Une sonde logique TTL et CMOS

Lors du salon Educatec, nous avons pu vérifier que de nombreux professeurs de lycées techniques conseillaient à leurs étudiants de lire notre revue, en raison des projets innovants que nous proposons chaque mois, bien sûr, mais également parce que nous sommes particulièrement à l’écoute du milieu de l’Education. Ces mêmes professeurs, nous ont demandé d’étudier une sonde simple, en mesure de reconnaître les niveaux logiques 1 et 0 des circuits intégrés TTL et CMOS. Voilà de quoi les satisfaire.


Lorsque, dans la description d’un schéma électrique, nous lisons que la broche de sortie d’un circuit intégré passe au niveau logique 1 ou bien au niveau logique 0, nous savons que ces deux niveaux servent en pratique à indiquer :
       Niveau 1 = tension positive
       Niveau 0 = tension nulle
La tension positive que nous relevons en présence d’un niveau logique 1, est toujours celle de l’alimentation.
Néanmoins, si nous contrôlons un circuit intégré TTL alimenté avec une tension de 5 volts, ce niveau logique 1 correspond à une tension de 5 volts ; par contre si nous contrôlons un circuit intégré CMOS alimenté avec une tension de 12 volts, ce niveau logique 1 correspond à une tension de 12 volts.
A propos du niveau logique 0, nous devons préciser que la tension nulle ne signifie pas broche ouverte, mais broche reliée à la masse.
Une autre particularité dont il faut tenir compte, est que les niveaux logiques que nous pouvons appliquer sur les broches d’entrée d’un circuit intégré, peuvent êtres différents des niveaux logiques 1 ou 0 que nous prélevons des broches de sortie.
Par exemple, dans le cas des circuits intégrés logiques TTL qui sont alimentés avec une tension de 5 volts, leurs broches d’entrée reconnaissent :
- Comme niveau logique 1, une tension supérieure à 2 volts.
- Comme niveau logique 0, une tension inférieure à 0,8 volt.
Si nous passons aux circuits intégrés logiques CMOS, qui peuvent être alimentés avec des tensions comprises entre 5 et 15 volts maximum, leurs broches d’entrée reconnaissent :
- Comme niveau logique 1, une tension supérieure à 70 % de la tension d’alimentation.
- Comme niveau logique 0, une tension inférieure à 30 % de la tension d’alimentation.
Ainsi, si nous alimentons un circuit intégré CMOS avec une tension de 5 volts, celui-ci reconnaît comme niveau logique 1, une tension supérieure à :

5 x 0,70 = 3,5 volts

Et comme niveau logique 0, une tension inférieure à :
5 x 0,3 = 1,5 volt

Si nous alimentons le même circuit CMOS avec une tension de 12 volts, celui-ci reconnaît comme niveau logique 1, une tension supérieure à :
12 x 0,7 = 8,4 volts

