Les bascules sont des composants électroniques largement répandus et indispensables à la plupart des circuits. Il est donc indispensable de connaître leur comportement sur le bout des doigts. Pour simplifier le cours, j’utiliserai les symboles CEI des bascules (normes européennes) et non des symboles anglo-saxons par exemple.
Lorsqu’une entrée est inversée (généralement notée avec un – au dessus de la variable), je la symboliserai par 
.
Une bascule est asynchrone lorsqu’elle ne dépend pas du signal d’horloge (Clock ou CLK). Par conséquent, un reset synchrone ne prendra effet que lors du flanc actif du coup de clock suivant.
La bascule RS
La bascule RS, ou bascule Set-Reset, est un circuit logique très courant utilisé en électronique numérique pour stocker un bit d’information binaire. Typiquement, elle est constituée de deux portes logiques NOR ou de deux portes logiques NAND, connectées de manière à créer un circuit de rétroaction positive. Les versions NOR et NAND fonctionnent selon des principes similaires, mais avec des logiques inversées. La bascule RS peut mémoriser l’état d’un signal, ce qui la rend précieuse pour des applications comme les mémoires temporaires dans les registres ou les dispositifs de comptage.
Par exemple, une bascule RS NOR est mise à 1 (set) lorsque l’entrée S est activée (S=1, R=0), et elle est réinitialisée (reset) lorsque l’entrée R est activée (R=1, S=0). Dans sa forme la plus simple, elle a des temps de propagation typiques allant de quelques nanosecondes à des dizaines de nanosecondes, selon la technologie utilisée.
Cependant, ce dispositif peut être sujet à des problèmes de stabilité dans des applications à haute vitesse, avec des fréquences dépassant plusieurs mégahertz. De plus, une conception inadéquate peut entraîner des courses critiques, où de légers décalages temporels entre les signaux d’entrée peuvent provoquer des états indésirables, compromettant ainsi la fiabilité du circuit.
Une bascule simplissime. Elle comporte deux entrées et deux sorties :
Il est possible de lui ajouter un clock pour la synchroniser.
Son symbole
On remarque que le clock est actif sur le flanc descendant (indiqué par le 
ou encore par le petit triangle sur la patte, tout comme pour Formule mathématique). En passant, je vais définir le clock : C’est un signal régulier symétrique (même temps à l’état bas qu’à l’état haut. Il est « carré »). Les bascules synchrones agissent sur ses flancs.
Son équivalent en logique combinatoire
L’inversion est symbolisée ici par un petit rond (le rond est issu des normes anglo-saxonnes et le symbole de la porte des normes CEI… de quoi y perdre la tête. En principe en CEI, l’inversion est symbolisée par les triangles).
Table de vérité
La dernière ligne est une situation critique… en même temps on demande à la bascule de se mettre à 1 et de se mettre à 0… donc on ne peut savoir où l’on va atterrir (probablement dans la zone interdite). Donc cet état est INTERDIT!
Chrono-gramme
Un chrono-gramme est un diagramme des temps. Il permet de voir l’évolution des états d’une bascule en fonction des coups de clock.
Sur le chronogramme suivant, CLK s’opère en front Montant
Applications de la bascule RS
Les bascules RS sont essentielles dans diverses applications électroniques en raison de leur capacité à stocker un bit d’information binaire. Par exemple, elles sont couramment utilisées dans les registres à décalage, où plusieurs bascules RS sont connectées en série pour déplacer les données séquentiellement, ce qui est indisponsable dans les circuits de communication pour la transmission de données en série. Une autre application notable est dans les dispositifs de mémoire temporaire, comme les registres de stockage, où elles conservent l’état d’un signal pour des périodes courtes, facilitant ainsi les opérations de lecture et d’écriture dans des microprocesseurs.
Les bascules RS sont également employées dans les circuits de temporisation et de synchronisation. Dans les systèmes numériques, elles peuvent servir de bascules d’initialisation pour synchroniser les différents composants, garantissant que tous les éléments du système commencent leur opération à partir d’un état connu. De plus, elles jouent un rôle important dans les détecteurs de niveaux logiques et les circuits de contrôle d’état, où elles permettent de basculer entre différents états opérationnels basés sur les conditions d’entrée.
Un autre exemple est leur utilisation dans les alarmes de sécurité et les systèmes de contrôle, où une bascule RS peut être utilisée pour maintenir un état d’alarme jusqu’à ce qu’il soit manuellement réinitialisé, assurant ainsi que l’alerte n’est pas perdue après un bref incident. Ces diverses applications démontrent la polyvalence et l’importance des bascules RS dans la conception de circuits numériques.
La bascule D
La bascule D, ou bascule « Data » ou « Delay », est un autre type de circuit logique couramment utilisé en électronique numérique pour stocker un bit d’information binaire. Elle est généralement constituée de deux portes logiques, souvent des portes NAND ou NOR, connectées de manière à créer un circuit de rétroaction. Contrairement à la bascule RS, la bascule D dispose d’une entrée unique, appelée « entrée de données » ou « D », et d’une entrée d’horloge. Lorsque l’entrée d’horloge reçoit un signal de montée (edge trigger), la bascule D capture l’état de l’entrée D et le maintient en mémoire jusqu’à la prochaine impulsion d’horloge.
Ce dispositif est largement utilisé pour la mémorisation d’adresses dans les circuits de mémoire, permettant de stocker temporairement les adresses en cours de traitement. Par exemple, dans un registre à décalage, chaque bascule D peut stocker un bit de l’adresse, facilitant le transfert séquentiel des données. Les bascules D sont également essentielles dans la synchronisation des signaux dans les circuits de traitement du signal, où elles garantissent que les données sont capturées et traitées au bon moment.
