Multiplexerový obvod a jak to funguje

Termín Multiplexer, který se také běžně nazývá „ MUX “ nebo „ MPX “, označuje výběr jednoho z mnoha dostupných vstupů. Profesor Shankar Balachandran (IIT-M) vysvětluje multiplexování jako metodu přenosu velkého počtu informačních jednotek přes malý počet kanálů nebo linek a digitální multiplexor je kombinační logický obvod, který vybírá binární informace z jedné z mnoha vstupních linek a směruje jej na jeden výstupní řádek.

V tomto článku se dozvíme, jak tyto multiplexery fungují, jak navrhnout jeden pro náš projekt a také vyzkoušet praktický příklad na prkénku pro kontrolu práce na hardwaru.

Základy multiplexerů:

Nejlepší způsob, jak porozumět multiplexorům, je pohled na jednopólový vícepolohový systém, jak je znázorněno níže. Zde má přepínač více vstupů D0, D1, D2 a D3, ale má pouze jeden výstup (výstup). Ovládací knoflík slouží k výběru jednoho ze čtyř dostupných dat a tato data se projeví na výstupní straně. Tímto způsobem může uživatel vybrat požadovaný signál z mnoha dostupných signálů.

Toto je prostý příklad mechanického multiplexeru. Ale v elektronickém obvodu, který zahrnuje vysokorychlostní přepínání a datové přenosy, bychom měli být schopni vybrat požadovaný vstup velmi rychle pomocí digitálních obvodů. Řídicí signály (S1 a S0) fungují úplně stejně, vybírají jeden vstup z mnoha dostupných na základě signálu, který jim je poskytován. Tři základní a minimální požadavky na libovolném multiplexeru budou tedy vstupní vstupní piny, výstupní kolík a řídicí signál

Vstupní piny: Jedná se o dostupné signální piny, ze kterých je třeba vybrat jeden. Tyto signály mohou být buď digitální, nebo analogové.

Výstupní kolík: Multiplexer bude mít vždy pouze jeden výstupní kolík. Signál vybraného vstupního kolíku bude poskytován výstupním kolíkem.

Ovládací / výběrový kolík: Ovládací kolíky se používají k výběru signálu vstupního kolíku. Počet ovládacích kolíků na multiplexeru závisí na počtu vstupních kolíků. Například multiplexer se 4 vstupy bude mít 2 signální piny.

Pro pochopení účelu uvažujme multiplexer se 4 vstupy, který je zobrazen výše. Má dva řídicí signály, pomocí kterých můžeme vybrat jednu z dostupných čtyř vstupních linek. Pravdivostní tabulka níže ilustruje stav ovládacích kolíků (S0 a S1) pro výběr požadovaného vstupního kolíku.

Nyní, když jsme pochopili základy multiplexerů, pojďme se podívat na 2-vstupové multiplexery a 4-vstupové multiplexery, které se nejčastěji používají v aplikačních obvodech.

Multiplexery se dvěma vstupy:

Jak název napovídá pro multiplexery se dvěma vstupy, budeme mít 2 vstupní linky a jednu výstupní linku. Také bude mít pouze jeden ovládací kolík pro výběr mezi dostupnými dvěma vstupními piny. Níže je uvedeno grafické znázornění multiplexeru 2: 1.

Zde jsou vstupní piny pojmenovány jako D0 a D1 a výstupní kolík jako out. Uživatel může vybrat jeden ze vstupů, který je buď D0 nebo D1, pomocí ovládacího kolíku S0. Pokud je hodnota S0 udržována nízká (logika 0), bude se vstup D0 odrážet na výstupním kolíku a pokud bude vstup S0 udržován vysoký (logika 1), bude se vstup D1 odrážet na výstupním kolíku. Tabulka pravdy představující totéž je uvedena níže

Jak je vidět z výše uvedené tabulky, když je řídicí signál S0 0, výstup odráží hodnoty signálu D0 (zvýrazněné modře) a podobně, když je řídicí signál S0 1, výstup odráží hodnoty signálu D1 (červeně zvýrazněné)). Existuje několik specializovaných IC balíčků, které budou fungovat jako multiplexery přímo z balíčku, ale protože se snažíme porozumět kombinačním logickým návrhům, vytvořme výše uvedený multiplexer se dvěma vstupy pomocí logických bran. Schéma logického zapojení je stejné níže

Logický diagram využívá pouze brány NAND, a proto jej lze snadno sestavit na desce perf nebo dokonce na prkénku. Logický výraz pro logický diagram může být dán vztahem

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

Tento logický výraz můžeme dále jednoduše použít pomocí zrušení běžných výrazů, takže logický diagram bude mnohem jednodušší a snadněji sestrojitelný. Zjednodušený booleovský výraz je uveden níže.

