8-900-374-94-44
Всем доброго времени суток! Сегодня я расскажу о мультиплексорах, которые относятся к комбинационным микросхемам, к этим типам микросхем также относятся и дешифраторы и шифраторы, о которых я рассказывал раньше.
Основное назначение мультиплексоров (англ. multiplexer) это поочередная передача на один выход сигнала с нескольких входов, то есть они выполняют мультиплексирование.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Давайте обратимся немного к истории. Вся радиоэлектроника и радиотехника появилась из желания людей общаться на больших расстояниях, от этого появились усилители и радиоприёмники. Чтобы не тянуть множество многокилометровых линий для телеграфа стали применять коммутаторы – помещения, в которых сидели люди – телефонисты. Телефонисты, а точнее телефонистки (так как большинство из них были женщины) переключали множество линий между собой. Со временем телефонисток заменили реле-коммутаторы, однако у таких реле имелось множество недостатков. Во-первых, низкое быстродействие. Во-вторых, невысокая долговечность механических контактов и низкая надёжность, что приводило к частым отказам реле-коммутаторов. В-третьих, такое неприятное для цифровых логических схем событие, как дребезг контактов. Из-за дребезга контактов возникают импульсы в схеме, которые некоторые логические микросхемы могли принять за логические сигналы, что приведёт к ложным срабатываниям. Кроме того обмотки реле являются источниками индуктивных выбросов, опасных для современных микросхем.
С учётом всего вышеизложенного были разработаны электронные коммутаторы, к которым относятся различные оптоэлектронные приборы и мультиплексоры. Роль мультиплексоров в цифровых устройствах трудно переоценить. Современные цифровые устройства представляют собой системы, в которых с предельно достижимыми скоростями беспрерывно переносятся электрические импульсы. Эти импульсы направляют в определённые каналы с помощью мультиплексоров, об особенностях которых я расскажу ниже.
Мультиплексор имеет несколько входов, которые называются каналами мультиплексора и несколько выходов, которые называются разрядами мультиплексора. Количество каналов в микросхемах мультиплексорах может быть от 2 до 16, а количество разрядов – от 1 до 4. Управление работой мультиплексора осуществляется с помощью адресных входов, на которые в двоичном коде поступает номер канала, с которого в данный момент необходимо передать информацию на выход прибора. На схемах мультиплексоры обозначаются буквами MS, а в обозначении типа микросхемы имеют суффикс КП.
Микросхемы мультиплексоры имеют выходы 2С или 3С. Также имеют входы разрешения С или EZ. Часто в одной микросхеме соединены два мультиплексора, например К555КП2. Рассмотрим работу мультиплексора на примере микросхемы К555КП15.
Микросхема К555КП15 является мультиплексором, восьмиканальным и одноразрядным, то есть она позволяет реализовать восьмипозиционный переключатель сигналов на одно направление. Таблица истинности данной микросхемы показана ниже. В таблице сигналы на входах 0 … 7 обозначены D0 … D7, Q – прямой выход, -Q – инверсный, Z – третье состояние.
| Входы | Выходы | ||||
| 4 | 2 | 1 | С | Q | Q |
| X | X | X | 1 | Z | Z |
| 0 | 0 | 0 | 0 | D0 | -D0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | D1 | -D1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | D2 | -D2 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | D3 | -D3 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | D4 | -D4 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | D5 | -D5 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | D6 | -D6 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | D7 | -D7 |
Работает данная микросхема следующим образом. Когда на разрешающем входе С высокий логический уровень, то на выходах – прямом и инверсном высокоимпендансное состояние, то есть какой либо сигнал отсутствует. Разрешающим является низкий логический уровень на входе С, в таком случае сигнал на выходах соответствует сигналу на том входе, номер которого в двоичном коде задаётся на входах 1, 2, 4. Сигнал на инверсном входе противоположен сигналу на прямом входе.
