Мультиплексоры и демультиплексоры презентация. Мультиплексоры, демультиплексоры

В компьютерных схемах используется множество деталей, которые по отдельности кажутся бесполезными (и в большинстве случае они таковими и являются). Но стоит их, придерживаясь законов физики, собрать в логическую систему, как они могут оказаться просто незаменимыми. Хорошим примером являются мультиплексоры и демультиплексоры. Они играют важную роль при создании систем связи. Мультиплексор - это несложно. И вы сами в этом убедитесь прочитав статью.

Мультиплексор - это что?

Под мультиплексором понимают устройство, которое выбирает один из нескольких входов, а потом подключает к своему выходу. Всё зависит от состояния двоичного кода. Мультиплексор используется как переключатель сигналов, который имеет несколько входов и только один выход. Механизм его работы можно описать такой таблицей:

Подобные таблицы можно увидеть при изучении программирования, а конкретнее - при решении задач логического выбора. Сначала про аналоговый мультиплексор. Они соединяют входы и выходы напрямую. Существует оптический мультиплексор, который является более сложными. Они просто копируют получаемые значения.

Что такое демультиплексор?

Под демультиплексором понимают устройство с одним входом и множеством выходов. Что к чему будет подключаться - определяет двоичный код. Для этого он считывается, и выход, который имеет необходимое значение, подключается к входу. Как видите, данные устройства не обязательно должны действовать в паре для полноценной работы, а своё название получили из-за выполняемого функционала.

Схема мультиплексора

Давайте рассмотрим схему мультиплексора. Самая большая часть - это элемент И-ИЛИ. Он может иметь разное количество входов, начиная от двух и теоретически до бесконечности. Но, как правило, больше чем на 8 входов их не делают. Каждый отдельный вход называется инвертором. Те, что расположены слева, называют информационными. Посередине находятся адресные входы. Справа обычно подключается элемент, который определяет, будет ли работать сам мультиплексор. Это может быть дополнено входом с инверсией. Для письменного обозначения количества входов и для показа, что это мультиплексор, используют записи такого типа: «1*2». Под единицей понимают количество выводов, что идут в утройство. Двойка используется для обозначения выхода и обычно равна 1. В зависимости от количества адресных входов определяется, какой будет разряд у мультиплексора, и в данном случае используется формула: 2 n . Вместо n как раз и подставляют необходимое значение. В данном случае 2 2 = 4. Если для двоичного или троичного мультиплексора разница количества входов и выходов составляет соответственно два и три, то говорят, что они полные. При меньшем значении они неполные. Вот такое устройство имеет мультиплексор. Схема дополнительно представлена в виде изображения, чтобы вы имели самое полное представление о его строении.

Схема демультиплексора

Для коммутации каналов в демультиплексорах используются только логические элементы «И». Учитывайте, что КМОП-микросхемы часто строятся с применением ключей на полевых транзисторах. Поэтому к ним не применяется понятие демультиплексора. Можно ли сделать так, чтобы одно устройство могла изменить свои свойства на диаметрально противоположные? Да, если поменять местами информационные выходы и входы, вследствие чего к названию "мультиплексор" можно добавлять префикс «де-». По своему предназначению они похожи на дешифраторы. Несмотря на имеющуюся разницу, оба прибора в отечественных микросхемах обозначаются одними и теми же буквами - ИД. Демультиплексоры выполняют однооперандные (одновходные, унитарные) логические функции, которые имеют значительное количество возможных вариантов реакции на сигнал.

Виды мультиплексоров

В основном различают всего два вида мультиплексоров:

1. Терминальные. Данный тип мультиплексоров располагают на концах линии связи, по которой осуществляется передача каких-то данных.
2. Ввода/Вывода. Они применяются в качестве инструментария, который устанавливается в разрыв линии связи, чтобы вывести несколько каналов информации из общего потока. Таким способом обходят необходимость установки терминальных мультиплексоров, которые являются более дорогими механизмами.

Стоимость мультиплексоров

Стоит подметить, что мультиплексоры - удовольствие не из дешевых. Самый дешевый на сегодняшний момент стоит больше 12 тысяч рублей, верхний предел - 270 000. Но даже при таких ценах они всё равно почти всегда выгодней прокладки новой линии. Но такая выгода присутствует, только если есть квалифицированные кадры, которые смогут выполнить весь объем работ надлежащим образом и установят правильно мультиплексор. Цена может немного повыситься, если нет штатного специалиста. Но их всегда можно нанять в специализированных компаниях.