Out = S ₀ '.D ₀ + S ₀.D ₁

Multiplexory vyššího řádu (multiplexer 4: 1):

Jakmile pochopíte fungování multiplexeru 2: 1, mělo by být snadné pochopit i multiplexer 4: 1. Jde pouze o to, že bude mít 4 vstupní piny a 1 výstupní piny se dvěma ovládacími linkami. Tyto dvě řídicí linky mohou tvořit 4 různé kombinační logické signály a pro každý signál bude vybrán jeden konkrétní vstup.

Počet řídicích linek pro libovolný multiplexer lze zjistit pomocí níže uvedených vzorců

2 ^{Počet řídicích linek} = Počet vstupních linek

Například multiplexer 2: 1 bude mít 1 řídicí linku, protože 2 ¹ = 2 a multiplexer 4: 1 bude mít 2 řídicí linky, protože 2 ² = 4. Podobně můžete počítat pro jakékoli multiplexery vyššího řádu.

Je také běžné kombinovat multiplexery nižšího řádu jako 2: 1 a 4: 1 MUX a vytvořit MUX vyššího řádu jako multiplexer 8: 1. Nyní se například pokusíme implementovat multiplexer 4: 1 pomocí multiplexeru 2: 1. Abychom vytvořili MUX 4: 1 pomocí MUX 2: 1, budeme muset spojit tři MUX 2: 1 dohromady.

Konečný výsledek by nám měl dát 4 vstupní piny, 2 ovládací / výběrové piny a jeden výstupní pin. Pro dosažení první dvě MUX je připojen paralelně a pak je výstup z těchto dvou jsou napájeny jako vstup do 3 ^rd MUX, jak je uvedeno níže.

Kontrolní / select řádek první dvě MUX je spojena dohromady pro vytvoření jednoho řádku (S ₀) a potom kontrolní linie 3 ^třetího MUX se použije jako druhý řídicí / signálu pro výběr. Nakonec tedy získáme multiplexer se čtyřmi vstupy (W0, W1, W2 a W3) a pouze jedním výstupem (f). Tabulka pravdivosti multiplexeru 4: 1 je uvedena níže.

Jak vidíte v tabulce výše, pro každou sadu hodnot poskytovaných pinům řídicího signálu (S0 a S1) dostaneme odlišný výstup od vstupních pinů na našem výstupním pinu. Tímto způsobem můžeme pomocí MUX vybrat jeden ze čtyř dostupných vstupních pinů, se kterými pracujeme. Normálně budou tyto ovládací piny (S0 a S1) ovládány automaticky pomocí digitálního obvodu. Existují určité specializované IC, které mohou fungovat jako MUX a usnadnit nám práci, tak se na ně podívejme.

Praktická implementace multiplexeru pomocí IC 4052:

Je vždy zajímavé věci budovat a ověřovat prakticky, aby teorie, kterou se učíme, měla větší smysl. Postavme tedy multiplexer 4: 1 a zkontrolujte, jak funguje. IC, které zde používáme, je MC14052B, který má uvnitř dva multiplexery 4: 1. Pinouts IC jsou zobrazeny níže

Zde jsou kolíky X0, X1, X2 a X3 čtyři vstupní kolíky a kolík X je odpovídající výstupní kolík. Ovládací kolíky A a B se používají k výběru požadovaného vstupu do výstupního kolíku. Pin Vdd (pin 16) se musí připojit k napájecímu napětí +5 V a pin Vss a Vee by měl být uzemněn. Pin Vee je pro povolení, což je aktivní nízký pin, takže ho musíme uzemnit, abychom povolili tento IC. MC14052 je analogový multiplexer, což znamená, že vstupní piny lze také napájet proměnným napětím a to samé lze získat i přes výstupní piny. Níže uvedený obrázek GIF ukazuje, jak IC vydává proměnné vstupní napětí na základě poskytnutých řídicích signálů. Vstupní kolíky mají napětí 1,5 V, 2,7 V, 3,3 V a 4,8 V, které se také získává na výstupním kolíku na základě daného řídicího signálu.

Můžeme také sestavit tento obvod na prkénku a zkontrolovat, zda funguje. K tomu jsem použil dvě tlačítka, která jsou vstupy pro ovládací piny A a B. VEDENÝ. Díky variabilním napětím dodávaným do LED lze měnit jas na základě řídicích signálů. Okruh po sestavení bude vypadat níže

Kompletní pracovní Video obvodu lze nalézt také v dolní části této stránky. Doufám, že jste pochopili fungování multiplexerů a víte, kde je použít ve svých projektech. Pokud máte nějaké myšlenky nebo pochybnosti, nechte je v sekci komentářů níže a já se pokusím co nejlépe na ně reagovat. Fóra můžete také použít k vyřešení svých technických pochybností a sdílení svých znalostí mezi ostatními členy této komunity.