Мультиплексоры. Что такое мультиплексор, схемы и принцип работы Типы мультиплексоров

По своей архитектуре цифровой мультиплексор представляет собой устройство, оснащенное несколькими цифровыми позиционными переключателями. Целью их работы является коммутация входных сигналов для обеспечения пропуска их в единую выходную линию.

Цифровой мультиплексор, как правило, имеет три группы входных каналов. Адресные, двоичный код которых служит для определения связи между информационным входом и конечным выходом, информационные и , их еще называют стробирующими.

В современных интегральных цифровой мультиплексор максимально оснащен шестнадцатью информационными входами.
Если при проектировании выясняется, что требуется большее количество информационных входов, то проблема решается за счет создания структуры так называемого мультиплексорного дерева, которое оснащается несколькими интегральными микросхемами.

Цифровой мультиплексор предназначается для синтеза фактически любого необходимого логического устройства, что позволяет сократить общее количество используемых логических элементов.

Для определения потребности выполняются следующие действия: на основании выходной функции, согласно значений переменных, строится карта Карно. Далее определяется порядок работы мультиплексора в схеме. Затем строится маскирующая матрица в обязательном порядке, соответствующая порядку примененного мультиплексора.

После этого получившаяся матрица накладывается на карту Карно. Затем проводится минимизация функции для каждой из областей имеющейся матрицы. В конце, уже на основании полученных результатов минимизации, строится . Таковы правила синтеза на основе использования мультиплексора.

Возможности мультиплексора

Применение мультиплексоров многогранно. Например, гибкие мультиплексоры позволяют формировать непрерывные первичные цифровые потоки со скоростью 2048 кбит/с на основе аналоговых сигналов. Также коммутировать данные цифровых интерфейсов методом кроссовой коммутации электронных каналов со скоростями до 64 кбит/с.

Кроме этого, осуществляют передачу цифрового потока по сети IP/Ethernet также обеспечивают конвертацию линейной сигнализации и физических стыков.

Гибкие мультиплексоры, кроме этого, обеспечивают возможность осуществления широковещательных соединений, то есть подачу сигналов с одного из цифровых либо аналоговых источников сразу на несколько других. По этой причине их часто применяют для передачи радиовещательных программ одновременно в несколько различных точек.

Мультиплексоры и демультиплексоры относятся к классу комбинационных устройств, которые предназначены для коммутации потоков данных в линиях связи по заданным адресам. Большая часть данных в цифровых системах передается непосредственно по проводам и проводникам печатных плат. Часто возникает необходимость в передаче информационных двоичных сигналов (или аналоговых в аналого-цифровых системах) от источника сигналов к потребителям. В некоторых случаях нужно передавать данные на большие расстояния по телефонным линиям, коаксиальным и оптическим кабелям. Если бы все данные передавались одновременно по параллельным линиям связи, общая длина таких кабелей была бы слишком велика и они были бы слишком дороги. Вместо этого данные передаются по одному проводу в последовательной форме и группируются в параллельные данные на приемном конце этой единственной линии связи. Устройства, используемые для подключения одного из источников данных с заданным номером (адресом) к линии связи, называются мультиплексорами. Устройства, используемые для подключения линии связи к одному из приемников информации с указанным адресом, называются демультиплексорами. Параллельные данные одного из цифровых устройств с помощью мультиплексора могут быть преобразованы в последовательные информационные сигналы, которые передаются по одному проводу. На выходах демультиплексора эти последовательные входные сигналы могут быть снова сгруппированы в параллельные данные.

Мультиплексоры и демультиплексоры относятся к классу комбинационных устройств, которые предназначены для коммутации потоков данных в линиях связи по заданным адресам. Большая часть данных в цифровых системах передается непосредственно по проводам и проводникам печатных плат. Часто возникает необходимость в передаче информационных двоичных сигналов (или аналоговых в аналого-цифровых системах) от источника сигналов к потребителям. В некоторых случаях нужно передавать данные на большие расстояния по телефонным линиям, коаксиальным и оптическим кабелям. Если бы все данные передавались одновременно по параллельным линиям связи, общая длина таких кабелей была бы слишком велика и они были бы слишком дороги. Вместо этого данные передаются по одному проводу в последовательной форме и группируются в параллельные данные на приемном конце этой единственной линии связи. Устройства, используемые для подключения одного из источников данных с заданным номером (адресом) к линии связи, называются мультиплексорами. Устройства, используемые для подключения линии связи к одному из приемников информации с указанным адресом, называются демультиплексорами. Параллельные данные одного из цифровых устройств с помощью мультиплексора могут быть преобразованы в последовательные информационные сигналы, которые передаются по одному проводу. На выходах демультиплексора эти последовательные входные сигналы могут быт ь снова сгруппированы в параллельные данные.

