Схема мультиплексора на логических элементах

Мультиплексорами называются устройства, которые позволяют подключать несколько входов к одному выходу. Демультиплексорами называются устройства, которые позволяют подключать один вход к нескольким выходам. В простейшем случае такую коммутацию можно осуществить при помощи ключей:


Рисунок 1. Коммутатор (мультиплексор), собранный на ключах

Такой коммутатор одинаково хорошо будет работать как с аналоговыми, так и с цифровыми сигналами. Однако скорость работы механических ключей оставляет желать лучшего, да и управлять ключами часто приходится автоматически при помощи какой-либо схемы.

В цифровых схемах требуется управлять ключами при помощи логических уровней. То есть нужно подобрать устройство, которое могло бы выполнять функции электронного ключа с электронным управлением цифровым сигналом.

Особенности построения мультиплексоров на ТТЛ элементах

Попробуем заставить работать в качестве электронного ключа уже знакомые нам логические элементы. Рассмотрим таблицу истинности логического элемента "И". При этом один из входов логического элемента "И" будем рассматривать как информационный вход электронного ключа, а другой вход — как управляющий. Так как оба входа логического элемента "И" эквивалентны, то не важно какой из них будет управляющим входом.

Пусть вход X будет управляющим, а Y — информационным. Для простоты рассуждений, разделим таблицу истинности на две части в зависимости от уровня логического сигнала на управляющем входе X.

По таблице истинности отчетливо видно, что пока на управляющий вход X подан нулевой логический уровень, сигнал, поданный на вход Y, на выход Out не проходит. При подаче на управляющий вход X логической единицы, сигнал, поступающий на вход Y, появляется на выходе Out.

Это означает, что логический элемент "И" можно использовать в качестве электронного ключа. При этом не важно какой из входов элемента "И" будет использоваться в качестве управляющего входа, а какой — в качестве информационного. Остается только объединить выходы логических элементов "И" в один выход. Это делается при помощи логического элемента "ИЛИ" точно так же как и при построении схемы по произвольной таблице истинности. Получившийся вариант принципиальной схемы коммутатора с управлением логическими уровнями приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема цифрового мультиплексора, выполненая на логических элементах

В схемах, приведенных на рисунках 1 и 2, можно одновременно включать несколько входов на один выход. Однако обычно это приводит к непредсказуемым последствиям. Кроме того, для управления таким коммутатором требуется много входов, поэтому в состав мультиплексора обычно включают двоичный дешифратор, как показано на рисунке 3. Этот дешифратор получен нами ранее при помощи синтеза логических схем (СДНФ). Это позволяет управлять переключением информационных входов при помощи двоичных кодов, подаваемых на управляющие входы. Количество информационных входов в таких схемах выбирают кратным степени числа два.

Рисунок 3. Принципиальная схема мультиплексора, управляемого двоичным кодом

Условно-графическое обозначение четырёхвходового мультиплексора с двоичным управлением приведено на рисунке 4. Входы A0 и A1 являются управляющими входами рассматриваемой микросхемы, определяющими адрес входного сигнала, который будет соединён с выходом Y. Сами входные сигналы обозначены как X0, X1, X2 и X3.

Рисунок 4. Условно графическое обозначение четырёхвходового мультиплексора

В условно-графическом обозначении названия информационных входов A, B, C и D заменены названиями X0, X1, X2 и X3, а название выхода Out заменено на название Y. Такое название входов и выходов более распространено в отечественной литературе. Адресные входы обозначены как A0 и A1.

Особенности построения мультиплексоров на КМОП элементах

При работе с КМОП логическими элементами электронный ключ очень легко получить на одном или двух МОП транзисторах, поэтому в КМОП схемах логический элемент "И" в качестве электронного ключа не используется. Схема электронного ключа, выполненного на комплементарных МОП транзисторах, приведена на рисунке 5.