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
На рисунке показана схема самого распространенного логического элемента — основы микросхем серии К155 и ее зарубежного аналога — серии 74. Эти серии принято называть стандартными (СТТЛ). Логический элемент микросхем серии К155 имеет среднее быстродействие tзд,р,ср.= 13 нс. и среднее значение тока потребления Iпот = 1,5…2 мА. Таким образом, энергия, затрачиваемая этим элементом на перенос одного бита информации, примерно 100 пДж.
Для обеспечения выходного напряжения высокого уровня U1вых. 2,5 В в схему на рисунке потребовалось добавить диод сдвига уровня VD4, падение напряжения на котором равно 0,7 В. Таким способом была реализована совместимость различных серий ТТЛ по логическим уровням. Микросхемы на основе инвертора, показанного на рисунке (серии К155, К555, К1533, К1531, К134, К131, К531), имеют очень большую номенклатуру и широко применяются.
| ТТЛ серия | Параметр | Нагрузка | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Российские | Зарубежные | Pпот. мВт. | tзд.р. нс | Эпот. пДж. | Cн. пФ. | Rн. кОм. |
| К155 КМ155 | 74 | 10 | 9 | 90 | 15 | 0,4 |
| К134 | 74L | 1 | 33 | 33 | 50 | 4 |
| К131 | 74H | 22 | 6 | 132 | 25 | 0,28 |
| К555 | 74LS | 2 | 9,5 | 19 | 15 | 2 |
| К531 | 74S | 19 | 3 | 57 | 15 | 0,28 |
| К1533 | 74ALS | 1,2 | 4 | 4,8 | 15 | 2 |
| К1531 | 74F | 4 | 3 | 12 | 15 | 0,28 |
При совместном использовании микросхем ТТЛ высокоскоростных, стандартных и микромощных следует учитывать, что микросхемы серии К531 дают увеличенный уровень помех по шинам питания из-за больших по силе и коротких по времени импульсов сквозного тока короткого замыкания выходных транзисторов логических элементов. При совместном применении микросхем серий К155 и К555 помехи невелики.
| Нагружаемый выход |
Число входов-нагрузок из серий | ||
|---|---|---|---|
| К555 (74LS) | К155 (74) | К531 (74S) | |
| К155, КM155, (74) | 40 | 10 | 8 |
| К155, КM155, (74), буферная | 60 | 30 | 24 |
| К555 (74LS) | 20 | 5 | 4 |
| К555 (74LS), буферная | 60 | 15 | 12 |
| К531 (74S) | 50 | 12 | 10 |
| К531 (74S), буферная | 150 | 37 | 30 |
Выходы однокристальных, т. е. расположенных в одном корпусе, логических элементов ТТЛ, можно соединять вместе. При этом надо учитывать, что импульсная помеха от сквозного тока по проводу питания пропорционально возрастет. Реально на печатной плате остаются неиспользованные входы и даже микросхемы (часто их специально «закладывают про запас») Такие входы логического элемента можно соединять вместе, при этом ток Ioвх. не увеличивается. Как правило, микросхемы ТТЛ с логическими функциями И, ИЛИ потребляют от источников питании меньшие токи, если на всех входах присутствуют напряжения низкого уровня. Из-за этого входы таких неиспользуемых элементов ТТЛ следует заземлять.
