MULTIPLEXEURS - DEMULTIPLXEURS (partie 3/3)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de cette leçon, l’élève sera capable de : - expliquer le principe du multiplexage et du démultiplexage dans un système électronique ; - identifier les domaines d’application courants au Cameroun (télécommunications, acquisition de données, commande industrielle) ; - choisir le type de multiplexeur/démultiplexeur adapté à un besoin donné (nombre de voies, fréquence, type de signal) ; - réaliser le schéma de câblage d’un système de télégestion simple à l’aide d’un multiplexeur 4‑canaux et d’un démultiplexeur 4‑canaux ; - respecter les règles de sécurité liées à la manipulation de circuits logiques (tension d’alimentation, anti‑statique). **Prérequis** : connaissances des portes logiques de base (AND, OR, NOT, NAND, NOR), des bascules (flip‑flop) et des circuits intégrés TTL/CMOS, ainsi que la lecture d’un schéma électrique simple. ## Introduction contextualisée Au Cameroun, les réseaux de télécommunication mobile, les systèmes de surveillance environnementale et les automatismes industriels nécessitent souvent de faire transiter plusieurs signaux (tension, fréquence, données numériques) sur un même support physique (câble coaxial, fibre optique, bus numérique). Le multiplexage permet de partager ce support en allouant à chaque signal un créneau temporel ou fréquentiel distinct, tandis que le démultiplexage restitue chaque signal à sa destination d’origine. Cette leçon présente les applications concrètes du multiplexage/démultiplexage, en s’appuyant sur des exemples tirés de la pratique professionnelle (télégestion d’eau, acquisition de données météorologiques, commande de machines‑outil). ## I. Applications du multiplexage et du démultiplexage ### A. Multiplexage dans les systèmes de transmission Le multiplexage temporel (TDM – Time Division Multiplexing) consiste à attribuer à chaque voie un créneau de temps successif sur une même ligne. Un multiplexeur 4‑canaux (ex. 74HC151) sélectionne, selon un code d’adresse 2‑bits, l’une de ses quatre entrées et la présente sur sa sortie unique. > **>** Un multiplexeur 4‑canaux possède 2 lignes de sélection (S0, S1) et 4 entrées de données (D0‑D3). > **>** La sortie Y suit l’équation : Y = (¬S1·¬S0·D0) + (¬S1·S0·D1) + (S1·¬S0·D2) + (S1·S0·D3). Dans un réseau de téléphonie mobile rurale au Nord‑Cameroun, un multiplexeur TDM permet de faire transiter les voix de 8 abonnés sur une seule paire de fils cuivre, réduisant ainsi le coût d’infrastructure. ### B. Dé‑multiplexage dans les systèmes d’acquisition de données Le démultiplexeur effectue l’opération inverse : il reçoit une donnée sérielle et la dirige vers la sortie correspondant au code d’adresse présent sur ses lignes de sélection. Le circuit 74HC154 (démultiplexeur 1‑vers‑16) est fréquemment utilisé pour adresser plusieurs capteurs analogiques convertis en numérique par un ADC unique. > **>** Un démultiplexeur 1‑vers‑16 possède 4 lignes de sélection (S0‑S3) et 16 sorties (Y0‑Y15). > **>** Seul la sortie correspondant au code binaire des sélections est active (niveau bas pour un circuit TTL actif bas). Dans une station météorologique de l’Extrême‑Nord, un seul ADC 12‑bits mesure successivement la température, l’humidité, la pression et la vitesse du vent ; le démultiplexeur route chaque échantillon vers le registre de stockage approprié. ### C. Exemple professionnel : système de télégestion d’eau au Cameroun **Contexte** : Un poste de pompage situé à Yaoundé doit remonter le niveau d’eau d’un réservoir vers un réseau de distribution. On souhaite surveiller quatre paramètres : niveau (capteur à flotteur), débit (débitmètre à impulsion), pression (transducteur de pression) et température de l’eau (capteur PT100). **Solution** : 1. Chaque capteur délivre une tension analogique (0‑5 V). 2. Un convertisseur analogique‑numérique 8‑bits (ADC0804) effectue la conversion séquentielle. 