Рисунок 5. Схема электронного ключа, выполненного на КМОП транзисторах

Такой ключ может коммутировать как цифровые, так и аналоговые сигналы. Сопротивление открытых транзисторов составляет десятки Ом, а сопротивление закрытых транзисторов превышает десятки мегом. В этом есть как преимущества, так и недостатки. То, что ключ, собранный на МОП транзисторе, не является обычным логическим элементом, позволяет объединять выходы электронных ключей в точном соответствии со схемой, приведённой на рисунке 1. Это явно упрощает схему устройства.

Кроме того КМОП мультиплексор может быть использован для коммутации аналоговых сигналов. При этом только следует не забывать, что схема не выдерживает отрицательных напряжений. Это означает, что для аналоговых сигналов необходимо использовать схему смещения, так чтобы значения аналогового сигнала находились в диапазоне от потенциала общего провода схемы до напряжения питания мультиплексора.

В то же самое время, при работе с мультиплексором, собранным на КМОП ключах, приходится ставить на его входе и выходе логические элементы. Только в этом случае цифровая схема в целом будет функционировать правильно. Следует отметить, что в большинстве случаев это условие выполняется автоматически.

Теперь вспомним, что в мультиплексоре требуется подключать к выходу только один из входных сигналов. Точно также как и в ТТЛ микросхемах для управления электронными ключами двоичным кодом в состав мультиплексора вводится дешифратор. Схема такого мультиплексора приведена на рисунке 6.


Рисунок 6. Схема мультиплексора на КМОП элементах

Условно-графическое обозначение мультиплексоров не зависит от технологии изготовления микросхем, то есть КМОП мультиплексор обозначается точно так же, как это приведено на рисунке 4.

Читайте также:  Почему коты не любят купаться исследовательская работа

В отечественных микросхемах мультиплексоры обозначаются буквами КП, следующими непосредственно за номером серии микросхем. Например, микросхема К1533КП2 является сдвоенным четырёхканальным мультиплексором, выполненным по ТТЛ технологии, а микросхема К1561КП1 является сдвоенным четырёхканальным мультиплексором, выполненным по КМОП технологии.

Вместе со статьей "Мультиплексоры" читают:

Законы алгебры логики Законы алгебры логики позволяют преобразовывать логические функции. Логические функции преобразуются с целью их упрощения, а это ведет к упрощению цифровой схемы.
http://digteh.ru/digital/AlgLog.php

Синтез комбинационных цифровых схем по произвольной таблице истинности Любая логическая схема без памяти полностью описывается таблицей истинности. Для реализации таблицы истинности достаточно рассмотреть только те строки.
http://digteh.ru/digital/SintSxem.php

Дешифраторы (декодеры) Декодеры (дешифраторы) позволяют преобразовывать одни виды бинарных кодов в другие. Например.
http://digteh.ru/digital/DC.php

Шифраторы (кодеры) Достаточно часто перед разработчиками цифровой аппаратуры встаёт обратная задача. Требуется преобразовать восьмиричный или десятичный линейный код в.
http://digteh.ru/digital/Coder.php

Демультиплексоры Демультиплексорами называются устройства. Существенным отличием от мультиплексора является.
http://digteh.ru/digital/DMS.php

Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2019

В данной статье мы рассмотрим мультиплексор, подробно опишем принцип его работы, в каких целях используется, как изображается на схеме, а так же как подключается. Рассмотрим 2-х и 4-х канальный мультиплексор.

Описание и принцип работы

Мультиплексирование — это общий термин, используемый для описания операции отправки одного или нескольких аналоговых или цифровых сигналов по общей линии передачи в разное время или на разных скоростях, и как таковое устройство, которое мы используем для этого, называется мультиплексором. Приобрести мультиплексор вы можете на Алиэкспресс:

Мультиплексор, сокращенно «MUX» или «MPX», представляет собой комбинационную логическую схему, предназначенную для переключения одной из нескольких входных линий на одну общую выходную линию с помощью управляющего сигнала. Мультиплексоры работают как быстродействующие многопозиционные поворотные переключатели, соединяющие или контролирующие несколько входных линий, называемых «каналами», по одному за раз.

