Giáo trình môn học điểu khiển logic

Giáo trình môn học điểu khiển logic

Đại Học Đà Nẵng Trường Đại Học Bách Khoa Khoa Điện Bộ mơn Tự Động - Đo Lường GIÁO TRÌNH MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN LOGIC MÔN HỌC DÀNH CHO CÁC SINH VIÊN KHOA ĐIỆN KHỐ CHÍNH QUY Số đơn vị học trình: (60 tiết) Người biên soạn: Lâm Tăng Đức Nguyễn Kim Ánh Đà Nẵng, tháng 11 năm 2005 Chương 0: Lý thuyết sở Bộ môn Tự Động Đo Lường – Khoa Điện CHƯƠNG 0: LÝ THUYẾT CƠ SỞ (3T) 0.1 Khái niệm logic trạng thái: + Trong sống hàng ngày vật tượng đập vào mắt như: có/khơng; thiếu/đủ; cịn/hết; trong/đục; nhanh/chậm hai trạng thái đối lập hoàn toàn + Trong kỹ thuật (đặc biệt kỹ thuật điện - điều khiển) Ỉ khái niệm logic hai trạng thái: đóng /cắt; bật /tắt; start /stop… + Trong tốn học để lượng hoá hai trạng thái đối lập vật hay tượng người ta dùng hai giá trị &1 gọi hai giá trị logic Ỉ Các nhà khoa học xây dựng “hàm“ & “biến“ hai giá trị &1 Ỉ Hàm biến gọi hàm & biến logic Ỉ Cơ sở để tính tốn hàm & số gọi đại số logic Ỉ Đại số có tên Boole (theo tên nhà bác học Boole) 0.2 Các hàm đại số logic tính chất chúng: B0.1_ hàm logic biến: Tên hàm Bảng chân lý x Thuật toán logic Hàm không Y0 0 Y0 = Y0 = x x Hàm lặp Y1 Y1 = Hàm đảo Y2 Y2 = x Kí hiệu sơ đồ kiểu khối điện kiểu rơle tử Ghi Hàm Hàm Y3 = Y3 = x + x B 0.2_ Hàm logic hai biến y = f(x1 ,x2 ) Hàm hai biến, biến nhận hai giá trị &1, nên có 16 giá trị hàm từ y0 → y15 Hàm đơn vị Y3 Tên hàm Hàm không Hàm 1 Bảng chân lý x1 0 1 x2 1 Y0 0 0 Y1 0 Hàm cấm Y2 x1 Thuật toán logic Y0 = x1 x 2+ x x2 Y1 = x1.x2 Kí hiệu sơ đồ Kiểu khối điện Kiểu rơle tử Ghi Hàm 0 Y2 = x x Biên soạn: Lâm Tăng Đức - Nguyễn Kim Ánh Chương 0: Lý thuyết sở Hàm lặp Y3 x1 Hàm cấm Y4 x2 Hàm lặp Y5 x2 Bộ môn Tự Động Đo Lường – Khoa Điện 0 1 Y3 = x 1 0 Y4 = x x2 0 1 Y5 = x Hàm Y6 loại trừ Y6 = x x2+ 1 x1 x Y6 =x1 ⊕ x2 Hàm Y7 1 Y7 = x1 + x2 Hàm piec Y8 0 Y8 = x x Y9 1 Y9= x ⊕ x Hàm dấu Hàm đảo x1 Hàm kéo theo x1 Hàm đảo x2 Hàm kéo theo x2 Hàm cheffer Hàm đơn vị x1 x2 1 1 1 Y15 = Cộng module Y10 1 0 Y10 = x Y11 1 Y11 = x + x1 Y12 1 Y12 = x Y13 1 Y13 = x + x2 Y14 1 Y14 = x + x Y15 1 1 Y15 = x +x1 x1 x2 x1 1 x2 1 Y14 = x + x Biên soạn: Lâm Tăng Đức - Nguyễn Kim Ánh x1 1 x2 1 Y13 = x + x2 1 Y12 = x 2 Bộ môn Tự Động Đo Lường – Khoa Điện Chương 0: Lý thuyết sở x1 x2 1 x1 x2 1 1 x2 0 1 1 Y7 = x1 + x2 x1 x2 0 1 1 Y3 = x 1 Y10 = x Y11 = x + x1 x1 x1 x2 1 x1 x2 0 1 1 Y6 =x1 ⊕ x2 x1 x2 1 1 Y2 = x x x1 x2 1 1 Y9= x ⊕ x x1 x2 0 1 1 Y5 = x x1 x2 0 1 1 Y1 = x1.x2 1 Y8 = x x x1 x2 1 1 Y4 = x x2 x1 0 Y0 = 0 x2 * Ta thấy rằng: hàm đối xứng qua trục (y7 y8 ) nghĩa là: y0 = y 15, y1 = y 14, y2 = y 13 * Hàm logic n biến: y = f(x1,x2,x3, ,xn) biến nhận 21 giá trị → n biến nnhận 2n giá trị; mà