Układ multipleksera i jak to działa

Termin multiplekser, który jest również powszechnie nazywany „ MUX ” lub „ MPX ”, odnosi się do wyboru jednego wyjścia z wielu dostępnych wejść. Profesor Shankar Balachandran (IIT-M) wyjaśnia multipleksowanie jako metodę przesyłania dużej liczby jednostek informacji przez niewielką liczbę kanałów lub linii, a multiplekser cyfrowy to kombinacyjny obwód logiczny, który wybiera informacje binarne z jednej z wielu linii wejściowych i kieruje go do pojedynczego wiersza wyjściowego.

W tym artykule dowiemy się, jak działają te multipleksery, jak zaprojektować jeden dla naszego projektu, a także wypróbujemy praktyczny przykład na płytce prototypowej, aby sprawdzić działanie sprzętu.

Podstawy multiplekserów:

Najlepszym sposobem zrozumienia multiplekserów jest spojrzenie na pojedynczy biegun umieszczony w wielu pozycjach, jak pokazano poniżej. Tutaj przełącznik ma wiele wejść D0, D1, D2 i D3, ale ma tylko jeden pin wyjściowy (wyjściowy). Pokrętło sterowania służy do wyboru jednego z czterech dostępnych danych, które zostaną odzwierciedlone po stronie wyjściowej. W ten sposób użytkownik może wybrać wymagany sygnał spośród wielu dostępnych sygnałów.

To jest prosty przykład mechanicznego multipleksera. Ale w układzie elektronicznym, który wymaga szybkiego przełączania i przesyłania danych, powinniśmy być w stanie bardzo szybko wybrać wymagane wejście za pomocą układów cyfrowych. Sygnały sterujące (S1 i S0) robią dokładnie to samo, wybierają jedno wejście z wielu dostępnych na podstawie dostarczonego do nich sygnału. Tak więc trzy podstawowe i podstawowe warunki minimalne w każdym multiplekserze to Piny wejściowe, Piny wyjściowe i Sygnał sterujący

Piny wejściowe: Są to dostępne piny sygnałowe, z których należy wybrać. Sygnały te mogą być sygnałem cyfrowym lub analogowym.

Styk wyjściowy: Multiplekser zawsze będzie miał tylko jeden styk wyjściowy. Wybrany sygnał wejściowy będzie dostarczany przez pin wyjściowy.

Kołki sterujące / wyboru: Kołki sterujące służą do wyboru sygnału wejściowego. Liczba pinów sterujących w multiplekserze zależy od liczby pinów wejściowych. Na przykład multiplekser z 4 wejściami będzie miał 2 piny sygnałowe.

Dla zrozumienia rozważmy pokazany powyżej multiplekser z 4 wejściami. Posiada dwa sygnały sterujące, za pomocą których możemy wybrać jedną z dostępnych czterech linii wejściowych. Poniższa tabela prawdy ilustruje stan pinów sterujących (S0 i S1) do wyboru wymaganego styku wejściowego.

Teraz, gdy zrozumieliśmy podstawy multiplekserów, przyjrzyjmy się multiplekserom z 2 wejściami i multiplekserami z 4 wejściami, które są najczęściej używane w obwodach aplikacji.

Multipleksery z 2 wejściami:

Jak sama nazwa wskazuje, dla multiplekserów z 2 wejściami będziemy mieć 2 linie wejściowe i jedną linię wyjściową. Ponadto będzie miał tylko jeden pin sterujący do wyboru między dwoma dostępnymi pinami wejściowymi. Graficzne przedstawienie multipleksera 2: 1 pokazano poniżej.

Tutaj piny wejściowe są nazwane D0 i D1, a styk wyjściowy jest nazwany jako out. Użytkownik może wybrać jedno z wejść, które jest D0 lub D1, używając pinu sterującego S0. Jeśli S0 jest utrzymywane w stanie niskim (logika 0), to wejście D0 będzie odzwierciedlone na pinie wyjściowym, a jeśli wejście S0 jest utrzymywane w stanie wysokim (logika 1), wówczas wejście D1 będzie odzwierciedlone na pinie wyjściowym. Tabela prawdy reprezentująca to samo jest pokazana poniżej

Jak widać z powyższej tabeli, gdy sygnał sterujący S0 ma wartość 0, wyjście odzwierciedla wartości sygnału z D0 (podświetlone na niebiesko) i podobnie, gdy sygnał sterujący S0 wynosi 1, wyjście odzwierciedla wartości sygnału z D1 (podświetlone na czerwono)). Istnieje kilka dedykowanych pakietów IC, które będą działać jako multipleksery bezpośrednio po wyjęciu z pakietu, ale ponieważ próbujemy zrozumieć konstrukcje logiki kombinacyjnej, zbudujmy powyższy multiplekser 2-wejściowy przy użyciu bramek logicznych. Schemat obwodu logicznego dla tego samego pokazano poniżej

Schemat logiczny wykorzystuje tylko bramki NAND i dlatego można go łatwo zbudować na płycie perf lub nawet na płytce stykowej. Wyrażenie logiczne dla diagramu logicznego można podać przez

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

Możemy dalej uprościć to wyrażenie logiczne, używając anulowania wspólnych terminów, dzięki czemu diagram logiczny stanie się znacznie prostszy i łatwiejszy do skonstruowania. Poniżej podano uproszczone wyrażenie boolowskie.

