Схема мультиплексора та як це працює

Термін мультиплексор, який також часто називають “ MUX ” або “ MPX ”, стосується вибору одного виходу з безлічі доступних входів. Професор Шанкар Балачандран (IIT-M) пояснює мультиплексування як метод передачі великої кількості інформаційних одиниць через невелику кількість каналів або ліній, а Цифровий мультиплексор - це поєднана логічна схема, яка відбирає двійкову інформацію з однієї з багатьох вхідних ліній і направляє його в єдиний вихідний рядок.

У цій статті ми дізнаємось, як працюють ці мультиплексори, як розробити один для нашого проекту, а також спробуємо практичний приклад на макеті, щоб перевірити роботу над апаратним забезпеченням.

Основи мультиплексорів:

Найкращий спосіб зрозуміти мультиплексори - це розгляд однополюсного багатопозиціонера, як показано нижче. Тут комутатор має кілька входів D0, D1, D2 і D3, але він має лише один вихідний (вихідний) штифт. Регулятор управління використовується для вибору одного з чотирьох доступних даних, і ці дані відображатимуться на вихідній стороні. Таким чином користувач може вибрати необхідний сигнал серед багатьох доступних сигналів.

Це простий приклад механічного мультиплексора. Але в електронній схемі, яка передбачає високошвидкісну комутацію та передачу даних, ми повинні мати можливість дуже швидко вибрати необхідний вхід за допомогою цифрових схем. Сигнали керування (S1 та S0) роблять точно те ж саме, вони вибирають один вхід з багатьох доступних, базуючись на поданому їм сигналі. Отже, трьома основними і мінімальними умовами будь-якого мультиплексора будуть вхідні вхідні штифти, вихідний штифт та керуючий сигнал

Вхідні штифти: це доступні сигнальні штифти, з яких потрібно вибрати один. Ці сигнали можуть бути як цифровими, так і аналоговими.

Вихідний штифт: Мультиплексор завжди матиме лише один вихідний штифт. Обраний сигнал вхідного виводу буде подаватися вихідним виводом.

Контакт керування / вибору: Керування використовуються для вибору вхідного сигналу контакту. Кількість керуючих штифтів на мультиплексорі залежить від кількості вхідних штифтів. Наприклад, мультиплексор з 4 входами матиме 2 сигнальних висновки.

Для розуміння розглянемо мультиплексор із 4 входами, який показано вище. Він має два керуючі сигнали, за допомогою яких ми можемо вибрати один із доступних чотирьох вхідних рядків. Таблиця правдивості нижче ілюструє стан керуючих штифтів (S0 та S1) для вибору необхідного вхідного штифта.

Тепер, коли ми зрозуміли основи мультиплексорів, давайте розглянемо 2-вхідні мультиплексори та 4-вхідні мультиплексори, які найчастіше використовуються в схемах додатків.

2-вхідні мультиплексори:

Як випливає з назви для мультиплексорів з 2 входами, ми матимемо 2 вхідні лінії та одну вихідну лінію. Крім того, він матиме лише один контрольний штифт для вибору між доступними двома вхідними штифтами. Графічне зображення мультиплексора 2: 1 показано нижче.

Тут вхідні штифти називаються як D0 і D1, а вихідний штифт - як вихідні. Користувач може вибрати один із входів, який є або D0, або D1, за допомогою керуючого штифта S0. Якщо S0 підтримується низьким (логіка 0), тоді вхід D0 відображатиметься на вихідному штифті, а якщо вхід S0 буде високим (логіка 1), то вхід D1 буде відображатися на вихідному штифті. Таблиця правди, що представляє те саме, наведена нижче

Як видно з таблиці вище, коли сигнал керування S0 дорівнює 0, вихід відображає значення сигналу D0 (виділено синім кольором), і, аналогічно, коли сигнал керування S0 дорівнює 1, вихід відображає значення сигналу D1 (виділено червоним кольором)). Є декілька виділених IC-пакетів, які працюватимуть як мультиплексори прямо з пакету, але оскільки ми намагаємося зрозуміти комбінаційні логічні конструкції, давайте побудуємо вищезазначений мультиплексор з 2 входами, використовуючи логічні шлюзи. Логічна схема цього ж наведена нижче

Логічна схема використовує лише ворота NAND і, отже, може бути легко побудована на дошці для перфів або навіть на макеті. Булевий вираз для логічної діаграми може бути заданий формулою

Вихід = S ₀ '.D ₀ '.D ₁ + S ₀ '.D ₀.D ₁ + S ₀.D ₀.D ₁ ' + S ₀.D ₀.D ₁

Цей логічний вираз ми можемо просто використати, скасувавши загальні терміни, щоб логічна діаграма стала набагато простішою та легшою для побудови. Спрощений булевий вираз наведено нижче.