| Параметр | Условия измерения | К155 | К555 | К531 | К1531 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Мин. | Тип. | Макс. | Мин. | Тип. | Макс. | Мин. | Тип. | Макс. | Мин. | Макс. | ||
| U1вх, В схема |
U1вх или U0вх Присутствуют на всех входах | 2 | 2 | 2 | 2 | |||||||
| U0вх, В схема |
0,8 | 0,8 | 0,8 | |||||||||
| U0вых, В схема | Uи.п.= 4,5 В | 0,4 | 0,35 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | ||||||
| I0вых= 16 мА | I0вых= 8 мА | I0вых= 20 мА | ||||||||||
| U1вых, В схема |
Uи.п.= 4,5 В | 2,4 | 3,5 | 2,7 | 3,4 | 2,7 | 3,4 | 2,7 | ||||
| I1вых= -0,8 мА | I1вых= -0,4 мА | I1вых= -1 мА | ||||||||||
схема | U1и.п.= 4,5 В, U1вых=5,5 В | 250 | 100 | 250 | ||||||||
| I1вых, мкА Состояние Z схема |
U1и.п.= 5,5 В, U1вых= 2,4 В на входе разрешения Е1 Uвх= 2 В | 40 | 20 | 50 | ||||||||
| I0вых, мкА Состояние Z схема |
U1и.п.= 5,5 В, Uвых= 0,4 В, Uвх= 2 В | -40 | -20 | -50 | ||||||||
| I1вх, мкА схема | U1и.п.= 5,5 В, U1вх= 2,7 В | 40 | 20 | 50 | 20 | |||||||
| I1вх, max, мА | U1и.п.= 5,5 В, U1вх= 10 В | 1 | 0,1 | 1 | 0,1 | |||||||
| I0вх, мА схема |
U1и.п.= 5,5 В, U0вх= 0,4 В | -1,6 | -0,4 | -2,0 | -0,6 | |||||||
| U1и.п.= 5,5 В, U0вых= 0 В | -18 | -55 | -100 | -100 | -60 | -150 | ||||||
Мультиплексоры
Широкое применение в цифровых устройствах находят микросхемы мультиплексоров, используемые для коммутации двоичных сигналов.
Мультиплексор КП7 имеет восемь информационных входов D0 — D7, три адресных входа 1, 2, 4 и вход стробирования S (рис. 105). У микросхемы два выхода — прямой и инверсный. Если на входе стробирования лог. 1, на прямом выходе 0 независимо от сигналов на других входах. Если на входе стробирования лог. 0, сигнал на прямом выходе повторяет сигнал на том входе, номер которого совпадает с десятичным эквивалентом кода на входах 1,2,4 мультиплексора. На инверсном выходе сигнал всегда противофазен сигналу на прямом выходе.
Наличие входа стробирования позволяет простыми средствами строить мультиплексоры на большее число входов. На рис. 106 приведена схема мультиплексора на 16 входов, на рис. 107 — на 64.
Мультиплексор К155КП5 (рис. 105) в отличие от КП7 имеет лишь инверсный выход и не имеет входа стробирования.
Микросхема К155КП1 (рис. 105) содержит четыре адресных входа 1,2,4,8; 16 информационных входов D0 — D15 и вход стробирования S. Выход у этой микросхемы только инверсный. Все свойства и способы включения у нее такие же, как и у КП7.
Микросхема КП2 (рис. 105) содержит два мультиплексора на четыре информационных входа D0 — D3 с отдельными входами стробирования, объединенными адресными входами и прямыми выходами.
Микросхема КП11 (рис. 105) — четыре двухвходовых мультиплексора с общим управлением и возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. При лог. 0 на адресном входе А на выход каждого мультиплексора проходит сигнал со входа D0, при лог. 1 -с входа D1. Выходы микросхемы активны при лог. 0 на входе ЕО.
Подача лог 1 на вход ЕО переводит выходы в высокоимпедансное состояние.
Микросхема КП12 (рис. 105) — два четырехвходовых мультиплексора с общим управлением и возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. На выход каждого мультиплексора проходит сигнал со входа с номером, соответствующим десятичному эквиваленту двоичного кода, поданного на адресные входы 1 и 2. Каждый мультиплексор имеет свой вход перевода выхода в высокоимпедансное состояние ЕО, действующий подобно входу ЕО микросхемы К555КП 11.
Микросхема КП13 (рис. 105) — четыре двухвходовых мультиплексора с общим управлением и регистром хранения на выходе (похожа на микросхему КР531ИР20).
На входы регистра поступают сигналы со входов D0 микросхемы, если на адресном входе А лог. 0 и со входов D1, если на входе А лог. 1. Запись в регистр производится по спаду импульса положительной полярности на входе С.
Микросхема КП14 (рис. 105) аналогична микросхеме К555КП11, но инвертирует мультиплексируемые сигналы.
