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GÉNIE ELECTRIQUE 4 ème année de l’enseignement secondaire Sciences Techniques M

GÉNIE ELECTRIQUE 4 ème année de l’enseignement secondaire Sciences Techniques Manuel d’activités Les auteurs République Tunisienne Ministère de l'Education Les évaluateurs Centre National Pédagogique Ammar MZOUGHI Inspecteur Principal des lycées et collèges Ali ZITOUNI Inspecteur des lycées et collèges Mounir BEN HENDA Professeur Principal hors classe Fethi AYARI Professeur Principal Fredj JAZI Inspecteur Général de l'éducation Mohamed BEN HMIDA Inspecteur Général de l'éducation Fateh BJAOUI Technologue Hatem LABIDI Technologue © Tous droits réservés au Centre National Pédagogique 3 Avant-propos Si le vingtième siècle a connu la révolution industrielle, le vingt-et-unième s'annonce comme celui où l'électronique digitale associée à la logique programmée vont transformer tous les secteurs de l'activité humaine, qu'il s'agisse des secteurs de télécommunication, de l'audio-visuel, de l'électroménager, de l'automobile ou de l'aviation. Par comparaison avec l'ancien programme, toutes les innovations dans la discipline se rapportent à ce secteur technologique d'actualité, dans ce cadre on cite en particulier : L'arithmétique binaire : addition, soustraction, multiplication et division. Les circuits combinatoires : la mise en œuvre d'une unité arithmétique et logique. La logique programmée : programmation des microcontrôleurs de Microchip par la mise en œuvre d'un langage évolué dont la structure générale est familière à l'élève. Une bonne partie de ce manuel est consacrée à ce type de thèmes. Cet ouvrage est conçu dans le but de servir en tant que document ressources pour le professeur et guide personnel pour l'élève qui lui permet de découvrir ou de vérifier certains concepts ou méthodes de résolution. Tout au long de ce manuel, nous avons cherché la simplicité et la faisabilité. Simplicité : aucune connaissance préalable n'est requise ; les prérequis scolaires de l'élève de la 1ère année secondaire à la 3ème technique suffisent largement. Faisabilité : l'aspect pratique est partout présent, il est le pilier principal de l'appropriation du savoir enseigné. Les activités proposées sont réalisables en autonomie relative par l'élève lui-même. Le rôle de l'enseignant se limite à l'accompagnement. Les résultats des travaux de l'élève ont pour but de lui faciliter la découverte, l'appropriation et la validation des concepts nouveaux. Les auteurs de cet ouvrage restent à l'écoute de toutes les remarques et les suggestions des utilisateurs de ce manuel, dans le but d'apporter les améliorations et les corrections requises dans les éditions futures. Les Auteurs 4 Avant-propos 3 Sommaire 4 PARTIE AUTOMATIQUE Chapitre A1 : Opérations arithmétiques binaires TP A1-1 : Addition et Multiplication en binaire 6 TP A1-2 : Soustraction et Division en binaire 28 Chapitre A2 : Logique combinatoire TP A2-1 : Les comparateurs logiques 36 TPA2-2 : Unité arithmétique et logique 43 Chapitre A3 - Logique séquentielle TP A3-1 : Les compteurs 48 Chapitre A4 - Logique programmée TP A4-1 : Automate Programmable Industriel (API) 56 TP A4-2 : Microcontrôleurs 74 Chapitre A5 Notions d’asservissement linéaire TP A5-1 : Asservissement linéaire 99 PARTIE ELECTROTECHNIQUE Chapitre B1 : Les systèmes triphasés TP B1 : Les systèmes triphasés 106 Chapitre B2 : Les moteurs asynchrones triphasés TP B2 : Les moteurs asynchrones triphasés 112 Chapitre B3 : Les moteurs à courant continu TP B3 : Les moteurs à courant continu 117 PARTIE ELECTRONIQUE Chapitre C1 : Amplificateurs linéaires intégrés TP C1 : Les amplificateurs linéaires intégrés 124 Pages Sommaire TP A1-1 L’Addition et la Multiplication en Binaire - Objectifs Spécifiques : OS A1-1 - Exécuter en binaire une opération arithmétique de base OS A1-2 - Représenter un nombre entier relatif OS A2-2 - Mettre en œuvre un circuit arithmétique. - Conditions de réalisation : Les activités sont organisées par groupe de 4 ou 5 élèves Exemple d’équipements utilisés : Poste PC Logiciel de simulation Matériel d’essai en électronique numérique Simulateur logique Maquette. Opérations Arithmétiques Binaires Chapitre A1 L’addition et la multiplication en binaire Manuel d’activités 6 TP A1-1 1- En utilisant le Datasheet du constructeur “fourni par le professeur ou récupéré sur un site Internet”, identifier les circuits figurant sur la platine ci-dessous. 74HCT04 :------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 74HC08 :------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 74HCT32 :------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Activité 1 Cette activité consiste à chercher la somme de deux nombres binaires à un bit chacun (A : a0) et (B : b0), la retenue qui peut en découler suite à cette opération et par la suite dégager la ou les limites de ce circuit. 