Схема мультиплексора и как она работает

Термин « мультиплексор», который также обычно называют « MUX » или « MPX », относится к выбору одного выхода из множества доступных входов. Профессор Шанкар Балачандран (IIT-M) объясняет мультиплексирование как метод передачи большого количества единиц информации по небольшому количеству каналов или линий, а цифровой мультиплексор - это комбинационная логическая схема, которая выбирает двоичную информацию из одной из многих входных линий и направляет его в одну строку вывода.

В этой статье мы узнаем, как работают эти мультиплексоры, как разработать их для нашего проекта, а также опробуем практический пример на макете, чтобы проверить работу оборудования.

Основы мультиплексоров:

Лучший способ понять мультиплексоры - это посмотреть на однополюсный многопозиционный, как показано ниже. Здесь коммутатор имеет несколько входов D0, D1, D2 и D3, но имеет только один вывод Output (Out). Ручка управления используется для выбора одного из четырех доступных данных, и эти данные будут отражены на стороне вывода. Таким образом, пользователь может выбрать нужный сигнал среди множества доступных сигналов.

Это простой пример механического мультиплексора. Но в электронной схеме, которая включает высокоскоростное переключение и передачу данных, мы должны иметь возможность очень быстро выбирать требуемый вход с помощью цифровых схем. Сигналы управления (S1 и S0) делают то же самое, они выбирают один вход из множества доступных на основе подаваемого им сигнала. Таким образом, тремя основными и минимальными терминами на любом мультиплексоре будут входные входные контакты, выходные контакты и управляющий сигнал.

Входные контакты : это доступные сигнальные контакты, из которых нужно выбрать один. Эти сигналы могут быть цифровыми или аналоговыми.

Выходной контакт: у мультиплексора всегда будет только один выходной контакт. Сигнал выбранного входного контакта будет обеспечиваться выходным контактом.

Вывод управления / выбора: выводы управления используются для выбора входного сигнала вывода. Количество контактов управления на мультиплексоре зависит от количества входных контактов. Например, мультиплексор с 4 входами будет иметь 2 сигнальных контакта.

Для понимания рассмотрим мультиплексор с 4 входами, показанный выше. Он имеет два управляющих сигнала, используя которые мы можем выбрать одну из четырех доступных входных линий. В приведенной ниже таблице истинности показано состояние управляющих контактов (S0 и S1) для выбора необходимого входного контакта.

Теперь, когда мы поняли основы мультиплексоров, давайте взглянем на мультиплексоры с 2 входами и мультиплексоры с 4 входами, которые наиболее часто используются в схемах приложений.

Мультиплексоры с 2 входами:

Как следует из названия, для мультиплексоров с 2 входами у нас будет 2 линии ввода и одна линия вывода. Также у него будет только один контакт управления для выбора между двумя доступными контактами ввода. Графическое представление мультиплексора 2: 1 показано ниже.

Здесь входные контакты обозначены как D0 и D1, а выходной контакт назван как out. Пользователь может выбрать один из входов, который является либо D0, либо D1, используя контрольный вывод S0. Если S0 поддерживается на низком уровне (логический 0), то вход D0 будет отражаться на выходном контакте, а если вход S0 остается на высоком уровне (логическая 1), то вход D1 будет отражаться на выходном контакте. Таблица истинности, представляющая то же самое, показана ниже.

Как видно из таблицы выше, когда управляющий сигнал S0 равен 0, Выход отражает значения сигнала D0 (выделен синим), и аналогично, когда управляющий сигнал S0 равен 1, Выход отражает значения сигнала D1 (выделен красным). Есть несколько специализированных пакетов IC, которые будут работать как мультиплексоры прямо из пакета, но поскольку мы пытаемся понять конструкции комбинационной логики, давайте создадим вышеупомянутый мультиплексор с 2 входами, используя логические элементы. Логическая схема для того же показана ниже.

В логической схеме используются только вентили NAND, поэтому ее можно легко построить на монтажной плате или даже на макете. Логическое выражение для логической диаграммы может быть задано следующим образом:

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

Мы можем дополнительно упростить это логическое выражение, исключив общие термины, так что логическая диаграмма станет намного проще и легче построить. Ниже приведено упрощенное логическое выражение.

Вых = S ₀ '.D ₀ + S ₀.D ₁

Мультиплексоры высшего порядка (мультиплексор 4: 1):

Как только вы поймете принцип работы мультиплексора 2: 1, вам будет легко понять и мультиплексор 4: 1. Просто у него будет 4 входных контакта и 1 выходной контакт с двумя линиями управления. Эти две линии управления могут формировать 4 различных сигнала комбинационной логики, и для каждого сигнала будет выбран один конкретный вход.