Et comme niveau logique 0, une tension inférieure à :
12 x 0,3 = 3,6 volts

Dans le cas des circuits intégrés TTL, les broches d’entrée reconnaissent un niveau logique 1 lorsque la tension dépasse 2 volts et un niveau logique 0 lorsque la tension descend au-dessous de 0,8 volt seulement. Pour les circuits intégrés CMOS, ces deux niveaux varient en fonction de la tension d’alimentation.
Pour déterminer quelles sont les valeurs des niveaux logiques d’un circuit intégré CMOS, il est donc indispensable de savoir, avant tout, avec quelle tension il est alimenté. Ceci fait, nous pourrons mesurer avec un multimètre la tension présente sur ses broches d’entrée.
Si celle-ci est supérieure à 70 % de la tension d’alimentation, nous savons que nous sommes en présence d’un niveau logique 1, par contre si elle est inférieure à 30 % de la tension d’alimentation, nous sommes en présence d’un niveau logique 0.
Si nous contrôlions les niveaux logiques d’un circuit intégré diviseur ou compteur, qui changent rapidement de l’état 1 à l’état 0, nous ne parviendrons que difficilement à lire la valeur de cette tension avec un multimètre, car l’aiguille de celui-ci indiquera la valeur moyenne qui ne correspond ni au niveau logique 1, ni au niveau logique 0.
Pour tester les niveaux logiques d’un circuit intégré numérique, il faut nécessairement utiliser une sonde logique comme celle que nous vous proposons.
Elle permet d’allumer une diode LED lorsque nous sommes en présence d’un niveau logique 1 et une seconde diode LED lorsque nous sommes en présence d’un niveau logique 0.
Comme nous l’avons déjà dit, en testant les broches d’un diviseur ou d’un compteur, leurs niveaux logiques changeant d’état très rapidement, nous ne pouvons pas faire allumer ni la LED du niveau 1, ni celle du niveau 0. Pour déterminer si ces circuits intégrés fonctionnent normalement, nous avons intégré dans cette sonde la diode LED DL3, qui s’allume uniquement en présence de niveaux logiques qui changent d’état rapidement.
La quatrième diode LED, nommée DL4, présente dans cette sonde, ne s’allume que si, dans le circuit que vous testez, se trouve un niveau anormal, qui ne rentre pas dans les deux valeurs requises de 1 et de 0, que ce soit pour les circuits intégrés TTL ou pour les circuits intégrés CMOS.
Comme vous pouvez le noter, cette diode LED s’allume également lorsque la pointe de touche de la sonde n’est pas reliée au circuit intégré à tester.

Schéma électrique
Comme cela apparaît sur la figure 1, pour réaliser cette sonde digitale, nous avons utilisé trois circuits intégrés, cinq transistors et quatre diodes LED.
Avant de poursuivre, notez que la tension pour alimenter cette sonde est directement prélevée du montage que vous souhaitez tester. Cette précaution est indispensable car, si dans ce montage des circuits intégrés CMOS sont utilisés, la sonde doit prendre comme référence la tension utilisée pour l’alimentation pour pouvoir reconnaître les niveaux logiques 1 et 0.
En appliquant la pointe de la sonde sur les broches du circuit intégré à tester, la tension relevée rejoint la broche inverseuse “ – “ de l’amplificateur opérationnel IC1 et la broche non inverseuse “ + “ de l’amplificateur opérationnel IC2.
Pour déterminer un quelconque niveau logique anormal ne rentrant ni dans la valeur 1 ni dans la valeur 0, une tension égale au 1/3 de la tension d’alimentation est appliquée, à travers les résistances R2 et R3, sur la pointe de la sonde.
Dans ce circuit, l’amplificateur opérationnel IC1 est utilisé pour reconnaître le niveau logique 1 et l’amplificateur opérationnel IC2 pour reconnaître le niveau logique 0.
Comme vous pouvez le noter, la broche non inverseuse d’IC1 est polarisée avec la tension présente à la jonction des résistances R5 et R6, tandis que la broche inverseuse d’IC2 est polarisée avec la tension présente sur la jonction des résistances R6 et R7.
Si vous testez un circuit intégré TTL alimenté en 5 volts, sur la jonction de ces résistances, seront présentes les valeurs de tensions suivantes :
2 volts environ sur la jonction R5 et R6
0,8 volt environ sur la jonction R6 et R7

