Компютърните схеми използват много части, които поотделно изглеждат безполезни (и в повечето случаи те са). Но след като бъдат събрани в логическа система, придържаща се към законите на физиката, те могат да се окажат просто незаменими. Добър пример са мултиплексорите и демултиплексорите. Те играят важна роля при създаването на комуникационни системи. Мултиплексорът не е труден. И вие ще видите това сами, като прочетете статията.
Какво е мултиплексор?
Мултиплексорът е устройство, което избира един от няколко входа и след това го свързва към неговия изход. Всичко зависи от състоянието на двоичния код. Мултиплексорът се използва като превключвател на сигнали, който има множество входове и само един изход. Механизмът на неговата работа може да бъде описан със следната таблица:
Подобни таблици могат да се видят при изучаване на програмиране и по-конкретно при решаване на проблеми с логически избор. Първо, за аналоговия мултиплексор. Те свързват директно входове и изходи. Има оптичен мултиплексор, който е по-сложен. Те просто копират получените стойности.
Какво е демултиплексор?
Демултиплексорът е устройство с един вход и множество изходи. Какво ще бъде свързано с това, което се определя от двоичния код. За да направите това, той се чете и изходът, който има необходимата стойност, се свързва към входа. Както можете да видите, тези устройства не е задължително да работят по двойки за пълна работа и са получили името си поради функционалността, която изпълняват.
Мултиплексорна схема
Нека да разгледаме веригата на мултиплексора. Най-голямата част е елементът И-ИЛИ. Може да има различен брой входове, вариращи от два и теоретично до безкрайност. Но, като правило, те не се правят за повече от 8 входа. Всеки отделен вход се нарича инвертор. Тези отляво се наричат информация. В средата има адресируеми входове. Обикновено отдясно се свързва елемент, който определя дали самият мултиплексор ще работи. Това може да бъде допълнено с инверсен вход. За писмено обозначаване на броя на входовете и за показване, че това е мултиплексор, се използват записи от този тип: “1*2”. Под единица имаме предвид броя на щифтовете, които влизат в тройка. Две се използва за обозначаване на изхода и обикновено е равно на 1. В зависимост от броя на адресируемите входове се определя какъв бит ще има мултиплексорът, като в този случай се използва формулата: 2 n. Вместо n, просто заменете необходимата стойност. В този случай 2 2 = 4. Ако за двоичен или троичен мултиплексор разликата в броя на входовете и изходите е съответно два и три, тогава се казва, че те са пълни. При по-ниска стойност те са непълни. Това устройство има мултиплексор. Диаграмата е представена допълнително под формата на изображение, за да имате най-пълна представа за нейната структура.
Схема на демултиплексор
За превключване на канали демултиплексорите използват само логически елементи "И". Имайте предвид, че CMOS чиповете често се изграждат с помощта на транзисторни ключове с полеви ефекти. Следователно концепцията за демултиплексор не се отнася за тях. Възможно ли е да се направи така, че едно устройство да променя свойствата си на диаметрално противоположни? Да, ако размените информационните изходи и входове, в резултат на което към името „мултиплексор“ може да се добави префиксът „de-“. По своето предназначение те са подобни на дешифраторите. Въпреки съществуващите разлики, и двете устройства в домашните микросхеми са обозначени с едни и същи букви - ID. Демултиплексорите изпълняват логически функции с един операнд (с един вход, унитарни), които имат значителен брой възможни опции за отговор на сигнал.
Видове мултиплексори
По принцип има само два вида мултиплексори:
- Терминал. Този тип мултиплексори се намират в краищата на комуникационната линия, по която се предават някои данни.
- I/O. Те се използват като инструменти, които се инсталират в пролуката на комуникационната линия, за да се премахнат няколко канала информация от общия поток. По този начин се избягва необходимостта от инсталиране на терминални мултиплексори, които са по-скъпи механизми.
Цената на мултиплексорите
Струва си да се отбележи, че мултиплексорите не са евтино удоволствие. Най-евтиният в момента струва повече от 12 хиляди рубли, горната граница е 270 000. Но дори и при такива цени, те все още са почти винаги по-изгодни от полагането на нова линия. Но такава полза е налице само ако има квалифициран персонал, който може да изпълни правилно целия обем от работа и да инсталира правилно мултиплексора. Цената може леко да се увеличи, ако няма специалист на пълен работен ден. Но те винаги могат да бъдат наети в специализирани фирми.
