Réalisation d`un additionneur avec Crocodile Clips 3

REALISATION D’UN ADDITIONNEUR GRACE AU LOGICIEL CROCODILE CLIPS 3.
OBJECTIF - PUBLIC - LOGICIEL - MATERIEL - METHODE - AVANTAGES - DIFFICULTES - AUTEUR
DU DOCUMENT - LE DOCUMENT
OBJECTIFS :
Réalisation de montages électroniques grâce à un logiciel de simulation. Réalisation d’un
semi-additionneur puis d’un additionneur.
PUBLIC :
Elèves de seconde. Option IESP.
Option MPI pour la partie thématique.
MATERIEL :
Ordinateurs PC sous Windows.
LOGICIEL :
version établissement du logiciel CROCODILE CLIPS 3
METHODE :
Ce TP vient après l’étude pratique sur plaquette de portes logiques ET, NON-ET, OU et ce avec
l’aide du logiciel Regressi sous Windows.
Le but de ce TP est d’aborder une partie du programme concernant l’électronique numérique ( qui
peut être réutilisée dans le nouveau programme de MPI dans la partie thématique) dont les
développements théoriques ne sont pas au programme. L’utilisation du logiciel permet d’allier un
raisonnement papier et une vérification par ordinateur à l’aide du simulateur.
AVANTAGES :
Lors de cette séance, les élèves peuvent aller à leur rythme pour construire leur savoir et
s’auto-corrigent la plupart du temps, n’appelant le professeur que pour vérification et explication
de ce qu’ils viennent de faire.
DIFFICULTES:
L’utilisation des sondes dans crocodile clips ne permet que des lectures de tensions instantanées.
AUTEUR DU DOCUMENT :
Carine FRANKLIN, lycée Jean Macé de Vitry sur Seine
REALISATION D’UN ADDITIONNEUR GRACE AU LOGICIEL CROCODILE CLIPS 3.
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Addition en binaire.
L’ensemble des nombres entiers naturels possède une infinité d’éléments, mais on n’utilise pour les
écrire qu’un nombre fini de symboles, appelés chiffres.
En numération décimale (base 10) on utilise, on l’a déjà vu, 10 chiffres (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9) ; en
numération binaire par contre, seuls deux chiffres sont utilisés : 0 et 1.
Pour effectuer une addition en numération décimale vous utilisez un système de retenue. C’est le
même principe en binaire. On compte en partant de la droite et en prenant compte des retenues
1 sur 5
partielles.
Effectuer l’addition binaire des nombres 1010 et 1111.
Présentation du logiciel.
Voici la barre d’outil du logiciel une fois que le programme a été lancé, vous pourrez vous y reporter
par la suite.
Montage semi-additionneur.
1. Principe :
On veut additionner deux nombres binaires A1 et B1 codés sur 1 bit chacun.
Le résultat de cette opération est codé sur 2 bits : représentés par R1 S1 où R1 est la retenue
et S1 la somme.
Pour effectuer cet additionneur on va utiliser des portes logiques.
2. Quelle est la table de vérité ?
a. Ecrire en base deux les différentes sommes possibles à effectuer avec deux mots de 1 bit dont le
résultat est codé sur 2 bits.
b. Ecrire ces résultats sous la forme d’une table de vérité.
A1
B1 R1 S1
2. Comment passer de la table de vérité au schéma électronique ?
a. Trouver une relation logique entre A 1, B1 et R1 puis A1,B1 et S1 .
b. Ecrire le schéma électronique correspondant à votre démarche.
2. Utilisation du logiciel CROCOCLIP3 :
a. Double-cliquez dans le bureau et lancer CROCO CLIP 3.
b. Placez-vous dans le menu portes logiques.
2 sur 5
c. Faites le schéma suivant à l’aide des composants proposés :
d. Il faut définir les fréquences des deux générateurs carrés qui serviront de générateurs de signaux
logiques. Pour se faire double-cliquez sur la valeur de la fréquence et modifiez-la. On considérera
que A1 a une fréquence de 100 Hz. Quelle doit être celle de B1 ? (reportez-vous à la table de
vérité)
e. Afin de visualiser les sorties R 1 et S1, on va placer des sondes. Ces sondes sont disponibles dans
la barre d’outils principale. On ne peut en placer que 4 au maximum. Elles permettent de
visualiser des tensions. Ici elles nous permettront de tracer des chronogrammes.
f. Dans le menu Mesures, choisir Commandes du traceur.
g. Choisir les paramètres suivants : 1 ms/div comme échelle de temps et une tension maximale de
5V.
A l’aide du chronogramme vérifier que le circuit effectue bien l’opération suivante :
IV. Etude d’un additionneur.
1. Principe.
On veut réaliser l’addition binaire de deux nombres A1 et B1 codés sur 1 bit. Le montage
précédent ne conviendrait pas s’il existait déjà une retenue intermédiaire. Pour y remédier on
fait appel à un montage constitué par trois portes NON-ET et deux portes OU-Ex.
