3.7. Мультиплексоры и демультиплексоры
Мультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему единственному выходу, в зависимости от состояния двоичного кода. Другими словами, мультиплексор - переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом и имеющий несколько входов и один выход. К выходу подключается тот вход, чей номер соответствует управляющему двоичному коду.
Ну и частное определение: мультиплексор - это устройство, преобразующее параллельный код в последовательный.
Структуру мультиплексора можно представить различными схемами, например, вот этой:
Рис. 1 – Пример схемы конкретного мультиплексора
Самый большой элемент здесь это элемент И-ИЛИ на четыре входа. Квадратики с единичками - инверторы.
Разберем выводы. Те, что слева, а именно D0-D3, называются информационными входами. На них подают информацию, которую предстоит выбрать. Входы А0-А1 называются адресными входами. Сюда и подается двоичный код, от которого зависит, какой из входов D0-D3 будет подключен к выходу, на этой схеме обозначенному как Y . Вход С – синхронизация, разрешение работы.
На схеме еще есть входы адреса с инверсией. Это чтобы сделать устройство более универсальным.
На рисунке показан, как еще его называют, 4Х1 мультиплексор. Как мы знаем, что число разных двоичных чисел, которые может задавать код, определяется числом разрядов кода как 2 n , где n – число разрядов. Задавать нужно 4 состояния мультиплексора, а, значит, разрядов в коде адреса должно быть 2 (2 2 = 4).
Для пояснения принципа работы этой схемы посмотрим на её таблицу истинности:
Так двоичный код выбирает нужный вход. Например, имеем четыре объекта, и они подают сигналы, а устройство отображения у нас одно. Берем мультиплексор. В зависимости от двоичного кода к устройству отображения подключается сигнал от нужного объекта.
Микросхемой мультиплексор обозначается так:
Рис. 2 – Мультиплексор как МКС
Демультиплексор - устройство, обратное мультиплексору. Т. е., у демультиплексора один вход и много выходов. Двоичный код определяет, какой выход будет подключен ко входу.
Другими словами, демультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких своих выходов и подключает его к своему входу или, ещё, это переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом и имеющий один вход и несколько выходов.
Ко входу подключается тот выход, чей номер соответствует состоянию двоичного кода. И частное определение: демультиплексор - это устройство, которое преобразует последовательный код в параллельный.
Обычно в качестве демультиплексора используют дешифраторы двоичного кода в позиционный, в которых вводят дополнительный вход стробирования.
Из-за сходства схем мультиплексора и демультиплексора в КМОП сериях есть микросхемы, которые одновременно являются мультиплексором и демультиплексором, смотря с какой стороны подавать сигналы.
Например, К561КП1, работающая как переключатель 8х1 и переключатель 1х8 (то есть, как мультиплексор и демультиплексор с восемью входами или выходами). Кроме того, в КМОП микросхемах помимо переключения цифровых сигналов (логических 0 или 1) существует возможность переключения аналоговых.
Другими словами, это переключатель аналоговых сигналов, управляемый цифровым кодом. Такие микросхемы называются коммутаторами. К примеру, с помощью коммутатора можно переключать сигналы, поступающие на вход усилителя (селектор входов). Рассмотрим схему селектора входов УМЗЧ . Построим её с использованием триггеров и мультиплексора.
Рис. 3 - Селектор входных сигналов
Итак, разберем работу. На триггерах микросхемы DD1 собран кольцевой счетчик нажатий кнопки разрядностью 2 (два триггера - 2 разряда). Двухразрядный двоичный код поступает на адресные входы D0-D1 микросхемы DD2. Микросхема DD2 представляет собой сдвоенный четырехканальный коммутатор.
В соответствии с двоичным кодом к выходам микросхемы А и В подключаются входы А0-А3 и В0-В3 соответственно. Элементы R1, R2, C1 устраняют дребезг контактов кнопки.
Дифференцирующая цепь R3C2 устанавливает триггеры в нулевое состояние при включении питания, при этом к выходу подключается первый вход. При нажатии на кнопку триггер DD1.1 переключается в состояние лог. 1 и к выходу подключается второй вход и т. д. Перебор входов идет по кольцу, начиная с первого.