Мултиплексиране
Мултиплексирането на сигнали се извършва поради значителната цена на самите комуникационни канали, както и поради разходите за тяхната поддръжка. Освен това, от чисто физическа гледна точка, това, което е налично сега, не се използва в пълния си потенциал. Инсталирането на мултиплексор за работа в системата е по-изгодно в парично изражение от организирането на нов канал. Освен това трябва да отделите по-малко време за този процес, което също предполага определени материални ползи.
В тази статия ще се запознаем с принципа на работа на честотното мултиплексиране. При него за всеки входящ поток в общ комуникационен канал се отделя специално отделен честотен диапазон. А мултиплексорът има за задача да прехвърли спектъра на всеки от входящите спектри в различен диапазон от стойности. Това се прави, за да се елиминира възможността за пресичане на различни канали. За да не се превърнат в пречка един за друг, дори когато надхвърлят определените граници, те използват технологията на защитните интервали. Състои се в оставянето на определена честота между всеки канал, която да поеме въздействието на неизправностите и да не повлияе на цялостното състояние на системата. FDMA мултиплексирането може да се използва в оптични и електрически комуникационни линии.
Ограничените ресурси създадоха възможност за подобряване на механизма. Крайният резултат беше процес, наречен „времево мултиплексиране“. С този механизъм се разпределя кратък период от време в общия високоскоростен поток за предаване на един входен сигнал. Но това не е единствената възможност за изпълнение. Възможно е също така да е отделена определена част от времето, която се повтаря циклично през даден интервал. Като цяло, мултиплексорът в тези случаи е изправен пред задачата да осигури цикличен достъп до средата за предаване на данни, която трябва да бъде отворена за входящи потоци през кратки интервали.
Заключение
Мултиплексорът е нещо, което разширява комуникационните възможности. В статията бяха разгледани устройствата, използвани за предаване на данни, които позволяват значителни спестявания по този разход. Тяхната схематична структура и концепцията за мултиплексиране, неговите характеристики и приложение също бяха накратко прегледани. Така прегледахме теоретичната рамка. Ще ви трябва, за да преминете към практиката, ако искате да изследвате мултиплексорите и демултиплексорите.
Цифровият мултиплексор е логическо комбинирано устройство, предназначено за контролирано предаване на информация от няколко източника на данни към изходен канал. По същество това устройство е серия от цифрови превключватели за положение. Оказва се, че цифровият мултиплексор е превключване на входни сигнали в една изходна линия.
Това устройство има три групи входове:
- адресни, които определят кой информационен вход трябва да се свърже с изхода;
- информационни;
- разрешаване (строб).
В произведените цифрови мултиплексори има максимум 16 информационни входа. Ако проектираното устройство изисква по-голям брой, тогава структурата на така нареченото дърво на мултиплексора се изгражда от няколко чипа.
Цифровият мултиплексор може да се използва за синтезиране на почти всяко логическо устройство, като по този начин значително се намалява броят на логическите елементи, използвани в схемите.
Правила за синтез на устройства, базирани на мултиплексори:
- карта на Karnaugh е конструирана за изходната функция (въз основа на стойностите на променливите функции);
- избира се редът на използване във веригата на мултиплексора;
- изгражда се маскираща матрица, която трябва да съответства на реда на използвания мултиплексор;
- необходимо е да се насложи получената матрица върху картата на Karnaugh;
- след това функцията се минимизира отделно за всяка област на матрицата;
- Въз основа на резултатите от минимизирането е необходимо да се изгради верига.
Сега нека преминем от теория към практика. Нека да разгледаме къде се използват такива устройства.
Гъвкавите мултиплексори са предназначени за генериране на цифрови потоци (първични) със скорост 2048 kbit/s от (говор), както и данни от цифрови интерфейси за кръстосано свързване на електронни канали със скорост 64 kbit/s, предаващи цифрови поточно предаване през IP/Ethernet мрежа и за преобразуване на линейна сигнализация и физически съединения.
С помощта на такова устройство можете да свържете до 60 (при някои модели тази цифра може да е повече) аналогови терминали в 1 или 2 или 128 абонатни комплекта за четири E1 потока. Обикновено аналоговите термини са TC линии, които имат вътрешнолентово сигнализиране или сигнализирането се изпълнява на отделен канал. Данните на гласовия канал могат да бъдат компресирани до 32 или 16 kbit/s на канал с помощта на ADPCM кодиране.