3. Un multiplexeur 4‑canaux (74HC151) sélectionne, toutes les 5 ms, la sortie de l’ADC correspondant au capteur à lire. 4. Le microcontrôleur (ATmega328P) reçoit la valeur numérique, l’associe au capteur grâce au code d’adresse envoyé aux lignes de sélection du multiplexeur, puis la stocke ou la transmet par liaison RS‑485 vers le centre de contrôle. 5. En retour, le centre envoie des commandes d’activation/arrêt de la pompe via un démultiplexeur 1‑vers‑4 (74HC138) qui active le relais approprié. > **>** Temps de cycle d’acquisition : 4 canaux × 5 ms = 20 ms → fréquence d’échantillonnage 50 Hz, suffisante pour le suivi du niveau d’eau. > **>** Consommation du multiplexeur 74HC151 en mode statique : < 1 µA (CMOS), négligeable devant celle du microcontrôleur. Ce schéma illustre comment le multiplexage réduit le nombre de fils nécessaires (une seule voie de données au lieu de quatre) tout en préservant la fidélité de chaque mesure. ### D. Tableau récapitulatif des types de multiplexeurs/démultiplexeurs courants | Type | Entrées/Sorties | Lignes de sélection | Exemple de CI | Application typique | |------|----------------|---------------------|---------------|---------------------| | Multiplexeur 2‑canaux | 2E → 1S | 1 | 74HC157 | Sélection d’horloge | | Multiplexeur 4‑canaux | 4E → 1S | 2 | 74HC151 | Acquisition de données | | Multiplexeur 8‑canaux | 8E → 1S | 3 | 74HC151 | Bus de données | | Démultiplexeur 1‑vers‑2 | 1E → 2S | 1 | 74HC139 | Pilotage de deux relais | | Démultiplexeur 1‑vers‑4 | 1E → 4S | 2 | 74HC138 | Commande de moteurs pas à pas | | Démultiplexeur 1‑vers‑16 | 1E → 16S | 4 | 74HC154 | Adressage de mémoire externe | ### E. Formule de nombre de voies Pour un multiplexeur ou un démultiplexeur ayant **n** lignes de sélection, le nombre de voies adressables est : \[ N = 2^{n} \] Exemple : avec 3 lignes de sélection, \(N = 2^{3} = 8\) voies. ## Synthèse du chapitre - Le multiplexage permet de partager un support physique entre plusieurs signaux en les séparant dans le temps (TDM) ou en fréquence (FDM). - Le démultiplexeur restitue chaque signal à sa sortie dédiée en fonction d’un code d’adresse. - Les circuits intégrés les plus utilisés sont les familles 74HC (CMOS) et 74LS (TTL) : 74HC151 (4‑canaux), 74HC154 (1‑vers‑16), 74HC138 (1‑vers‑4). - Le nombre de voies adressables dépend du nombre de lignes de sélection : \(N = 2^{n}\). - Dans un système de télégestion d’eau, un multiplexeur 4‑canaux réduit le câblage de quatre voies analogiques à une seule voie numérique, tandis qu’un démultiplexeur 1‑vers‑4 active les relais de commande. - Respecter les tensions d’alimentation (5 V ± 0,5 V pour le 74HC) et les précautions anti‑statique évite la dégradation des CI. - Le temps de cycle d’acquisition doit être choisi selon la bande passante du signal le plus rapide à mesurer. ## Glossaire - **Multiplexeur** : circuit logique qui sélectionne une entrée parmi plusieurs en fonction d’un code d’adresse et la présente sur une sortie unique. - **Démultiplexeur** : circuit logique qui dirige une entrée unique vers l’une de plusieurs sorties selon un code d’adresse. - **TDM (Time Division Multiplexing)** : multiplexage temporel où chaque voie occupe un créneau de temps successif. - **FDM (Frequency Division Multiplexing)** : multiplexage en fréquence où chaque voie occupe une sous‑bande de fréquences distincte. - **CI (Circuit Intégré)** : composant électronique contenant plusieurs portes logiques ou fonctions sur un même substrat de silicium. - **CMOS** : technologie à base de transistors complémentaires MOS, faible consommation, haute immunité au bruit. - **TTL** : technologie à transistors à jonction, consommation plus élevée mais vitesse élevée. - **ADC (Analog‑to‑Digital Converter)** : convertit une tension analogique en valeur numérique codée sur plusieurs bits. - **RS‑485** : norme de communication série différentielle utilisée pour les liaisons longues en environnement industriel. - **Relais électromécanique** : dispositif