Мультиплексоры

Мультиплексор служит для объединения в единый транспортный поток цифровых потоков от различных источников – кодеров сжатия, выходов других мультиплексоров, выходов приемников – декодеров и т.д. Приходящие сигналы могут иметь разную временнýю базу (то есть формироваться с несколько различающимися тактовыми частотами), и задача мультиплексора – сформировать асинхронный поток с сохранением синхронизирующей информации каждого из компонентов.

Принцип действия мультиплексора основан на свойствах буфера памяти – информация записывается в него с одной тактовой частотой, а считывается с другой, более высокой частотой. Если представить себе цепочку последовательно соединенных буферов, синхронизированных таким образом, что выходные пачки импульсов не перекрываются во времени, это и будет мультиплексор.

Основным параметром мультиплексора считается выходная скорость транспортного потока, которая у большинства моделей составляет55…60 Мбит/с. Существуют и образцы со скоростью до 100 Мбит/с. Разумеется, устанавливаемая на выходе скорость потока должна быть по крайней мере не ниже суммы скоростей всех объединяемых потоков. Превышение скорости выходного потока компенсируется введением нулевых пакетов на выходе мультиплексора.

Демультиплексором называется функциональный узел компьютера, предназначенный для коммутации (переключения) сигнала единственного информационного входа D на один из n информационных выходов. Номер выхода, на который в каждый такт машинного времени подается значение входного сигнала, определяется адресным кодом A0,A1…,Am-1. Адресные входы m и информационные выходы n связаны соотношением n2m. В качестве демультиплексора может быть использован дешифратор DC. При этом информационный сигнал подается на вход разрешения Е (от англ. enable – разрешение). Стробируемый демультиплексор с информационным входом D, адресными входами А1, А0 и стробирующим входом С показан на рисунке 2.1. Демультиплексор выполняет функцию, обратную функции мультиплексора. Применительно к мультиплексорам и демультиплексорам пользуются так же термином «селекторы» данных.

Демультиплексоры используют для коммутации отдельных линий и многоразрядных шин, преобразования последовательного кода в параллельный. Как и мультиплексор, демультиплексор включают в себя дешифратор адреса. Сигналы дешифратора управляют логи­ческими вентилями, разрешая передачу информации только через один из них (рис.1.1)

Мультиплексор представляет собой переключатель, который соединяет множество входов с одним выходом, согласно заданному цифровому коду. На самом деле мультиплексоры бывают двух видов: аналоговые и цифровые, аналоговые строятся на полевых транзисторах и пропускают сигнал в обе стороны, цифровые же с выбранного входа дублируют сигнал на выход. Дальше речь будет идти об аналоговом мультиплексоре.

Выбор канала, как писалось выше, осуществляется согласно заданному цифровому коду, как показано на картинке ниже.

Давайте представим себе следующую ситуацию, у нас есть АЦП и несколько аналоговых датчиков, информацию с которых оно должно обрабатывать. Так как АЦП только одно, а датчиков много, обслуживать их, он может только по очереди, а поможет ему в этом мультиплексор.

Используя обычный делитель напряжения и мультиплексор можно ослабить сигнал в нужное количество раз.

А добавив мультиплексор и несколько резисторов в обратную связь усилителя, построенного на ОУ можно усилить сигнал в нужное количество раз.

На картинках выше, мультиплексор изображался схематично для лучшего восприятия, на схема же он изображается так.

Теперь, когда мы знаем где применяется мультиплексор, давайте рассмотрим чем он отличается от переключателя.

Первое, современные мультиплексоры строятся по КМОП технологии и как следствие открытый канал имеет некоторое сопротивление, величина этого сопротивления может быть меньше 1 Ома и зависит от величины питающего напряжения. Сопротивление канала можно узнать из даташита, обозначается оно Ron.

Второе, напряжение, которое может коммутировать мультиплексор, а также напряжение на управляющих входах не должно превышать напряжение питания. Максимальный ток коммутации современных мультиплексоров может достигать 400mA. Опять же максимальный ток можно узнать из даташита, в разных даташитах оно обозначается по разному.

Третье, так как мультиплексор построен по КМОП технологии в его структуре присутствуют ёмкости, которые ухудшают его характеристики. Эквивалентная схема двухканального мультиплексора выглядит следующим образом.

• На картинке видно, что между каналами есть некоторая ёмкость Css и Cdd, по которой сигнал с одного канала может проникать в другой.
• Наличие ёмкости Cds, приводит к тому, что на высоких частотах сигнал проходит через разомкнутый ключ.
• Сопротивление Ron вместе с ёмкостью Сd, образуют фильтр нижних частот, который ограничивает полосу пропускания.