Гъвкавите мултиплексори позволяват използването на излъчващи връзки, тоест предаване на сигнали от един от цифровите или аналоговите канали към няколко други. Често се използва за доставяне на радиопрограми едновременно до няколко различни точки.
Оптичните мултиплексори са устройства, проектирани да работят с потоци от данни, използващи светлинни лъчи, които се различават по амплитуда или фаза, както и по дължина на вълната. Предимствата на такива устройства включват устойчивост на външни влияния, техническа безопасност и защита срещу хакване на предаваната информация.
Мултиплексорът е комбинирано цифрово устройство, осигуряващ алтернативно предаване на няколко входни сигнала към един изход. Позволява ви да предавате (превключвате) сигнал от желания вход към изхода; в този случай изборът на необходимия вход се осъществява чрез определена комбинация от управляващи сигнали. Броят на мултиплексните входове обикновено се нарича брой канали, те могат да бъдат от 2 до 16, а броят на изходите се нарича мултиплексорни битове, обикновено 1 - 4.
Въз основа на метода на предаване на сигнали мултиплексорите се разделят на:
- аналогови;
- дигитален.
По този начин аналоговите устройства използват директна електрическа връзка за свързване на входа към изхода; в този случай съпротивлението му е от порядъка на няколко единици - десетки ома. Затова се наричат превключватели или ключове. Цифровите (дискретни) устройства нямат пряка електрическа връзка между входа и изхода, те само копират сигнала – “0” или “1” – към изхода.
Принцип на работа на мултиплексора
Най-общо казано, принципът на работа на мултиплексора може да бъде обяснен на примера на превключвател, който свързва входовете с изхода на устройството. Работата на превключвателя се осигурява на базата на управляваща верига, в която има адресни и разрешаващи входове. Сигналите от адресните входове показват кой информационен канал е свързан към изхода. Разрешителните входове се използват за увеличаване на възможностите - увеличаване на битовия капацитет, синхронизиране с работата на други механизми и т.н. За създаване на верига за управление на мултиплексор обикновено се използва адресен декодер. 
Обхват на приложение на мултиплексора
Мултиплексорите са предназначени за използване като универсален логически елемент при изпълнение на всякакви функции, чийто брой е равен на броя на адресните входове. Те се използват широко за смяна на отделни автобуси, изходящи линии или техните групи. В микропроцесорните системи те се инсталират на отдалечени обекти, за да реализират възможността за предаване на информация по една линия от няколко сензора, разположени на отдалечено разстояние един от друг. Също така, мултиплексорите в проектирането на схеми се използват в честотни делители, при създаване на вериги за сравнение, броячи, генератори на кодове и т.н., за трансформиране на паралелен двоичен код в сериен.
Броят на мултиплексорните канали, произвеждани от местната индустрия днес, обикновено е 4, 6, 10 и 16. За изграждане на схеми с по-голям брой входове се използва така наречената схема на каскадно дърво, което ви позволява да създавате устройства с произволно брой входни линии, базирани на произведени в търговската мрежа мултиплексори.
3.7. Мултиплексори и демултиплексори
Мултиплексоре устройство, което взема проби от един от няколко входа и го свързва към единствения му изход, в зависимост от състоянието на двоичния код. С други думи, мултиплексорът е сигнален превключвател, управляван от двоичен код и има няколко входа и един изход. Към изхода е свързан входът, чийто номер съответства на управляващия двоичен код.
Е, частна дефиниция: мултиплексоре устройство, което преобразува паралелния код в сериен код.
Структурата на мултиплексора може да бъде представена чрез различни схеми, например тази:
Ориз. 1 – Пример за конкретна схема на мултиплексор
Най-големият елемент тук е И-ИЛИ елемент с четири входа. Квадратите с единици са инвертори.
Нека да разгледаме заключенията. Тези отляво, а именно D0-D3, се наричат информационни входове. Те са представени с информация, която трябва да бъде избрана. Входовете A0-A1 се наричат адресни входове. Това е мястото, където се доставя двоичният код, който определя кой от входовете D0-D3 ще бъде свързан към изхода, обозначен в тази диаграма като Y. Вход C – синхронизация, разрешение за работа.
Диаграмата има и адресни входове с инверсия. Това е, за да направи устройството по-гъвкаво.
