Co to jest multiplekser, obwody i zasada działania. Multiplekser cyfrowy: opis, przeznaczenie, rodzaje Zastosowanie multiplekserów

Obwody komputerowe wykorzystują wiele części, które pojedynczo wydają się bezużyteczne (i w większości przypadków rzeczywiście takie są). Kiedy jednak zebrać je w logiczny system, zgodny z prawami fizyki, mogą okazać się po prostu niezastąpione. Dobrym przykładem są multipleksery i demultipleksery. Odgrywają ważną rolę w tworzeniu systemów komunikacyjnych. Multiplekser nie jest trudny. A przekonasz się o tym, czytając artykuł.

Co to jest multiplekser?

Multiplekser to urządzenie, które wybiera jedno z kilku wejść, a następnie podłącza je do swojego wyjścia. Wszystko zależy od stanu kodu binarnego. Multiplekser służy jako przełącznik sygnału, który ma wiele wejść i tylko jedno wyjście. Mechanizm jego działania opisuje poniższa tabela:

Podobne tabele można spotkać podczas nauki programowania, a dokładniej przy rozwiązywaniu problemów z wyborem logicznym. Najpierw o multiplekserze analogowym. Łączą bezpośrednio wejścia i wyjścia. Istnieje multiplekser optyczny, który jest bardziej złożony. Po prostu kopiują wynikowe wartości.

Co to jest demultiplekser?

Demultiplekser to urządzenie posiadające jedno wejście i wiele wyjść. Co będzie połączone z tym, co określa kod binarny. W tym celu jest on odczytywany, a wyjście o wymaganej wartości jest podłączane do wejścia. Jak widać, urządzenia te niekoniecznie muszą działać parami do pełnego działania, a swoją nazwę zawdzięczają funkcjonalności, jaką pełnią.

Obwód multipleksera

Spójrzmy na obwód multipleksera. Największą częścią jest element AND-OR. Może mieć różną liczbę wejść, od dwóch i teoretycznie do nieskończoności. Ale z reguły nie są one przeznaczone dla więcej niż 8 wejść. Każde indywidualne wejście nazywane jest falownikiem. Te po lewej stronie nazywane są informacjami. Pośrodku znajdują się wejścia adresowalne. Element jest zwykle podłączony z prawej strony, co decyduje o tym, czy sam multiplekser będzie działał. Można to uzupełnić o wejście inwersji. Aby pisemnie wskazać liczbę wejść i pokazać, że jest to multiplekser, stosuje się wpisy tego typu: „1*2”. Przez jednostkę rozumiemy liczbę pinów tworzących potrójny. Dwa służy do wskazania wyjścia i zwykle jest równe 1. W zależności od liczby adresowalnych wejść określa się, jaki bit będzie miał multiplekser i w tym przypadku stosuje się wzór: 2 n. Zamiast n wystarczy zastąpić wymaganą wartość. W tym przypadku 2 2 = 4. Jeżeli dla multipleksera binarnego lub trójskładnikowego różnica w liczbie wejść i wyjść wynosi odpowiednio dwa i trzy, to mówimy, że są one kompletne. Przy niższej wartości są niekompletne. To urządzenie posiada multiplekser. Schemat jest dodatkowo prezentowany w formie obrazu, dzięki czemu masz najpełniejsze wyobrażenie o jego strukturze.

Obwód demultipleksera

Do przełączania kanałów demultipleksery wykorzystują wyłącznie elementy logiczne „AND”. Należy pamiętać, że układy CMOS są często budowane przy użyciu przełączników tranzystorowych z efektem polowym. Dlatego koncepcja demultipleksera nie ma do nich zastosowania. Czy da się to zrobić tak, żeby jedno urządzenie mogło zmieniać swoje właściwości na diametralnie przeciwne? Tak, jeśli zamienisz wyjścia informacyjne z wejściami, w wyniku czego do nazwy „multiplekser” będzie można dodać przedrostek „de-”. W swoim przeznaczeniu są podobne do deszyfratorów. Pomimo istniejących różnic oba urządzenia w domowych mikroukładach są oznaczone tymi samymi literami - ID. Demultipleksery wykonują jednooperandowe (jednowejściowe, unitarne) funkcje logiczne, które mają znaczną liczbę możliwych opcji odpowiedzi na sygnał.