Lorsque vous appliquez la pointe de la sonde sur la broche d’un circuit intégré TTL, si la tension est inférieure à 0,8 volt, la broche de sortie d’IC2 passe au niveau logique 0, tandis que la sortie d’IC1 passe au niveau logique 1 (voir figure 2).
Lorsque vous appliquez la pointe de la sonde sur la broche d’un circuit intégré TTL, si la tension est supérieure à 2 volts, la broche de sortie d’IC2 passe au niveau logique 1, tandis que la sortie d’IC1 passe au niveau logique 0 (voir figure 3).
Le transistor PNP relié à l’amplificateur opérationnel dont la sortie passe au niveau logique 0, devient conducteur et entraîne l’éclairement de la diode LED placée sur son collecteur.
Si vous appliquez la pointe de la sonde à une broche sur laquelle n’est présent ni un niveau 1, ni un niveau 0, les deux sorties des deux amplificateurs opérationnels demeurent au niveau logique 1, ainsi les deux diodes LED, DL1 et DL2 restent éteintes, par contre, la diode LED DL4 s’allume pour indiquer qu’il existe une condition anormale.
Si vous testez un montage qui utilise des circuits intégrés CMOS, la sonde pourra être alimentée avec une tension variable comprise entre 5 et 15 volts.
Pour tester des circuits intégrés CMOS, il est nécessaire de fermer l’interrupteur S1 qui permet d’appliquer en parallèle à la résistance R5 de 68 kilohms, la résistance R4 de 22 kilohms.
Cette valeur mise en parallèle permet d’obtenir une valeur d’environ 16,6 kilohms, qui nous servira pour appliquer, sur la broche non inverseuse d’IC1, une tension égale à environ 70 % de celle d’alimentation et sur la broche inverseuse d’IC2, une tension égale à environ 30 % de la tension d’alimentation.
En admettant que le circuit intégré CMOS que vous voulez tester soit alimenté avec une tension de 12 volts, vous obtenez :
8,7 volts environ sur la jonction de R5 et R6
3,5 volts environ sur la jonction de R6 et R7

Si vous appliquez la pointe de la sonde sur la broche d’un circuit intégré CMOS dont la tension est inférieure à 3,5 volts, la broche de sortie d’IC2 passe au niveau logique 0, par contre la broche de sortie d’IC1 passe au niveau logique 1 (voir figure 4).
Si vous appliquez la pointe de la sonde sur la broche d’un circuit intégré CMOS dont la tension est supérieure à 8,7 volts, la broche de sortie d’IC2 passe au niveau logique 1, par contre la broche de sortie d’IC1 passe au niveau logique 0 (voir figure 5).
Nous savons déjà que le transistor PNP (voir TR1-TR2) relié à la sortie de l’amplificateur opérationnel dont la sortie passe au niveau logique 0, devient conducteur et fait allumer la diode LED placée sur son collecteur.
Pour allumer la diode LED DL3, lorsque la fréquence de commutation des niveaux logiques 1 et 0 sont si rapides que l’on ne peut pas allumer DL1-DL2, nous avons recours au circuit intégré IC3 et au transistor TR5.
Comme cela peut se voir sur le schéma électrique, le signal présent sur la pointe de la sonde rejoint le condensateur C4, qui l’applique sur la broche 2 d’IC3, un classique NE7555 utilisé en monostable.
La fréquence qui entre sur la broche 2, commute la broche de sortie 3 au niveau logique 1 et cette tension positive, rejoint la base du transistor TR5, le rend conducteur, ce qui permet d’allumer la LED DL3 placée sur son collecteur.
Les diodes au silicium que vous trouvez placées sur chaque base des transistors TR1, TR2, TR4 et TR5 servent à maintenir stable la luminosité des LED en cas de variation de la tension d’alimentation. En effet, cette tension d’alimentation peut varier de 5 volts (lorsque vous testez des circuits intégrés TTL) à une tension de 5 à 15 volts (lorsque vous testez des circuits intégrés CMOS).

Figure 1 : Schéma électrique de la sonde en mesure de reconnaître les deux niveaux logiques 1 et 0 des circuits intégrés TTL ou CMOS.

Figure 2 : Si nous appliquons la pointe de la sonde sur une broche d’un circuit intégré TTL qui se trouve au niveau logique 0, nous verrons immédiatement s’allumer la diode LED marquée DL2.

Figure 3 : Si nous appliquons la pointe de la sonde sur une broche d’un circuit intégré TTL qui se trouve au niveau logique 1, nous verrons immédiatement s’allumer la diode LED marquée DL1.

Figure 4 : Si nous appliquons la pointe de la sonde sur une broche d’un circuit intégré CMOS qui se trouve au niveau logique 0, nous verrons immédiatement s’allumer la diode LED marquée DL2.

