Multiplexerový obvod a ako to funguje

Termín Multiplexer, ktorý sa tiež bežne nazýva „ MUX “ alebo „ MPX “, označuje výber jedného z mnohých dostupných vstupov. Profesor Shankar Balachandran (IIT-M) vysvetľuje multiplexovanie ako metódu prenosu veľkého množstva informačných jednotiek cez malý počet kanálov alebo liniek a digitálny multiplexor je kombinačný logický obvod, ktorý vyberá binárne informácie z jednej z mnohých vstupných liniek a nasmeruje ho na jeden výstupný riadok.

V tomto článku sa dozvieme, ako tieto multiplexory fungujú, ako ich navrhnúť pre náš projekt a tiež vyskúšame praktický príklad na prevádzkovej doske, aby sme skontrolovali prácu na hardvéri.

Základy multiplexerov:

Najlepším spôsobom, ako porozumieť multiplexerom, je pohľad na jednopólový viacpolohový systém, ako je to znázornené nižšie. Tu má prepínač viac vstupov D0, D1, D2 a D3, ale má iba jeden výstupný (výstupný) pin. Ovládací gombík sa používa na výber jedného zo štyroch dostupných údajov a tieto údaje sa prejavia na výstupnej strane. Týmto spôsobom môže užívateľ zvoliť požadovaný signál z mnohých dostupných signálov.

Toto je jednoduchý príklad mechanického multiplexora. Ale v elektronickom obvode, ktorý vyžaduje vysokorýchlostné prepínanie a dátové prenosy, by sme mali byť schopní zvoliť požadovaný vstup veľmi rýchlo pomocou digitálnych obvodov. Riadiace signály (S1 a S0) fungujú úplne rovnako, vyberajú jeden vstup z mnohých dostupných na základe signálu, ktorý im je poskytnutý. Takže tromi základnými a minimálnymi podmienkami na ktoromkoľvek multiplexore budú vstupné vstupné piny, výstupné kolíky a riadiaci signál

Vstupné kolíky: Toto sú dostupné signálne kolíky, z ktorých je potrebné jeden zvoliť. Tieto signály môžu byť buď digitálny signál alebo analógový signál.

Výstupný pin: Multiplexer bude mať vždy iba jeden výstupný pin. Signál zvoleného vstupného kolíka bude poskytovaný výstupným kolíkom.

Ovládací / výberový kolík: Ovládacie kolíky sa používajú na výber vstupného signálu kolíka. Počet riadiacich pinov na multiplexore závisí od počtu vstupných pinov. Napríklad multiplexer so 4 vstupmi bude mať 2 signálne piny.

Z dôvodu porozumenia zvážme vyššie uvedený 4-vstupový multiplexor. Má dva riadiace signály, pomocou ktorých môžeme zvoliť jedno z dostupných štyroch vstupných liniek. Nasledujúca tabuľka pravdy zobrazuje stav ovládacích pinov (S0 a S1) pre výber požadovaného vstupného kolíka.

Teraz, keď sme pochopili základy multiplexerov, poďme sa pozrieť na 2-vstupové multiplexory a 4-vstupové multiplexory, ktoré sa najčastejšie používajú v aplikačných obvodoch.

2-vstupové multiplexory:

Ako už názov napovedá pre 2-vstupové multiplexory, budeme mať 2 vstupné riadky a jeden výstupný riadok. Bude tiež mať iba jeden ovládací kolík na výber medzi dostupnými dvoma vstupnými pinmi. Ďalej je uvedené grafické znázornenie multiplexora 2: 1.

Tu sú vstupné kolíky pomenované ako D0 a D1 a výstupný kolík ako von. Užívateľ si môže zvoliť jeden zo vstupov, ktorý je buď D0 alebo D1, pomocou ovládacieho kolíka S0. Ak je hodnota S0 udržiavaná na nízkej hodnote (logika 0), bude sa vstup D0 odrážať na výstupnom kolíku a ak bude vstup S0 udržiavaný na vysokej hodnote (logika 1), bude sa vstup D1 odrážať na výstupnom kolíku. Tabuľka pravdy, ktorá predstavuje to isté, je uvedená nižšie

Ako vidíte z tabuľky vyššie, keď je riadiaci signál S0 0, výstup odráža hodnoty signálu D0 (zvýraznené modrou farbou) a podobne, keď je riadiaci signál S0 1, výstup odráža hodnoty signálu D1 (zvýraznené červenou farbou)). Existuje niekoľko dedikovaných balíkov IC, ktoré budú fungovať ako multiplexory priamo z balíka, ale keďže sa snažíme porozumieť kombinačným logickým návrhom, zostavme vyššie uvedený multiplexer s 2 vstupmi pomocou logických brán. Schéma logického zapojenia rovnakého obvodu je uvedená nižšie

Logický diagram využíva iba brány NAND, a preto ho možno ľahko vytvoriť na doske perf alebo dokonca na doske. Boolovský výraz pre logický diagram môže byť daný

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 môžeme ďalej jednoducho zjednodušiť pomocou zrušenia bežných výrazov, aby sa logický diagram stal oveľa jednoduchším a ľahšie zostaviteľným. Zjednodušený booleovský výraz je uvedený nižšie.