Количество линий управления для любого мультиплексора можно найти по формулам ниже.

2 ^{Количество управляющих линий} = Количество входных линий

Так, например, мультиплексор 2: 1 будет иметь 1 линию управления, потому что 2 ¹ = 2, а мультиплексор 4: 1 будет иметь 2 линии управления, потому что 2 ² = 4. Аналогичным образом вы можете рассчитать для любых мультиплексоров более высокого порядка.

Также распространено объединение с мультиплексорами более низкого порядка, такими как MUX 2: 1 и 4: 1, для формирования MUX более высокого порядка, такого как мультиплексор 8: 1. Теперь, например, давайте попробуем реализовать мультиплексор 4: 1, используя мультиплексор 2: 1. Чтобы построить мультиплексор 4: 1 с использованием мультиплексора 2: 1, нам нужно объединить три мультиплексора 2: 1 вместе.

Конечный результат должен дать нам 4 входных контакта, 2 контакта управления / выбора и один выходной контакт. Для достижения первых двух MUX подключаются параллельно, а затем выход этих двух подается как вход на 3- ^й MUX, как показано ниже.

Линия управления / выбора первых двух мультиплексоров соединяется вместе, образуя единую линию (S ₀), а затем линия управления 3- ^го мультиплексора используется в качестве второго сигнала управления / выбора. Таким образом, мы получаем мультиплексор с четырьмя входами (W0, W1, W2 и W3) и только одним выходом (f). Таблица истинности для мультиплексора 4: 1 показана ниже.

Как вы можете видеть в таблице выше, для каждого набора значений, предоставленных сигнальным контактам управления (S0 и S1), мы получаем разные выходные данные от входных контактов на нашем выходном контакте. Таким образом, мы можем использовать MUX для выбора одного из четырех доступных входных контактов для работы. Обычно эти управляющие контакты (S0 и S1) управляются автоматически с помощью цифровой схемы. Существуют определенные специализированные микросхемы, которые могут действовать как MUX и облегчать нам работу, поэтому давайте взглянем на них.

Практическая реализация мультиплексора с использованием IC 4052:

Всегда интересно строить и проверять что-то на практике, чтобы изучаемая нами теория имела больше смысла. Итак, давайте создадим мультиплексор 4: 1 и проверим, как он работает. ИС, которую мы здесь используем, - это MC14052B с двумя мультиплексорами 4: 1 внутри. Распиновка микросхемы показана ниже.

Здесь контакты X0, X1, X2 и X3 - это четыре входных контакта, а контакт X - соответствующий ему выходной контакт. Управляющие контакты A и B используются для выбора требуемого входа на выходной контакт. Вывод Vdd (вывод 16) должен подключаться к источнику питания, равному + 5В, а выводы Vss и Vee должны быть заземлены. Вывод Vee предназначен для включения, который является активным нижним выводом, поэтому мы должны заземлить его, чтобы включить эту IC. MC14052 - это аналоговый мультиплексор, что означает, что на входные контакты также можно подавать переменное напряжение, и то же самое можно получить через выходные контакты. На изображении в формате GIF показано, как ИС выдает переменное входное напряжение на основе предоставленных сигналов управления. Входные контакты имеют напряжение 1,5 В, 2,7 В, 3,3 и 4,8 В, которое также получается на выходном контакте на основе заданного сигнала управления.

Мы также можем собрать эту схему на макетной плате и проверить, работают ли они. Для этого я использовал две кнопки, которые являются входами для управляющих контактов A и B. И использовал серию комбинаций делителей потенциала, чтобы обеспечить переменное напряжение для контактов 12, 14, 15 и 11. Выходной контакт 13 подключен к СВЕТОДИОД. Переменное напряжение, подаваемое на светодиод, заставляет его изменять яркость в зависимости от управляющих сигналов. После сборки схема будет выглядеть примерно так, как показано ниже.

Полное рабочее видео схемы также может быть найдено в нижней части этой страницы. Надеюсь, вы поняли, как работают мультиплексоры, и знаете, где их использовать в своих проектах. Если у вас есть какие-либо мысли или сомнения, оставьте их в разделе комментариев ниже, и я постараюсь на них ответить. Вы также можете использовать форумы, чтобы разрешить свои технические сомнения и поделиться своими знаниями с другими членами этого сообщества.