Figure 5 : Si nous appliquons la pointe de la sonde sur une broche d’un circuit intégré CMOS qui se trouve au niveau logique 1, nous verrons immédiatement s’allumer la diode LED marquée DL1.

Figure 6 : Schéma pratique de montage de la sonde logique et brochages des circuits intégrés vus de dessus et des transistors NPN type BC547 et PNP type BC327 vus de dessous.

Figure 7 : Photographie du circuit, une fois le montage terminé. Le circuit imprimé disponible dans le kit ou séparément comporte une sérigraphie, qui ne figure pas encore sur cet exemplaire destiné à la mise au point.

Figure 8 : Avant de mettre en place la prise banane pour la pointe de touche sur le panneau arrière, séparez de son corps, la rondelle isolante et placez-la à l’intérieur (voir dessin). Si la fiche banane de la pointe de touche nage un peu dans sa prise, écartez délicatement les deux parties métalliques à l’aide d’un tournevis.

Figure 9 : Le circuit imprimé est fixé à l’aide de trois vis à l’intérieur du coffret plastique. Ce dernier est fourni complet avec le panneau avant percé et sérigraphié.

Liste des composants LX.1426
R1 = 1 kΩ
R2 = 220 kΩ
R3 = 120 kΩ
R4 = 22 kΩ
R5 = 68 kΩ
R6 = 27 kΩ
R7 = 18 kΩ
R8 = 2,2 kΩ
R9 = 2,2 kΩ
R10 = 47 Ω
R11 = 4,7 kΩ
R12 = 47 Ω
R13 = 4,7 kΩ
R14 = 10 kΩ
R15 = 10 kΩ
R16 = 2,2 kΩ
R17 = 47 Ω
R18 = 220 kΩ
R19 = 220 kΩ
R20 = 2,2 kΩ
R21 = 470 kΩ
R22 = 47 Ω
C1 = 100 nF polyester
C2 = 100 nF polyester
C3 = 100 μF électrolytique
C4 = 100 pF céramique
C5 = 47 nF polyester
C6 = 2,2 μF électrolytique
C7 = 100 nF polyester
DS1 = Diode 1N4007
DS2 = Diode 1N4007
DS3 = Diode 1N4148
DS4 = Diode 1N4148
DS5 = Diode 1N4148
DS6 = Diode 1N4148
DS7 = Diode 1N4007
DS8 = Diode 1N4148
DS9 = Diode 1N4148
DS10 = Diode 1N4148
DS11 = Diode 1N4148
DS12 = Diode 1N4148
DL1 = Diode LED rouge
DL2 = Diode LED rouge
DL3 = Diode LED verte
DL4 = Diode LED orange
TR1-TR2 = Transistor PNP BC327
TR3-TR5 = Transistor NPN BC547
IC1 = Intégré LM311
IC2 = Intégré LM311
IC3 = Intégré 7555
S1 = Interrupteur

Divers :
3 supports ci 2 x 4 broches
1 prise banane femelle châssis
1 pointe de touche avec fil et fiche banane
1 pince croco noire avec fil
1 pince croco rouge avec fil
1 coffret sérigraphié
1 circuit imprimé réf. LX.1426


Réalisation pratique
Sur le circuit imprimé double face à trous métallisés LX.1426 fourni dans le kit ou séparément, les composants seront montés en les plaçant comme cela est indiqué sur le schéma pratique de câblage visible à la figure 6.
Même si le montage ne présente pas de difficultés, nous vous conseillons de commencer par l’insertion des trois supports pour les circuits intégrés et de souder la totalité de leurs broches sur les pistes du circuit imprimé.
Après cette opération, vous pourrez insérer les trois diodes en boîtier plastique DS1, DS2 et DS7 en orientant leur repère de positionnement comme cela est représenté sur la figure 6.
Montez maintenant toutes les diodes dont le boîtier est en verre en orientant leur repère de positionnement comme cela est également représenté sur la figure 6.
Poursuivez le montage en insérant toutes les résistances, puis les condensateurs.
A ce propos, nous vous rappelons que pour les condensateurs électrolytiques il faut impérativement respecter la polarité de leurs pattes (patte longue au +) sous peine de les faire chauffer et même parfois, exploser.
Les derniers composants à monter, sont les transistors. Contrôlez attentivement la référence marquée sur leur boîtier.
Placez donc les transistors marqués BC327 (ou leurs équivalents BC328) dans les trous indiqués TR1 et TR2 sans raccourcir leurs pattes et en orientant le côté plat de leur boîtier comme cela est visible sur la figure 6.
Placez aussi les transistors marqués BC547 dans les trous marqués TR3, TR4 et TR5, sans raccourcir leurs pattes et toujours en orientant le côté plat de leur boîtier comme cela est illustré sur la figure 6.
Le montage terminé, vous pouvez insérer chaque circuit intégré dans son support, en orientant le repère-détrompeur en forme de “U” comme cela est indiqué sur la figure 6.