Фигурата показва, както още се нарича, мултиплексор 4X1. Както знаем, броят на различните двоични числа, които един код може да определи, се определя от броя на битовете на кода като 2 n, където n е броят на битовете. Трябва да зададете 4 състояния на мултиплексора, което означава, че трябва да има 2 бита в адресния код (2 2 = 4).
За да обясним принципа на работа на тази схема, нека разгледаме нейната таблица на истината:
Ето как двоичният код избира желания вход. Например, имаме четири обекта и те изпращат сигнали, но имаме едно дисплейно устройство. Вземаме мултиплексор. В зависимост от двоичния код към устройството за показване се подава сигнал от желания обект.
Мултиплексорът се обозначава от микросхемата, както следва:
Ориз. 2 – Мултиплексор като ISS
Демултиплексор- устройство, обратно на мултиплексора. Тоест демултиплексорът има един вход и много изходи. Двоичният код определя кой изход ще бъде свързан към входа.
С други думи, демултиплексоре устройство, което взема проби от един от няколкото си изхода и го свързва към неговия вход, или в противен случай това е сигнален превключвател, управляван от двоичен код и имащ един вход и няколко изхода.
Изходът, чийто номер съответства на състоянието на двоичния код, е свързан към входа. И частна дефиниция: демултиплексоре устройство, което преобразува серийния код в паралелен.
Обикновено се използва като демултиплексор декрипторидвоичен код в позиционен код, в който се въвежда допълнителен стробиращ вход.
Поради сходството на схемите на мултиплексор и демултиплексор, сериите CMOS имат микросхеми, които са едновременно мултиплексор и демултиплексор, в зависимост от това от коя страна се подават сигналите.
Например K561KP1, работещ като превключвател 8x1 и превключвател 1x8 (т.е. като мултиплексор и демултиплексор с осем входа или изхода). В допълнение, в CMOS микросхемите, в допълнение към превключването на цифрови сигнали (логически 0 или 1), е възможно да се превключват аналогови.
С други думи, това е превключвател за аналогов сигнал, управляван от цифров код. Такива микросхеми се наричат превключватели. Например, като използвате превключвател, можете да превключвате сигналите, влизащи във входа на усилвателя (селектор на вход). Помислете за веригата на входния селектор УМЗЧ. Нека го изградим с помощта на джапанки и мултиплексор.
Ориз. 3 - Селектор на вход
И така, нека да разгледаме работата. На тригерите на микросхемата DD1 има пръстен броячнатискане на бутон с 2 цифри (два тригера - 2 цифри). Двуцифрен двоичен кодотива към адресните входове D0-D1 на чипа DD2. Чипът DD2 е двоен четириканален превключвател.
В съответствие с двоичния код към изходите на микросхемата АИ INвходовете A0-A3 и B0-B3 са свързани съответно. Елементите R1, R2, C1 елиминират подскачането на контактите на бутона.
Верига на диференциация R3C2 настройва тригерите на нула при включване на захранването, като първият вход е свързан към изхода. Когато натиснете бутона, тригерът DD1.1 превключва в състояние на журнал. 1, а вторият вход е свързан с изхода и т.н. Входовете са изброени в пръстен, като се започне от първия.
От една страна е просто, от друга е малко неудобно. Кой знае колко пъти е натиснат бутона след включването и кой вход е свързан към изхода сега. Би било хубаво да има индикатор за свързания вход.
Нека си спомним седемсегментния декодер. Прехвърляме декодера с индикатора към веригата на превключвателя и свързваме първите два входа на декодера (на диаграмата като DD3), т.е. 1 и 2 (щифтове 7 и 1) към директните изходи на тригерите DD1.1 DD1. 2 (щифтове 1 и 13) . Свързваме входовете на декодера 4 и 8 (щифтове 2 и 6) към корпуса (т.е. доставяме логическа 0). Индикаторът ще покаже състоянието на брояча на звънене, а именно числа от 0 до 3. Номер 0 съответства на първия вход, 1 на 2-ри и т.н.
