Bascule

Une bascule ou un verrou est un circuit logique pourvu d'une ou deux sorties et d'une ou plusieurs entrées. La sortie peut être au niveau logique 0 ou 1.



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Circuit intégré logique - Circuit intégré - Composant actif - Composant électronique

Page(s) en rapport avec ce sujet :

  • Fréquemment, la bascule comporte deux entrées supplémentaires... La sortie Q vaudra l'état lu et mémorisé lors du dernier T=1.... (source : www-ipst.u-strasbg)
  • Nota symbole d'effet différé sur une sortie... La bascule maître reçoit les informations d'entrée et le front... (source : ac-nancy-metz)
  • Une bascule forme une cellule mémoire élémentaire car l'état de sortie reflète l'état des entrées. L'état des circuits logiques utilisant des bascules... (source : univ-lemans)

Une bascule ou un verrou est un circuit logique pourvu d'une ou deux sorties et d'une ou plusieurs entrées. La sortie peut être au niveau logique 0 ou 1. Les changements d'état de la sortie sont déterminés par les signaux appliqués aux entrées et le type d'opérateur.

Ce qui différencie les bascules des circuits logiques combinatoires (portes ET, OU, OU Exclusif, etc. ), c'est que la sortie maintient son état même après disparition du signal de commande. Comme l'état précédent et la mémorisation interviennent, on parle de logique séquentielle.

La bascule est l'élément de base de la logique séquentielle. En effet, en assemblant des bascules, on peut réaliser des compteurs, des registres, des registres à décalage, des mémoires.

Certaines bascules, nommées à fonctionner dans des dispositifs synchrones, possèdent une entrée d'horloge de synchronisation. Il existe par conséquent des bascules asynchrones et des bascules synchrones.

Il existe plusieurs types de verrous : RS, R\S\, D ('latch'), RSH; leur fonctionnement est asynchrone. Il existe plusieurs types de bascules : D, JK, T; leur fonctionnement est synchrone. Voici aussi la bascule de Schmitt, qui est commandée par une tension analogique appliquée à son entrée, mais on sort du domaine des opérateur logiques séquentiels.

Bascules asynchrones

Ce sont des bascules dont la sortie ou l'état de mémorisation dépend à tout instant de l'état simultané des entrées.

Verrou RS avec porte OU-NON

Symbole du verrou RS

Table de vérité :

S R Q Q\ remarque
0 0 q q\ mémorisation
0 1 0 1 mise à 0
1 0 1 0 mise à 1
1 1 0 0 cas spécifique

Verrou R\S\ avec porte ET-NON

Table de vérité :

S\ R\ Q Q\ remarque
0 0 1 1 cas spécifique
0 1 1 0 mise à 1
1 0 0 1 mise à 0
1 1 q q\ mémorisation

Verrou D ('latch')

Ce circuit est comparable à la bascule D, étant donné qu'il possède, comme la bascule D, deux entrées, notées D et H (CLK), et une sortie Q. Mais le fonctionnement est différent :

Table de vérité (optimisée)  :

D H (CLK) Q Q\ remarque
d 1 d d\ Q recopie D
X 0 q q\ mémorisation

Bascule RSH - RST

Un verrou RSH (aussi nommé RST) est une verrou RS à laquelle on a ajouté une troisième entrée, le plus souvent notée H (ou CLK pour horloge). Cette troisième entrée a la fonction suivante :

En chainant 2 verrous RSH (un maître, l'autre esclave), on réalise un bascule JK (maître-esclave). Équation du verrou : Q_{n+1} = S + \overline RQ_{n}


Bascules synchrones

Ici, l'action des entrées sur l'état de mémorisation ne sera effective que si l'entrée de l'horloge est active (front). Les entrées sont dites synchrones (à H) car directement liées à l'horloge H. Qui plus est , ces bascules peuvent disposer d'entrées asynchrones (R, S) pour prépositionner l'état de sortie à la mise sous tension.


Bascule JK

Symbole de la bascule JK

Table de vérité :

J K Qn+1
0 0 Qn
0 1 0
1 0 1
1 1 /Qn

Table de vérité alternative :

Qn Qn+1 J K remarque
0 0 0 X pour que la sortie reste à 0, il faut que J soit à 0, peut importe K.
0 1 1 X pour que la sortie passe de 0 à 1, il faut que J soit à 1, peut importe K.
1 0 X 1 pour que la sortie passe de 1 à 0, il faut que K soit à 1, peut importe J.
1 1 X 0 pour que la sortie reste à 1, il faut que K soit à 0, peut importe J.

Équation de la bascule : Q_{n+1} = J\overline Q_{n} + \overline KQ_{n}

Chronogramme : JK FF impulse diagram.png

Origine du nom de la bascule JK

L'origine du nom de la bascule JK est détaillée par P. L. Lindley, un ingénieur de JPL, dans un article du magazine de conception électronique EDN . L'article est daté du 13 juin 1968 et a été publié dans l'édition d'Août. Dans cet article, M. Lindley explique que c'est le docteur Eldred Nelson, un scientifique de Hughes Aircraft qui a découvert le terme de bascule JK.

Les bascules qui étaient utilisées à cette époque à Hughes étaient toutes du même type, celui de la future bascule J-K. Durant la conception d'un dispositif logique le docteur Nelson a assigné des lettres à chaque entrée des bascules de la façon suivante :

  • bascule 1, les lettres A et B,
  • bascule 2, les lettres C et D,
  • bascule 3, les lettres E et F,
  • bascule 4, les lettres G et H,
  • bascule 5, les lettres J et K,
  • ...

Compte tenu de la taille du dispositif sur lequel travaillait le docteur Nelson, il s'est rendu compte qu'il allait être à court de lettres. Puisque les lettres J et K était peu utilisées dans les dispositifs électroniques il a par conséquent décidé d'utiliser ces lettres comme entrées "set" et "reset" pour l'ensemble des bascules de son dispositif (avec des indices pour les distinguer les unes des autres).

Le docteur Montgomery Phister, un membre de l'équipe du docteur Nelson à Hughes, a repris dans son ouvrage Logical Design of Digital Computers (Wiley, 1958) l'idée que les entrées "set" et "reset" des bascules utilisées à Hughes Aircraft étaient appelées J et K. Par conséquent il est alors amené à les désigner sous le terme de bascule JK. Dans ce même livre il a aussi défini les bascules R-S, T, D et R-S-T et a montré qu'en utilisant l'algèbre de Boole il était envisageable de les combiner pour réaliser des fonctions complexes.

Une autre théorie est que les lettres J et K ont été utilisées par référence à l'un des inventeurs du circuit intégré, Jack Kilby.


Bascule D

Symbole de la bascule D

La bascule D (pour Data) est une bascule JK à laquelle on a ajouté un inverseur entre les entrées J et K. Il y a par conséquent une seule entrée, qui est notée D (pour Donnée ou Data). La table de vérité est la table de vérité d'une JK, limitée aux deux lignes J = 0, K = 1 et J = 1, K = 0.

Sa fonction est par conséquent "mémoire" puisque l'information en entrée se retrouve en sortie après un "coup d'horloge" (un front).

Table de vérité :

D Ck Qn+1 \overline {Q}n+1
0 \nearrow 0 1
1 \nearrow 1 0
X 0 Qn \overline {Q}n

Table de vérité (optimisée)  :

D CLK Q Q\ remarque
d \nearrow d d\ Q recopie D
X 1, 0, front descendant q q\ mémorisation


Équation de la bascule : Qn + 1 = D

Bascule T

La bascule T tire son nom du terme anglais'toggle'. Si son entrée T est active, elle bascule à chaque impulsion d'horloge d'où son nom. Si son entrée T est inactive, elle conserve son état. Elle n'existe pas integrée sauf dans des PLDs, FPGAs, ... mais on peut la fabriquer avec une bascule D en reliant la sortie Q\ à l'entrée D, ou avec une JK en reliant J et K à l'état haut; cependant, on réalise qu'une bascule T avec T=1. Comme la bascule T a la propriété de basculer à chaque impulsion d'horloge, elle réalise par conséquent une division de fréquence par 2; elle servira aussi de base à la réalisation de compteurs (association simple si actives au front descendant de l'horloge)

Table de vérité (optimisée)  :

T CLK Q Q\ remarque
1 \nearrow q\ q basculement
0 0, 1, front descendant q q\ mémorisation

Bascule de Schmitt

Article détaillé : Bascule de Schmitt.

On l'appelle aussi Trigger de Schmitt ou bascule à seuil.

Symbole

C'est une bascule à trois entrées V, SB et SH et une sortie Q. Contrairement aux bascules citées ci-dessus, qui sont commandées en appliquant des signaux logiques à leurs entrées, la bascule de Schmitt est conçue pour être pilotée par une tension analogique, c'est-à-dire qui peut prendre n'importe quelle valeur (dans l'intervalle 0 - Vcc pour ne pas dégrader le circuit).

Les entrées SB et SH (seuil bas, seuil haut, ce dernier étant à un potentiel supérieur à SB) sont maintenues à des potentiels fixes ; ceci peut se faire par exemple grâce à un diviseur de tension composé de 3 résistances positionnées en série entre Vcc et la masse ; SH et SB sont reliés aux points intermédiaires du diviseur.

Chronogramme

Le fonctionnement est le suivant :

La principale application de la bascule de Schmitt est la mise en forme de signaux analogiques pour les appliquer à des circuits logiques (par exemple une entrée de compteur).

La bascule de Schmitt peut aussi être utilisée pour :

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