Bài giảng Trang bị điện-điện tử trong máy công nghiệp - Chương: Kỹ thuật số - Ngô Hà Quang Thịnh

Nội dung text: Bài giảng Trang bị điện-điện tử trong máy công nghiệp - Chương: Kỹ thuật số - Ngô Hà Quang Thịnh

1. Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Đại Học Bách Khoa Khoa Cơ Khí Bộ Môn Cơ Điện Tử Môn Học: Trang Bị Điện-Điện Tử Trong Máy Công Nghiệp Kỹ Thuật Số 1 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
2. Hệ Thống Số Đếm
3. Các Khái Niệm Số thập phân (Decimal): Cơ số r = 10 Số nhị phân (Binary): Cơ số r = 2 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
4. Chuyển Đổi Cơ Số •Đổi một số từ hệ nhị phân sang hệ thập phân •Một số N trong hệ b được viết: N = (anan-1an-2. . .ai. . .a0,a-1a-2. . .a-m)b với ai Sb •Có giá trị tương đương trong hệ 10: n n-1 n-2 i N = anb + an-1b + an-2b + . . . + aib + . . . + 0 -1 -2 -m + a0b + a-1b + a-2b + . . . + a-mb • Lấy từng trị số của con số nhân với giá trị vị trí tương ứng, sau đó lấy tổng tất cả. TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
5. Chuyển Đổi Cơ Số Phần nguyên: Dùng phép chia lập cho cơ số hệ nhị phân: -Lấy phần nguyên chia cho cơ số hệ nhị phân ta được thương số, số dư của lần chia thứ nhất chính là số mã có trọng số nhỏ nhất của phần nguyên (a0). -Tiếp tục lấy thương số chia cho cơ số hệ nhị phân cho đến khi thương số=0 thì dừng phép chia, số dư của phép chia cuối cùng, đó là số mã có trọng số lớn nhất của phần nguyên (an) Ta tìm được dãy số (anan-1. . .a0) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
6. Chuyển Đổi Cơ Số • Đổi số từ hệ thập lục phân (Hex) sang nhị phân và ngược lại Nhận xét: Mỗi con số trong số Hex tương ưng với số 4 bit của số nhị phân Thay mỗi số hạng của số trong hệ thập lục phân bằng một số 4 bit trong số nhị phân. Ngược lại: Từ dấu phẩy nhị phân về hai phía, nhóm 4 bit lại, giá trị của mỗi số 4 bit này là một số hạng trong hệ thập lục phân. (nếu cần: phải thêm số 0 vào nhóm đầu và cuối mà không làm thay đổi giá trị của số đã cho). TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
7. Chuyển Đổi Cơ Số Từ thập phân sang nhị phân TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
8. Chuyển Đổi Cơ Số Từ nhị phân sang thập lục phân Từ thập lục phân sang nhị phân TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
9. Chuyển Đổi Cơ Số Ví dụ: Từ thập phân sang nhị phân 8 , 625 8 : 2 = 4 dư 0 (LSB) 4 : 2 = 2 dư 0 2 : 2 = 1 dư 0 1 : 2 = 0 dư 1 1 0 0 0 , 1 0 1 2 0.625 x 2 = 1,25 phần nguyên 1 (MSB) 0.25 x 2 = 0,5 phần nguyên 0 0.5 x 2 = 1,0 phần nguyên 1 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
10. Chuyển Đổi Cơ Số Ví dụ: Từ nhị phân sang thập lục phân 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 , 0 1 1 0 1 0 1 0 3 B 5 D , 6 A (H) Ví dụ: Từ thập lục phân sang nhị phân 2 C 9 , E 8 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 , 1 1 1 0 1 0 0 0 (B) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
11. Chuyển Đổi Cơ Số • Đổi số từ hệ bát phân sang hệ thập lục phân và ngược lại Dùng số nhị phân làm trung gian VD: (1234,67)8 = 0 001 0010 0011 0100 , 011 111 00 = (1234,7C)16 VD: (ABCD,EF) = 00 1010 1011 1100 1101 , 1110 1111 0 = (125715,736)8 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
12. Phép Toán Số Học Trên Số Nhị Phân Phép cộng: Phép trừ: TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
13. Mã Nhị Phân Mã nhị phân cho số thập phân (BCD – Binary Coded Decimal) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
14. Mã LED 7 Đoạn Mã 1 trong n: là mã nhị phân n bit có mỗi từ mã chỉ có 1 bit là 1 (hoặc 0) và n-1 bit còn lại là 0 (hoặc 1) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
15. Số Nhị Phân Có Dấu Biểu diễn số có dấu theo biên độ (Signed Magnitude) -Bit MSB là bit dấu: 0 là số dương và 1 là số âm, các bit còn lại biểu diễn giá trị độ lớn -Phạm vi biểu diễn: TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