Микросхема КП15 (рис. 105) — восьмивходовый мультиплексор с прямым и инверсным выходом и с возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. При лог. 0 на входе ЕО на выходы проходит сигнал с того входа, номер которого соответствует десятичному эквиваленту кода, поданного на адресные входы 1, 2, 4. На инверсный выход сигнал проходит с инверсией. Подача лог. 1 на вход ЕО переводит и прямой, и инверсный выходы в высокоимпедансное состояние.
Микросхема КП16 (рис. 105) — четыре двухвходовых стробируемых мультиплексора. Логика ее работы аналогична логике работы микросхемы КП11, однако подача лог. 1 на вход S переводит выходы микросхемы в состояние лог. 0 независимо от состояния информационных и адресного входов.
Микросхема КР533КП17 (рис. 105) аналогична микросхеме КП12, но инвертирует мультиплексируемые сигналы.
Микросхема КП18 (рис. 105) аналогична КП16, но инвертирует мультиплексируемые сигналы. Подача лог. 1 на вход S микросхемы устанавливает выход в состояние лог. 1 независимо от состояния других входов.
Микросхема КР1533КП19 (рис. 105) функционирует аналогично КП2, но инвертирует мультиплексируемые сигналы. Вход S этой микросхемы действует аналогично такому же входу КП18.
Наиболее полный набор мультиплексоров входит в серию микросхем КР1533 — счетверенные мультиплексоры на два входа, сдвоенные на четыре входа и мультиплексоры на восемь входов, причем в каждой из этих групп есть мультиплексоры со стандартным выходом — КР1533КП16, КР1533КП2, КР1533КП17, с инверсным выходом — КР1533КП18, КР1533КП19, КР1533КП7, с выходом с высокоимпедансным состоянием — КР1533КП11, КР1533КП12, КР1533КП15, с инверсным выходом с высокоимпедансным состоянием — КР1533 КП14, КР1533КП17, КР1533КП15.
Нагрузочная способность мультиплексоров КР1533КП2, КП7, КП11А, КП12, КП14А, КП15 составляет 12 мА в состоянии лог. 0 при выходном напряжении 0,4 В и 0,4 мА в состоянии лог. 1 при выходном напряжении 2,4 В, мультиплексоров КР1533КП16, КП17, КП18, КП19 аналогична той, что у микросхемы КР1533ИР22.
Нагрузочная способность мультиплексоров серии КР531, выходы которых могут переводиться в высокоимпедансное состояние, составляет 20 мА в состоянии лог. 0 и 6,5 мА в состоянии лог. 1 при выходном напряжении 2,4 В.
Возможность перевода выходов мультиплексоров КП11, КП12, КП14, КП15 и КП17 в высокоимпедансное состояние облегчает объединение микросхем для увеличения числа входов. На рис. 108 показано преобразование мультиплексоров микросхемы КП12 в один на восемь входов, на рис. 109 — на 64 входа.
Назначение выводов микросхем КП12 и К155КП2, КП15 и К155КП7 совпадает за исключением входов перевода выходов микросхем в высокоимпедансное состояние. Это позволяет в большинстве случаев использовать микросхемы КП12 и КП15 взамен указанных микросхем серии К155 без переработки печатных плат.
Мультиплексор – это прибор, который позволяет организовать передачу информации с нескольких входов на один выход, таким образом можно осуществить, например, опрос нескольких датчиков подключенных к одному порту микроконтроллера [1]. Работу приборов данного типа рассмотрим на примере микросхемы К155КП5 [2-4]
Данный конкретный мультиплексор имеет группу из восьми информационных входов I1-I8 и группу из трех адресных S0-S2 входов. На адресные входы подается двоичное число, которое кодирует номер того информационного входа, который в данной конкретной ситуации будет подключен к выходу мультиплексора. Питание подается на 14 выход микросхемы К514ИД2, общий провод 7. Питание осуществляется от стабилизированного источника питания напряжением 5В.