Мультиплексоры могут представлять собой либо цифровые схемы, выполненные из высокоскоростных логических элементов, используемых для переключения цифровых или двоичных данных, либо они могут быть аналоговыми типами, использующими транзисторы, полевые МОП-транзисторы или реле для переключения одного из входов напряжения или тока на один выход.

Основным типом мультиплексора является однонаправленный поворотный переключатель, как показано на рисунке.

Поворотный переключатель, также называемый пластинчатым переключателем, поскольку каждый слой переключателя известен как пластина, представляет собой механическое устройство, вход которого выбирается вращением вала. Другими словами, поворотный переключатель — это ручной переключатель, который можно использовать для выбора отдельных линий данных или сигналов, просто повернув его входы «ВКЛ» или «ВЫКЛ». Итак, как мы можем выбрать каждый ввод данных автоматически с помощью цифрового устройства.

В цифровой электронике мультиплексоры также известны как селекторы данных, поскольку они могут «выбирать» каждую входную линию и состоят из отдельных аналоговых переключателей, заключенных в единый пакет ИС, в отличие от селекторов «механического» типа, таких как обычные переключатели и реле.

Они используются в качестве одного из методов уменьшения количества логических элементов, требуемых в конструкции схемы, или когда требуется, чтобы одна линия данных или шина данных передавали два или более различных цифровых сигналов. Например, один 8-канальный мультиплексор.

Как правило, выбор каждой входной линии в мультиплексоре контролируется дополнительным набором входов, называемых линиями управления, и в соответствии с двоичным состоянием этих управляющих входов, либо «ВЫСОКИМ», либо «НИЗКИМ», соответствующий вход данных подключается напрямую к выходу. Обычно мультиплексор имеет четное количество 2 n строк ввода данных и количество «управляющих» входов, которые соответствуют количеству входов данных.

Обратите внимание, что мультиплексоры отличаются по работе от кодеров. Кодеры могут переключать n-битный шаблон ввода на несколько выходных строк, которые представляют двоичный кодированный (BCD) выходной эквивалент активного входа.

Мы можем построить простой мультиплексор 2 в 1 из базовых логических «НЕ И» элементов, как показано на рисунке.

2-х канальный мультиплексор

Вход А этого простого мультиплексора схемы 2-1, построенной из стандартных логических элементов действует, чтобы контролировать какой вход (I или I 1 ) передается на выход Q.

Из приведенной выше таблицы истинности мы можем видеть, что, когда вход выбора данных A в логике 0, вход I 1 передает свои данные через схему мультиплексора логического элемента «НЕ И» на выход, в то время как вход I блокируется. Когда выбор данных A в логике 1, происходит обратное, и теперь вход I передает данные на выход Q, в то время как вход I 1 блокируется.

Таким образом, применяя либо логическую «0», либо логическую «1» в точке A, мы можем выбрать соответствующий вход, I или I 1, при этом схема будет немного похожа на однополюсный переключатель двойного хода (SPDT).

Поскольку у нас есть только одна линия управления, (A), то мы можем переключать только 2 1 входа, и в этом простом примере 2-входной мультиплексор соединяет один из двух 1-битных источников с общим выходом, создавая 2-в-1 мультиплексор. Мы можем подтвердить это в следующем булевом выражении.

и для нашей схемы 2-входного мультиплексора можно упростить к:

Мы можем увеличить количество входных данных, которые будут выбраны в дальнейшем, просто следуя той же процедуре, и более крупные схемы мультиплексоров могут быть реализованы с использованием меньших 2-в-1 мультиплексоров в качестве их основных строительных блоков. Таким образом, для мультиплексора с 4 входами нам потребуется две строки выбора данных, поскольку 4 входа представляют 2 2 линии управления данными, дающие схему с четырьмя входами, I , I 1 , I 2 , I 3 и двумя линиями выбора данных A и B, как показано.