Rodzaje multiplekserów

Zasadniczo istnieją tylko dwa typy multiplekserów:

Terminal. Tego typu multipleksery umieszczane są na końcach linii komunikacyjnej, przez którą przesyłana jest część danych.
We/Wy. Stosowane są jako narzędzia instalowane w szczelinie linii komunikacyjnej w celu usunięcia kilku kanałów informacji z ogólnego przepływu. W ten sposób unika się konieczności instalowania multiplekserów terminali, które są droższymi mechanizmami.

Koszt multiplekserów

Warto zaznaczyć, że multipleksery nie są tanią przyjemnością. Najtańszy w tej chwili kosztuje ponad 12 tysięcy rubli, górna granica to 270 000. Ale nawet przy takich cenach są one prawie zawsze bardziej opłacalne niż układanie nowej linii. Ale taka korzyść istnieje tylko wtedy, gdy dysponuje się wykwalifikowanym personelem, który potrafi prawidłowo wykonać cały zakres prac i prawidłowo zainstalować multiplekser. Cena może nieznacznie wzrosnąć w przypadku braku specjalisty na pełen etat. Ale zawsze można ich zatrudnić w wyspecjalizowanych firmach.

Multipleksowanie

Multipleksowanie sygnałów odbywa się ze względu na znaczny koszt samych kanałów komunikacyjnych, a także ze względu na koszty ich utrzymania. Co więcej, z czysto fizycznego punktu widzenia, to, co jest obecnie dostępne, nie jest wykorzystywane w pełni. Zainstalowanie multipleksera do pracy w systemie jest bardziej opłacalne finansowo niż organizacja nowego kanału. Ponadto trzeba poświęcić mniej czasu na ten proces, co oznacza również pewne korzyści materialne.

W tym artykule zapoznamy się z zasadą działania multipleksowania częstotliwości. Dzięki niemu dla każdego strumienia przychodzącego we wspólnym kanale komunikacyjnym jest specjalnie przydzielany oddzielny zakres częstotliwości. Zadaniem multipleksera jest przeniesienie widma każdego z przychodzących widm do innego zakresu wartości. Ma to na celu wyeliminowanie możliwości krzyżowania się różnych kanałów. Aby nie stanowiły dla siebie przeszkody nawet przy przekraczaniu wyznaczonych limitów, stosują technologię odstępów ochronnych. Polega na pozostawieniu pomiędzy każdym kanałem określonej częstotliwości, która pochłonie skutki awarii i nie wpłynie na ogólny stan systemu. Multipleksowanie FDMA może być stosowane w optycznych i elektrycznych liniach komunikacyjnych.

Ograniczone zasoby stworzyły możliwość ulepszenia mechanizmu. Efektem końcowym był proces zwany „multipleksacją czasu”. Dzięki temu mechanizmowi w ogólnym strumieniu dużej prędkości przydzielany jest krótki okres czasu na transmisję jednego sygnału wejściowego. Ale to nie jedyna opcja wdrożenia. Może się też zdarzyć, że zostanie przydzielona pewna część czasu, która będzie się powtarzać cyklicznie w zadanym odstępie czasu. Ogólnie rzecz biorąc, przed multiplekserem w tych przypadkach stoi zadanie zapewnienia cyklicznego dostępu do medium transmisji danych, które musi być otwarte na przepływy przychodzące w krótkich odstępach czasu.

Wniosek

Multiplekser to coś, co rozszerza możliwości komunikacyjne. W artykule zbadano urządzenia służące do transmisji danych, które pozwalają na znaczne oszczędności w tej pozycji wydatków. Pokrótce omówiono także ich schematyczną budowę oraz koncepcję multipleksowania, jego cechy i zastosowanie. W ten sposób dokonaliśmy przeglądu ram teoretycznych. Będziesz go potrzebować, aby przejść do ćwiczeń, jeśli chcesz poznać multipleksery i demultipleksery.

