Что такое мультиплексор, схемы и принцип работы

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.

конструкция мультиплексора

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

Мультиплексор с 2 входами

Вход А этого простого мультиплексора схемы 2-1, построенной из стандартных логических элементов действует, чтобы контролировать какой вход (I 0  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 0 блокируется. Когда выбор данных A в логике 1, происходит обратное, и теперь вход I 0 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 0 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.

булевое выражение

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

булевое выражение

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 0 , I 1 , I 2 , I 3 и двумя линиями выбора данных A и B, как показано.

4-х канальный мультиплексор

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:

булевое выражение для 4-х канального мультиплексора

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

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

4-канальный мультиплексор с использованием логических вентилей

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

Символ мультиплексора на схеме

мультиплексор 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:

2-канальный 4-входной мультиплексор

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

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

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (4 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...