Также на эквивалентной схеме изображены источники тока, которые отражают ток утечки, который в свою очередь, может является источником ошибки.

Мультиплексор является устройством, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу. Мультиплексор имеет несколько информационных входов (D 0 , D 1 , ...), адресные входы (А 0 А 1 , ...), вход для подачи стробирующего сигнала С и один выход Q. На рис. 1,ф показано символическое изображение мультиплексора с четырьмя информационными входами.

Каждому информационному входу мультиплексора присваивается номер, называемый адресом. При подаче стробирующего сигнала на вход С мультиплексор выбирает один из входов, адрес которого задается двоичным кодом на адресных входах, и подключает его к выходу.

Таким образом, подавая на адресные входы адреса различных информационных входов, можно передавать цифровые сигналы с этих входов на выход Q. Очевидно, число информационных входов n инф и число адресных входов n адр связаны соотношением n инф = 2 nадр.

Таблица 1
Адресные входы		Стробирующий сигнал	Выход

Функционирование мультиплексора определяется табл. 1. При отсутствии стробирующего сигнала (C = 0) связь между информационными входами и выходом отсутствует (Q = 0). При подаче стробирующего сигнала (C = l) на выход передается логический уровень того из информационных входов D i , номер которого i в двоичной форме задан на адресных входах. Так, при задании адреса A l A 0 = ll 2 = 3 10 на выход Q будет передаваться сигнал информационного входа с адресом 3 10 , т. е. D 3 .

По этой таблице можно записать следующее логическое выражение для выхода Q:

Построенная по этому выражению принципиальная схема мультиплексора показана на рис. 1,б.

В тех случаях, когда требуется передавать на выходы многоразрядные входные данные в параллельной форме, используется параллельное включение мультиплексоров по числу разрядов передаваемых данных.

Использование мультиплексоров для синтеза комбинационных устройств.

Мультиплексоры могут быть использованы для синтеза логических функций. При этом число используемых в схеме элементов (корпусов интегральных микросхем) может быть значительно уменьшено.

Логическое выражение мультиплексора содержит члены со всеми комбинациями адресных переменных. Следовательно, если требуется синтезировать функцию трех переменных f(x 1 , x 2 , х 3), то две из этих переменных (например, x 1 , х 2) могут быть поданы на адресные входы А 1 , и А 0 , и третья x 3 - на информационный вход.

Например, пусть требуется синтезировать функцию, заданную табл. 2. Логическое выражение функции

Рассматривая переменные x l , х 2 в качестве адресных переменных получим табл. 3, из которой видно, что мультиплексор на выходе Q реализует заданную логическую функцию. Принципиальная схема показана на рис. 2.

Очевидно, на четырехвходовых мультиплексорах может быть синтезирована любая функция трех переменных, на восьмивходовых мультиплексорах - любая функция четырех переменных и т. д.

При синтезе комбинационных схем мультиплексоры могут быть использованы совместно с элементами некоторого базиса. Пусть общее число переменных функций n. Тогда, если мультиплексор имеет n адр адресных входов, то на них подаются n адр переменных, а на его информационные входы подаются функции n-n адр переменных.

Пусть, например, требуется синтезировать логическую функцию четырех переменных с использованием четырехвходового мультиплексора. Если адресными переменными являются x 1 , х 2 , то на информационные входы мультиплексора должны подаваться функции переменных х 3 и x 4 , определяемые показанными в табл. 5 областями таблицы Вейча. Внутри каждой очерченной для информационных входов области таблицы Вейча проводится минимизация обычными методами, после чего строятся схемы, формирующие подаваемые на информационные входы мультиплексора функции.

Покажем этот прием на реализации функции, заданной табл. 6.

При подаче переменных x 1 и х 2 на адресные входы мультиплексора на его информационные входы должны подаваться D 0 = 1; D 1 = 0; D 2 = x 3 . 4 , D 3 = 4 . Реализующая заданную функцию схема показана на рис. 3.

Следует иметь в виду, что синтезируя логическое устройство с использованием мультиплексора, необходимо также построить вариант схемы без использования мультиплексора. Затем сравнением полученных вариантов определить, какой из вариантов оказывается лучшим по числу используемых в схеме корпусов интегральных схем.

3.7. Мультиплексоры и демультиплексоры

Мультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему единственному выходу, в зависимости от состояния двоичного кода. Другими словами, мультиплексор - переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом и имеющий несколько входов и один выход. К выходу подключается тот вход, чей номер соответствует управляющему двоичному коду.