Multiplekser cyfrowy to logiczne połączone urządzenie przeznaczone do kontrolowanej transmisji informacji z kilku źródeł danych do kanału wyjściowego. Zasadniczo to urządzenie jest serią cyfrowych przełączników pozycyjnych. Okazuje się, że multiplekser cyfrowy to przełącznik sygnałów wejściowych na jedną linię wyjściową.

Urządzenie to posiada trzy grupy wejść:

adresowe, które określają, które wejście informacyjne należy podłączyć do wyjścia;
informacyjny;
rozdzielczość (stroboskop).

W produkowanych multiplekserach cyfrowych dostępnych jest maksymalnie 16 wejść informacyjnych. Jeżeli projektowane urządzenie wymaga większej liczby, wówczas struktura tzw. drzewa multipleksera zbudowana jest z kilku układów.

Za pomocą multipleksera cyfrowego można zsyntetyzować niemal każde urządzenie logiczne, znacznie zmniejszając w ten sposób liczbę elementów logicznych stosowanych w obwodach.

Zasady syntezy urządzeń opartych na multiplekserach:

dla funkcji wyjściowej konstruowana jest mapa Karnaugha (w oparciu o wartości funkcji zmiennych);
wybierana jest kolejność użycia w obwodzie multipleksera;
budowana jest matryca maskująca, która musi odpowiadać kolejności zastosowanego multipleksera;
konieczne jest nałożenie powstałej macierzy na mapę Karnaugh;
następnie funkcja jest minimalizowana osobno dla każdego obszaru macierzy;
Na podstawie wyników minimalizacji należy zbudować obwód.

Przejdźmy teraz od teorii do praktyki. Zastanówmy się, gdzie takie urządzenia są używane.

Multipleksery elastyczne przeznaczone są do generowania strumieni cyfrowych (pierwotnych) z szybkością 2048 kbit/s z (mowy), a także danych z cyfrowych interfejsów krosowania kanałów elektronicznych z szybkością 64 kbit/s, transmitujących sygnał cyfrowy strumienia w sieci IP/Ethernet oraz do konwersji sygnalizacji liniowej i połączeń fizycznych.

Za pomocą takiego urządzenia można podłączyć do 60 (w niektórych modelach tej liczby może być więcej) zakończeń analogowych w 1 lub 2 lub 128 zestawach abonenckich dla czterech strumieni E1. Zazwyczaj zakończeniami analogowymi są linie TC, które mają sygnalizację wewnątrzpasmową lub sygnalizacja jest realizowana na oddzielnym kanale. Dane kanału głosowego można skompresować do 32 lub 16 kbit/s na kanał przy użyciu kodowania ADPCM.

Elastyczne multipleksery umożliwiają wykorzystanie łączy rozgłoszeniowych, czyli transmisję sygnałów z jednego z kanałów cyfrowych lub analogowych do kilku innych. Często używany do jednoczesnego dostarczania programów radiowych do kilku różnych punktów.

Multipleksery optyczne to urządzenia przeznaczone do pracy ze strumieniami danych za pomocą wiązek światła różniących się amplitudą lub fazą, a także długością fali. Zaletami takich urządzeń jest odporność na wpływy zewnętrzne, bezpieczeństwo techniczne i ochrona przed włamaniem do przesyłanych informacji.

Multiplekser to połączone urządzenie cyfrowe, zapewniając naprzemienną transmisję kilku sygnałów wejściowych na jedno wyjście. Umożliwia przesłanie (przełączenie) sygnału z żądanego wejścia na wyjście, w tym przypadku wybór wymaganego wejścia odbywa się za pomocą określonej kombinacji sygnałów sterujących. Liczba wejść multipleksowych jest zwykle nazywana liczbą kanałów, może wynosić od 2 do 16, a liczba wyjść nazywana jest bitami multipleksera, zwykle 1 - 4.

Ze względu na sposób przesyłania sygnałów multipleksery dzielimy na:

- analogowy;

- cyfrowy.

Zatem urządzenia analogowe wykorzystują bezpośrednie połączenie elektryczne do połączenia wejścia z wyjściem, w tym przypadku jego rezystancja jest rzędu kilku jednostek - dziesiątek omów. Dlatego nazywane są przełącznikami lub kluczami. Urządzenia cyfrowe (dyskretne) nie mają bezpośredniego połączenia elektrycznego pomiędzy wejściem i wyjściem, kopiują jedynie sygnał – „0” lub „1” – na wyjście.