Мультиплексирование

Мультиплексирование сигналов осуществляется из-за значительной стоимости самих каналов связи, а также из-за затрат с их обслуживанием. К тому же с чисто физической точки зрения то, что имеется сейчас, не используется на полную мощность. Установка мультиплексора для работы в системе является более выгодной в денежном отношении, чем организация нового канала. К тому же на этот процесс приходится тратить меньше времени, что тоже предполагает определённые материальные выгоды.

В рамках статьи ознакомимся с принципом действия частотного мультиплексирования. При нём под каждый входящий поток в общем канале связи специально выделяют отдельный диапазон частот. А перед мультиплексором ставят задачу, чтобы он переносил спектр каждого из входящих спектров в другой интервал значений. Это делается для исключения возможности пересечения разных каналов. Чтобы они не превратились в помеху один для другого даже при выходе за отведённые рамки, используют технологию защитных интервалов. Она заключается в том, что оставляют определённую частоту между каждым каналом, которая примет на себя удар неполадок и не скажется на общем состоянии системы. Применено FDMA-мультиплексирование может быть в оптических и электрических линиях связи.

Из ограниченности ресурсов создалась возможность усовершенствования механизма. В конечном результате всё вылилось в процесс под названием «временное мультиплексирование». При данном механизме в общем высокоскоростном потоке отводится небольшой временной промежуток для передачи одного входного сигнала. Но это не единственный вариант реализации. Может быть и такое, что отведена определённая часть времени, которая циклично повторяется через заданный интервал. В общем перед мультиплексором в данных случаях стоит задача обеспечения циклического доступа к среде передачи данных, которая должна быть открыта входящим потокам на протяжении небольших промежутков.

Заключение

Мультиплексор - это то, что расширяет возможности коммуникаций. В рамках статьи были рассмотрены приборы, используемые для передачи данных, которые позволяют значительным образом экономить на данной статье расходов. Также было кратко рассмотрено их схематическое строение и понятие мультиплексирования, его особенности и применение. Таким образом, мы рассмотрели теоретическую базу. Она понадобится для перехода к практике при желании исследовать мультиплексоры и демультиплексоры.

Мультиплексор (MUX – multiplex- многократный) позволяет коммутировать в численном порядке информацию, поступающую с нескольких входных шин на одну выходную. С его помощью осуществляется временное разделение информации, поступающей по разным каналам.

Схема мультиплексора на 2 входа приведена на рис. 2.9.

Рис. 2.9 Схема двухвходового мультиплексора

– информационные входы

А – адресный вход

В зависимости от значения 1 или 0, подаваемых на адресный вход, на выходе Y формируется сигнал или . Это логическая структура мультиплексора вида 2:1. Читается: две линии к одной.

Логическая структура мультиплексора вида 4:1, составляющая ½ микросхемы К155КП2 приведена на рис. 2.10.

Рис. 2.10 Структурная схема мультиплексора вида 4:1

D 1 – D 4 – информационные входы

А, В – адресные входы

А – младший разряд

В – старший разряд

ЕI – разрешающий вход

Если EI=1, то на схемы И поступает 0 и мультиплексор не работает, то есть работа возможна только при EI=0.

В табл. 2.2 приведены все возможные сочетания входных воздействий и отклики мультиплексора.

Таблица 2.2

Мультиплексор вида 4:1

Мультиплексор К155КП1 имеет 16 информационных входов (D0 – D15) и четыре управляющих входа A, B, C, D, разрешающий вход V и один инверсный выход F. В зависимости от цифровой комбинации на управляющих входах сигналы с соответствующего информационного входа проходят в инвертированном виде на выход микросхемы. Передача информации возможна только при низком уровне на разрешающем входе.

Если требуется структура с большим количеством входов, то можно воспользоваться схемой наращивания разрядности, приведенной на рис. 2.11.