4-х канальный мультиплексор

Булевое логическое выражение для этого мультиплексора 4-в-1 с входами от A до D и линиями выбора данных a, b задается как:

Читайте также:  Зонд для протяжки проводов

В этом примере в любой момент времени только один из четырех аналоговых переключателей замкнут, соединяя только один из входных линий от A до D к одному выходу Q. То, какой переключатель замкнут, зависит от входного кода адресации в строках « a » и « b ».

Таким образом, для этого примера, чтобы выбрать вход B для выхода в точке Q, адрес двоичного входа должен быть « a » = логическая «1» и « b » = логический «0». Таким образом, мы можем показать выбор данных через мультиплексор как функцию битов выбора данных, как показано.

Выбор входной линии мультиплексора

Добавление большего количества линий адреса управления (n) позволит мультиплексору управлять большим количеством входов, поскольку он может переключать 2 n входов, но каждая конфигурация линии управления будет подключать только ОДИН вход к выходу.

Тогда реализация вышеуказанного логического выражения с использованием отдельных логических элементов потребует использования семи отдельных элементов, состоящих из элементов «И» , «ИЛИ» и «НЕ», как показано.

4-канальный мультиплексор с использованием логических элементов

Символ, используемый в логических схемах для идентификации мультиплексора, выглядит следующим образом:

Символ мультиплексора на схеме

Мультиплексоры не ограничиваются простым переключением нескольких различных входных линий или каналов на один общий выход. Существуют также типы, которые могут переключать свои входы на несколько выходов и иметь конфигурации 4-к-2, 8-к-3 или даже 16-к-4 и т.д. И пример простого двухканального 4-входного мультиплексора (4- к-2) приводится ниже:

Здесь, в этом примере, 4 входных канала переключаются на 2 отдельные выходные линии, но возможны и более крупные конфигурации. Эту простую конфигурацию 4-в-2 можно использовать, например, для переключения аудиосигналов для стерео предварительных усилителей или микшеров.

Регулируемый усилитель

Наряду с отправкой параллельных данных в последовательном формате по одной линии передачи или соединению, другое возможное использование многоканальных мультиплексоров — в устройствах цифрового аудио в качестве микшеров или где, например, усиление аналогового усилителя может регулироваться цифровым образом.

Усилитель с цифровой регулировкой

Здесь усиление напряжения инвертирующего операционного усилителя зависит от соотношения между входным резистором R IN и его резистором обратной связи Rƒ, как определено в руководствах по операционному усилителю.

Один 4-канальный SPST-переключатель, сконфигурированный как мультиплексор 4-к-1 канала, соединен последовательно с резисторами, чтобы выбрать любой резистор обратной связи для изменения значения Rƒ . Комбинация этих резисторов будет определять общее усиление напряжения усилителя ( Av ). Затем усиление напряжения усилителя можно отрегулировать цифровым способом, просто выбрав соответствующую комбинацию резисторов.

Цифровые мультиплексоры иногда также называют «селекторами данных», поскольку они выбирают данные для отправки на выходную линию и обычно используются в коммуникационных или высокоскоростных коммутационных сетях, таких как приложения LAN (локальная вычислительная сеть) и интернет.

Некоторые интегральные микросхемы имеют один инвертирующий элемент, подключенный к выходу, чтобы обеспечить положительный логический выход (логическая «1») на одном элементе и дополнительный отрицательный логический выход (логическая «0») на другом элементе.

Можно сделать простые схемы мультиплексора из стандартных элементов «И» и «ИЛИ», как мы видели выше, но обычно мультиплексоры / селекторы данных доступны в виде стандартных пакетов ic, таких как общий мультиплексор с 8 входами в 1 TTL 74LS151 или TTL 74LS153 Dual Мультиплексор 4 входа на 1 линию. Схемы мультиплексора с гораздо большим числом входов могут быть получены путем каскадного соединения двух или более устройств меньшего размера.

Краткий обзор мультиплексора

Мультиплексоры являются коммутационными цепями, которые просто переключают или направляют сигналы через себя, и, будучи комбинационной схемой, они не имеют памяти, поскольку нет пути обратной связи по сигналам. Мультиплексор является очень полезной электронной схемой, которая используется во многих различных устройствах, таких как маршрутизация сигналов, передача данных и приложения управления шиной данных.

