Remarques : tout au long des simulations, l’apprenant devra penser à : relever les opérations logicielles effectuées, expliquer la procédure suivie, effectuer, imprimer et annoter les relevés nécessaires (schémas, stimulis, chronogrammes, …), etc …Chaque   élève   doit   rendre   un  compte   rendu   personnel   soigné  et   détaillé,   avec   une   analyse  pertinente   de   chaque   structure   et   ses chronogrammes correspondants. Les fichiers de chaque élève seront récupérés à la fin dans vos répertoires réseaux.

Compteur asynchrone

Compteur binaire

Une structure de compteur asynchrone à bascules D CMOS série 4000 CD4013 et RAZ asynchrone est la suivante      :  

Étude de la structure      :   Expliquez en quelques mots ce qui se passe :

sur Q0 à chaque front d’horloge sur la première bascule :

à chaque front descendant de la sortie d’une bascule sur la bascule suivante :

Déduisez-en le fonctionnement du montage :

Si l’horloge a pour fréquence F, donnez la fréquence obtenue à chaque sortie de ce compteur :FQ0 =  FQ1 =  FQ2 =  FQ3 = 

Donnez la valeur à appliquer sur RESET pour laisser le compteur compter : RESET= Enfin expliquez le rôle de la sortie CO :

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Simulation      :   Lancez une simulation de la structure cptasyncd16-a.DSN.

Observer les chronogrammes obtenus      :   Donnez la fréquence appliquée au signal d’horloge CLOCK, et celles obtenues sur les sorties :

FCLK =   FQ0 =  FQ1 =  FQ2 =  FQ3 = 

Justifiez le nom de compteur à RAZ (remise à zéro) asynchrone :

Faire un agrandissement sur le passage de 15 à 0 avec la loupe      :   Observez si l’on a des valeurs intermédiaires indésirables (entre 15 et 0), si oui lesquelles :

Remarque : pour cela, lorsque l’analyse temporelle est désélectionnée, cliquer sur sa barre en haut, pour ouvrir l’analyse dans une fenêtre séparée, puis utiliser la loupe…

En fait, toute porte logique ou toute bascule possède des  temps de propagation  propres. Le temps de propagation est le temps nécessaire à une sortie pour réagir lorsque qu’un changement s’est produit sur les entrées.Le 4013 de technologie CMOS réagit  « assez lentement ».  Il  a des temps de propagation de  l’ordre de 100ns (selon la tension d’alimentation, et l’entrée stimulée).Justifiez de manière détaillée l’existence de ces valeurs intermédiaires :

Regardez s’il y a d’autres endroits où l’on observe des états intermédiaires. Et de manière générale, donnez une condition dans le comptage produisant des états intermédiaires :

Lorsqu’un front actif d’horloge intervient, donnez en fonction du nombre de bits n qui changent, le  retard total  (en  nombre  de   temps  de  propagation  moyen   tp)  que  met   la  nouvelle   valeur  de  comptage  pour apparaître en sortie après le front d’horloge :

Mesurez la valeur du temps de réaction d’un étage du compteur, ou temps de propagation tp d’une CD4013 :Remarque : pour mesurer les temps, mettre sur le chronogramme un curseur sur le temps final avec un clic gauche puis un autre curseur sur le temps de départ en appuyant sur la touche control et en faisant un clic gauche, les temps des curseurs et la différence delta apparaissent en bas.

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Extrapolation : en supposant que l’on construise ainsi un compteur de 16 bit, donnez le nombre maximum de valeurs intermédiaires indésirables qui vont se succéder, et pour quelles valeurs de comptage. Donnez le temps que va mettre alors la bonne valeur de comptage pour s’établir en sortie après le front actif d’horloge !

Concluez sur le principal défaut des compteurs asynchrones :

Compteur modulo 10 ou décimal (BCD) : Nous voulons maintenant réaliser un  compteur décimal, c’est à dire compteur seulement de 0 à 9 :Câblez avec une porte logique ET (4081) le compteur cptasyncd10-a.DSN afin de détecter le passage à 10 et remettre immédiatement le compteur à 0. Puis réunir cette détection et le signal de commande RESET de notre montage avec une porte OU (4071) pour contrôler les entrées de remise à zéro de nos bascules D.Remarque : on a ajouté ensuite une porte logique OU à deux entrées afin de pouvoir contrôler le RESET des bascules D avec un signal externe (comme c’était le cas précédemment) OU avec la porte pilotant le compteur en modulo 10. Le reset est actif à 1 => porte OU (si il était actif à 0 =>porte ET).Créez un signal de retenue CO (Carry Out)

Justifiez votre câblage et le choix de la valeur 10, en discutant le fait que la remise à zéro de nos bascules D est de type asynchrone :

Imprimez le schéma ainsi obtenu.