Рис. 2.1 Мультиплексор вида 32:1 на основе двух микросхем К155КП1

Адресными входами низших разрядов служат соединенные параллельно входы A, B, C и D. Разрешающие входы V в данном случае используются для подачи высшего (пятого) разряда Е: на первую микросхему в прямом виде, на вторую в инверсном. Первая микросхема работает при нулевом сигнале высшего разряда (Е=0); а вторая – при единичном (Е=1). Благодаря логическому элементу И-НЕ на выходе, выходные сигналы будут одинаковы с входными.

Мультиплексоры с Z-состоянием выходов легко позволяют увеличивать число коммутируемых каналов без привлечения дополнительных логических элементов для объединения выходов нескольких микросхем.

На рис. 2.12 приведена схема наращивания разрядности мультиплексора с использованием микросхем, имеющих Z-состояние выхода.

Рис. 2.12 Схема наращивания разрядности мультиплексоров, имеющих Z-состояние

Демультиплексоры

Демультиплексоры противоположны в функциональном отношении мультиплексорам, то есть их назначение распределить сигналы с одного информационного входа в желаемой последовательности по нескольким выходам.

Схема демультиплексора на 2 выхода представлена на рис. 2.13.

Рис. 2.13 Демультиплексор вида 1:2

Информационный вход

А – адресный вход

В зависимости от значения А информация поступает на или

Логические функции демультиплексора и дешифратора сходны между собой.

Дешифратор можно рассматривать как обращенный по входам демультиплексор, у которого адресные входы стали информационными, а бывший информационный вход стал управляющим.

Рассмотрим структуру демультиплексора-дешифратора, представленного на рис. 2.14.

Работу устройства описывают следующие булевые уравнения:

Рис. 2.14 Логическая структура демультиплексора 1:4 – дешифратора 2:4

A, B – адресные входы

Х – информационный вход

V – вход управления

В табл. 2.3 приведены режимы работы этой схемы в качестве демультиплексора и в качестве дешифратора.

Таблица 2.3

Таблица истинности демультиплексора-дешифратора

Типичным представителем демультиплексора - дешифратора является интегральная микросхема К155ИД3 (аналог 74154).

A, B, C, D – информационные входы

G1, G2 – разрешающие входы

Режим демультиплексора 1:16

G1 = 0, тогда G2 – информационный. Кодовая комбинация A-B-C-D переводит один из 16 выходов в активное состояние, которому соответствует логический 0, остальные выходы сохраняют логическую 1.

Существенно, что сигналы на активном выходе повторяют сигналы в прямом виде, поступающие на информационный вход.

Режим дешифратора 4:16

G1 = G2 = 0, тогда A-B-C-Dинформационные входы.

Если G1 или G2 равен 1, то на всех выходах, независимо от состояний входов A-B-C-D установится логическая 1.

Мультиплексоры и демультиплексоры (ДМХ) КМОП являются коммутаторами сигналов в прямом смысле, то есть могут передавать аналоговые сигналы.

MUX как универсальный логический элемент

Использование мультиплексора в качестве универсального логического элемента основано на общем свойстве логических функций независимо от числа аргументов всегда равняться логической единице или нулю. Если на адресные входы мультиплексора подавать входные переменные, зная, какой выходной уровень должен отвечать каждому сочетанию этих сигналов, то предварительно установив на информационных входах потенциалы нуля и единицы согласно программе, получим устройство, реализующее требуемую функцию.

Примеры применения мультиплексора

1. Преобразование параллельного кода в последовательный.

Одним из способов перехода от параллельного кода к последовательному может служить схема, приведенная на рис. 2.15.

Рис. 2.15 Схема преобразования параллельного кода Х 0 - Х 15 в последовательный

Генератор вырабатывает импульсы, которые поступая на счетчик СТ заставляют его триггеры последовательно менять свое состояние от 0000 до 1111. Параллельный шестнадцатиразрядный код, подлежащий преобразованию в последовательный, подается на входы Х 0 – Х 15 . Каждый из входов Х 0 – Х 15 соединяется с выходом MUX согласно списку состояний счетчика. Перебрав весь список, мы выведем последовательно на выход F все разряды параллельного кода.

2. Программируя информационные входы MUX согласно таблице истинности можно получить устройства, реализующие любую логическую функцию, содержащую до n+1 переменных, где n – число адресных входов мультиплексора.

Пример № 1 : Реализовать на MUX функцию, заданную таблицей истинности:

Видим, что в пределах одной большой строки аргумент «а» не меняется, а аргумент «b» колеблется 0-1. Оценим взаимосвязь поведения аргумента «b» и отклика функции Y. Очевидно, что в верхней строке Y повторяет значения b, а в нижней - противоположен. Следовательно, от мультиплексора требуется выполнение всего двух функций: b и b̅, а это в два раза уменьшает мощность применяемого МХ. Схема реализации той же задачи примет вид:

Каждый из рассмотренных способов решения имеет свои достоинства и недостатки. Так при решении задачи первым способом нам не потребуются дополнительные логические элементы – инверторы, а при втором способе потребуется один инвертор. Зато, как уже отмечалось, при втором способе решения требуется мультиплексор меньшей мощности.

Пример № 2: Функция трех переменных задана таблицей истинности:

Расчленим мысленно таблицу истинности на группы по 2 строки в каждой (в каждой группе неизменны; аргумент может иметь 2 состояния; F принимает одно из четырех значений:

F 1 = 1, F 2 = , F 3 = 0, F 4 =

Если переменные сигналы подключить к адресным входам MUX А и В, а на информационные входы подать согласно таблице постоянные потенциалы логической единицы и нуля и переменные сигналы , то получим искомую схему.

Пример № 3: Таблицей истинности задана функция трех переменных (мажоритарный элемент)

Решение: расчленим мысленно таблицу истинности на группы по 2 строки в каждой (в каждой группе a и b неизменны; аргумент «c» может иметь 2 состояния; F принимает одно из трех значений:

F 1 = 0, F 2 = с, F 3 = с, F 4 = 1

Реализация на MUX 4:1 с разрешающим входом

Пример № 4 : Разработать схему компаратора двухразрядных чисел А и В. А = ; В=

Пример № 5: Сумматор на MUX . Составим таблицу истинности для сумм двух одноразрядных чисел А и В и функции переноса Р i . Разобьем на две строки, так, что А и В не меняют свое значение, а . Найдем и для каждой пары строк таблицы.

Реализация: Воспользуемся MUX К155КП2 или 564КП1 имеющими 2 четырехвходовых MUX в одном корпусе.

Сумматоры

Это устройства, предназначенные для сложения чисел в двоичном и реже в 2-10 коде.

Классификация сумматоров:

1) По характеру действия: комбинационные (не имеющие памяти);

накопительные (сохраняющие результаты вычислений).

2) По способу обработки чисел: последовательного и параллельного типа.

3) По способу формирования сигнала переноса: с последовательным, сквозным и групповым переносом.

Полусумматор

S = - функция суммы

P = - функция переноса

S – бит суммы; Р – бит переноса;

HS – half sum – полусумматор.

Обозначение на схемах

Таблица истинности полусумматора.

Развернутая схема полусумматора приведена на рис. 2.16.

Рис. 2.16 Полусумматор

Полусумматор пригоден для сложения двух чисел только в младшем разряде. Как видно из схемы сложения двух многоразрядных чисел для n-го разряда необходим бит переноса . Поэтому полный сумматор должен иметь 3 входа.

Полный сумматор

Таблица истинности сумматора

Схема полного сумматора на элементах М2 приведена на рис. 2.17.

Рис. 2.17 Полный сумматор на элементах М2

Сумматор можно выполнить и на простых логических элементах (рис. 2.18).

Рис. 2.18 Полный сумматор на элементарных логических элементах.

Условное обозначение одноразрядного сумматора

Сумматоры последовательного действия

Используется один общий для всех разрядов полный сумматор с дополнительной цепью задержки (рис. 2.19).

Рис. 2.19 Структура последовательного многоразрядного сумматора

Оба слагаемых кодируются последовательностями импульсов, которые синхронно вводятся в сумматор через входы А и В, начиная с младших разрядов.

Цепь временной задержки (л.з.) обеспечивает хранение импульса переноса на время одного такта, то есть до прихода пары слагаемых следующего разряда, с которыми он будет просуммирован.

Достоинство: малые аппаратные затраты.

Недостатки: 1) низкое быстродействие, так как одновременно суммируется лишь пара слагаемых;

2) для хранения А и В и преобразования последовательного кода выходных импульсов S в параллельный необходимы дополнительные аппаратные затраты.

Сумматоры параллельного типа

Схема сумматора параллельного типа с последовательным переносом приведена на рис. 2.20.

Рис. 2.20 Параллельный сумматор с трактом последовательного переноса

Число сумматоров равно числу разрядов слагаемых, поэтому слагаемые А и В складываются во всех разрядах одновременно, а перенос Р поступает с окончанием операции сложения в предыдущем разряде.

Недостатки: Ограниченное быстродействие, так как формирование сигнала переноса на выходе старшего разряда не может произойти до тех пор, пока сигнал переноса младшего разряда не распространится последовательно по всей схеме.

Уменьшение времени распространения сигнала переноса достигается тем, что для каждого двоичного разряда дополнительно находятся два сигнала: образования переноса G i и распространения переноса H i .

МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ/ ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРЫ.

Мультиплексоры.

Назначение и принцип работы.

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. 6.26,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.

рис 6.26

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.

Функционирование мультиплексора определяется табл. 6.13. 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. 6.26,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 (6.24) 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. 6.14. Логическое выражение функции

Рассматривая переменные x l , х 2 в качестве адресных переменных получим табл. 6.15, из которой видно, что мультиплексор на выходе Q реализует заданную логическую функцию. Принципиальная схема показана на рис. 6.27.

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.

рис 6.27

рис 6.28

рис 6.29

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. 6.16 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. 6.17.

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. 6.28.

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.

Мультиплексорное дерево.

Максимальное число входов мультиплексоров, выполненных в виде интегральных схем, равно восьми. Если требуется построить мультиплексорное устройство с большим числом входов, можно объединить мультиплексоры в схему так называемого дерева. Такое мультиплексорное дерево, построенное на четырехвходовых мультиплексорах, показано на рис. 6.29. Схема состоит из четырех мультиплексоров первого уровня с адресными переменными x 1 , х 2 и мультиплексора второго уровня с адресными переменными x 3 , x 4 . Мультиплексорное устройство имеет 16 входов, разбитых на четверки, которые подключены к отдельным мультиплексорам первого уровня. Мультиплексор второго уровня, подключая к общему выходу устройства выходы отдельных мультиплексоров первого уровня, переключает четверки входов. Внутри же четверки требуемый вход выбирается мультиплексором первого уровня. По такой схеме, используя восьмивходовые мультиплексоры, можно построить мультиплексорное устройство, имеющее 64 входа.

В первом и втором уровнях мультиплексорного дерева можно использовать мультиплексоры с разным числом входов. Если в первом уровне такого дерева используются мультиплексоры с числом адресных переменных n адр1 , а во втором - с числом переменных n адр2 , то общее число входов мультиплексорного дерева будет равно n инф = 2 nадр1 + nадр2 , а число мультиплексоров в схеме составит 2 nадр2 + 1 .

Мультиплексорные деревья могут использоваться не только для переключения каналов, но и для синтеза логических функций.

Демультиплексоры.

Демультиплексор имеет один информационный вход и несколько выходов. Он представляет собой устройство, которое осуществляет коммутацию входа к одному из выходов, имеющему заданный адрес (номер). На рис. 6.30 показано символическое изображение демультиплексора с четырьмя выходами. Функционирование этого демультиплексора определяется табл. 6.18.

Объединяя мультиплексор с демультиплексором, можно построить устройство, в котором по заданным адресам один из входов подключается к одному из выходов (рис. 6.31). Таким образом, может быть выполнена любая комбинация соединений входов с выходами.

Например, при комбинации значений адресных переменных x l = l, x 2 = 0, x 3 = 0, x 4 = 0 вход D 2 окажется подключенным к выходу Y 0 .

Использование демультиплексора может существенно упростить построение логического устройства, имеющего несколько выходов, на которых формируются различные логические функции одних и тех же переменных.

Заметим, что если на вход демультиплексора подавать константу D = 1, то на выбранном в соответствии с заданным адресом выходе будет лог. 1, на остальных выходах - лог. 0. При этом по выполняемой функции демультиплексор превращается в дешифратор.

рис 6.30

рис 6.31

рис 6.32

При необходимости иметь большое число выходов может быть построено демультиплексорное дерево. На рис. 6.32 показано такое дерево, построенное на демультиплексорах с четырьмя выходами. Демультиплексор первого уровня подключает вход D к определенному демультиплексору второго уровня, демультиплексоры второго уровня выбирают нужный выход, куда и передается сигнал с входа D.