16. Số Bù 2 Số bù 2 của 1 số nhị phân N có chiều dài n bit cũng có n bit Bù_2(N) = 2n – N = Bù_1(N) + 1 Bù_2(1 0 0 1) = 24 – 1 0 0 1 = 1 0 0 0 – 1 0 0 1 = 0 1 1 1 Hoặc Bù_2(1 0 0 1) = Bù_1(1 0 0 1) + 1 = 0 1 1 0 + 1 = 0 1 1 1 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
17. Số Bù 2 Để tìm được giá trị của số âm: ta lấy bù_2 của nó, sẽ nhận được số dương có cùng biên độ Số âm 1 1 0 0 0 1 có giá trị : -15 Bù_2 (1 1 0 0 0 1) = 0 0 1 1 1 1 : +15 Mở rộng chiều dài bit số có dấu: số dương thêm các bit 0 và số âm thêm các bit 1 vào trước -3: 1 0 1 = 1 1 1 0 1 Lấy bù_2 hai lần một số thì bằng chính số đó Giá trị -1 được biểu diễn là 1 11 (n bit 1) Giá trị -2n được biểu diễn là 1 0 0 0 0 (n bit 0) -32= -25: 1 0 0 0 0 0 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
18. Phép Toán Cộng Trừ Số Có Dấu TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
19. Cộng Trừ Số BCD TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
20. Cộng Trừ Số BCD TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
21. Cộng Trừ Số BCD TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
22. Cộng Trừ Số BCD Trạng thái logic của tín hiệu số (Digital Signal) Giản đồ xung (waveform) của tín hiệu số TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
23. Cấu Trúc Đại Số Boole Là cấu trúc đại số được định nghĩa trên 1 tập phần tử nhị phân B={0, 1} và các phép toán nhị phân: AND (.), OR (+), NOT (‘) Thứ tự phép toán: theo thứ tự dấu ngoặc (), NOT, AND, OR TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
24. Các Định Lý Cơ Bản Định lý thứ 1: Định lý thứ 2: + = · = Định lý thứ 3: + 1 = 1 · 0 = 0 Định lý thứ 4: + · = · ( + ) = TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
25. Hàm Boole Là 1 biểu thức được tạo bởi các biến nhị phân và các phép toán nhị phân NOT, AND, OR. Với giá trị cho trước của các biến, hàm boole sẽ có giá trị là 0 hoặc 1 Bảng giá trị: TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
26. Dạng Chính Tắc & Chuẩn Hàm Boole n Tích chuẩn (minterm): mi (0 ≤ i ≤ 2 -1) là các số hạng tích (AND) của n biến mà hàm Boole phụ thuộc với quy ước biến đó có bù nếu nó là 0 và không bù nếu là 1. n Tổng chuẩn (maxterm): Mi (0 ≤ i ≤ 2 -1) là các số hạng tổng (OR) của n biến mà hàm Boole phụ thuộc với quy ước biến đó có bù nếu nó là 1 và không bù nếu là 0. TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
27. Dạng Chính Tắc & Chuẩn Hàm Boole Dạng chuẩn 1: là dạng tổng các tích TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
28. Cổng Logic Cổng NOT: Cổng AND: Với cổng AND có nhiều ngõ vào ngõ ra sẽ là 1 nếu tất cả các ngõ vào đều là 1 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
29. Cổng Logic Cổng NAND: Với cổng NAND có nhiều ngõ vào ngõ ra sẽ là 0 nếu tất cả các ngõ vào đều là 1 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
30. Cổng Logic Cổng XOR (Exclusive OR): Với cổng XOR có nhiều ngõ vào, ngõ ra sẽ là 1 nếu tổng số bit 1 ở các ngõ vào là số lẻ = ⊕ = ҧ + ത = ( + )( ҧ + ത) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
31. Rút Gọn Hàm Boole Rút gọn (tối thiểu hóa) hàm Boole nghĩa là đưa hàm Boole về dạng biểu diễn đơn giản nhất, sao cho: -Biểu thức có chứa ít nhất các thừa số và mỗi thừa số chứa ít nhất các biến -Mạch logic thực hiện có chứa ít nhất các vi mạch số Phương pháp đại số: -Dùng các định lý và tiên đề để rút gọn hàm 퐹( , , ) = ෍ 2,3,4,5,6,7 = ҧ ҧ + ҧ + ത + ҧ + = ҧ ( ҧ + ) + ( ത + ) + ( ҧ + ) = ҧ + + = ( ҧ + ) + = + TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
32. Rút Gọn Hàm Boole Phương pháp bìa KARNAUGH: Cách biểu diễn -Bìa K gồm các ô vuông, mỗi ô vuông biểu diễn cho tổ hợp n biến. Như vậy bìa K cho n biến sẽ có 2n ô. -Hai ô được gọi là kề cận nhau khi tổ hợp biến mà chúng biểu diễn chỉ khác nhau 1 biến. -Trong ô sẽ ghi giá trị tương ứng của hàm Boole tại tổ hợp đó. Ở dạng chính tắc 1 thì đưa các giá trị 1 và X lên các ô, không đưa các giá trị 0. Ngược lại, dạng chính tắc 2 thì chỉ đưa giá trị 0 và X ■ Bìa 2 biến: TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