Zasada działania multipleksera

Ogólnie rzecz biorąc, zasadę działania multipleksera można wyjaśnić na przykładzie przełącznika łączącego wejścia z wyjściem urządzenia. Działanie wyłącznika zapewnione jest w oparciu o obwód sterujący, w którym znajdują się wejścia adresowe i zezwalające. Sygnały z wejść adresowych wskazują, który kanał informacyjny jest podłączony do wyjścia. Wejścia zezwalające służą do zwiększenia możliwości - zwiększenia pojemności bitowej, synchronizacji z działaniem innych mechanizmów itp. Aby utworzyć obwód sterujący multipleksera, zwykle stosuje się dekoder adresu.

Zakres zastosowania multipleksera

Multipleksery przeznaczone są do stosowania jako uniwersalny element logiczny przy realizacji dowolnych funkcji, których liczba jest równa liczbie wejść adresowych. Znajdują szerokie zastosowanie w celu przełączania pojedynczych autobusów, linii odjazdowych lub ich grup. W układach mikroprocesorowych instaluje się je na odległych obiektach, aby zrealizować możliwość przesyłania informacji jedną linią z kilku czujników znajdujących się w dużej odległości od siebie. Ponadto multipleksery w projektowaniu obwodów są stosowane w dzielnikach częstotliwości, podczas tworzenia obwodów porównawczych, liczników, generatorów kodu itp., Aby przekształcić równoległy kod binarny na szeregowy.

Liczba kanałów multiplekserów produkowanych obecnie przez krajowy przemysł wynosi zwykle 4, 6, 10 i 16. Do budowy obwodów z większą liczbą wejść stosuje się tzw. obwód drzewa kaskadowego, który pozwala tworzyć urządzenia o dowolnym liczba linii wejściowych oparta na multiplekserach produkowanych komercyjnie.

3.7. Multipleksery i demultipleksery

Multiplekser to urządzenie próbkujące jedno z kilku wejść i podłączające je do jednego wyjścia, w zależności od stanu kodu binarnego. Innymi słowy, multiplekser to przełącznik sygnału sterowany kodem binarnym i posiadający kilka wejść i jedno wyjście. Do wyjścia podłączone jest wejście, którego numer odpowiada sterującemu kodowi binarnemu.

Cóż, prywatna definicja: multiplekser to urządzenie konwertujące kod równoległy na kod szeregowy.

Strukturę multipleksera można przedstawić za pomocą różnych schematów, na przykład ten:

Ryż. 1 – Przykład konkretnego obwodu multipleksera

Największym elementem jest tutaj element AND-OR z czterema wejściami. Kwadraty z jedynkami to falowniki.

Spójrzmy na wnioski. Te po lewej stronie, czyli D0-D3, nazywane są wejściami informacyjnymi. Wyświetlane są informacje, które należy wybrać. Wejścia A0-A1 nazywane są wejściami adresowymi. Tutaj podawany jest kod binarny, który określa, które z wejść D0-D3 zostanie podłączone do wyjścia, oznaczonego na tym schemacie jako Y. Wejście C – synchronizacja, zezwolenie na pracę.

Na schemacie znajdują się również wejścia adresowe z inwersją. Ma to na celu zwiększenie wszechstronności urządzenia.

Na rysunku pokazano, jak to się nazywa, multiplekser 4X1. Jak wiemy, liczba różnych liczb binarnych, które może określić kod, jest określona przez liczbę bitów kodu jako 2 n, gdzie n jest liczbą bitów. Należy ustawić 4 stany multipleksera, co oznacza, że w kodzie adresowym powinny znajdować się 2 bity (2 2 = 4).

Aby wyjaśnić zasadę działania tego obwodu, spójrzmy na jego tabelę prawdy:

W ten sposób kod binarny wybiera żądane wejście. Na przykład mamy cztery obiekty, które wysyłają sygnały, ale mamy jedno urządzenie wyświetlające. Bierzemy multiplekser. W zależności od kodu binarnego sygnał żądanego obiektu jest podłączany do urządzenia wyświetlającego.