Мультиплексоры и демультиплексоры

Мультиплексоры и демультиплексоры относятся к классу комбинационных устройств, которые предназначены для коммутации потоков данных в линиях связи по заданным адресам. Большая часть данных в цифровых системах передается непосредственно по проводам и проводникам печатных плат. Часто возникает необходимость в передаче информационных двоичных сигналов (или аналоговых в аналого-цифровых системах) от источника сигналов к потребителям. В некоторых случаях нужно передавать данные на большие расстояния по телефонным линиям, коаксиальным и оптическим кабелям. Если бы все данные передавались одновременно по параллельным линиям связи, общая длина таких кабелей была бы слишком велика и они были бы слишком дороги. Вместо этого данные передаются по одному проводу в последовательной форме и группируются в параллельные данные на приемном конце этой единственной линии связи. Устройства, используемые для подключения одного из источников данных с заданным номером (адресом) к линии связи, называются мультиплексорами. Устройства, используемые для подключения линии связи к одному из приемников информации с указанным адресом, называются демультиплексорами. Параллельные данные одного из цифровых устройств с помощью мультиплексора могут быть преобразованы в последовательные информационные сигналы, которые передаются по одному проводу. На выходах демультиплексора эти последовательные входные сигналы могут быть снова сгруппированы в параллельные данные.

1. Мультиплексоры

Теоретические сведения

В цифровых устройствах часто возникает необходимость пере­дать цифровую информацию от m различных устройств к n приёмникам через канал общего пользования. Для этого на входе канала, устанавливают устройство М (рис.1.1), называемое мультиплексором, которое согласно коду адреса Аm подключает к каналу один из m («1 из m») источников информации, а на выходе канала устройство DM (демультиплексор) обеспечивает передачу информации к приемнику, имеющему цифровой адрес Аn.

То есть мультиплексор – это комбинационное устройство, предназначенное для подключения одного из n входных сигналов к общему выходу в соответствии с кодом адреса. Применительно к компьютерной схемотехнике: мультиплексор – это функциональный узел цифровой системы, предназначенный для коммутации (переключения) информации от одного из m адресуемых входов на общий выход. Номер конкретной входной линии, подключаемой к выходу, в каждый такт машинного времени определяется адресным кодом А 0 ,…А k -1 . Связь между числом информационных m и адресных k входов определяется соотношением m2 k . Таким образом, мультиплексор реализует управляемую передачу данных от нескольких входных линий в одну выходную.

Принцип работы мультиплексора (и демультиплексора) наглядно демонстрирует рис. 1.1.

Функция мультиплексоров в поле типа ЛЭ записывается буквами MUX (multiplexor). Условное графическое обозначение (УГО) мультиплексора показано на рис.1.2.

Мультиплексоры применяются для коммутации отдельных линий или групп линий (шин), преобразования параллельного кода в последовательный, реализации логических функций нескольких переменных, построения схем сравнения, генераторов кодов. Применительно к мультиплексорам пользуются так же термином «селекторы» данных.

Мультиплексоры включают в себя дешифратор адреса. Сигналы дешифратора управляют логи­ческими вентилями, разрешая передачу информации только через один из них. Логика функционирования мультиплексора для m=4 описывается табл.1.1, где x 0 ,...,x 3 – выходы независимых источников информации, а переменные А 0 , А 1 являются адресными, т.е. представляют в двоичном коде номер информационного входа, подключаемого в данный момент к выходу Y. Тогда функционирование мультиплексора описывается таблицей истинности табл. 1.1:

В терминах булевой алгебры функция мультиплексора имеет вид:

Простейший мультиплексор, реализующий заданное табл.1.1 преоб­разование, может быть построен на логических элементах И, ИЛИ в сочетании с дешифратором адреса. В такой структуре сигнал на выходе мультиплексора Y устанавливается с задержкой адресных сигналов в логических ступенях дешифратора (рис.1.3,а).

Быстродействие мультиплексора можно увеличить, ес­ли совместить дешифратор адреса и информационные вентили (рис.1.3,б).

Стробирующий вход С (на рис.1.3,б) используется для исключения несанкционированного подключения к выходу случайных входов на время смены адресов. Короткий запирающий импульс (строб-импульс) обеспечивает отключение выхода от входов на время переадресации.