De même que précédemment, le résultat de l’addition se fera sur deux bits.
2. Montage à réaliser.
3. Tracé du chronogramme.
a. Définir les fréquences des deux générateurs de signaux logiques R 0 et B1 si le générateur est
réglé sur 100 Hz, puis les paramètres pour réaliser l’analyse temporelle.
b. Pour visualiser les sorties R 1 et S1 il vous faudra le faire successivement.
c. Imprimer le chronogramme visualisant R 0, A1, B1 et S1.
3 sur 5
d. Puis changer la place de la sonde rouge et imprimer le chronogramme visualisant R 0, A1, B1 et R1.
(Attention à ce que le départ soit synchronisé de la même façon que le précédent).
4. Table de vérité.
Remplir la table de vérité du circuit additionneur :
R0
A1 B1 R1 S1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
Vérifier que ce circuit effectue l’opération suivante :
V. Réalisation d’un double additionneur.
1. Principe.
On veut toujours réaliser une addition binaire mais cette fois-ci, on veut additionner deux
nombres binaires de deux bits chacun.
Sur combien de bits devra-t-on coder le résultat de cette addition ?
Pour effectuer cette addition, on
prend en compte une retenue R0 en état logique bas (0), et la retenue intermédiaire R1.
2. Montage
1. Table de vérité.
Combien d’états logiques doit-on considérer ?
Etablir la table de vérité en vous aidant de ce qui a déjà été fait.
Vérifier que ce circuit effectue l’opération suivante :
4 sur 5
Que faudrait-il faire si on voulait additionner deux nombres binaires codés dur 4 bits ?
VI. Utilisation en classe.
La séance est divisée en deux parties. La première heure (ou un peu moins si le groupe est plus
rapide) est consacrée à l’explication de l’addition en binaire puis à quelques exercices de calcul en
binaire et enfin à une prise en main du logiciel et des icônes dont les élèves auront besoin en cours de
TP. L’intérêt de crocodile clips est qu’il est très facile d’utilisation et ce de façon très rapide pour les
élèves et qu’ils le trouvent très ludique de part sa présentation.
Les deux heures suivantes sont consacrées au travail sur des associations de portes logiques de façon
à effectuer pour commencer un semi-additionneur, c’est-à-dire l’addition de deux nombres binaires
codés sur 1 bit sans considérer de retenue provenant d’une addition antérieure. Cette partie parait
très simple aux élèves et ils ont trouvé sans aucun problème et avec pour certains qui parfois se
sentent perdus, beaucoup de fierté, la table de vérité associée. Le passage au schéma électronique
pose un peu plus de problème bien que tous trouvent la relation logique entre A1, B1 et R1. Cela est
dû à chaque fois à de mauvaises connexions. Le logiciel leur a alors permis de trouver leur erreur en
vérifiant la table de vérité de l’association utilisée. En effet, on peut utiliser l’option signaux
logiques dans le menu Affichage, ce qui permet de voir les états bas ou hauts des entrées et des
sorties logiques. (Remarque : quand cette option n’est pas enclenchée, le logiciel place par défaut des
barres d’état rouge. Quand l’état est bas il n’y en a pas, quand l’état est haut la hauteur de la barre
est proportionnelle à la tension d’alimentation.) La réalisation de l’association est certes donnée dans
le texte du TP mais peu d’élèves s’en rendent compte... Dans le deuxième groupe que j’ai eu, j’ai
donc fait une correction avec toute la classe à ce moment et j’ai ensuite donné la suite du TP.
La recherche des fréquences des générateurs de signaux carrés leur pose problème la première fois si
on les laisse chercher seuls. Avec quelques indications ils réussissent tous seuls jusqu’à la fin du TP.
Le tracé du chronogramme du semi-additionneur leur permet de retrouver la table de vérité d’une
autre façon, mais le fait que les sondes donnent des mesures instantanées les perturbent un peu au
début. Cela dit, ils doivent penser à la tension maximale à choisir pour le tracé ainsi que la durée de
celui-ci (pour l’additionneur et le double-additionneur) ce qui permet au passage de vérifier
l’acquisition de la notion de période.
La suite du TP est basée sur le même principe. Le double additionneur ici est donné et seul la table de
vérité est demandée de façon à vérifier que le principe a été compris. Les élèves les plus lents ne
finissent pas tout à fait, il faut donc prévoir sur les disques durs le montage du double additionneur
de façon à ce que ces élèves aient la possibilité de terminer le TP.
A l’issu de ce TP, le logiciel est bien utilisé par les élèves. Il est réutilisé lors d’exercices sur les portes
logiques, lors de la réalisation d’une calculatrice et lors du travail sur les convertisseurs pour
comprendre l’intérêt et le principe d’un montage R-2R.
5 sur 5