Мултиплексорите и демултиплексорите принадлежат към класа комбинирани устройства, които са предназначени да превключват потоци от данни в комуникационни линии на дадени адреси. Повечето данни в цифровите системи се предават директно чрез проводници и следи върху печатни платки. Често има нужда от предаване на информационни двоични сигнали (или аналогови в аналогово-цифрови системи) от източника на сигнала към потребителите. В някои случаи е необходимо да се предават данни на големи разстояния по телефонни линии, коаксиални и оптични кабели. Ако всички данни се предават едновременно по паралелни комуникационни линии, общата дължина на такива кабели би била твърде дълга и те биха били твърде скъпи. Вместо това, данните се предават по единичен проводник в серийна форма и се групират в паралелни данни в приемащия край на тази единична комуникационна линия. Устройствата, използвани за свързване на един от източниците на данни с даден номер (адрес) към комуникационна линия, се наричат мултиплексори. Устройствата, използвани за свързване на комуникационна линия към един от информационните приемници с определен адрес, се наричат демултиплексори. Паралелните данни от едно от цифровите устройства могат да бъдат преобразувани в последователни информационни сигнали с помощта на мултиплексор, които се предават по един проводник. На изходите на демултиплексора тези серийни входни сигнали могат да бъдат групирани обратно в паралелни данни.
Мултиплексорите и демултиплексорите принадлежат към класа комбинирани устройства, които са предназначени да превключват потоци от данни в комуникационни линии на дадени адреси. Повечето данни в цифровите системи се предават директно чрез проводници и следи върху печатни платки. Често има нужда от предаване на информационни двоични сигнали (или аналогови в аналогово-цифрови системи) от източника на сигнала към потребителите. В някои случаи е необходимо да се предават данни на големи разстояния по телефонни линии, коаксиални и оптични кабели. Ако всички данни се предават едновременно по паралелни комуникационни линии, общата дължина на такива кабели би била твърде дълга и те биха били твърде скъпи. Вместо това, данните се предават по единичен проводник в серийна форма и се групират в паралелни данни в приемащия край на тази единична комуникационна линия. Устройствата, използвани за свързване на един от източниците на данни с даден номер (адрес) към комуникационна линия, се наричат мултиплексори. Устройствата, използвани за свързване на комуникационна линия към един от информационните приемници с определен адрес, се наричат демултиплексори. Паралелните данни от едно от цифровите устройства могат да бъдат преобразувани в последователни информационни сигнали с помощта на мултиплексор, които се предават по един проводник. На изходите на демултиплексора тези последователни входни сигнали могат да бъдат прегрупирани в паралелни данни.
Мултиплексори
Мултиплексорът се използва за комбиниране на цифрови потоци от различни източници в един транспортен поток.– компресиращи енкодери, изходи на други мултиплексори, изходи на приемници – декодери и др. Входящите сигнали могат да имат различна времева база (т.е. могат да бъдат генерирани с малко по-различни тактови честоти), а задачата на мултиплексора е да формира асинхронен поток, като същевременно поддържа информацията за синхронизиране на всеки от компонентите.
Принципът на работа на мултиплексора се основава на свойствата на буфера на паметта - информацията се записва в него на една тактова честота и се чете на друга, по-висока честота. Ако си представим верига от последователно свързани буфери, синхронизирани по такъв начин, че изходните пакети от импулси да не се припокриват във времето, това ще бъде мултиплексор.
Основният параметър на мултиплексора е изходната скорост на транспортния поток, която за повечето модели е 55...60 Mbit/s. Има и проби със скорости до 100 Mbit/s. Разбира се, дебитът, зададен на изхода, трябва да бъде поне не по-нисък от сумата от скоростите на всички комбинирани потоци. Превишаването на скоростта на изходния поток се компенсира чрез въвеждане на нулеви пакети на изхода на мултиплексора.
Демултиплексорът е функционална единица на компютър, предназначена да превключва (превключва) сигнала на един информационен вход D към един от n информационни изхода. Номерът на изхода, към който се подава стойността на входния сигнал при всеки цикъл от компютърното време, се определя от адресния код A0, A1..., Am-1. Адресните входове m и информационните изходи n са свързани с релацията n2m. DC декодер може да се използва като демултиплексор. В този случай информационният сигнал се подава към входа за разрешение E (от английски enable - разрешение). Стробиран демултиплексор с информационен вход D, адресни входове A1, A0 и вход C е показан на фигура 2.1. Демултиплексорът изпълнява обратната функция на мултиплексора. Във връзка с мултиплексорите и демултиплексорите се използва и терминът „селектори на данни“.
Демултиплексорите се използват за превключване на отделни линии и многобитови шини, преобразуващи серийния код в паралелен. Подобно на мултиплексор, демултиплексорът включва адресен декодер. Сигналите на декодера управляват логическите порти, позволявайки пренос на информация само през един от тях (фиг. 1.1)