Рассмотрим некоторые схемотехнические применения мультиплексо­ров. Вполне очевидным является использование мультиплексора в ка­честве преобразователя параллельного m-разрядного двоичного ко­да в последовательный. Для этого достаточно на входы мультиплексо­ра подать параллельный код и затем последовательно изменять код адреса в требуемой последовательности. При этом во избежание появления ложного сигнала на выходе мультиплексора строб-импульс на время переключения адреса должен отключать выход от входов.

Мультиплексоры могут быть использованы для построения логи­ческих функций нескольких переменных в виде дизъюнктивной нормальной формы. Пусть логическая функция определена пятью независимыми пере­менными. Если их подать на адресные входы, соответствующего мульти­плексора на 2 5 = 32 информационных входа (мультиплексорное дерево), то для получения на выходе Q любой функции пяти переменных достаточно подать логические единицы на информационные входы, адрес которых совпадает с минтермами синтезируемой функции. На остальные входы необходимо подать логические нули, исключив тем самым соответствующие комбинации из выходной функции. Такой метод приемлем, если функция m переменных содержит близкое к 2 m количество минтермов, в противном случае схема получается избыточной.

Мультиплексор может быть использован более эффективно, если аргументы функций подавать не только на адресные, но и на информационные входы. Для этого аргументы синтезируемой функции f(х 1 …,х m) разделяются на информационные вхо­ды D i и адресные входы (А j) так, чтобы последними управляли пере­менные, наиболее часто входящие в минтермы функции.

В интегральном исполнении мультиплексоры выпускают на четыре, восемь или шестнадцать входов. Каскадирование мультиплексоров позволяет реализовать коммутацию произвольного числа входных линий на базе серийных микросхем мультиплексора меньшей разрядности. Пример построения схемы мультиплексоров на 16 входов на основе типовых 4-входовых мультиплексоров показан на рисунке 1. Такая схема называется мультиплексорным деревом.

Алгоритм синтеза устройства, реализующего логическую функцию на основе мультиплексора, включает в себя сле­дующие операции:

представить функцию в виде СДНФ;

для данной СДНФ заполнить карту Карно (Вейча);

на карте Карно (Вейча) выделить области по количеству информационных входов мультиплексора. Количество строк m и столбцов n в таких областях должно удовлетворять условию: m,n=2 k , где k=0,1,2,…Переменные, сохраняющие свое значение в пределах выделенных областей, являются адресными, а остальные – информационными;

подать адресные переменные любым способом на адресные входы выбранного (или заданного) мультиплексора, определив таким образом однозначное соответствие адресных областей определенному информационному входу;

для каждой области найти МДНФ/МКНФ относительно информационных переменных, для управления информационными входами;

с помощью тождественных преобразований МДНФ/МКНФ привести к виду, удобному для совместной реализации;

реализовать схемы по каждому информационному входу мультиплексора в выбранном элементном базисе.

Приведем пример построения мультиплексора, реализующего некоторую функцию:

Для данной функции построим карту Карно:

2. Пусть задан мультиплексор с 4 информационными входами (2 входа – адресные). На карте Карно выделим адресные области. Для выбранного варианта разбиения на адресные области адресными стали переменные X 1 , X 3 . Их можно двумя способами подать на адресные входы: A 1 =X 1, A 0 =X 3 либо A 1 =X 3 , A 0 =X 1 (способ подачи не имеет значения). Тогда адресным областям соответствуют информационные входы D 0 , D 1 , D 2, D 3 (показаны на карте Карно). Адресные области определяют функции управления соответствующим информационным входом мультиплексора.

Минимизируем функции управления:

D 1 =X 0 , D 2 =X 0 ,

Реализуем полученные функции (рис. 1.5):

Исследование мультиплексора

Цель работы – исследование логики функционирования, статических и динамических параметров комбинационных устройств на примере четырехвходового мультиплексора, построенного на элементах Шеффера.

Принципиальная схема четырехвходового мультиплексора приведена на рис. 1.6.

Рабочее задание

Собрать исследуемую схему мультиплексора (рис. 1.7). На схеме генераторы прямоугольных импульсов G1, G2, G3, G4 имитируют источники входных данных, а 2-разрядный двоичный счетчик на триггерах Тг1, Тг2 обеспечивает периодическую смену адресов мультиплексора.