Simulez le montage obtenu en appliquant les bon stimulis sur les entrées, et agrandir le passage de 9 à 0 sur les chronogrammes. Imprimez les chronogrammes obtenus après agrandissement.Expliquez pourquoi la remise à 0 ne se fait pas immédiatement, c’est à dire pourquoi la valeur 10 apparaît furtivement. Donner le temps nécessaire pour passer complètement de 9d=1001b à 0d=0000b, après que le front d’horloge ait eu lieu :

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Compteur intégré décimal avec entrées de préchargement et RAZ synchrone.

Étude de la documentation constructeur (sur la dernière feuille, blanche)      :  Nous allons étudier la documentation technique regroupant les compteurs xx160, xx161, xx162 et xx163. Vous disposez des documentations constructeurs des xx16x technologie CMOS série 4000 : 4016x (celle utilisée dans les simulations précédentes) et TTL LS : 74LS16x (celle que l’on va utiliser ici).

Énumérez  et   commentez   les   caractéristiques   fonctionnelles  et  électriques  communes  entre   ces  quatre compteurs : type de compteur et nombre de bits (commun aux deux docs), technologie de fabrication et, limites d’alimentation (selon la doc), … : Type de compteur :

Nombre de bits et prépositionnement :

Technologie de fabrication et limites d’alimentation (CMOS série 4000) :

Technologie de fabrication et limites d’alimentation (TTL LS) :

Expliquer à l’aide d’un tableau quelles sont les différences qui caractérisent ces quatre compteurs. La page 1 de la documentation technique 74LS16x.pdf comporte des chronogrammes pouvant vous aider ;

Si un compteur BCD est initialisé à une valeur supérieure à 9, expliquez ce qui se passe en vous référant à la page 2 de la documentation technique 74LS16x.pdf :

Expliquez succinctement, en vous référant à la page 5 de la documentation technique 4016X.pdf, quel est le rôle des broches CARRY, CET et CEP :

Comparez   globalement   les   temps   de   propagation   des   compteurs   CMOS   série   4000   (documentation technique  4016X.pdf, page 3) et des compteurs TTL LS (documentation technique  74LS16x.pdf, page 4) dans un tableau. Concluez sur ces technologies de conception et fabrication :

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Simulation      :  

Ouvrez  le schéma  cptsync74LS162-a.DSN.  Configurez  les générateurs  (états  fixes) en conservant  pour l’horloge une fréquence de 1MHz et pour le /RESET l’impulsion configurée. Puis simulez le. L’entrée   /RESET   doit   remettre   le   74LS162   à   zéro.   Expliquez   pourquoi   le   RESET   n’est   pas 

immédiatement pris en compte :

Puis le compteur compte… Décrivez le comptage obtenu :

Imprimez les chronogrammes obtenus et annotez les soigneusement de manière à mettre en valeur toutes les fonctionnalités de ce compteur TTL LS.

Contrôlez  et  expliquez  si  ce  composant  crée  des  états   intermédiaires  ou   indésirables.  Agrandissez  en particulier le passage de la valeur 7 à la valeur  8 du comptage. Donnez (en nombre de tp moyen) le retard total  entre   le   front   d’horloge   et   l’établissement   de   la   bonne   valeur,   indépendant   du   nombre   de   bits changeant :

Modifiez le schéma afin de réaliser un compteur modulo 12, c’est a dire qui compte de 0 à 11 pleinement ! Choisissez   le   bon   compteur   74LS16x,   effectuez   le   câblage  nécessaire,   puis   sauvez   ce   schéma  sous cptsync74LS16x-0-11-a.DSN et imprimez le.Remarque :  pour   remplacer  un  composant  par  un  autre  dont   la   représentation  est   la  même,  mais  de référence différente, il faut placer puis choisir le nouveau dans la liste de gauche, puis le faire apparaître sur le schéma avec un clic gauche (sans le placer), et enfin le placer exactement sur celui à remplacer. Ensuite il faut le renommer avec le bon nom, une curiosité de ISIS… en double-cliquant sur son nom.Ensuite simulez le, puis imprimez et annotez le résultat afin de mettre en valeur le comptage modulo 12.Vérifier aussi si la valeur 12 apparaît an annotant vos chronogrammes.

Enfin modifiez le schéma pour obtenir un compteur modulo 8 MAIS comptant en boucle de 4 à 11 ! Sauver ce schéma sous cptsync74LS16x-4-11-a.DSN et imprimez le.Ensuite simulez le, puis imprimez et annotez le résultat afin de mettre en valeur le comptage modulo 12.

Concluez sur ces compteurs intégrés      :  

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