С одной стороны просто, с другой немного неудобно. Кто его знает, сколько раз нажали на кнопку после включения и какой вход подключен к выходу сейчас. Хорошо бы поставить индикатор подключенного входа.
Вспоминаем семисегментный дешифратор. Переносим дешифратор с индикатором на схему коммутатора и первые два входа дешифратора (на схеме обозначен как DD3), т. е. 1 и 2 (выводы 7 и 1) подключаем к прямым выходам триггеров DD1.1 DD1.2 (выводы 1 и 13). Входы дешифратора 4 и 8 (выводы 2 и 6) соединяем с корпусом (т. е. подаем лог. 0). Индикатор будет показывать состояние кольцевого счетчика, а именно цифры от 0 до 3. Цифра 0 соответствует первому входу, 1 - 2-му и т. д.
Приоритетные шифраторы
Назначение: обеспечить генерацию кода заданной клавиши независимо от числа нажатых клавиш.
Проведем преобразование:”x из 10” в “ 1 из 10”, а затем в код”8421”
Рассмотрим пример построения приоритетного шифратора для преобразования десятичных чисел в код 8421,изображенный в таблице 3:
Таблица 3
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | Х | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | Х | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | Х | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | Х | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | Х | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | Х | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | Х | 0 | 0 | Х | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | Х | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | Х | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
Запишем математические выражения для переменных:
Для получения схемы приоритетного шифратора достаточно выходы х 9 , ..., х 0 преобразователя "X из 10" в "1 из 10" подключить. к соответетвующим входам преобразогателя кода "1 из 10" в код 8421 .На рисунке 4 изображена данная схема:
Рис.5
Обратное преобразование двоичного кода в код "1 из n" выполняют преобразователи кода, называемые дешифраторами.
На рисунке 5 изображена схем дешифратора, выполняющего обратное преобразование:
Дешифраторы линейные
Назначение:выбрать одну из n возможных комбинаций(1 из n)
Схема устройства определяется формулой:
где m – количество управляющих входов
n – количество выходов или обьектов
Если то тогда дешифратор полный,
Если то в этом случае дешифратор не будет полным.
Вариант 2 m
Представим таблицу состояний полного дешифратора:
Таблица 4
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
Запишем математические выражения функций:
Для данного дешифратора: m=2,n=4
На рисунке 6 показана функциональная схема данного дешифратора:
Рис.6
Мультиплексоры и демультиплексоры
Назначение – передача информации от m каналов на n каналов(мультиплексор обеспечивает передачу от m каналов к одному каналу,а демультиплексор – от одного канала на n каналов) .
Каждый мультиплексор или демультиплексор содержит базовый элемент – дешифратор.
Таблица логических состояний мультиплексоров
| Входы | Адреса A 1 A 0 | Выход Y |
| X 3 X 2 X 1 X 0 | 00 01 10 11 | X 0 X 1 X 2 X 3 |
Базовая схема мультиплексора на рис.5
Рис.5
Условное обозначение мультиплексора показано на рис.6
Рис.6
Иногда в состав мультиплексоров включают тактовый сигнал для выполнения операции в фиксированные промежутки времени.На рис.7 показана схема мультиплексора с тактовым входом.
Рис.7
Для увеличения числа каналов передачи информации мультиплексоры объединяют по пирамидальной схеме,которая показана на рис.8
Рис.8
Применение мультиплексоров
Мультиплексоры используют для преобразования параллельного кода в последовательный. Для этого используют синхронное изменение адресных комбинаций на входе мультиплексора. Пусть на входы мультиплексора поданы соответственно комбинации 0,1,1,0 (см.рис.9).
Временная диаграмма показана на рис.10
Рис.10 ,где F – тактовый сигнал,в соответствии с которым изменяются адреса A 1 , A 0 .
Другим применением мультиплексора является выполнение преобразований над логическими функциями.