Les temps de propagation des bascules D modernes peuvent être aussi courts que quelques nanosecondes, ce qui les rend idéales pour des applications à haute vitesse. Elles sont capables de fonctionner à des fréquences de plusieurs centaines de mégahertz, ce qui est crucial dans les processeurs modernes et les systèmes de communication rapides.
Symbole
Voici les différentes entrées/sorties
L’avantage par rapport à la bascule RS, c’est que l’on ne peut pas avoir d’état « interdit ».
Équivalent en logique combinatoire
Table de vérité
Applications de la bascule D
La bascule D, avec sa capacité à stocker et synchroniser un bit d’information binaire, est un élément important dans de nombreuses applications électroniques. Elle est largement utilisée dans les registres de décalage, où une série de bascules D permet de transférer séquentiellement les données, ce qui est essentiel pour les communications série dans les interfaces telles que SPI (Serial Peripheral Interface) et I2C (Inter-Integrated Circuit). Les registres à décalage, composés de bascules D, sont également utilisés dans les écrans à LED pour contrôler chaque pixel individuellement, en déplaçant les bits de données le long du registre.
Dans les circuits de mémoire, les bascules D servent à mémoriser les adresses et les données temporaires. Par exemple, dans les registres de données d’un microprocesseur, les bascules D stockent les bits des instructions et des données pendant leur traitement. Leur rôle est également crucial dans les compteurs et les diviseurs de fréquence, où elles aident à générer des signaux synchronisés nécessaires pour diverses opérations temporelles.
Les bascules D sont également intégrées dans les flip-flops utilisés dans les circuits de synchronisation, garantissant que les signaux sont capturés et maintenus avec précision lors des transitions d’horloge. Grâce à leur capacité à fonctionner à des fréquences élevées, souvent supérieures à plusieurs centaines de mégahertz, les bascules D sont indispensables dans les processeurs modernes et les systèmes de communication rapides, où une synchronisation précise et rapide des données est critique.
La bascule JK
La bascule JK est un type avancé de circuit logique, souvent considéré comme une extension de la bascule RS, qui offre une flexibilité accrue dans les applications numériques. Constituée de deux portes logiques, généralement NAND ou NOR, elle possède deux entrées : J (set) et K (reset). Lorsque J et K sont tous deux à 0, la sortie de la bascule JK reste inchangée. Si J est activé (J=1, K=0), la sortie devient 1, et si K est activé (J=0, K=1), la sortie devient 0. Toutefois, lorsque J et K sont tous deux activés (J=1, K=1), la sortie bascule entre 0 et 1 à chaque impulsion d’horloge, permettant ainsi un fonctionnement de type « toggle ».
La bascule JK est largement utilisée dans les systèmes de comptage binaires, où elle sert de base pour les compteurs asynchrones et synchrones. Par exemple, dans un compteur binaire 4 bits, chaque bit peut être représenté par une bascule JK, permettant des fréquences de comptage allant jusqu’à plusieurs dizaines de mégahertz. Elle est également essentielle dans les circuits de décalage de registre, facilitant le transfert séquentiel des données.
De plus, les bascules JK sont intégrées dans les circuits de synchronisation pour assurer une transition précise des signaux. Elles sont aussi employées dans les fonctions de temporisation et de génération d’impulsions, où elles peuvent créer des délais précis et des séquences d’horloge stables, cruciales pour les applications de timing dans les microprocesseurs et les systèmes de communication rapide.
On arrive ici à quelque chose de plus coriace : la bascule JK.
Symbole
Logique combinatoire
Je vous la ferai plus tard, elle ressemble beaucoup à celle des précédentes bascules.
Bientôt des exemples complets sur :
– Diviseur par deux, par quatre, …
– Registre à décalages.
Description des différentes entrées/sorties
Table de vérité
Applications de la bascule JK
Les bascules JK sont des composants essentiels dans de nombreuses applications électroniques en raison de leur flexibilité et de leur capacité à basculer entre deux états en réponse à une impulsion d’horloge. Elles sont particulièrement utilisées dans les systèmes de comptage binaires. Par exemple, dans un compteur binaire 4 bits, chaque bit est représenté par une bascule JK, permettant de compter les événements jusqu’à 15 (2^4 – 1) avant de se réinitialiser. Les bascules JK sont également couramment utilisées dans les compteurs synchrones et asynchrones, où elles permettent de gérer des fréquences de comptage allant jusqu’à plusieurs dizaines de mégahertz.
Dans les circuits de décalage de registre, les bascules JK facilitent le transfert séquentiel des données. Ces registres sont utilisés dans les mémoires temporaires, les dispositifs de communication série, et les écrans à LED, où chaque bit de données est déplacé séquentiellement le long du registre.
Les bascules JK sont aussi importantes dans les circuits de synchronisation, garantissant une transition précise des signaux à chaque impulsion d’horloge. Cette caractéristique est particulièrement importante dans les microprocesseurs et les systèmes de communication rapide, où des transitions d’état précises et rapides sont nécessaires pour assurer le bon fonctionnement des dispositifs.
En outre, les bascules JK sont employées dans les fonctions de temporisation et de génération d’impulsions. Elles créent des délais précis et des séquences d’horloge stables, essentielles pour le timing dans les applications industrielles, les systèmes de contrôle, et les technologies embarquées. Leur polyvalence et fiabilité en font des éléments incontournables dans la conception de circuits numériques.
Quelques exemples d’application
En diviseur par deux, par exemple avec une bascule D
Le chrono-gramme
Avec une bascule D sous la main, il devient très simple de diviser une fréquence par 2, 4, …
Comment ça marche? A chaque coups de clock, la sortie Q prend la valeur de D qui vaut… l’inverse de Q !
Source: daskoo.org | CC
Image 74LS74 : wikimedia.org | (CC BY-SA 3.0)