tổ hợp nhận giá trị → Do hàm có tất 2 Ví dụ: biến → tạo hàm 2 2 biến → tạo 16 hàm 2 3 biến → tạo 256 hàm 2 → Khả tạo hàm lớn số biến nhiều Tuy nhiên tất khả qua hàm sau: Tổng logic Nghịch đảo logic Tích logic Biên soạn: Lâm Tăng Đức - Nguyễn Kim Ánh Chương 0: Lý thuyết sở Bộ môn Tự Động Đo Lường – Khoa Điện ` Định lý - tính chất - hệ số đại số logic: 0.2.1 Quan hệ hệ số: 0 = 0 = = 0 +0 = 0 +1 = 1 +0 = 1 +1 = =1 =0 → Đây quan hệ hai số (0,1) → hàm tiên đề đại số logic → Chúng quy tắc phép toán tư logic 0.2.2 Quan hệ biến số: A.0 = A = A A+1 = A +0 = A A.A =0 A+A =1 0.2.3 Các định lý tương tự đại số thường: + Luật giao hoán: A B =B A A +B =B +A + Luật kết hợp: ( A +B) +C =A +( B +C) ( A B) C =A ( B C) + Luật phân phối: A ( B +C) =A B +A C 0.2.4 Các định lý đặc thù có đại số logic: A A =A A +A =A Định lý De Mogan: A.B = A + B A+ B = A B Luật hàm nguyên: A =A 0.2.5 Một số đẳng thức tiện dụng: A ( B +A) = A A + A B = A A B +A B = A A + A B = A +B Biên soạn: Lâm Tăng Đức - Nguyễn Kim Ánh Bộ môn Tự Động Đo Lường – Khoa Điện Chương 0: Lý thuyết sở A( A + B ) = A B (A+B)( A + B ) = B (A+B)(A + C ) = A +BC AB+ A C + BC = AB+ A C (A+B)( A + C )(B +C) =(A+B)( A + C ) Các biểu thức vận dụng để tinh giản biểu thức logic, chúng không giống đại số thường Cách kiểm chứng đơn giản để áp dụng để chứng minh thành lập bảng thật 0.3 Các phương pháp biểu diễn hàm logic: 0.3.1 Phương pháp biểu diễn thành bảng: * Nếu hàm có n biến bảng có n+1 cột ( n cột cho biến & cột cho hàm ) * 2n hàng tương ứng với 2n tổ hợp biến → Bảng gọi bảng thật bảng chân lý Ví dụ: Trong nhà có cơng tắc A,B,C.Chủ nhà muốn đèn chiếu sáng công tắc A, B, C hở A đóng B, C hở A hở B đóng C hở Với giá trị hàm y cho ta biểu diễn thành bảng sau: Công tắc đèn A B 0 0 1 1 1 1 Đèn C Y sáng 0 sáng 0 sáng 0 * Ưu điểm cách biểu diễn dễ nhìn nhầm lẫn * Nhược điểm: cồng kềnh, đặc biệt số biến lớn 0.3.2 Phương pháp biểu diễn hình học: a) Hàm biến → biểu diễn đường thẳng: b) Hàm hai biến → biểu diễn mặt phẳng0: x1 10 11 00 01 Biên soạn: Lâm Tăng Đức - Nguyễn Kim Ánh x2 Bộ môn Tự Động Đo Lường – Khoa Điện Chương 0: Lý thuyết sở c) Hàm ba biến → biểu diễn không gian chiều: X2 110 010 011 111 X1 000 001 100 101 X3 d) Hàm n biến → biểu diễn không gian n chiều 0.3.3 Phương pháp biểu diễn biểu thức đại số: Bất kỳ hàm logic n biến biểu diễn thành hàm có tổng chuẩn đầy đủ tích chuẩn đầy đủ a) Cách viết dạng tổng chuẩn đầy đủ (chuẩn tắc tuyển): - Chỉ quan tâm đến tổ hợp biến mà hàm có giá trị - Trong tổ hợp (đầy đủ biến) biến có giá trị giữ nguyên (xi) - Hàm tổng chuẩn đầy đủ tổng chuẩn đầy đủ tích Công tắc đèn A B C 0 0 1 0 1 0 1 1 1 Đèn Y x 1 x → Hàm Y tương ứng tổ hợp giá trị biến ABC = 001, 011, 100, 111 →Y= A B C + A BC +A B C +ABC * Để đơn giản cách trình bày ta viết lại: Biên soạn: Lâm Tăng Đức - Nguyễn Kim Ánh Bộ môn Tự Động Đo Lường – Khoa Điện Chương 0: Lý thuyết sở f = Σ 1, ,4 ,7 Với N =2 ,5 (các thứ tự tổ hợp biến mà không xác định ) b) Cách viết dạng tích /chuẩn đầy đủ ( hội tắc tuyển ): - Chỉ quan tâm đến tổ hợp biến hàm có giá trị hàm - Trong tổng biến xi = giữ nguyên xi = đảo biến xi - Hàm tích chuẩn đầy đủ tích tổng đó, từ bảng hàm Y tương ứng tổ hợp giá trị biến: A+B+C = +0 +0, +1 +0 A +B +C, A + B +C → Y =( A +B +C )( A + B +C ) * Để đơn giản cách trình bày ta viết lại: f = Π (0,6) Với N =2 ,5 (các thứ tự tổ hợp biến mà không xác định ) 0.3.4 Phương pháp biểu diễn bảng Karnaugh: - Bảng có dạng hình chữ nhật, n biến → 2n ô tương ứng với giá trị tổ hợp biến - Giá trị biến xếp theo thứ tự theo mã vịng (nếu khơng khơng bảng Karnaugh nữa!) *Vài điều sơ lược mã vòng: Giả sử cho số nhị phân B1B2B3B4 → G3G2G1G0 (mã vịng) tính sau: Gi = Bi+1 ⊕ Bi Ví dụ: G0 = B1 ⊕ B0 = B1 B0 +B1 B0 G1 = B2 ⊕ B1 = B2 B1 +B2 B1 G2 = B3 ⊕ B2 = B3 B2 +B3 B2 G3 = B4 ⊕ B3 = 0⊕ B3 =1.B3 +0 B3 = B3 x2 x1 0 x3 x4 00 x1x2 00 01 x1 x2 x3 00 01 11 00 01 11 10 11 10 Biên soạn: Lâm Tăng Đức - Nguyễn Kim Ánh Chương 0: Lý thuyết sở Bộ môn Tự Động Đo Lường – Khoa Điện x3 x4x5 000 001 011 010 110 111 101 100 x1x2 00 01 11 10 x4x5x6 000 001 011 010 110 111 101 100 x1x2 x3 000 001 011 010 110 111 101 100 0.4 Phương pháp tối thiểu hố hàm logic: Mục đích việc tối ưu hố hàm logic → thực mạch: kinh tế đơn giản, bảo đảm chức logic theo yêu cầu →Tìm dạng biểu diễn đại số đơn giản có phương pháp sau: 0.4.1 Phương pháp tối thiểu hàm logic biến đổi đại số: Dựa vào biểu thức phần 0.3 chương y =a ( b c + a) + (b + c )a b = a b c + a + ba b + c a b = a Biên soạn: Lâm Tăng Đức - Nguyễn Kim Ánh Chương 0: Lý thuyết sở Bộ môn Tự Động Đo Lường – Khoa Điện Phương pháp : y = a ( b c + a) + (b + c )a b = a b c + a + ba b + c a b = a y = a ( b c + a) + (b + c )a b = a b c + a(b+ b )(c+ c )+a b c = a b c + abc + ab c + a b c + a b c +a b c m5 m7 m6 m5 m4 m4 (Phương pháp 2: dùng bảng đề cập phần sau) Ví dụ 1: Ví dụ 2: Biên soạn: Lâm Tăng Đức - Nguyễn Kim Ánh ... ¹ch x2 Z kích hoạt theo trình trình tự Y1 tỉ hỵp y1 tự Điều Y2 y2 thực mạch logic tổ hợp τ2 túy mà cần đến đặc tính τ1 nhớ FF Hình 1.5: Mơ hình tốn học mạch điều khiển trình tự A Y A A B B Y Y... sau: Tổng logic Nghịch đảo logic Tích logic Biên soạn: Lâm Tăng Đức - Nguyễn Kim Ánh Chương 0: Lý thuyết sở Bộ môn Tự Động Đo Lường – Khoa Điện ` Định lý - tính chất - hệ số đại số logic: 0.2.1... điều khiển) Ỉ khái niệm logic hai trạng thái: đóng /cắt; bật /tắt; start /stop… + Trong tốn học để lượng hoá hai trạng thái đối lập vật hay tượng người ta dùng hai giá trị &1 gọi hai giá trị logic