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.
Лабораторная работа.
Мультиплексоры и демультиплексоры
Цель работы: практическое освоение принципов построения мультиплексоров и демультиплексоров и экспериментальное их исследование на лабораторном стенде.
1.1 Мультиплексоры
Мультиплексор – это комбинационная многовходовая схема с одним выходом. Входы мультиплексора подразделяются на информационные Д 0, Д 1, …, Д n-1 и управляющие (адресные) А 0, А 1, …, А k-1. Обычно 2k = n, где k и n – число адресных и информационных входов соответственно. Двоичный код, поступающий на адресные входы, определяет (выбирает) один из информационных входов, значение переменной с которого передается на выход y , т. е. мультиплексор реализует функцию:
Таблица функционирования, описывающая работу мультиплексора, имеющего, например, n = 4 информационных (Д 0, Д 1, Д 2, Д 3) и k = 2 адресных (А 0, А 1) входов, представлена в табл. 1.
Вариант схемной реализации мультиплексора “4-1” (“четыре в один”, т. е. коммутирующего данные от одного из четырех входов на единственный выход) и его условное графическое изображение представлены на рис. 1.
Здесь мультиплексор построен как совокупность двухвходовых конъюкторов данных (их число равно числу информационных входов), управляемых выходными сигналами дешифратора, дешифрирующего двоичный адресный код. Выходы конъюкторов объединены схемой ИЛИ.
https://pandia.ru/text/77/497/images/image005_121.gif" width="272 height=23" height="23"> (2)
Из (2) следует, что при любом значении адресного кода все слагаемые, кроме одного равны нулю. Ненулевое слагаемое равно Д i , где i – значение текущего адресного кода.
В соответствии с этим соотношением строятся реальные схемы мультиплексоров, одна из которых для мультиплексора “четыре в один” приведена на рис. 2. Как правило, схема дополняется входом разрешения работы – Е (показан пунктирной линией). При отсутствии разрешения работы (Е=0) выход у
становится нулевым и не зависит от комбинации сигналов на информационных и адресных входах мультиплексора.
Мультиплексоры 4-1, 8-1, 16-1 выпускаются в составе многих серий цифровых интегральных схем и имеют буквенный код КП. Например, К555КП1 – мультиплексор 2-1 (в данном корпусе размещаются четыре мультиплексора), К555КП12 – мультиплексор 4-1 (в одном корпусе размещаются два мультиплексора) и т. д.
В тех случаях, когда функциональные возможности ИС мультиплексоров не удовлетворяют разработчиков по числу информационных входов, прибегают к их каскадированию с целью наращивания числа входов до требуемого значения. Наиболее универсальный способ наращивания размерности мультиплексора состоит в построении пирамидальной структуры, состоящей из нескольких мультиплексоров. При этом первый ярус схемы представляет собой столбец, содержащий столько мультиплексоров, сколько необходимо для получения нужного числа информационных входов. Все мультиплексоры этого столбца коммутируются одним и тем же адресным кодом, составленным из соответствующего числа младших разрядов общего адресного кода. Старшие разряды адресного кода используются во втором ярусе, мультиплексор которого обеспечивает поочередную работу мультиплексоров первого яруса на общий выход.
Пирамидальная схема, выполняющая функцию мультиплексора “16-1” и построенная на мультиплексорах “4-1”, показана на рис. 3.
1.2. Демультиплексоры
Демультиплексор – схема, выполняющая функцию, обратную функции мультиплексора, т. е. это комбинационная схема, имеющая один информационный вход (Д ), n информационных выходов (у 0, у 1, …, у n-1) и k управляющих (адресных) входов (А 0, А 1, …, А k-1). Обычно, также как и мультиплексоров, 2k = n. Двоичный код, поступающий на адресные входы, определяет один из n выходов, на который передается значение переменной с информационного входа (Д ), т. е. демультиплексор реализует следующие функции:
0 " style="border-collapse:collapse;border:none">
А 0, А 1
у 0 у 1 у 2 у 3
А 0, А 1
у 0 у 1 у 2 у 3
Уравнения, описывающие работу демультиплексора:
https://pandia.ru/text/77/497/images/image015_70.gif" width="100" height="24 src="> (4)
Схема демультиплексора, построенная по данным уравнениям и его графическое изображение представлены на рис. 4.