Для выполнения некоторой логической функции,состоящей из набора аргументов, используют мультиплексор,в котором каждой адресной комбинации записанных булевых функций ставят в соответствие определенный канал,на котором устанавливается логическая “1”,а на остальных каналах подключают логический ”0”
Демультиплексоры
Используются для передачи информации из одного канала на n каналов.
Таблица соответствия состояний демультиплексора(n=4)
| Входы | Адреса A 1 A 0 | Выходы Y 3 Y 2 Y 1 Y 0 |
| X | 00 01 10 11 | 000X 00X0 0X00 X000 |
Схема реализации показана на рис.11
Рис.11
Условное обозначение – на рис.12
Рис.12
Универсальное устройство, выполняющее функцию мультиплексора и демультиплексора с возможностью передачи информации с выхода на вход,показано на рис.13
Рис.13 ,где МОП транзисторы M 1 - M 3 - n-типа.
Общим недостатком рассмотренных схем является передача только цифровой информации,что сужает область применения. Также невозможно обеспечить передачу информации со входа на выход и наоборот в одном устройстве,что часто необходимо в коммутирующих цепях. Для передачи аналоговой информации без искажения уровня сигнала вместо транзисторов M 1 - M 3 необходимо использовать аналоговый ключ(см. предыдущие лекции) .
Пирамидальная схема подключения демультиплексоров дает возможность наращивания числа коммутируемых каналов(см.рис.14)
Рис.14
Похожая информация.
Цифровой мультиплексор представляет собой логическое комбинированное устройство, которое предназначено для управляемой передачи информации от нескольких источников данных в выходной канал. По сути, этот прибор представляет собой несколько цифровых позиционных переключателей. Получается, что цифровой мультиплексор является коммутатором входных сигналов в одну выходную линию.
Этот прибор имеет три группы входов:
- адресные, на которых определяет то, какой информационный вход необходимо подключить к выходу;
- информационные;
- разрешающие (стробирующие).
В выпускаемых цифровой мультиплексор имеет максимально 16 информационных входов. Если проектируемое устройство требует большего количества, в таком случае строится структура так называемого мультиплексорного дерева из нескольких микросхем.
Цифровой мультиплексор может использоваться для синтеза практически любого логического устройства, благодаря чему существенно снижается количество используемых в схемах логических элементов.
Правила синтеза приборов на базе мультиплексоров:
- строится карта Карно для выходной функции (по значениям переменных функций);
- выбирается порядок использования в схеме мультиплексора;
- строится маскирующая матрица, которая должна соответствовать порядку используемого мультиплексора;
- необходимо наложить полученную матрицу на карту Карно;
- после этого проводится минимизация функции отдельно для каждой области матрицы;
- на основе результатов минимизации необходимо построить схему.
Теперь от теории перейдем к практике. Рассмотрим, где же применяются такие устройства.
Гибкие мультиплексоры предназначены для формирования цифровых потоков (первичных) со скоростью 2048 кбит/с из (речь), а также данных цифровых интерфейсов кроссовой коммутации электронных каналов со скоростью 64 кбит/с, передачи цифрового потока по сети IP/Ethernet и для конвертации линейной сигнализации и физических стыков.
С помощью такого устройства можно скоммутировать до 60 (в некоторых моделях эта цифра может быть больше) аналоговых окончаний в 1 или 2 или 128 абонентских комплектов на четыре потока Е1. Обычно в качестве аналоговых окончаний выступают линии ТЧ, имеющие внутриполосную сигнализацию, либо сигнализация реализуется на отдельном канале. Данные речевых каналов могут сжиматься до 32 или 16 кбит/с на один канал, для этого используется кодировка АДИКМ.
Гибкие мультиплексоры позволяют использовать широковещательные соединения, то есть подавать сигналы с одного из цифровых или аналоговых каналов на несколько других. Часто применяются для подачи радиовещательных программ одновременно в несколько различных пунктов.
Оптические мультиплексоры - это приборы, предназначенные для работы с потоками данных при помощи световых пучков, которые различаются амплитудной или фазовой а также длиной волны. К достоинствам таких приборов можно отнести устойчивость к внешним воздействиям, техническую безопасность, защиту от взлома передаваемой информации.