qui ouvre ou ferme un circuit sous l’action d’une bobine alimentée. - **PT100** : capteur de température à résistance platine de 100 Ω à 0 °C. - **Impulsion** : variation brève de tension ou de courant utilisée pour encoder une mesure (ex. débitmètre à impulsion). ## Exercices d'application corrigés **Exercice 1** – *Choix du multiplexeur* Un technicien doit acquérir les mesures de six capteurs de température (sortie 0‑5 V) à l’aide d’un seul ADC 8‑bits. Quel multiplexeur convient‑il le mieux ? Justifiez votre réponse et indiquez le nombre de lignes de sélection nécessaires. **Corrigé** Six voies nécessitent un multiplexeur capable de sélectionner parmi six entrées. Le multiplexeur le plus proche est le 8‑canaux (74HC151) qui possède 3 lignes de sélection (2³ = 8 ≥ 6). On utilisera donc un 74HC151, en laissant deux entrées inutilisées (connectées à la masse). Le nombre de lignes de sélection est donc **n = 3**. **Exercice 2** – *Calcul du temps d’acquisition* Dans un système de télégestion, un multiplexeur 4‑canaux commute toutes les 2 ms. Quelle est la fréquence d’échantillonnage effective pour chaque capteur ? **Corrigé** Un cycle complet comporte 4 commutations → période du cycle = 4 × 2 ms = 8 ms. Fréquence d’échantillonnage = 1 / période = 1 / 8 ms = 125 Hz. Chaque capteur est donc échantillonné à **125 Hz**. **Exercice 3** – *Schémas de câblage* Dessinez le schéma de principe (en blocs) d’un système qui mesure la tension d’une batterie (0‑12 V) grâce à un diviseur de tension, un multiplexeur 2‑canaux et un microcontrôleur possédant une entrée ADC. Indiquez les rôles du diviseur, du multiplexeur et du microcontrôleur. **Corrigé** - Le diviseur de tension réduit la tension 0‑12 V à une plage 0‑5 V compatible avec l’entrée du multiplexeur. - Le multiplexeur 2‑canaux (74HC157) sélectionne, selon une ligne de commande du microcontrôleur, soit la tension de la batterie, soit une tension de référence (ex. 2,5 V) pour l’autotest. - La sortie du multiplexeur est connectée à l’entrée ADC du microcontrôleur, qui effectue la conversion et stocke la valeur. Le microcontrôleur pilote également la ligne de sélection du multiplexeur via une de ses broches GPIO. ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité 1. **Oublier de relier les entrées non utilisées à un potentiel fixe** (masse ou Vcc) → peut provoquer des états flottants et des comportements imprévisibles. *Règle* : Toujours fixer les entrées d’un multiplexeur/démultiplexeur non utilisées à un niveau logique défini. 2. **Dépasser la tension d’alimentation du CI** (ex. appliquer 12 V sur un 74HC151 alimenté en 5 V) → destruction du composant. *Règle* : Vérifier la tension d’alimentation spécifiée dans le datasheet avant tout branchement ; utiliser un régulateur de tension si nécessaire. 3. **Ne pas respecter le temps de propagation (tpd)** lors du multiplexage de signaux rapides (> 1 MHz) → distortion ou perte de données. *Règle* : Choisir un CI dont le temps de propagation est nettement inférieur à la période du signal le plus rapide à traiter (ex. tpd < 10 ns pour un signal de 10 MHz). 4. **Manipulation sans précautions anti‑statique** → décharge électrostatique pouvant endommager les portes MOS des CI CMOS. *Règle* : Utiliser un bracelet antistatique et travailler sur un tapis dissipatif ; éviter de toucher directement les broches du CI. 5. **Alimentation découplée insuffisante** → bruit d’alimentation provoquant des commutations parasites. *Règle* : Placer un condensateur de découplage de 0,1 µF au plus près des broches Vcc et GND de chaque CI ; ajouter un condensateur de 10 µF en parallèle si nécessaire. 6. **Confondre les niveaux de logique actif haut et actif bas** (ex. penser que toutes les sorties d’un 74HC154 sont à l’état haut lorsqu’elles sont sélectionnées). *Règle* : Lire attentivement le tableau de vérité du CI ; les familles 74HC peuvent être actives haut ou bas selon le modèle. --- *Fin de la fiche de cours.*