Рис. 4. Схема демультиплексора "1-4" (а)
и его условное изображение (б)
Функция демультиплексора легко реализуется с помощью дешифратора, если его вход “Разрешение” (Е) использовать в качестве информационного входа демультиплексора, а входы 1, 2, 4 … - в качестве адресных входов демультиплексора А 0, А 1, А 2, … Действительно, при активном значении сигнала на входе Е избирается выход, соответствующий коду, поданному на адресные входы. Поэтому ИС дешифраторов, имеющих разрешающий вход, иногда называют не просто дешифраторами, а дешифраторами-демультиплексорами (например, К155ИД4, К531ИД7 и др.).
1.3 Применение мультиплексоров и демультиплексоров
1.3.1. Термином “мультиплексирование” называют процесс передачи данных от нескольких источников по общему каналу, а устройство, осуществляющее на передающей стороне операцию сведения данных в один канал, принято называть мультиплексором. Подобное устройство способно осуществлять временное разделение сигналов, поступающих от нескольких источников, и передавать их в канал (линию) связи друг за другом в соответствии со сменой кодов на своих адресных входах.
На приемной стороне обычно требуется выполнить обратную операцию – демультиплексирование, т. е. распределение порций данных, поступивших по каналу связи в последовательные моменты времени, по своим приемникам. Эту операцию выполняет демультиплексор. Совместное использование мультиплексора и демультиплексора для передачи данных от n источников к n приемникам по общей линии иллюстрирует рис. 5. (В общем случае число источников данных не равно числу приемников).
https://pandia.ru/text/77/497/images/image018_62.gif" alt="Подпись:" align="left" width="253" height="123 src=">
0 " style="border-collapse:collapse;border:none">
№ бригады
(вариант)
Размерность
Мультиплексора
Тип (базис) ЛЭ
ОФПН(И, ИЛИ, НЕ)
ОФПН(И, ИЛИ, НЕ)
2.2. Исследовать работу (снять таблицу истинности) ИС мультиплексора К531КП2.
2.3. На основе ИС мультиплексора К531КП2 спроектировать и испытать схему, реализующую логическую функцию, соответствующую вашему варианту (табл. 5).
Таблица 5
№ бригады (вариант) | Логическая функция |
Равнозначность двух переменных |
|
Неравнозначность двух переменных |
|
|
|
|
|
|
3. Контрольные вопросы
1. Дайте определение мультиплексора и демультиплексора.
2. Перечислите применения мультиплексоров и демультиплексоров.
3. В чем суть каскадирования мультиплексоров? Объясните как на основе ИС мультиплексоров “8-1” спроектировать мультиплексор на 16, 32, и т. д. входов.
4. На основе ИС мультиплексора “8-1” спроектируйте схему, реализующую логическую функцию:
4.1. четности трехразрядного слова (четности числа единиц в трехразрядном слове);
4.2. нечетности трехразрядного слова;
4.3. у=х 1х 2+х 1х 3+х 2х 3.
5. Объясните как с помощью демультиплексора можно осуществить преобразование последовательного кода в параллельный.
6. Объясните как с помощью мультиплексора можно осуществить преобразование параллельного кода в последовательный.
7. Данные от одного из четырех источников должны последовательно передаваться по одной линии одному из трех приемников. Спроектируйте схемы и объясните работу ЦУ передающей и приемной сторон, обеспечивающих такую возможность.
«Графики функций и их свойства» - 7) Функция непрерывна на любом интервале вида (?k; ? + ?k). Работа устно: tg(- x) = - tg x. 2) Чётность или нечётность функции. Опишите свойства функции y = ctgx. 6) Функция не имеет ни наибольшего, ни наименьшего значений. У функции y = tg x нет ни наибольшего, ни наименьшего значений. D(f): множество всех действительных чисел, кроме чисел вида x = ?k.
«Математика графики» - Как строятся графики? Что вы можете нарисовать с помощью графиков? Итак, цель исследования. Знакомимся с более широким применениием: медицина, геодезия… Какие способы построения графиков вам известны? Интересно. Графики: сложно, Вас ожидает работа: Наиболее естественно функциональные зависимости отражаются с помощью графиков.
«График функции 7 класс» - Сравните числа: Постройте график функции, используя правила перемещения: Определите соответствие, между графиком функции и формулой: Зависимая переменная. Построим график функции по точкам: Примеры, приводящие к понятию функции. Постройте график функции: Представьте выражения в виде одночлена стандартного вида:
«График обратной пропорциональности» - Чётность, нечётность. Непрерывность. Обратная пропорциональность. Гипербола. Гипербола и космические спутники. Применение гиперболоидов. Построение графика обратной пропорциональности. Оси симметрии гиперболы. Функция «Обратная пропорциональность». Гиперболоиды вращения. Область определения. Асимптота.