Мультиплексор является устройством, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу. Мультиплексор имеет несколько информационных входов (D 0 , D 1 , ...), адресные входы (А 0 А 1 , ...), вход для подачи стробирующего сигнала С и один выход Q. На рис. 1,ф показано символическое изображение мультиплексора с четырьмя информационными входами.
Каждому информационному входу мультиплексора присваивается номер, называемый адресом. При подаче стробирующего сигнала на вход С мультиплексор выбирает один из входов, адрес которого задается двоичным кодом на адресных входах, и подключает его к выходу.
Таким образом, подавая на адресные входы адреса различных информационных входов, можно передавать цифровые сигналы с этих входов на выход Q. Очевидно, число информационных входов n инф и число адресных входов n адр связаны соотношением n инф = 2 nадр.
|
Таблица 1 |
|||
|
Адресные входы |
Стробирующий сигнал |
Выход |
|
Функционирование мультиплексора определяется табл. 1. При отсутствии стробирующего сигнала (C = 0) связь между информационными входами и выходом отсутствует (Q = 0). При подаче стробирующего сигнала (C = l) на выход передается логический уровень того из информационных входов D i , номер которого i в двоичной форме задан на адресных входах. Так, при задании адреса A l A 0 = ll 2 = 3 10 на выход Q будет передаваться сигнал информационного входа с адресом 3 10 , т. е. D 3 .
По этой таблице можно записать следующее логическое выражение для выхода Q:
Построенная по этому выражению принципиальная схема мультиплексора показана на рис. 1,б.
В тех случаях, когда требуется передавать на выходы многоразрядные входные данные в параллельной форме, используется параллельное включение мультиплексоров по числу разрядов передаваемых данных.
Использование мультиплексоров для синтеза комбинационных устройств.
Мультиплексоры могут быть использованы для синтеза логических функций. При этом число используемых в схеме элементов (корпусов интегральных микросхем) может быть значительно уменьшено.
Логическое выражение мультиплексора содержит члены со всеми комбинациями адресных переменных. Следовательно, если требуется синтезировать функцию трех переменных f(x 1 , x 2 , х 3), то две из этих переменных (например, x 1 , х 2) могут быть поданы на адресные входы А 1 , и А 0 , и третья x 3 - на информационный вход.
Например, пусть требуется синтезировать функцию, заданную табл. 2. Логическое выражение функции
Рассматривая переменные x l , х 2 в качестве адресных переменных получим табл. 3, из которой видно, что мультиплексор на выходе Q реализует заданную логическую функцию. Принципиальная схема показана на рис. 2.
Очевидно, на четырехвходовых мультиплексорах может быть синтезирована любая функция трех переменных, на восьмивходовых мультиплексорах - любая функция четырех переменных и т. д.
При синтезе комбинационных схем мультиплексоры могут быть использованы совместно с элементами некоторого базиса. Пусть общее число переменных функций n. Тогда, если мультиплексор имеет n адр адресных входов, то на них подаются n адр переменных, а на его информационные входы подаются функции n-n адр переменных.
Пусть, например, требуется синтезировать логическую функцию четырех переменных с использованием четырехвходового мультиплексора. Если адресными переменными являются x 1 , х 2 , то на информационные входы мультиплексора должны подаваться функции переменных х 3 и x 4 , определяемые показанными в табл. 5 областями таблицы Вейча. Внутри каждой очерченной для информационных входов области таблицы Вейча проводится минимизация обычными методами, после чего строятся схемы, формирующие подаваемые на информационные входы мультиплексора функции.
Покажем этот прием на реализации функции, заданной табл. 6.
При подаче переменных x 1 и х 2 на адресные входы мультиплексора на его информационные входы должны подаваться D 0 = 1; D 1 = 0; D 2 = x 3 . 4 , D 3 = 4 . Реализующая заданную функцию схема показана на рис. 3.