Ну и частное определение: мультиплексор - это устройство, преобразующее параллельный код в последовательный.

Структуру мультиплексора можно представить различными схемами, например, вот этой:

Рис. 1 – Пример схемы конкретного мультиплексора

Самый большой элемент здесь это элемент И-ИЛИ на четыре входа. Квадратики с единичками - инверторы.

Разберем выводы. Те, что слева, а именно D0-D3, называются информационными входами. На них подают информацию, которую предстоит выбрать. Входы А0-А1 называются адресными входами. Сюда и подается двоичный код, от которого зависит, какой из входов D0-D3 будет подключен к выходу, на этой схеме обозначенному как Y . Вход С – синхронизация, разрешение работы.

На схеме еще есть входы адреса с инверсией. Это чтобы сделать устройство более универсальным.

На рисунке показан, как еще его называют, 4Х1 мультиплексор. Как мы знаем, что число разных двоичных чисел, которые может задавать код, определяется числом разрядов кода как 2 n , где n – число разрядов. Задавать нужно 4 состояния мультиплексора, а, значит, разрядов в коде адреса должно быть 2 (2 2 = 4).

Для пояснения принципа работы этой схемы посмотрим на её таблицу истинности:

Так двоичный код выбирает нужный вход. Например, имеем четыре объекта, и они подают сигналы, а устройство отображения у нас одно. Берем мультиплексор. В зависимости от двоичного кода к устройству отображения подключается сигнал от нужного объекта.

Микросхемой мультиплексор обозначается так:

Рис. 2 – Мультиплексор как МКС

Демультиплексор - устройство, обратное мультиплексору. Т. е., у демультиплексора один вход и много выходов. Двоичный код определяет, какой выход будет подключен ко входу.

Другими словами, демультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких своих выходов и подключает его к своему входу или, ещё, это переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом и имеющий один вход и несколько выходов.

Ко входу подключается тот выход, чей номер соответствует состоянию двоичного кода. И частное определение: демультиплексор - это устройство, которое преобразует последовательный код в параллельный.

Обычно в качестве демультиплексора используют дешифраторы двоичного кода в позиционный, в которых вводят дополнительный вход стробирования.

Из-за сходства схем мультиплексора и демультиплексора в КМОП сериях есть микросхемы, которые одновременно являются мультиплексором и демультиплексором, смотря с какой стороны подавать сигналы.

Например, К561КП1, работающая как переключатель 8х1 и переключатель 1х8 (то есть, как мультиплексор и демультиплексор с восемью входами или выходами). Кроме того, в КМОП микросхемах помимо переключения цифровых сигналов (логических 0 или 1) существует возможность переключения аналоговых.

Другими словами, это переключатель аналоговых сигналов, управляемый цифровым кодом. Такие микросхемы называются коммутаторами. К примеру, с помощью коммутатора можно переключать сигналы, поступающие на вход усилителя (селектор входов). Рассмотрим схему селектора входов УМЗЧ . Построим её с использованием триггеров и мультиплексора.

Рис. 3 - Селектор входных сигналов

Итак, разберем работу. На триггерах микросхемы DD1 собран кольцевой счетчик нажатий кнопки разрядностью 2 (два триггера - 2 разряда). Двухразрядный двоичный код поступает на адресные входы D0-D1 микросхемы DD2. Микросхема DD2 представляет собой сдвоенный четырехканальный коммутатор.

В соответствии с двоичным кодом к выходам микросхемы А и В подключаются входы А0-А3 и В0-В3 соответственно. Элементы R1, R2, C1 устраняют дребезг контактов кнопки.

Дифференцирующая цепь R3C2 устанавливает триггеры в нулевое состояние при включении питания, при этом к выходу подключается первый вход. При нажатии на кнопку триггер DD1.1 переключается в состояние лог. 1 и к выходу подключается второй вход и т. д. Перебор входов идет по кольцу, начиная с первого.

С одной стороны просто, с другой немного неудобно. Кто его знает, сколько раз нажали на кнопку после включения и какой вход подключен к выходу сейчас. Хорошо бы поставить индикатор подключенного входа.

Вспоминаем семисегментный дешифратор. Переносим дешифратор с индикатором на схему коммутатора и первые два входа дешифратора (на схеме обозначен как DD3), т. е. 1 и 2 (выводы 7 и 1) подключаем к прямым выходам триггеров DD1.1 DD1.2 (выводы 1 и 13). Входы дешифратора 4 и 8 (выводы 2 и 6) соединяем с корпусом (т. е. подаем лог. 0). Индикатор будет показывать состояние кольцевого счетчика, а именно цифры от 0 до 3. Цифра 0 соответствует первому входу, 1 - 2-му и т. д.