При использовании с демультиплексором параллельные данные могут передаваться в последовательной форме по одному каналу передачи данных, например по оптоволоконному кабелю или телефонной линии, и снова преобразовываться в параллельные данные. Преимущество состоит в том, что требуется только одна последовательная строка данных вместо нескольких параллельных линий данных. Поэтому мультиплексоры иногда называют «селекторами данных», так как они выбирают данные в линию.

Мультиплексоры также могут использоваться для коммутации аналоговых, цифровых или видеосигналов, причем ток переключения в аналоговых цепях питания ограничен величиной от 10 мА до 20 мА на канал, чтобы уменьшить тепловыделение.

В следующей статье о комбинационных логических устройствах мы рассмотрим противоположность мультиплексора, называемого демультиплексором, который занимает одну входную линию и соединяет ее с несколькими выходными линиями.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Мультиплексорами называются устройства, которые позволяют подключать несколько входов к одному выходу. Демультиплексорами называются устройства, которые позволяют подключать один вход к нескольким выходам. В простейшем случае такую коммутацию можно осуществить при помощи ключей:


Рисунок 1. Коммутатор (мультиплексор), собранный на ключах

Такой коммутатор одинаково хорошо будет работать как с аналоговыми, так и с цифровыми сигналами. Однако скорость работы механических ключей оставляет желать лучшего, да и управлять ключами часто приходится автоматически при помощи какой-либо схемы.

В цифровых схемах требуется управлять ключами при помощи логических уровней. То есть нужно подобрать устройство, которое могло бы выполнять функции электронного ключа с электронным управлением цифровым сигналом.

Особенности построения мультиплексоров на ТТЛ элементах

Попробуем заставить работать в качестве электронного ключа уже знакомые нам логические элементы. Рассмотрим таблицу истинности логического элемента "И". При этом один из входов логического элемента "И" будем рассматривать как информационный вход электронного ключа, а другой вход — как управляющий. Так как оба входа логического элемента "И" эквивалентны, то не важно какой из них будет управляющим входом.

Читайте также:  Сверло для ввертных петель

Пусть вход X будет управляющим, а Y — информационным. Для простоты рассуждений, разделим таблицу истинности на две части в зависимости от уровня логического сигнала на управляющем входе X.

По таблице истинности отчетливо видно, что пока на управляющий вход X подан нулевой логический уровень, сигнал, поданный на вход Y, на выход Out не проходит. При подаче на управляющий вход X логической единицы, сигнал, поступающий на вход Y, появляется на выходе Out.

Это означает, что логический элемент "И" можно использовать в качестве электронного ключа. При этом не важно какой из входов элемента "И" будет использоваться в качестве управляющего входа, а какой — в качестве информационного. Остается только объединить выходы логических элементов "И" в один выход. Это делается при помощи логического элемента "ИЛИ" точно так же как и при построении схемы по произвольной таблице истинности. Получившийся вариант принципиальной схемы коммутатора с управлением логическими уровнями приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема цифрового мультиплексора, выполненая на логических элементах

В схемах, приведенных на рисунках 1 и 2, можно одновременно включать несколько входов на один выход. Однако обычно это приводит к непредсказуемым последствиям. Кроме того, для управления таким коммутатором требуется много входов, поэтому в состав мультиплексора обычно включают двоичный дешифратор, как показано на рисунке 3. Этот дешифратор получен нами ранее при помощи синтеза логических схем (СДНФ). Это позволяет управлять переключением информационных входов при помощи двоичных кодов, подаваемых на управляющие входы. Количество информационных входов в таких схемах выбирают кратным степени числа два.

Рисунок 3. Принципиальная схема мультиплексора, управляемого двоичным кодом

Условно-графическое обозначение четырёхвходового мультиплексора с двоичным управлением приведено на рисунке 4. Входы A0 и A1 являются управляющими входами рассматриваемой микросхемы, определяющими адрес входного сигнала, который будет соединён с выходом Y. Сами входные сигналы обозначены как X0, X1, X2 и X3.

Рисунок 4. Условно графическое обозначение четырёхвходового мультиплексора

В условно-графическом обозначении названия информационных входов A, B, C и D заменены названиями X0, X1, X2 и X3, а название выхода Out заменено на название Y. Такое название входов и выходов более распространено в отечественной литературе. Адресные входы обозначены как A0 и A1.

Особенности построения мультиплексоров на КМОП элементах

При работе с КМОП логическими элементами электронный ключ очень легко получить на одном или двух МОП транзисторах, поэтому в КМОП схемах логический элемент "И" в качестве электронного ключа не используется. Схема электронного ключа, выполненного на комплементарных МОП транзисторах, приведена на рисунке 5.


Рисунок 5. Схема электронного ключа, выполненного на КМОП транзисторах

Такой ключ может коммутировать как цифровые, так и аналоговые сигналы. Сопротивление открытых транзисторов составляет десятки Ом, а сопротивление закрытых транзисторов превышает десятки мегом. В этом есть как преимущества, так и недостатки. То, что ключ, собранный на МОП транзисторе, не является обычным логическим элементом, позволяет объединять выходы электронных ключей в точном соответствии со схемой, приведённой на рисунке 1. Это явно упрощает схему устройства.

Кроме того КМОП мультиплексор может быть использован для коммутации аналоговых сигналов. При этом только следует не забывать, что схема не выдерживает отрицательных напряжений. Это означает, что для аналоговых сигналов необходимо использовать схему смещения, так чтобы значения аналогового сигнала находились в диапазоне от потенциала общего провода схемы до напряжения питания мультиплексора.

В то же самое время, при работе с мультиплексором, собранным на КМОП ключах, приходится ставить на его входе и выходе логические элементы. Только в этом случае цифровая схема в целом будет функционировать правильно. Следует отметить, что в большинстве случаев это условие выполняется автоматически.

Теперь вспомним, что в мультиплексоре требуется подключать к выходу только один из входных сигналов. Точно также как и в ТТЛ микросхемах для управления электронными ключами двоичным кодом в состав мультиплексора вводится дешифратор. Схема такого мультиплексора приведена на рисунке 6.


Рисунок 6. Схема мультиплексора на КМОП элементах

Условно-графическое обозначение мультиплексоров не зависит от технологии изготовления микросхем, то есть КМОП мультиплексор обозначается точно так же, как это приведено на рисунке 4.

В отечественных микросхемах мультиплексоры обозначаются буквами КП, следующими непосредственно за номером серии микросхем. Например, микросхема К1533КП2 является сдвоенным четырёхканальным мультиплексором, выполненным по ТТЛ технологии, а микросхема К1561КП1 является сдвоенным четырёхканальным мультиплексором, выполненным по КМОП технологии.

Вместе со статьей "Мультиплексоры" читают:

Законы алгебры логики Законы алгебры логики позволяют преобразовывать логические функции. Логические функции преобразуются с целью их упрощения, а это ведет к упрощению цифровой схемы.
http://digteh.ru/digital/AlgLog.php

Синтез комбинационных цифровых схем по произвольной таблице истинности Любая логическая схема без памяти полностью описывается таблицей истинности. Для реализации таблицы истинности достаточно рассмотреть только те строки.
http://digteh.ru/digital/SintSxem.php

Дешифраторы (декодеры) Декодеры (дешифраторы) позволяют преобразовывать одни виды бинарных кодов в другие. Например.
http://digteh.ru/digital/DC.php

Шифраторы (кодеры) Достаточно часто перед разработчиками цифровой аппаратуры встаёт обратная задача. Требуется преобразовать восьмиричный или десятичный линейный код в.
http://digteh.ru/digital/Coder.php

Демультиплексоры Демультиплексорами называются устройства. Существенным отличием от мультиплексора является.
http://digteh.ru/digital/DMS.php

Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2019

Оставьте ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *