Signaux et portails numériques

Bien que le système de numération binaire soit une abstraction mathématique intéressante, nous n'avons pas encore vu son application pratique à l'électronique. Ce chapitre est consacré à cela :appliquer pratiquement le concept de bits binaires aux circuits.

Ce qui rend la numération binaire si importante pour l'application de l'électronique numérique, c'est la facilité avec laquelle les bits peuvent être représentés en termes physiques. Parce qu'un bit binaire ne peut avoir qu'une des deux valeurs différentes, 0 ou 1, tout support physique capable de basculer entre deux états saturés peut être utilisé pour représenter un bit.

Par conséquent, tout système physique capable de représenter des bits binaires est capable de représenter des quantités numériques et a potentiellement la capacité de manipuler ces nombres. C'est le concept de base qui sous-tend l'informatique numérique.

Circuits binaires et électroniques

Fonctionnement binaire du transistor

Les circuits électroniques sont des systèmes physiques qui se prêtent bien à la représentation de nombres binaires. Les transistors, lorsqu'ils fonctionnent à leurs limites de polarisation, peuvent être dans l'un des deux états différents :soit coupé (pas de courant contrôlé) soit saturé (courant contrôlé maximum). Si un circuit à transistors est conçu pour maximiser la probabilité de tomber dans l'un ou l'autre de ces états (et ne pas fonctionner en mode linéaire ou actif), il peut servir de représentation physique d'un bit binaire.

Entrée du transistor à « High »

Un signal de tension mesuré à la sortie d'un tel circuit peut également servir de représentation d'un seul bit, une tension basse représentant un « 0 » binaire et une tension (relativement) élevée représentant un « 1 » binaire. Notez le circuit transistor suivant :

Dans ce circuit, le transistor est dans un état de saturation grâce à la tension d'entrée appliquée (5 volts) à travers l'interrupteur à deux positions. En raison de sa saturation, le transistor chute très peu de tension entre le collecteur et l'émetteur, ce qui donne une tension de sortie (pratiquement) de 0 volt.

Si nous utilisions ce circuit pour représenter des bits binaires, nous dirions que le signal d'entrée est un "1" binaire et que le signal de sortie est un "0" binaire. Toute tension proche de la pleine tension d'alimentation (mesurée en référence à la terre, bien sûr) est considérée comme un « 1 » et un manque de tension est considéré comme un « 0 ».

Les termes alternatifs pour ces niveaux de tension sont élevé (identique à un « 1 » binaire) et faible (identique à un « 0 » binaire). Un terme général pour la représentation d'un bit binaire par une tension de circuit est logique niveau.

Entrée du transistor à « Low »

En déplaçant le commutateur vers l'autre position, nous appliquons un « 0 » binaire à l'entrée et recevons un « 1 » binaire à la sortie :

Que sont les portes logiques ?

Ce que nous avons créé ici avec un seul transistor est un circuit généralement appelé porte logique, ou simplement porte . Une porte est un type spécial de circuit amplificateur conçu pour accepter et générer des signaux de tension correspondant aux 1 et 0 binaires.

En tant que telles, les portes ne sont pas destinées à être utilisées pour amplifier des signaux analogiques (signaux de tension compris entre 0 et la pleine tension). Utilisées ensemble, plusieurs portes peuvent être appliquées à la tâche de stockage de nombres binaires (circuits de mémoire) ou de manipulation (circuits de calcul), la sortie de chaque porte représentant un bit d'un nombre binaire à plusieurs bits.

La manière dont cela est fait est un sujet pour un chapitre ultérieur. À l'heure actuelle, il est important de se concentrer sur le fonctionnement des portes individuelles.

Onduleur ou PAS Gate

La porte illustrée ici avec le transistor unique est connue sous le nom d'onduleur , ou PAS de porte car il émet le signal numérique exactement opposé à celui de l'entrée. Pour plus de commodité, les circuits de grille sont généralement représentés par leurs propres symboles plutôt que par leurs transistors et résistances constitutifs. Voici le symbole d'un onduleur :

Un autre symbole pour un onduleur est affiché ici :

PAS de symbole schématique de porte

Remarquez la forme triangulaire du symbole de la porte, un peu comme celle d'un amplificateur opérationnel. Comme indiqué précédemment, les circuits de porte sont en fait des amplificateurs.