В данной работе код для адресных входов формируется при помощи счетчика DD1 [5], который считает импульсы с мультивибратора [6]. Информационные входы подключены таким образом, чтобы на выходе мультиплексора чередовался высокий и низкий логические уровни.
В целом, данная схема получается относительно сложной с большим количеством непаянных контактов, это приводит к тому, что мультиплексор иногда отказывается работать даже при правильной сборке из-за ненадежного контакта в одном из разъемов. Поэтому данную лабораторную работу, как и предыдущую работу о дешифраторах [8], можно использовать для обучения студентов поиску неисправностей в электрических схемах. Но все же в данном конструктивном исполнении макетной схемы, видимо 3-4 микросхемы являются разумным пределом, и собирать более сложные конструкции на модулях данной конструкции нецелесообразно.
Архив с файлами и документацией тут. Специально для Радиосхемы.ру — Denev.
Форум
Обсудить статью МУЛЬТИПЛЕКСОР: СХЕМА И РАБОТА
1.4.2. Мультиплексоры
Широкое применение в цифровых устройствах находят микросхемы мультиплексоров, используемые для коммутации двоичных сигналов.
МультиплексорКП7 имеет восемь информационных входов D0 — D7, три адресных входа 1, 2, 4 и вход стробирования S (рис. 105). У микросхемы два выхода — прямой и инверсный. Если на входе стробирования лог. 1, на прямом выходе 0 независимо от сигналов на других входах. Если на входе стробирования лог. 0, сигнал на прямом выходе повторяет сигнал на том входе, номер которого совпадает с десятичным эквивалентом кода на входах 1,2,4 мультиплексора. На инверсном выходе сигнал всегда противофазен сигналу на прямом выходе.
Наличие входа стробирования позволяет простыми средствами строить мультиплексоры на большее число входов. На рис. 106 приведена схема мультиплексора на 16 входов, на рис. 107 — на 64.
МультиплексорК155КП5 (рис. 105) в отличие от КП7 имеет лишь инверсный выход и не имеет входа стробирования.
МикросхемаК155КП1 (рис. 105) содержит четыре адресных входа 1,2,4,8; 16 информационных входов D0 — D15 и вход стробирования S. Выход у этой микросхемы только инверсный. Все свойства и способы включения у нее такие же, как и у КП7.
МикросхемаКП2 (рис. 105) содержит два мультиплексора на четыре информационных входа D0 — D3 с отдельными входами стробирования, объединенными адресными входами и прямыми выходами.
МикросхемаКП11 (рис. 105) — четыре двухвходовых мультиплексора с общим управлением и возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. При лог. 0 на адресном входе А на выход каждого мультиплексора проходит сигнал со входа D0, при лог. 1 -с входа D1. Выходы микросхемы активны при лог. 0 на входе ЕО.
Подача лог 1 на вход ЕО переводит выходы в высокоимпедансное состояние.
МикросхемаКП12 (рис. 105) — два четырехвходовых мультиплексора с общим управлением и возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. На выход каждого мультиплексора проходит сигнал со входа с номером, соответствующим десятичному эквиваленту двоичного кода, поданного на адресные входы 1 и 2. Каждый мультиплексор имеет свой вход перевода выхода в высокоимпедансное состояние ЕО, действующий подобно входу ЕО микросхемы К555КП 11.
МикросхемаКП13 (рис. 105) — четыре двухвходовых мультиплексора с общим управлением и регистром хранения на выходе (похожа на микросхему КР531ИР20). На входы регистра поступают сигналы
со входов D0 микросхемы, если на адресном входе А лог. 0 и со входов D1, если на входе А лог. 1. Запись в регистр производится по спаду импульса положительной полярности на входе С.
МикросхемаКП14 (рис. 105) аналогична микросхеме К555КП11, но инвертирует мультиплексируемые сигналы.
МикросхемаКП15 (рис. 105) — восьмивходовый мультиплексор с прямым и инверсным выходом и с возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. При лог. 0 на входе ЕО на выходы проходит сигнал с того входа, номер которого соответствует десятичному эквиваленту кода, поданного на адресные входы 1, 2, 4. На инверсный выход сигнал проходит с инверсией. Подача лог. 1 на вход ЕО переводит и прямой, и инверсный выходы в высокоимпедансное состояние.
МикросхемаКП16 (рис. 105) — четыре двухвходовых стробируемых мультиплексора. Логика ее работы аналогична логике работы
микросхемы КП11, однако подача лог. 1 на вход S переводит выходы микросхемы в состояние лог. 0 независимо от состояния информационных и адресного входов.
Микросхема КР533КП17 (рис. 105) аналогична микросхеме КП12, но инвертирует мультиплексируемые сигналы.
МикросхемаКП18 (рис. 105) аналогична КП16, но инвертирует мультиплексируемые сигналы. Подача лог. 1 на вход S микросхемы устанавливает выход в состояние лог. 1 независимо от состояния других входов.
МикросхемаКР1533КП19 (рис. 105) функционирует аналогично КП2, но инвертирует мультиплексируемые сигналы. Вход S этой микросхемы действует аналогично такому же входу КП18.
Наиболее полный набор мультиплексоров входит в серию микросхем КР1533 — счетверенные мультиплексоры на два входа, сдвоенные на четыре входа и мультиплексоры на восемь входов, причем в каждой из этих групп есть мультиплексоры со стандартным выходом — КР1533КП16, КР1533КП2, КР1533КП17, с инверсным выходом — КР1533КП18, КР1533КП19, КР1533КП7, с выходом с высокоимпедансным состоянием — КР1533КП11, КР1533КП12, КР1533КП15, с инверсным выходом с высокоимпедансным состоянием — КР1533 КП14, КР1533КП17, КР1533КП15.
Нагрузочная способность мультиплексоров КР1533КП2, КП7, КП11А, КП12, КП14А, КП15 составляет 12 мА в состоянии лог. 0 при выходном напряжении 0,4 В и 0,4 мА в состоянии лог. 1 при вы
ходном напряжении 2,4 В, мультиплексоров КР1533КП16, КП17, КП18, КП19 аналогична той, что у микросхемы КР1533ИР22. Нагрузочная способность мультиплексоров серии КР531, выходы которых могут переводиться в высокоимпедансное состояние, составляет 20 мА в состоянии лог. 0 и 6,5 мА в состоянии лог. 1 при выходном напряжении 2,4 В.
Возможность перевода выходов мультиплексоров КП11, КП12, КП14, КП15 и КП17 в высокоимпедансное состояние облегчает объединение микросхем для увеличения числа входов. На рис. 108 показано преобразование мультиплексоров
микросхемы КП12 в один на восемь входов, на рис. 109 — на 64 входа.
Назначение выводов микросхем КП12 и К155КП2, КП15 и К155КП7 совпадает за исключением входов перевода выходов микросхем в высокоимпедансное состояние. Это позволяет в большинстве случаев использовать микросхемы КП12 и КП15 взамен указанных микросхем серии К155 без переработки печатных плат.
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.
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.
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.
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.
и для нашей схемы 2-входного мультиплексора можно упростить к:
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.
Булевое логическое выражение для этого мультиплексора 4-в-1 с входами от A до D и линиями выбора данных a, b задается как:
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.
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.
Символ, используемый в логических схемах для идентификации мультиплексора, выглядит следующим образом:
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:
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.
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.
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.
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.
Ключи и мультиплексоры
Микросхемы К176КТ1, К561КТЗ, КР1561КТЗ (рис. 250) содержат по четыре аналоговых ключа. Каждый ключ имеет три вывода — два информационных А и В и один управляющий С. При подаче лог. 0 на вход С информационные выводы разомкнуты между собой и паспортный ток утечки между ними не превышает 2 мкА (реально значительно меньше). При подаче лог. 1 на вход С сопротивление ключа уменьшается до нескольких сотен Ом. Это сопротивление нелинейно и зависит
от напряжения между информационным выводом, на который подается входной сигнал, и общим проводом. Максимальное сопротивление ключ имеет при указанном напряжении, близком к половине напряжения питания, минимальное — при .напряжении, близком к нулю или напряжению питания.