Von = S ₀ '. D ₀ + S _0. D ₁

Multiplexory vyššieho rádu (multiplexor 4: 1):

Keď pochopíte fungovanie multiplexera 2: 1, malo by byť ľahké pochopiť aj multiplexer 4: 1. Je to tak, že bude mať 4 vstupné piny a 1 výstupné piny s dvoma riadiacimi linkami. Tieto dve riadiace linky môžu vytvárať 4 rôzne kombinačné logické signály a pre každý signál bude vybraný jeden konkrétny vstup.

Počet riadiacich liniek pre akýkoľvek multiplexor možno zistiť pomocou nasledujúcich vzorcov

2 ^{Počet riadiacich riadkov} = Počet vstupných riadkov

Napríklad multiplexer 2: 1 bude mať 1 riadiaci riadok, pretože 2 ¹ = 2 a multiplexor 4: 1 bude mať 2 riadiace riadky, pretože 2 ² = 4. Podobne môžete vypočítať aj pre multiplexory vyššieho rádu.

Je tiež bežné kombinovať multiplexory nižšieho rádu ako 2: 1 a 4: 1 MUX a vytvoriť tak MUX vyššieho rádu ako multiplexer 8: 1. Teraz sa napríklad pokúsime implementovať multiplexor 4: 1 pomocou multiplexera 2: 1. Aby sme vytvorili MUX 4: 1 pomocou MUX 2: 1, budeme musieť spojiť tri MUX 2: 1.

Konečný výsledok by nám mal poskytnúť 4 vstupné piny, 2 ovládacie / výberové piny a jeden výstupný pin. Aby sa dosiahlo, že prvé dva MUX sú zapojené paralelne a potom je výstup z týchto dvoch napájaný ako vstup do ^3. MUX, ako je uvedené nižšie.

Riadiace / výberové vedenie prvých dvoch MUX je vzájomne spojené do jednej linky (S ₀) a potom je použité riadiace vedenie ^3. MUX ako druhý riadiaci / výberový signál. Nakoniec teda dostaneme multiplexer so štyrmi vstupmi (W0, W1, W2 a W3) a iba jedným výstupom (f). Tabuľka pravdy pre multiplexor 4: 1 je uvedená nižšie.

Ako vidíte v tabuľke vyššie, pre každú sadu hodnôt poskytovaných pinom riadiaceho signálu (S0 a S1) dostaneme odlišný výstup od vstupných pinov na našom výstupnom kolíku. Týmto spôsobom môžeme pomocou MUX zvoliť jeden z dostupných štyroch vstupných pinov, s ktorými budeme pracovať. Normálne budú tieto riadiace piny (S0 a S1) riadené automaticky pomocou digitálneho obvodu. Existujú určité vyhradené integrované obvody, ktoré môžu pôsobiť ako MUX a uľahčovať nám prácu, tak sa na ne pozrime.

Praktická implementácia multiplexora pomocou IC 4052:

Je vždy zaujímavé budovať a overovať veci prakticky tak, aby teória, ktorú sa učíme, mala väčší zmysel. Poďme si teda postaviť multiplexer 4: 1 a skontrolovať, ako to funguje. IC, ktoré tu používame, je MC14052B, ktorý má v sebe dva multiplexory 4: 1. Pinouts of the IC is shown below

Tu sú kolíky X0, X1, X2 a X3 štyri vstupné kolíky a kolík X je zodpovedajúci výstupný kolík. Ovládacie piny A a B sa používajú na výber požadovaného vstupu do výstupného pinu. Pin Vdd (pin 16) sa musí pripojiť k napájaciemu napätiu +5 V a pin Vss a Vee by mal byť uzemnený. Pin Vee je pre povolenie, čo je aktívny nízky pin, takže ho musíme uzemniť, aby sme umožnili tento IC. MC14052 je analógový multiplexor, čo znamená, že vstupné piny môžu byť napájané aj premenlivým napätím a to isté je možné získať aj cez výstupné piny. Nasledujúci obrázok GIF ukazuje, ako IC vydáva premenlivé vstupné napätie na základe poskytnutých riadiacich signálov. Vstupné piny majú napätie 1,5 V, 2,7 V, 3,3 V a 4,8 V, ktoré sa tiež získava na výstupnom kolíku na základe daného riadiaceho signálu.

Tento obvod môžeme tiež zostaviť cez nepájivú dosku a skontrolovať, či funguje. Aby som to urobil, použil som dve tlačidlá, ktoré sú vstupmi pre ovládacie piny A a B. Použil som sériu kombinácií rozdeľovačov potenciálov na zabezpečenie variabilného napätia pre piny 12, 14, 15 a 11. Výstupný kolík 13 je pripojený k LED. Variabilné napätia dodávané do LED diódy umožnia meniť jas na základe riadiacich signálov. Okruh, ktorý bude raz zostavený, bude vyzerať asi takto nižšie

Kompletné pracovné Video obvodu možno nájsť aj v dolnej časti tejto stránky. Dúfam, že ste pochopili fungovanie multiplexerov a viete, kde ich použiť vo svojich projektoch. Ak máte nejaké myšlienky alebo pochybnosti, nechajte ich v sekcii komentárov nižšie a pokúsim sa na ne čo najlepšie odpovedať. Môžete tiež použiť fóra na vyriešenie svojich technických pochybností a zdieľanie svojich znalostí s ostatnými členmi tejto komunity.