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 circuits combinatoires

Les circuits combinatoires sont des circuits électroniques numériques dont la sortie dépend uniquement des entrées présentes à un instant donné. Contrairement à d'autres circuits capables de mémoriser des informations, ils ne gardent aucun souvenir des états précédents. À chaque instant, ils calculent simplement un nouveau résultat à partir des signaux qu'ils reçoivent.

Un circuit combinatoire est construit en associant plusieurs portes logiques comme les portes ET, OU, NON ou XOR. Chaque porte réalise une opération simple, mais leur combinaison permet d'obtenir des fonctions beaucoup plus complexes. Les informations circulent des entrées vers les sorties en traversant ces différentes portes.

Imaginons une alarme qui doit se déclencher si une fenêtre est ouverte OU si une porte est ouverte. Une simple porte OU suffit pour réaliser cette fonction. En revanche, si l'alarme ne doit fonctionner que lorsque le système est activé ET qu'une fenêtre est ouverte, plusieurs portes logiques devront être associées pour obtenir le comportement souhaité.

Les circuits combinatoires sont utilisés pour effectuer toutes sortes de traitements numériques. Ils peuvent comparer des nombres, réaliser des calculs, sélectionner une information parmi plusieurs, ou encore convertir un code en un autre. Parmi les plus connus, on trouve les additionneurs, les comparateurs, les multiplexeurs, les démultiplexeurs, les décodeurs et les encodeurs.

Prenons l'exemple d'un additionneur. Son rôle est d'additionner deux nombres binaires. L'opération est réalisée entièrement par des portes logiques. Le plus simple est le demi-additionneur, qui additionne deux bits.

On remarque que lorsque les deux bits valent 1, la somme vaut 0 et une retenue est produite. Ce principe est exactement le même que lorsque l'on additionne deux nombres en écriture décimale.

Les circuits combinatoires sont présents dans tous les processeurs modernes. Chaque opération arithmétique, chaque comparaison ou chaque décision prise par un ordinateur fait intervenir des milliers, voire des millions de portes logiques organisées en circuits combinatoires.

Ces circuits sont extrêmement rapides. Ils ne conservent aucune information entre deux calculs : dès que les entrées changent, les sorties sont automatiquement recalculées après un très court délai de propagation. Pour mémoriser des données, il faut utiliser une autre famille de circuits appelée circuits séquentiels, qui seront étudiés avec les bascules et les registres.