В табл. 9 приведены минимальное и максимальное сопротивление открытого ключа при изменении напряжения на его информационном входе при различных напряжениях питания. Как видно из таблицы, при напряжении питания 3…5 В ключ К176КТ1 может пропускать сигнал, лишь близкий к напряжению питания или нулю, то есть только цифровой сигнал. Аналоговый сигнал, меняющийся в диапазоне от нуля до напряжения питания, ключ К176КТ1 может пропускать лишь при напряжении питания 9…15 В. Для ключей микросхемы К561КТЗ диапазон напряжений питания, при котором возможно пропускание аналогового сигнала — от 5 до 15 В. Для получения малых нелинейных искажений при коммутации аналоговых сигналов
Напряжение источника питания,В ; | Сопротивление открытого ключа, Ом | |
| К176КТ1 | К561КТЗ | |
3 | 400…бесконеч. | 500…бесконеч. |
5 | 200…бесконеч. | 250…1000 |
9 | 100…1200 | 110,..220 |
10 | 100…600 | 100…200 |
15 | 100…200 | 60…120 |
сопротивление нагрузки должно иметь величину порядка 100 кОм и более. В любом случае амплитудные значения коммутируемого сигнала не должны быть выше напряжения источника питания и ниже нуля.
Микросхемы К561КП1 и КР1561КП1 содержат по два четырехвходовых мультиплексора. Микросхемы имеют два адресных входа 1 и 2, общие для обоих мультиплексоров, общий вход стробирования S, информационные входы ХО — ХЗ первого мультиплексора и его выход, входы Y0 — Y3 второго мультиплексора и его выход. Два варианта изображения микросхемы КП1 приведены на рис. 251.
При подаче на адресные входы 1 и 2 двоичного кода адреса и на вход S лог. 0 выходы мультиплексоров соединяются со входами, номера которых соответствуют десятичному эквиваленту кода адреса. Если на входе S лог. 1, выходы мультиплексоров отключаются от входов и переходят в высокоимпедансное состояние. Соединение входов с выходом мультиплексора происходит аналогично соединению в микросхемах К176КТ1, К561КТЗ и КР1561КТЗ при помощи двунаправленных ключей на комплементарных МОП-транзисторах. Передаваемый через мультиплексор сигнал может быть как аналоговым,
так и цифровым, он может передаваться как со входов на выход (микросхема работает в режиме мультиплексора), так и с выхода распределяться на входы (режим демультиплексора).
Особенность микросхемы КП1 по сравнению с ранее рассмотренными ключами КТ1 и КТЗ — возможность коммутации аналоговых и цифровых сигналов с амплитудой от пика до пика, превышающей амплитуду входных управляющих сигналов, подаваемых на входы 1,2, S.
Микросхема имеет три вывода для подачи напряжения питания -вывод 16 Uпит1, вывод 7 — Uпит2, вывод 8 — общий провод. Напряжение Uпит1 должно быть положительным и находиться в пределах от 3 до 15В, напряжение Uпит2 — равно нулю или отрицательное, сумма абсолютных величин Uпит1 и Uпит2 не должна превышать 15В. Входные управляющие сигналы должны иметь уровни Uпит1, (лог. 1) и 0 В (лог. 0), коммутируемые сигналы могут находиться в диапазоне от Uпит1 до Uпит2. В табл. 10 приведены некоторые возможные сочетания напряжений источников питания, управляющих сигналов, а также диапазон возможного изменения сопротивления открытого ключа мультиплексора. Максимальное сопротивление открытый ключ имеет при коммутируемом напряжении в середине допустимого диапазона напряжений, минимальное — на краях диапазона.