Le petit cercle ou « bulle » affiché sur la borne d'entrée ou de sortie est standard pour représenter la fonction d'inversion. Comme vous pouvez vous en douter, si nous supprimions la bulle du symbole de la porte, ne laissant qu'un triangle, le symbole résultant n'indiquerait plus une inversion, mais simplement une amplification directe.

Un tel symbole et une telle porte existent réellement, et cela s'appelle un tampon , le sujet de la section suivante.

Comme un symbole d'amplificateur opérationnel, les connexions d'entrée et de sortie sont représentées comme des fils simples, le point de référence implicite pour chaque signal de tension étant la « masse ». Dans les circuits de porte numériques, la terre est presque toujours la connexion négative d'une seule source de tension (alimentation).

Les alimentations doubles, ou « split », sont rarement utilisées dans les circuits de porte. Étant donné que les circuits de porte sont des amplificateurs, ils nécessitent une source d'alimentation pour fonctionner. Comme les amplificateurs opérationnels, les connexions d'alimentation pour les portes numériques sont souvent omises du symbole par souci de simplicité.

PAS de porte dans les circuits

Si nous devions montrer tout les connexions nécessaires au fonctionnement de cette porte, le schéma ressemblerait à ceci :

Les conducteurs d'alimentation sont rarement représentés dans les schémas de circuit de porte, même si les connexions d'alimentation à chaque porte le sont. En minimisant les lignes dans notre schéma, nous obtenons ceci :

« Vcc » représente la tension constante fournie au collecteur d'un circuit à transistors à jonction bipolaire, en référence à la masse. Ces points d'un circuit de porte marqués par l'étiquette « Vcc » sont tous connectés au même point, et ce point est la borne positive d'une source de tension continue, généralement de 5 volts.

Comme nous le verrons dans d'autres sections de ce chapitre, il existe plusieurs types de portes logiques, dont la plupart ont plusieurs bornes d'entrée pour accepter plus d'un signal. La sortie d'une porte dépend de l'état de ses entrées et de sa fonction logique.

Expression des fonctions de circuit de porte avec des tables de vérité

Une façon courante d'exprimer la fonction particulière d'un circuit de porte est appelée table de vérité. Les tables de vérité montrent toutes les combinaisons de conditions d'entrée en termes d'états de niveau logique (soit « haut » ou « bas », « 1 » ou « 0 » pour chaque borne d'entrée de la porte), ainsi que le niveau logique de sortie correspondant, soit "haut ou bas." Pour le circuit inverseur, ou NON, qui vient d'être illustré, la table de vérité est en effet très simple :

Les tables de vérité pour les portes plus complexes sont, bien sûr, plus grandes que celle montrée pour la porte NON. La table de vérité d'une porte doit avoir autant de lignes qu'il y a de possibilités de combinaisons d'entrées uniques.

Pour une porte à entrée unique comme la porte NON, il n'y a que deux possibilités, 0 et 1. Pour une porte à deux entrées, il y a quatre possibilités (00, 01, 10 et 11), et donc quatre lignes à la vérité correspondante tableau.

Pour une porte à trois entrées, il existe huit possibilités (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 et 111), et donc une table de vérité à huit lignes est nécessaire. Les mathématiciens se rendront compte que le nombre de lignes de la table de vérité nécessaires pour une porte est égal à 2 élevé à la puissance du nombre de bornes d'entrée.

AVIS :

• Dans les circuits numériques, les valeurs binaires de 0 et 1 sont représentées par des signaux de tension mesurés en référence à un point de circuit commun appelé masse. L'absence de tension représente un « 0 » binaire et la présence d'une tension d'alimentation continue complète représente un « 1 » binaire.
• Une porte logique, ou simplement une porte, est une forme spéciale de circuit amplificateur conçu pour entrer et sortir des tensions de niveau logique (tensions destinées à représenter des bits binaires). Les circuits de porte sont le plus souvent représentés dans un schéma par leurs propres symboles uniques plutôt que par leurs transistors et résistances constitutifs.
• Tout comme avec les amplificateurs opérationnels, les connexions d'alimentation aux portes sont souvent omises dans les schémas de principe par souci de simplicité.
• Une table de vérité est un moyen standard de représenter les relations d'entrée/sortie d'un circuit de porte, répertoriant toutes les combinaisons possibles de niveaux logiques d'entrée avec leurs niveaux logiques de sortie respectifs.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les signaux logiques numériques

• Feuille de travail de base sur les portes logiques

• Feuille de travail d'algèbre booléenne