L'électronique numérique est une branche de l'électronique qui traite les informations sous forme de valeurs discrètes. Contrairement à l'électronique analogique, où une tension peut prendre une infinité de valeurs, l'électronique numérique utilise presque toujours seulement deux états : un état bas et un état haut. Ces deux états représentent les chiffres 0 et 1, appelés bits.

Ces deux valeurs sont faciles à distinguer par les composants électroniques. Dans de nombreux circuits, une tension proche de 0 volt représente le 0 logique, tandis qu'une tension plus élevée, par exemple 5 volts ou 3,3 volts, représente le 1 logique. Les valeurs exactes dépendent de la technologie utilisée, mais le principe reste toujours le même : chaque information est codée par une succession de 0 et de 1.

Toutes les informations numériques peuvent être représentées avec des bits. Les nombres, les textes, les images, les sons ou les vidéos sont finalement transformés en longues suites de 0 et de 1. Huit bits forment un octet, qui permet par exemple de représenter 256 valeurs différentes, de 0 à 255.

Les circuits numériques utilisent des portes logiques, des bascules, des compteurs, des registres, des mémoires, des microcontrôleurs ou des microprocesseurs. Ensemble, ces composants permettent de réaliser des calculs, de mémoriser des informations et de prendre des décisions très rapidement.

Exemple : lorsqu'on appuie sur une touche d'un clavier d'ordinateur, le circuit détecte le changement d'état électrique provoqué par la touche. Cette information est transformée en une suite de bits qui est ensuite interprétée par le microprocesseur afin d'afficher le caractère correspondant à l'écran.

L'électronique numérique présente de nombreux avantages. Les signaux sont moins sensibles aux parasites que les signaux analogiques, les calculs peuvent être réalisés très rapidement et les informations peuvent être copiées ou transmises sans perdre de qualité. C'est pourquoi presque tous les appareils modernes utilisent aujourd'hui cette technologie.

Cependant, le monde qui nous entoure est essentiellement analogique. La lumière, le son, la température ou la pression varient de façon continue. Les appareils numériques utilisent donc des convertisseurs analogique-numérique (CAN) pour transformer les mesures des capteurs en données numériques, puis des convertisseurs numérique-analogique (CNA) lorsqu'ils doivent produire un son, une image ou commander certains équipements.

Aujourd'hui, l'électronique numérique est présente dans les ordinateurs, les smartphones, les téléviseurs, les consoles de jeux, les automobiles, les robots, les satellites, les appareils médicaux et la plupart des objets connectés. Elle constitue l'une des technologies les plus importantes du monde moderne.

Les portes logiques

Les portes logiques sont les composants fondamentaux de l'électronique numérique. Elles réalisent des opérations logiques sur des informations codées sous forme de 0 et de 1. Toutes les opérations effectuées par un ordinateur, un smartphone, une calculatrice ou un microcontrôleur reposent sur l'association d'un très grand nombre de portes logiques.

Une porte logique reçoit une ou plusieurs entrées, puis produit une sortie. Chaque entrée peut prendre uniquement deux états : 0 (état bas) ou 1 (état haut). Selon le type de porte, la sortie prendra la valeur 0 ou 1 en appliquant une règle logique précise.

La porte la plus simple est la porte NON (NOT). Elle possède une seule entrée et inverse systématiquement son état :

• Entrée 0 → Sortie 1
• Entrée 1 → Sortie 0

Les autres portes utilisent généralement deux entrées.

La porte ET (AND) ne produit un 1 que si les deux entrées valent 1. Si l'une des deux vaut 0, la sortie vaut 0.

La porte OU (OR) produit un 1 dès qu'au moins une des deux entrées vaut 1. Elle ne donne 0 que lorsque les deux entrées valent 0.

La porte OU exclusif (XOR) produit un 1 lorsque les deux entrées sont différentes. Si elles sont identiques, la sortie vaut 0. Cette porte est très utilisée dans les circuits de calcul.

Les portes NON-ET (NAND) et NON-OU (NOR) correspondent simplement aux portes ET et OU suivies d'une inversion. Elles sont particulièrement importantes, car il est possible de construire n'importe quel circuit logique uniquement avec des portes NAND ou uniquement avec des portes NOR.

Exemple : imaginons une porte automatique qui ne doit s'ouvrir que si deux conditions sont remplies : une personne présente son badge ET le système autorise son accès. Une porte logique ET représente parfaitement cette situation : si une seule des deux conditions est absente, la porte reste fermée.

En associant des milliers, puis des millions et aujourd'hui des milliards de portes logiques, les ingénieurs réalisent des additionneurs, des mémoires, des registres, des processeurs et tous les circuits numériques modernes. Derrière les logiciels les plus complexes se cachent finalement d'innombrables opérations logiques exécutées à une vitesse extraordinaire.