Для увеличения числа каналов мультиплексоров-демультиплексоров можно применить объединение выходов различных микросхем между собой. На рис. 252 приведена схема соединения двух микросхем для получения двух восьмиканальных мультиплексоров —
демультиплексоров. Код, подаваемый на входы 1, 2, 4, определяет, какой из входов ХО — Х7, YO — Y7 будет соединен с выходами Х и Y.
Для получения большего числа каналов входами стробирования микросхем КП1 следует управлять от дешифратора КР1561ИД7, через инверторы от дешифраторов КР1561ИД6, К561ИД1 (рис. 253) или от счетчиков К561ИЕ8 или К561 ИЕ9.
Если необходим один мультиплексор-демультиплексор на большее число входов, возможно последовательное соединение микро-схем. На рис. 254 приведена схема последовательного включения микросхем для организации устройства на 8 каналов, на рис. 255 -на 16 каналов.
Вторую ступень мультиплексирования можно выполнить на микросхемах К176КТ1, К561КТЗ или КР1561КТЗ. Для примера на рис. 256 приведена схема мультиплексора-демультиплексора на 8 каналов. Если необходимо мультиплексирование лишь цифровых сигналов, вторая ступень мультиплексора может быть выполнена на микросхеме К561ЛС2, при этом вход стробирования S должен быть соединен с общим проводом (рис. 257).
Одну микросхему К561 КП1 или КР1561 КП1 можно использовать как четыре ключа, управляемых двухразрядным кодом (рис. 258). В зависимости от кода, поданного на входы 1 и 2, могут быть соединены выводы Х0 и Y0, XI и Y1 и т. д.
Микросхемы К561КП2 и КР1561КП2 — восьмиканальные мультиплексоры-демультиплексоры (рис. 259), их характеристики, назначение выводов, способы включения такие же, как микросхем К561 КП1 и КР1561КП1.
| Напряжения питания, В. | Управляющие сигналы, | Коммутируемый сигнал | Сопротивление открытого ключа,Ом | |||
| Uпит1 | Uпит2 | лог.1 | лог.0 | Umax | Umin | |
| 3 | 0 | 3 | 0 | 3 | 0 | 300…3000 |
| 5 | 0 | 5 | 0 | 5 | 0 | 200…400 |
| 10 | 0 | 10 | 0 | 10 | 0 | 160…200 |
| 15 | 0 | 15 | 0 | 15 | 0 | 120…140 |
| 3 | -6 | 3 | 0 | 3 | -6 | 180… 220 |
| 5 | -5 | 5 | 0 | 5 | -5 | 160…200 |
| 5 | -10 | 5 | 0 | 5 | -10 | 120…140 |
| 7,5 | -7,5 | 7,5 | 0 | 7,5 | -7,5 | 120…140 |
Микросхемы КП1 и КП2 могут быть использованы в устройствах динамической индикации, для опроса различных датчиков цифровых и аналоговых сигналов, в качестве дешифраторов, для распределения сигналов, принятых по одному проводу, по различным потребителям.
Интересным применением мультиплексоров является генерация произвольной функции входного кода. Для примера на рис. 260 приведена схема генерации сигнала, равного лог. 1 для входных кодов, соответствующих десятичным числам 1,3,5,7,8,10 и 12, и лог. 0 для входных кодов 2, 4, 6, 9 и 11. Такой генератор может использоваться в электронном календаре для определения числа дней в текущем месяце — лог. 1 соответствует 31 дню, лог. 0-30 дням (кроме февраля). Нетрудно видеть, что один мультиплексор на К входов позволяет построить генератор произвольной функции от одного входного кода, принимающего К значений, а мультиплексор и инвертор — функцию на 2К значений входного кода. В данном примере (рис. 260) используется мультиплексор на 8 входов, входной код принимает 12 значений, остальные четыре значения не используются.
Отметим, что генерацию указанной функции для календаря можно осуществить значительно проще — при помощи одного элемента <Исключающее ИЛИ> из микросхем К176ЛП2, К561ЛП2 или КР1561ЛП2 (рис. 261).
Динамические параметры микросхем ТТЛ серии