Вихід = S ₀ '.D ₀ + S ₀.D ₁

Мультиплексори вищого порядку (мультиплексор 4: 1):

Як тільки ви зрозумієте роботу мультиплексора 2: 1, вам також буде легко зрозуміти мультиплексор 4: 1. Просто у нього буде 4 вхідні виводи та 1 вихідний висновки з двома лініями управління. Ці дві лінії управління можуть утворювати 4 різні комбінаційні логічні сигнали, і для кожного сигналу буде обраний один конкретний вхід.

Кількість ліній керування для будь-якого мультиплексора можна знайти, використовуючи наведені нижче формули

2 ^{Кількість контрольних рядків} = Кількість вхідних рядків

Так, наприклад, мультиплексор 2: 1 матиме 1 контрольну лінію, оскільки 2 ¹ = 2, а мультиплексор 4: 1 матиме 2 контрольні лінії, оскільки 2 ² = 4. Аналогічно ви можете розрахувати для будь-якого мультиплексора вищого порядку.

Також прийнято комбінувати мультиплексори нижчого порядку, такі як MUX 2: 1 та 4: 1, щоб утворити MUX вищого порядку, як мультиплексор 8: 1. Тепер, наприклад, спробуємо реалізувати мультиплексор 4: 1, використовуючи мультиплексор 2: 1. Щоб побудувати MUX 4: 1, використовуючи MUX 2: 1, нам доведеться поєднати три MUX 2: 1 разом.

Кінцевий результат повинен дати нам 4 вхідні штифти, 2 штифти управління / вибору та один вихідний штифт. Для досягнення перших два MUX з'єднаний паралельно, а потім на виході з цих двох є Feeded в якості внеску в 3 - ^м MUX, як показано нижче.

Лінія управління / вибору перших двох MUX з'єднана разом, щоб утворити єдину лінію (S ₀), а потім лінія управління 3- ^го MUX використовується як другий сигнал управління / вибору. Таким чином, нарешті, ми отримуємо мультиплексор з чотирма входами (W0, W1, W2 і W3) і лише одним виходом (f). Таблиця правди для мультиплексора 4: 1 наведена нижче.

Як ви можете бачити у наведеній вище таблиці, для кожного набору значень, поданих на виводи керуючого сигналу (S0 та S1), ми отримуємо різні вихідні дані від вхідних висновків на нашому вихідному висновку. Таким чином, ми можемо використовувати MUX для вибору одного з доступних чотирьох вхідних штифтів для роботи. Зазвичай цими керуючими штифтами (S0 і S1) буде управлятися автоматично за допомогою цифрової схеми. Існують певні спеціальні ІС, які можуть виступати в якості MUX і полегшити нам роботу, тому давайте розглянемо їх.

Практична реалізація мультиплексора з використанням IC 4052:

Завжди цікаво будувати і перевіряти речі практично, щоб теорія, яку ми вивчаємо, мала б більше сенсу. Тож давайте побудуємо мультиплексор 4: 1 і перевіримо, як він працює. Ми використовуємо тут мікросхему MC14052B, у якій є два мультиплексори 4: 1. Розпінації мікросхеми показано нижче

Тут висновки X0, X1, X2 та X3 - це чотири вхідні висновки, а висновок X - відповідний вихідний висновок. Керуючі штифти A і B використовуються для вибору необхідного входу на вихідний штифт. Контакт Vdd (контакт 16) повинен підключатися до напруги живлення, яка становить + 5 В, і контакт Vss і Vee повинен бути заземлений. Контакт Vee призначений для активації, який є активним низьким контактом, тому нам потрібно заземлити його, щоб увімкнути цю мікросхему. MC14052 є аналоговим мультиплексором, що означає, що вхідні штирі також можуть отримувати змінну напругу, і це ж можна отримати за допомогою вихідних штифтів. Наведене нижче зображення у форматі GIF показує, як ІС виводить змінну вхідну напругу на основі поданих керуючих сигналів. Вхідні висновки мають напругу 1,5 В, 2,7 В, 3,3 В і 4,8 В, яке також отримується на вихідному штифті на основі поданого керуючого сигналу.

Ми також можемо зібрати цю схему над макетною панеллю та перевірити, чи вони працюють. Для цього я використовував дві кнопки - це входи для керуючих штифтів A і B. І використовував ряд потенційних комбінацій дільників для забезпечення змінних напруг на штифтах 12, 14, 15 і 11. Вихідний штифт 13 підключений до СВІТЛОДІОДНИЙ. Змінні напруги, що подаються на світлодіод, змусять його змінювати яскравість на основі керуючих сигналів. Схема після побудови буде виглядати приблизно так нижче

Повний робочий відео схеми також може бути знайдено в нижній частині цієї сторінки. Сподіваюся, ви зрозуміли роботу мультиплексорів і знаєте, де їх використовувати у своїх проектах. Якщо у вас є якісь думки чи сумніви, залиште їх у розділі коментарів нижче, і я постараюся з усіх сил відповісти на них. Ви також можете використовувати форуми, щоб вирішити свої технічні сумніви та поділитися своїми знаннями з іншими членами цієї спільноти.