33. Rút Gọn Hàm Boole ■ Bìa 4 biến: ■ Bìa 5 biến: TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
34. Rút Gọn Hàm Boole ■ Liên kết 4: Tương tự như liên kết đôi khi liên kết 4 Ô_1 hoặc 4 Ô_0 kề cận với nhau, ta sẽ loại đi được 2 biến (2 biến khác nhau giữa 4 ô) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
35. Rút Gọn Hàm Boole Các ví dụ về 2 ô kế cận TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
36. Rút Gọn Hàm Boole Các ví dụ về 4 ô kế cận TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
37. Rút Gọn Hàm Boole Các ví dụ về 4 ô kế cận TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
38. Hàm Boole Bằng Cổng Logic Cấu trúc cổng AND_OR: là sơ đồ logic thực hiện cho hàm Boole biểu diễn theo dạng tổng các tích (S.O.P) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
39. Hàm Boole Bằng Cổng Logic Cấu trúc cổng AND_OR_INVERTER (AOI): là sơ đồ logic thực hiện cho hàm Boole biểu diễn theo dạng bù (INVERTER = NOT) của tổng các tích TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
40. Hàm Boole Bằng Cổng Logic Cấu trúc toàn cổng NAND: là sơ đồ logic thực hiện cho hàm Boole có biểu thức là dạng bù của 1 số hạng tích -Dùng định lý De-Morgan để biến đổi số hạng tổng thành tích -Cổng NOT cũng được thay thế bằng cổng NAND TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
41. Hàm Boole Bằng Cổng Logic Trong thực tế người ta chỉ sử dụng 1 loại cổng NAND 2 ngõ vào; khi đó ta phải biến đổi biểu thức sao cho chỉ có dạng bù trên 1 số hạng tích chỉ có 2 biến TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
42. Hàm Boole Bằng Cổng Logic TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
43. Hệ Tổ Hợp
44. Đặt Vấn Đề -Phát biểu bài toán -Xác định số biến ngõ vào và số biến ngõ ra -Thành lập bảng giá trị chỉ rõ mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra -Tìm biểu thức rút gọn của từng ngõ ra phụ thuộc vào các biến ngõ vào -Thực hiện sơ đồ logic TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
45. Bài Toán Thiết Kế Hệ Tổ Hợp TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
46. Bộ Cộng Bán Phần Bộ cộng bán phần là hệ tổ hợp có nhiệm vụ thực hiện phép cộng số học x+y (x, y là 2 bit nhị phân ngõ vào); hệ có 2 ngõ ra: bit tổng S (Sum) và bit nhớ C (Carry) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
47. Bộ Cộng Toàn Phần TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
48. Bộ Trừ Toàn Phần Bộ trừ toàn phần thực hiện phép trừ số học 3 bit x-y-z (z biểu diễn cho bit mượn từ vị trí có trọng số nhỏ hơn) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
49. Bộ Trừ Nhị Phân Song Song -Sử dụng các bộ trừ toàn phần -Thực hiện bằng phép cộng với bù 2 của số trừ TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
50. Hệ Chuyển Mã Hệ chuyển mã là hệ tổ hợp có nhiệm vụ làm cho 2 hệ thống tương thích với nhau, mặc dù mỗi hệ thống dùng mã nhị phân khác nhau Hệ chuyển mã có ngõ vào cung cấp các tổ hợp mã nhị phân A và các ngõ ra tạo ra các tổ hợp mã nhị phân B. Như vậy, ngõ vào và ngõ ra phải có số lượng từ mã bằng nhau TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
51. Bộ Giải Mã Bộ giải mã là hệ chuyển mã có nhiệm vụ chuyển từ mã nhị phân cơ bản n bit ở ngõ vào thành mã nhị phân 1 trong m ở ngõ ra Với giá trị i của tổ hợp nhị phân ở ngõ vào, thì ngõ ra Yi sẽ tích cực và các ngõ ra còn lại sẽ không tích cực. Có 2 dạng: ngõ ra tích cực cao (mức 1) và ngõ ra tích cực thấp (mức 0) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
52. Bộ Giải Mã Ngõ Ra Tích Cực Thấp TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
53. IC 74139 Gồm 2 bộ giải mã 2 sang 4 ngõ ra tích cực thấp TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
54. Dùng Bộ Giải Mã Thực Hiện Hàm Boole Ngõ ra của bộ giải mã là minterm (ngõ ra tích cực cao) hoặc maxterm (ngõ ra tích cực thấp) của n biến ngõ vào. Do đó, ta có thể sử dụng bộ giải mã thực hiện hàm Boole theo dạng chính tắc TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
55. Bộ Mã Hóa Có Ưu Tiên Bộ mã hóa có ưu tiên là mạch mã hóa sao cho nếu có nhiều hơn 1 ngõ vào cùng tích cực thì ngõ ra sẽ là giá trị nhịn phân của ngõ vào có ưu tiên cao nhất TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
56. Bộ Dồn Kênh Mux 2n→1 là hệ tổ hợp có nhiều ngõ vào nhưng chỉ có 1 ngõ ra. Ngõ vào gồm 2 nhóm: m ngõ vào dữ liệu (data input) và n ngõ vào lựa chọn (select input) Với 1 giá trị i của tổ hợp nhị phân các ngõ vào lựa chọn, ngõ vào dữ liệu n Di sẽ được chọn đưa đến ngõ ra (m = 2 ) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
57. IC 74LS153 Gồm 2 bộ Mux 4→1 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
58. Bộ Mux 2n Thực Hiện Hàm Boole n Biến TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
59. Bộ Phân Kênh Bộ Demux 1→2n có chức năng thực hiện hoạt động ngược lại với bộ Mux. Mạch có 1 ngõ vào dữ liệu, n ngõ vào lựa chọn và 2n ngõ ra Với 1 giá trị i của tổ hợp nhị phân các ngõ vào lựa chọn, ngõ vào dữ liệu D sẽ được đưa đến ngõ ra Yi TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
60. IC Phân Kênh 74LS155 Gồm 2 bộ phân kênh 1→4 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
61. Hệ Tuần Tự Hệ tuần tự là hệ mà ngõ ra không chỉ phụ thuộc vào các ngõ vào mà còn phụ thuộc vào 1 số ngõ ra được hồi tiếp trở thành ngõ vào thông qua phần tử nhớ Phần tử nhớ thường sử dụng là Flip Flop Hệ tuần tự được chia làm 2 loại: -Hệ tuần tự đồng bộ (Synchronous) -Hệ tuần tự bất đồng bộ (Asynchronous) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
62. Mạch Chốt SR Cổng NOR: TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
63. Mạch Chốt SR Chốt SR có ngõ vào cho phép: TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
64. Mạch Chốt SR Khảo sát giản đồ xung: cho Q ban đầu là 0 Ký hiệu chốt SR có ngõ vào cho phép tích cực thấp: TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
65. Mạch Chốt SR Chốt D: Ký hiệu chốt D: TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
66. Flip Flop D (D-FF) Bảng hoạt động: TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
67. Flip Flop T (T-FF) Bảng hoạt động: Bảng đặc tính Bảng kích thích TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
68. Flip Flop JK (JK-FF) Bảng hoạt động: Bảng đặc tính Bảng kích thích TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
69. Ngõ Vào Bất Đồng Bộ Các ngõ vào này sẽ làm thay đổi giá trị ngõ ra tức thời, bất chấp xung clock. Có 2 ngõ vào bất đồng bộ: Preset (Pr) và Clear (Cl) +Khi ngõ vào Preset tích cực thì ngõ ra Q được set lên 1 +Khi ngõ vào Clear tích cực thì ngõ ra Q được xóa về 0 +Khi ngõ vào Preset và Clear không tích cực thì FF mới hoạt động TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
70. Bộ Đếm Bộ đếm được chia làm 2 loại: +Bộ đếm nối tiếp (bộ đếm bất đồng bộ): là bộ đếm mà ngõ ra của FF trước sẽ là ngõ vào xung clock cho FF sau +Bộ đếm song song (bộ đếm đồng bộ): là bộ đếm mà ngõ vào xung clock của các FF được nối chung với nhau TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
71. Bộ Đếm Nối Tiếp Bộ đếm đầy đủ (m = 2n): Ghép Cki+1=Qi Khảo sát giản đồ xung: bộ đếm lên (count up) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
72. Bộ Đếm Nối Tiếp Ghép Cki+1=Qi Khảo sát giản đồ xung: bộ đếm xuống (count down) Khảo sát giản đồ xung: bộ đếm lên (count up) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
73. Bộ Đếm Song Song Là bộ đếm mà các FF đều sử dụng chung nguồn xung clock; khi có xung clock vào thì tất cả các ngõ ra FF đều thay đổi Khi thiết kế bộ đếm, chỉ quan tâm đến trạng thái hiện tại và trạng thái kế tiếp của FF, mà không quan tâm đến dạng xung clock (cạnh lên hay cạnh xuống) Có thể thiết kế bộ đếm có vòng đếm bất kỳ Bảng hàm kích thích: TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn