Bascules, Registres, Compteurs, Convertisseurs A/D et D/A, Microcontrôleurs

Ce cours explore en détail les composants clés des systèmes numériques: les bascules, les registres, les compteurs, les convertisseurs A/D et D/A, et les microcontrôleurs. Comprendre ces éléments est fondamental pour la conception et l’analyse de circuits électroniques complexes et de systèmes embarqués.

Bascules (Flip-Flops)

Définition: Une bascule (ou flip-flop) est un circuit bistable capable de stocker un bit d’information (0 ou 1). Elle est l’élément de mémoire de base dans les circuits séquentiels.

Les types de bascules les plus courants sont:

SR (Set-Reset): Sensible aux impulsions et peut avoir des états indéterminés.
D (Data ou Delay): La sortie Q prend la valeur de l’entrée D au prochain front d’horloge.
JK: Une version plus polyvalente de la bascule SR, évitant l’état indéterminé.
T (Toggle): Inverse l’état de la sortie Q à chaque front d’horloge si l’entrée T est à 1.

Voici la table de vérité résumée pour une bascule D:

D	Q_n+1 (Prochain état)
0	0
1	1

Registres

Définition: Un registre est un ensemble de bascules utilisé pour stocker un mot de plusieurs bits (par exemple, 8 bits, 16 bits, 32 bits).

Les registres peuvent être:

Série-Parallèle: Les données sont chargées en série et lues en parallèle (ou vice versa).
Parallèle-Parallèle: Les données sont chargées et lues en parallèle.
À décalage (Shift Registers): Les données sont décalées d’une position à chaque impulsion d’horloge.

Un registre à décalage de 4 bits peut être représenté comme une cascade de 4 bascules D. La sortie de chaque bascule est connectée à l’entrée D de la bascule suivante. A chaque impulsion d’horloge, les données sont décalées d’une position.

Compteurs

Définition: Un compteur est un circuit séquentiel qui incrémente (ou décrémente) une valeur à chaque impulsion d’horloge.

Les compteurs peuvent être:

Asynchrones (Ripple Counters): La sortie d’une bascule sert d’horloge pour la bascule suivante.
Synchrones: Toutes les bascules sont déclenchées par le même signal d’horloge.
Modulo-N: Compte jusqu’à N et revient à zéro.
UP/DOWN: Peut compter dans les deux sens (incrémenter ou décrémenter).

Un compteur modulo-8 nécessite 3 bascules (2³ = 8). La sortie de chaque bascule représente un bit du compte. Un compteur synchrone modulo-8 est plus complexe à concevoir qu’un compteur asynchrone, mais il offre une meilleure performance en termes de vitesse et de synchronisation.

Convertisseurs A/D et D/A

Définition:

Convertisseur A/D (Analog-to-Digital): Convertit un signal analogique (tension, courant) en une représentation numérique.
Convertisseur D/A (Digital-to-Analog): Convertit un signal numérique en un signal analogique.

Les caractéristiques importantes des convertisseurs sont:

Résolution: Le nombre de bits utilisés pour représenter le signal (plus le nombre de bits est élevé, meilleure est la résolution).
Précision: L’écart entre la valeur réelle et la valeur convertie.
Vitesse de conversion: Le temps nécessaire pour effectuer une conversion.

Le processus de conversion A/D implique généralement les étapes d’échantillonnage, de quantification et d’encodage. Le théorème d’échantillonnage de Nyquist-Shannon stipule que la fréquence d’échantillonnage doit être au moins deux fois supérieure à la fréquence maximale du signal analogique pour éviter le repliement de spectre (aliasing):

\[ f_s \geq 2f_{max} \]

Microcontrôleurs

Définition: Un microcontrôleur est un circuit intégré contenant un processeur, de la mémoire (RAM, ROM, Flash), et des périphériques d’entrée/sortie (GPIO, UART, SPI, I2C, ADC, DAC) sur une seule puce.

Les microcontrôleurs sont utilisés dans une grande variété d’applications, des appareils électroménagers aux systèmes embarqués complexes.

Les étapes typiques pour programmer un microcontrôleur sont:

Écriture du code source (en C, C++, ou assembleur).
Compilation du code source en code machine.
Téléversement du code machine dans la mémoire du microcontrôleur.

Exemple 1: Utilisation d’un microcontrôleur pour contrôler la luminosité d’une LED via une modulation de largeur d’impulsion (PWM).

Solution: Le microcontrôleur génère un signal PWM, où le rapport cyclique (duty cycle) détermine la durée pendant laquelle la LED est allumée pendant chaque période. En ajustant le rapport cyclique, on peut varier la luminosité de la LED. Le code source configure une broche de sortie du microcontrôleur pour générer un signal PWM avec une fréquence spécifique. Un potentiomètre connecté à une entrée analogique (ADC) du microcontrôleur permet à l’utilisateur de régler le rapport cyclique et donc la luminosité de la LED. Une formule de conversion est utilisée pour traduire la valeur analogique lue par l’ADC en une valeur de rapport cyclique. L’avantage de la PWM est qu’elle permet de contrôler la luminosité de la LED de manière très précise et efficace en termes de consommation d’énergie.

Exemple 2: Lecture de la température avec un capteur de température LM35 et affichage de la valeur sur un écran LCD en utilisant un microcontrôleur.

Solution: Le capteur LM35 génère une tension proportionnelle à la température (typiquement 10 mV par degré Celsius). Cette tension est connectée à une entrée analogique (ADC) du microcontrôleur. Le code source lit la valeur analogique de l’ADC, la convertit en une température en degrés Celsius en utilisant une formule de conversion, et affiche la température sur l’écran LCD. Le microcontrôleur doit être configuré pour initialiser l’ADC, lire la valeur de tension du capteur, effectuer la conversion en température, et communiquer avec l’écran LCD pour afficher le résultat. Une communication correcte entre le microcontrôleur et l’écran LCD, souvent via un protocole série ou parallèle, est essentielle. La précision de la mesure dépend de la résolution de l’ADC et de la calibration du capteur.