2- Compléter le cablage de la platine ci-dessus,conformément au schéma ci-dessous. Chapitre A1 L’addition et la multiplication en binaire Manuel d’activités 7 TP A1-1 4- Retrouver les équations de S et r Equation de S Equation de r S = ------------------------------------------------------------- r = --------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------- 5- Conclure sur les valeurs de S et r en fonction de a0 et b0 et sur les limites de ce circuit : Légende : a0 et b0 : entrées. S : led rouge signalant l’état de la somme. r : Led verte signalant l’état de la retenue. R : résistance de forçage ou de rappel (4,7à10K ohm) R’ : résistance de limitation. 74XX : CI. 3- En utilisant la maquette ou la platine précedente, le simulateur logique ou le logiciel de simulation, remplir la table de verité suivante : a0 b0 r S 0 0 0 1 1 1 1 0 S a0 0 1 b0 0 1 r a0 0 1 b0 0 1 Chapitre A1 L’addition et la multiplication en binaire Manuel d’activités 8 TP A1-1 6- Proposer une solution à base de portes logiques universelles NAND ou NOR (question facultative). Chapitre A1 L’addition et la multiplication en binaire Manuel d’activités 9 TP A1-1 1- En utilisant le Datasheet du constructeur “fourni par le professeur ou récupéré sur un site Internet”, identifier les circuits figurant sur la platine ci-dessous. 74HCT11 : ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 74HC4075 : -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2- Compléter le cablage de la platine ci-dessus, conformément au schèma présenté ci-après. Activité 2 Cette activité consiste à remédier au défaut rencontré lors de l'étude du demi-additionneur. Légende : ai, bi et ri : entrées. Si : Led rouge signalant l’état de la somme. ri+1 : Led verte signalant l’état de la retenue. R : résistance de forçage ou de rappel (4,7 à 10K ohm) R’ : résistance de limitation. 74XX : CI. Chapitre A1 L’addition et la multiplication en binaire Manuel d’activités 10 TP A1-1 Schèma structurel : 3- En utilisant la maquette ou la platine précédente, le simulateur logique ou le logiciel de simulation, remplir la table de verité ci-aprés : 4- Retrouver les équations de Si et ri+1 ai bi ri ri+1 Si 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 Si aibi 00 01 11 10 ri 0 1 ri+1 aibi 00 01 11 10 ri 0 1 Chapitre A1 L’addition et la multiplication en binaire Manuel d’activités 11 TP A1-1 Equation de Si Equation de ri+1 Si = ------------------------------------------------------------ ri+1 = ---------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------- 5- Conclure sur les valeurs de Si et r i+1 en fonction de ai, bi et ri : Chapitre A1 L’addition et la multiplication en binaire Manuel d’activités 12 TP A1-1 1- Compléter le logigramme suivant pour en faire un additionneur binaire de deux nombres à 3 bits : (A : a2a1a0 et B : b2b1b0). Activité 3 L'activité consiste à réaliser un additionneur de deux nombres à 3 bits (A : a2a1a0), (B : b2b1b0) en utilisant des additionneurs élémentaires complets (à base de cellules logiques de base) de deux nombres à 1 bit chacun branchés en cascade. Chapitre A1 L’addition et la multiplication en binaire Manuel d’activités 13 TP A1-1 2- En utilisant le Datasheet du constructeur “fourni par le professeur ou récupéré sur un site Internet”, identifier le circuit “74HC386” : ------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 3- Compléter : 3.1- La légende ci-contre 3.2- le cablage de la platine ci-dessous en utilisant le schéma proposé à la question “N° 1”. Légende : a0 , a1 ,et a2 :--------------------------------------------- b0 , b1 ,et b2 :--------------------------------------------- S0 ,S1 et S2: ---------------------------------------------- r4 : ----------------------------------------- R : ----------------------------------------- R’ : ----------------------------------------- 74HC08 : ----------------------------- 74HCT32 : ----------------------------- 74HC386 : ----------------------------- 4- En utilisant une maquette, le simulateur logique ou le logiciel de simulation, vérifier le fonctionnement de ce montage. Chapitre A1 L’addition et la multiplication en binaire Manuel d’activités 14 TP A1-1 1 - Circuit d'anticipation : 1.1- Calculer les différentes retenues, sachant que la retenue à l'entrée du premier additionneur élémentaire est égale à zéro (r0 = 0). Activité 4 Conception d’un additionneur de deux nombres à deux bits (A : a1a0 et B : b1b0) à retenue anticipée. 1.2- Déduire le logigramme correspondant. Chapitre A1 L’addition et la multiplication en binaire Manuel d’activités 15 TP A1-1 2 - L'additionneur complet : 2.1- Déduire les différentes équations de l'additionneur. . 2.2- Déduire le logigramme correspondant. 2.3- Sur logiciel de simulation, câbler le logigramme tracé précédemment et vérifier son fonctionnement. Chapitre A1 L’addition et la multiplication en binaire Manuel d’activités 16 TP A1-1 3- Mise en œuvre d'un additionneur intégré (choisir un circuit de la série 74HCxx). 3.1- En utilisant le Datasheet relatif au circuit objet de uploads/Philosophie/ genie-electrique-4eme-s-t-manuel-d-x27-activite.pdf