Multiplekser jest oznaczony przez mikroukład w następujący sposób:

Ryż. 2 – Multiplekser taki jak ISS

Demultiplekser- urządzenie odwrotne do multipleksera. Oznacza to, że demultiplekser ma jedno wejście i wiele wyjść. Kod binarny określa, które wyjście zostanie podłączone do wejścia.

Innymi słowy, demultiplekser to urządzenie, które próbkuje jedno ze swoich kilku wyjść i podłącza je do swojego wejścia, lub też jest to przełącznik sygnału sterowany kodem binarnym i posiadający jedno wejście i kilka wyjść.

Do wejścia podłączane jest wyjście, którego numer odpowiada stanowi kodu binarnego. I prywatna definicja: demultiplekser to urządzenie konwertujące kod szeregowy na równoległy.

Zwykle używany jako demultiplekser deszyfratory kod binarny na kod pozycyjny, w którym wprowadzane jest dodatkowe wejście bramkujące.

Ze względu na podobieństwo obwodów multipleksera i demultipleksera, serie CMOS posiadają mikroukłady będące jednocześnie multiplekserem i demultiplekserem, w zależności od tego, z której strony doprowadzany jest sygnał.

Przykładowo K561KP1, pracujący jako przełącznik 8x1 i przełącznik 1x8 (czyli jako multiplekser i demultiplekser z ośmioma wejściami lub wyjściami). Dodatkowo w mikroukładach CMOS oprócz przełączania sygnałów cyfrowych (logiczne 0 lub 1) istnieje możliwość przełączania sygnałów analogowych.

Inaczej mówiąc, jest to przełącznik sygnału analogowego sterowany kodem cyfrowym. Takie mikroukłady nazywane są przełącznikami. Za pomocą przełącznika można np. przełączać sygnały wchodzące na wejście wzmacniacza (selektor wejść). Rozważmy obwód selektora wejść UMZCH. Zbudujmy go za pomocą przerzutników i multipleksera.

Ryż. 3 - Selektor wejścia

Przyjrzyjmy się więc pracy. Na wyzwalaczach mikroukładu DD1 pierścień lada naciśnięcia przycisku z 2 cyframi (dwa wyzwalacze - 2 cyfry). Dwucyfrowe kod binarny trafia na wejścia adresowe D0-D1 układu DD2. Układ DD2 to podwójny czterokanałowy przełącznik.

Zgodnie z kodem binarnym do wyjść mikroukładu A I W wejścia A0-A3 i B0-B3 są podłączone odpowiednio. Elementy R1, R2, C1 eliminują odbijanie się styków przycisków.

Łańcuch różnicowania R3C2 ustawia przerzutniki na zero po włączeniu zasilania, przy czym pierwsze wejście jest podłączone do wyjścia. Po naciśnięciu przycisku wyzwalacz DD1.1 przechodzi w stan logowania. 1, a drugie wejście jest podłączone do wyjścia, itd. Wejścia są wyliczane w pierścieniu, zaczynając od pierwszego.

Z jednej strony jest to proste, z drugiej trochę niewygodne. Kto wie, ile razy został wciśnięty przycisk po włączeniu i które wejście jest teraz podłączone do wyjścia. Byłoby miło mieć wskaźnik podłączonego wejścia.

Przypomnijmy sobie dekoder siedmiosegmentowy. Dekoder wraz ze wskaźnikiem przekazujemy do obwodu przełączającego i podłączamy dwa pierwsze wejścia dekodera (na schemacie jako DD3), czyli 1 i 2 (piny 7 i 1) do bezpośrednich wyjść wyzwalaczy DD1.1 DD1. 2 (piny 1 i 13) . Wejścia dekodera 4 i 8 (piny 2 i 6) podłączamy do obudowy (czyli zasilamy logikę 0). Wskaźnik pokaże stan licznika pierścieniowego, czyli liczby od 0 do 3. Liczba 0 odpowiada pierwszemu wejściu, 1 drugiemu itd.