Следует иметь в виду, что синтезируя логическое устройство с использованием мультиплексора, необходимо также построить вариант схемы без использования мультиплексора. Затем сравнением полученных вариантов определить, какой из вариантов оказывается лучшим по числу используемых в схеме корпусов интегральных схем.
Мультиплексоры – это специальные сетевые устройства, которые предназначаются для передачи различных потоков информации с большой скоростью. При передаче используется единичная линия связи. Передаваемый поток информации должен обладать маленькой скоростью.
Использование мультиплексоров – актуальная, быстрая и экономная мера. Их применение позволяет отказаться от создания нового канала связи, передающего информацию, независимо проводного или беспроводного.
Особенные черты мультиплексоров
Некоторые моменты влияют на строение мультиплексоров:
1. Количество компонентов, которые являются доступными.
2. Какая технология была применена при создании мультиплексора.
3. Конфигурация мультиплексора. Этот фактор зависит от того, какие задачи будут ставиться перед мультиплексором.
Большой популярностью пользуются модульные мультиплексоры. Это современные конструкции приборов, имеющие некоторое количество сменных модулей. При помощи таких сменных модулей обеспечена возможность, которая позволит изменить конфигурацию мультиплексора, в соответствии с требованиями пользователя и условиями использования.
Работа мультиплексора во многом схожа с работой коммутаторов, обеспечивающих возможность подключения нескольких входов и выхода. Такое сетевое оборудование приводится в действие с помощью двух типов входа. По одному разрешающему и управляющему входу.
На видео: Принцип работы мультиплексора.
Виды мультиплексоров
Мультиплексор – это сетевой специальный прибор. У него несколько простых и управляющих входов и один выход. Наличие определенного числа таких входов определяется имеющимися требованиями пользователя. Обычно количество входов ограничивается максимальным количеством – 16. Сколько будет входов у мультиплексора, столько можно будет каналов для связи. Для обеспечения большего числа входов используют технологию каскадного дерева. Этим обеспечивается создание необходимого пользователю количества сетевых каналов связи на одном сетевом устройстве.
Мультиплексоры могут быть следующих типов:
Цифровой мультиплексор. Такое устройство выполняет копирование сигналов на выходе. Входом и выходом при копировании сигнала не используется связь, работающая с помощью электрических импульсов.
Где применяются мультиплексоры
Мультиплексоры используются во многих областях жизни и работы человека. Очень часто мультиплексоры применяются в телекоммуникационных системах, системах видеонаблюдения и в других областях. Практически все сферы являются очень перспективными для использования мультиплексоров.
Энергетическая сфера очень широко использует мультиплексоры. В этой сфере такие устройства способствуют передаче информационных данных от различных датчиков, которые расположены друг от друга на большом расстоянии.
Информация передается с использованием единичной линии. Коммуникационные сети достаточно часто используют мультиплексоры. Они помогают уменьшить стоимость связи. Именно поэтому операторы связи его часто используют. Результат работы мультиплексора будет более заметным, при условии дальнего расстояния между АТС.
Достаточно популярным становится применение мультиплексоров для проведения видеоконференцсвязи. Это подразумевает двустороннюю передачу, с последующей обработкой, преобразованием и дальнейшим представлением интерактивных информационных данных. Все это происходит в настоящем времени и сигнал передается на достаточно большое расстояние. При организации видеоконференцсвязи учитывается ее вид. От этого вида зависит использование различных специальных сетевых устройств. Могут использоваться специальные групповые или индивидуальные терминалы для проведения видеоконференции.
Индивидуальный терминал применяется при использовании специального режима видеосвязи в реальном времени на своем рабочем месте. Как индивидуальный терминал может использоваться ноутбук, персональный компьютер, смартфон, планшет или специальный терминал, обеспечивающий видеосвязь. Групповой терминал применяется для проведения групповой видеосвязи. Для этого используются комнаты, в которых расположено специальные сетевые приборы. Такие системы имеют только 1 общий выход и некоторое количество входов, которое необходимо для создания видеосвязи. Это могут обеспечить данные сетевые устройства –мультиплексоры.
Для создания новых локальных сетей или расширения возможностей у уже имеющихся всегда используются мульт