Out = S ₀ '.D ₀ + S ₀.D ₁

Multipleksery wyższego rzędu (multiplekser 4: 1):

Po zrozumieniu działania multipleksera 2: 1 powinno być łatwo również zrozumieć multiplekser 4: 1. Po prostu będzie miał 4 piny wejściowe i 1 piny wyjściowe z dwoma liniami sterującymi. Te dwie linie sterujące mogą tworzyć 4 różne kombinacyjne sygnały logiczne i dla każdego sygnału zostanie wybrane jedno określone wejście.

Liczbę linii sterujących dla dowolnego multipleksera można znaleźć za pomocą poniższych wzorów

2 ^{Liczba linii kontrolnych} = liczba linii wejściowych

Na przykład multiplekser 2: 1 będzie miał 1 linię sterującą, ponieważ multiplekser 2 ¹ = 2 i multiplekser 4: 1 będzie miał 2 linie sterujące, ponieważ 2 ² = 4. Podobnie można obliczyć dla dowolnego multipleksera wyższego rzędu.

Powszechne jest również łączenie z multiplekserami niższego rzędu, takimi jak MUX 2: 1 i 4: 1, w celu utworzenia multipleksera wyższego rzędu, takiego jak multiplekser 8: 1. Teraz na przykład spróbujmy zaimplementować multiplekser 4: 1 za pomocą multipleksera 2: 1. Aby skonstruować MUX 4: 1 z MUXem 2: 1, będziemy musieli połączyć razem trzy MUX 2: 1.

Końcowy wynik powinien dać nam 4 piny wejściowe, 2 piny sterujące / wyboru i jeden styk wyjściowy. Aby osiągnąć pierwsze dwa MUX są połączone równolegle i następnie wyjście z tych dwóch zawraca się na wejściu do 3 ^-ciej MUX, jak pokazano poniżej.

Kontrola / linia wyboru pierwszego multipleksera są dwa połączone ze sobą w celu utworzenia pojedynczej linii S (₀), a następnie przewód sterujący 3 ^rd multipleksera jest stosowany jako drugi regulator / sygnałem wybierania. W efekcie otrzymujemy multiplekser z czterema wejściami (W0, W1, W2 i W3) i tylko jednym wyjściem (f). Stół prawda na 4: 1 multiplekser jest pokazany poniżej.

Jak widać w powyższej tabeli, dla każdego zestawu wartości dostarczonych do pinów sygnału sterującego (S0 i S1) otrzymujemy inne wyjście z pinów wejściowych na naszym pinie wyjściowym. W ten sposób możemy użyć MUX, aby wybrać jeden z czterech dostępnych pinów wejściowych do pracy. Zwykle te piny sterujące (S0 i S1) będą sterowane automatycznie za pomocą obwodu cyfrowego. Istnieją pewne dedykowane układy scalone, które mogą działać jako MUX i ułatwić nam pracę, więc przyjrzyjmy się im.

Praktyczna implementacja multipleksera przy użyciu IC 4052:

Zawsze interesujące jest budowanie i weryfikowanie rzeczy w praktyce, tak aby teoria, której się uczymy, miała większy sens. Zbudujmy więc multiplekser 4: 1 i sprawdźmy, jak działa. Układ scalony, którego tutaj używamy, to MC14052B, który ma wewnątrz dwa multipleksery 4: 1. Pinouty układu scalonego pokazano poniżej

Tutaj piny X0, X1, X2 i X3 są czterema pinami wejściowymi, a pin X jest odpowiadającym mu pinem wyjściowym. Kołki sterujące A i B służą do wyboru wymaganego wejścia do styku wyjściowego. Pin Vdd (pin 16) musi być podłączony do napięcia zasilania, które wynosi + 5V, a pin Vss i Vee powinien być uziemiony. Pin Vee służy do włączania, który jest aktywnym pinem niskim, więc musimy go uziemić, aby włączyć ten układ scalony. MC14052 to analogowy multiplekser, co oznacza, że ​​piny wejściowe mogą być również zasilane zmiennym napięciem i to samo można uzyskać za pomocą pinów wyjściowych. Poniższy obraz GIF pokazuje, jak układ scalony wyprowadza zmienne napięcie wejściowe na podstawie dostarczonych sygnałów sterujących. Piny wejściowe mają napięcie 1,5 V, 2,7 V, 3,3 V i 4,8 V, które jest również uzyskiwane na pinie wyjściowym na podstawie podanego sygnału sterującego.

Możemy również zmontować ten obwód na płytce stykowej i sprawdzić, czy działają. Aby to zrobić, użyłem dwóch przycisków, które są wejściami dla pinów sterujących A i B. I użyłem szeregu kombinacji dzielników potencjału, aby zapewnić zmienne napięcie dla pinów 12, 14, 15 i 11. Pin wyjściowy 13 jest podłączony do DOPROWADZIŁO. Zmienne napięcia dostarczane do diody LED powodują zmianę jasności na podstawie sygnałów sterujących. Raz zbudowany obwód będzie wyglądał mniej więcej tak jak poniżej

Kompletny wideo roboczego układu można również znaleźć na dole tej strony. Mam nadzieję, że rozumiesz działanie multiplekserów i wiesz, gdzie ich używać w swoich projektach. Jeśli masz jakieś przemyślenia lub wątpliwości, zostaw je w sekcji komentarzy poniżej, a ja postaram się jak najlepiej odpowiedzieć. Możesz również skorzystać z forów, aby rozwiązać swoje wątpliwości techniczne i podzielić się swoją wiedzą z innymi członkami tej społeczności.