Multipleksery i demultipleksery należą do klasy urządzeń kombinacyjnych, których zadaniem jest przełączanie strumieni danych w liniach komunikacyjnych pod zadanymi adresami. Większość danych w systemach cyfrowych jest przesyłana bezpośrednio poprzez przewody i ścieżki na płytkach drukowanych. Często istnieje potrzeba przesyłania informacyjnych sygnałów binarnych (lub analogowych w systemach analogowo-cyfrowych) ze źródła sygnału do odbiorców. W niektórych przypadkach konieczna jest transmisja danych na duże odległości za pośrednictwem linii telefonicznych, kabli koncentrycznych i optycznych. Gdyby wszystkie dane były przesyłane jednocześnie równoległymi liniami komunikacyjnymi, całkowita długość takich kabli byłaby zbyt długa, a one byłyby zbyt drogie. Zamiast tego dane są przesyłane pojedynczym przewodem w formie szeregowej i grupowane w dane równoległe na końcu odbiorczym tej pojedynczej linii komunikacyjnej. Urządzenia służące do podłączenia jednego ze źródeł danych o zadanym numerze (adresie) do linii komunikacyjnej nazywane są multiplekserami. Urządzenia służące do podłączenia linii komunikacyjnej do jednego z odbiorników informacji o określonym adresie nazywane są demultiplekserami. Równoległe dane z jednego z urządzeń cyfrowych można za pomocą multipleksera przekształcić w szeregowe sygnały informacyjne, które przesyłane są jednym przewodem. Na wyjściach demultipleksera te szeregowe sygnały wejściowe można z powrotem pogrupować w dane równoległe.

Multipleksery

Multiplekser służy do łączenia strumieni cyfrowych z różnych źródeł w jeden strumień transportowy.– kodery kompresji, wyjścia innych multiplekserów, wyjścia odbiorników – dekoderów itp. Sygnały przychodzące mogą mieć różną podstawę czasu (tzn. mogą być generowane z nieco innymi częstotliwościami taktowania), a zadaniem multipleksera jest uformowanie strumienia asynchronicznego przy zachowaniu informacji synchronizującej każdego ze składników.

Zasada działania multipleksera opiera się na właściwościach bufora pamięci - informacja jest do niego zapisywana z jedną częstotliwością taktowania, a odczytywana z inną, wyższą częstotliwością. Jeśli wyobrazimy sobie łańcuch kolejno połączonych buforów, zsynchronizowanych w taki sposób, że wyjściowe impulsy impulsów nie nakładają się w czasie, będzie to multiplekser.

Głównym parametrem multipleksera jest prędkość wyjściowa strumienia transportowego, która dla większości modeli wynosi 55...60 Mbit/s. Istnieją również próbki o prędkościach do 100 Mbit/s. Oczywiście natężenie przepływu zadane na wyjściu musi być co najmniej nie mniejsze niż suma prędkości wszystkich łącznych przepływów. Przekroczenie prędkości strumienia wyjściowego jest kompensowane poprzez wprowadzenie zerowych pakietów na wyjściu multipleksera.

Demultiplekser to jednostka funkcjonalna komputera przeznaczona do przełączania (przełączania) sygnału z pojedynczego wejścia informacyjnego D na jedno z n wyjść informacyjnych. Numer wyjścia, na które w każdym cyklu czasu komputera jest podawana wartość sygnału wejściowego, jest określony przez kod adresowy A0, A1..., Am-1. Wejścia adresowe m i wyjścia informacyjne n powiązane są zależnością n2m. Dekoder DC może służyć jako demultiplekser. W tym przypadku sygnał informacyjny podawany jest na wejście zezwolenia E (z angielskiego zezwolenie - pozwolenie). Bramkowany demultiplekser z wejściem informacyjnym D, wejściami adresowymi A1, A0 i wejściem bramkowym C pokazano na rysunku 2.1. Demultiplekser pełni funkcję odwrotną do multipleksera. W odniesieniu do multiplekserów i demultiplekserów używa się również terminu „selektory danych”.

Demultipleksery służą do przełączania poszczególnych linii i magistrali wielobitowych, przekształcając kod szeregowy na równoległy. Podobnie jak multiplekser, demultiplekser zawiera dekoder adresu. Sygnały dekodera sterują bramkami logicznymi, umożliwiając przesyłanie informacji tylko przez jedną z nich (rys. 1.1)