Montage dans le coffret
Tous les composants externes au circuit imprimé : les diodes LED, l’interrupteur S1 et la prise pour la pointe de touche sont fixés sur les deux panneaux du coffret.
Sur le panneau frontal, fixez l’interrupteur S1 et les collerettes chromées pour supporter les diodes LED.
Insérez les diodes LED de couleur rouge, dans les collerettes marquées DL1 et DL2, celle de couleur jaune dans la collerette marquée DL4 et celle de couleur verte dans la collerette marquée DL3.
Avec deux morceaux de fil, reliez leurs deux broches A et K aux pistes du circuit imprimé en faisant attention de ne pas inverser la polarité si vous voulez les voir s’allumer. Comme vous pouvez le voir sur la figure 6, la patte A se reconnaît immédiatement car elle est plus longue que la patte K.
Sur le panneau arrière, vous pouvez fixer la prise pour la pointe de touche, puis, insérez dans le trou situé à gauche, le passe-fil caoutchouc et faites passer à travers les fils rouge et noir pour l’alimentation.
A l’extrémité de ces deux fils, soudez les deux pinces crocodile, qui serviront pour prélever la tension d’alimentation nécessaire pour la sonde directement sur le montage à tester.
Le montage terminé, le coffret fermé, vous pouvez immédiatement passer aux réglages.

Mise au point de la sonde
Si vous avez un circuit numérique à vérifier, reliez la pince crocodile noire à la masse de son circuit imprimé et la pince crocodile rouge à la tension positive d’alimentation.
Si, par inadvertance, vous inversiez les deux fils, cela n’aurait aucune conséquence, ni pour la sonde, ni pour le montage en test car la ligne positive d’alimentation est protégée par une diode placée en série (voir DS7).
Dès que la sonde est alimentée, vous voyez s’allumer la diode LED jaune, qui indique que, sur la pointe de touche, il n’y a aucun niveau logique ni à 1 ni à 0.
Si vous mettez la pointe de touche de la sonde en contact avec la masse, la LED jaune s’éteint et la LED rouge située à droite s’allume pour indiquer que nous avons, sur l’entrée, un niveau logique 0.
Si vous mettez la pointe de touche de la sonde en contact avec le positif de l’alimentation, la LED jaune s’éteint et la LED rouge, située à gauche, s’allume pour indiquer que nous avons sur l’entrée un niveau logique 1.
Lorsque vous déplacez la pointe de touche d’un niveau logique 1 à un niveau logique 0 ou vice-versa, vous verrez également s’allumer, durant quelques secondes, la diode LED verte DL3, car ce circuit détecte également les fronts montants et descendants des deux niveaux logiques.
Dans le cas ou vous n’auriez pas à votre disposition un circuit digital à tester, vous pourrez toujours vérifier si votre montage fonctionne, en appliquant sur les deux fils d’alimentation une tension comprise entre 5 et 12 volts.
En reliant la pointe de touche à la masse, vous verrez s’éteindre la LED jaune, et s’allumer la LED rouge du niveau logique 0.
En reliant la pointe de touche au plus de l’alimentation, vous verrez également s’éteindre la LED jaune et s’allumer la LED rouge du niveau logique 1.

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