«Построение графиков» - Постройте график функции. Найти все значения а, при которых уравнение. Применим обобщенный метод областей. По рисунку легко считываем ответ. Исходное уравнение равносильно совокупности: Путем сложения соответствующих координат получаем искомый график. Построим графический образ соответствий, входящих в систему.
«Построение графика функции с модулем» - Закрепили знания на ранее изученных функциях. Y = x – 2. Вопрос классу. Обобщение. Построение графиков функций. Y = sinx. Попробуйте самостоятельно построить графики. Y = lnx. Урок обобщения и систематизации знаний. Усвоенные знания. Линейная функция. Y = f(x). Проектная деятельность. Y = x2 – 2x – 3.
Мультиплексоры и демультиплексоры (mux и demux в англоязычном сокращении) представляют собой довольно распространенные компоненты в цифровой электронике. Понимание происходящих в них логических процессов позволят лучше понимать схемы с их участием и разрабатывать более сложные электронные устройства
Мультиплексоры и демультиплексоры работают противоположно друг другу, но в соответствии с одним и тем же принципом. Они состоят из информационных входов, информационных выходов и коммутатора (селектора).
На изображении ниже схематично представлены мультиплексор и демультиплексор.
Мультиплексор имеет несколько информационных входов. Коммутатор мультиплексора выбирает, какой из этих входов нужно использовать и подключает его к информационному выходу, который у мультиплексора только один. Эту ситуацию можно сравнить с тем, если бы вам куча людей хотела бы сказать что-то свое, но за один раз вы можете выслушать только одного.
Демультиплексор, наоборот, имеет только один информационный вход, и коммутатор подключает его к какому-то одному информационному выходу в каждый момент времени. То есть, это так же, как если бы вы хотели сказать что-то толпе людей, но за каждый момент времени вы можете сказать это только одному человеку из этой толпы.
Существуют также микросхемы, которые объединяют в себе функции мультиплексоров и демультиплексоров. В англоязычном варианте они обычно обозначаются mux/demux. Также они могут называться двунаправленными мультиплексорами или же просто коммутаторами. Они позволяют сигналу передаваться в обоих направлениях. Так что не только вы можете поговорить с кем-то, но и кто-то из толпы может поговорить с вами в определенный момент времени.
К внутреннему коммутатору в данном случае обычно подходят несколько информационных входов, которые адресуются в двоичной форме. Практически во всех таких микросхемах есть линия OE (output enable или выход активен). Также внутри микросхемы имеется демультиплексор с одним входом и, обычно, с четырьмя выходами. Для выбора выхода у микросхемы имеются также две линии для адресации выхода (00, 01, 10, 11).
Существуют как цифровые, так и аналоговые мультиплексоры. Цифровые представляют собой логические коммутаторы, у которых на выходе будет то же напряжение, что и напряжение питания. Аналоговые же подключают к выходу напряжение выбранного входа.
Принцип мультиплексирования и демультиплексирования использовали на заре развития телефонии в начале прошлого века. Тогда человек, который хотел позвонить своему товарищу, брал телефонную трубку и ждал ответа оператора. Это мультиплексорная часть, поскольку в определенный момент времени оператор из множества выбирает линию, на которой «сидит» этот человек. Человек сообщает, что хочет поговорить с товарищем, номер которого 12345. Это уже коммутаторная часть, здесь оператор получает номер (адрес). Далее он подключает разъем, к каналу товарища. Это демультиплексорная часть. Здесь одна линия из множества каналов соединяется только с одним.
Мультиплексоры и демультиплексоры помогут вам решить задачу с расширением количества входных или выходных линий, если число GPIO вашего микроконтроллера слишком мало. Если у вас в проекте предусмотрено много датчиков, то вы можете подключить их к мультиплексору. Выход мультиплексора затем нужно подключить к АЦП и переключая адреса линий последовательно считывать данные с датчиков.
Также мультиплексоры полезны, когда у вас есть несколько микросхем с интерфейсом I2C, которые имеют одинаковый адрес. Просто подключите линии SDA/SCL к коммутатору и управляйте ими последовательно. Мультиплексоры и демультиплексоры можно задействовать еще и в качестве преобразователей уровней.