bornes de la 2e porte NAND du montage pouvant atteindre, au momentdes basculements, des valeurs importantes, l’appel en courant en entrée de la porte peut devenir non négligeable.C’est pour limiter ce courant d’entrée que l’on place R′ de très grande valeur à l’entrée de cette 2e porte. Onpourra vérifier que si l’on place R′ plus faible que 10R, le fonctionnement de l’oscillateur est perturbé.

– 3 – P.E LEROY

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2 Montage compact

On pourrait utiliser un inverseur possédant de l’hystérésis, à savoir, un inverseur dont la tension d’entrée Vb1

permettant le basculement de la sortie de l’état bas vers l’état haut soit différent de celle (Vb2) permettant lebasculement de l’état haut vers l’état bas.

Le montage oscillateur peut se simplifier de la façon suivante :

Par une étude théorique, on peut montrer que la période des oscillations est :

T = RC

[ln

(E − Vb1

E − Vb2

)+ ln

(Vb2

Vb1

)]

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