Методические указания

В схеме (рис. 1.7) использовать модели идеальных компонентов или серии ЛЭ, заданные преподавателем.

Подать сигналы от генераторов с частотами f 0, f 1 , f 2 , f 3 , f 4 – по заданию преподавателя, источник напряжения V1 = U ип.

При нормальном функционировании мультиплексора на его выходе должны сформироваться серии импульсов с частотами f 1 , f 2 , f 3 , f 4 (вход осциллоскопа В). Для исследования переходных процессов в мультиплексоре отключите генератор G0 от входа триггера Тг1 и подключите его ко входам R триггеров.. Определите частоту статические и динамические параметры сигнала на выходе мультиплексора.

Подключите генератор G0 ко входу триггера Тг1, а входы Logic Analyzer - в точки схемы, как показано на рис. 1.7.

Контрольные вопросы

Что такое мультиплексор и для чего мультиплексоры используются?

Приведите уравнение, описывающее работу четырехвходового мультиплексора.

Объясните назначение информационных входов.

Для чего в мультиплексорах используется стробирующий вход?

От чего зависит быстродействие мультиплексора?

Для чего применяют каскадирование мультиплексоров?

2. Демультиплексоры

Теоретические сведения

Демультиплексором называется функциональный узел компьютера, предназначенный для коммутации (переключения) сигнала единственного информационного входа D на один из n информационных выходов. Номер выхода, на который в каждый такт машинного времени подается значение входного сигнала, определяется адресным кодом A 0 ,A 1 …,A m-1 . Адресные входы m и информационные выходы n связаны соотношением n2 m. В качестве демультиплексора может быть использован дешифратор DC. При этом информационный сигнал подается на вход разрешения Е (от англ. enable – разрешение). Стробируемый демультиплексор с информационным входом D, адресными входами А 1 , А 0 и стробирующим входом С показан на рисунке 2.1. Демультиплексор выполняет функцию, обратную функции мультиплексора. Применительно к мультиплексорам и демультиплексорам пользуются так же термином «селекторы» данных.

Демультиплексоры используют для коммутации отдельных линий и многоразрядных шин, преобразования последовательного кода в параллельный. Как и мультиплексор, демультиплексор включают в себя дешифратор адреса. Сигналы дешифратора управляют логи­ческими вентилями, разрешая передачу информации только через один из них (рис.1.1)

Логика функционирования демультиллексора для случая n=4 иллюстрируется табл. 2.1, где y0,…,у3 – входы приемников информации.

Рабочее задание

Собрать исследуемую схему мультиплексора (рис. 2.4). На схеме генератор прямоугольных импульсов G1 имитирует источник входных данных, а 2-разрядный двоичный счетчик на триггерах Тг1, Тг2 обеспечивает периодическую смену адресов мультиплексора. (рис. 2.4).

Методические указания

Контрольные вопросы

Что такое демультиплексор и для чего демультиплексоры используются?

Приведите уравнения, описывающие работу демультиплексора на четыре выхода.

Объясните назначение адресных входов.

Для чего в демультиплексорах используется стробирующий вход?

От чего зависит быстродействие демультиплексора?

Для чего применяют каскадирование демультиплексоров?

Литература

Элементы цифровой схемотехники: Учеб. пособие/ В.П.Сигорский, В.И. Зубчук, А.Н. Шкуро. –Киев: УМК ВО, 1990.

Бабіч Н.П., Жуков І.А. Комп’ютерна схемотехніка. Київ 200

Зубчук В.И., Сигорский В.П., Шкуро А.Н. Справочник по цифровой схемотехнике. – К.: “Техніка”, 1990.

1. Волоконно-оптические сети и системы связи

   Конспект >> Коммуникации и связь

   Разветвители и ответвители, оптические мультиплексоры /демультиплексоры , оптические фиксированные аттенюаторы, оптические... оптические компенсаторы хроматической дисперсии, оптические мультиплексоры /демультиплексоры и фильтры. Перечисленные устройства, ...

2. Постановка лабораторной работы по курсу волоконно-оптические системы связи

   Реферат >> Промышленность, производство

   Оптические разветвители…………………………………………………………..25 3.1 Мультиплексоры и демультиплексоры …………………………………..25 3.2 Делители оптической мощности... оптическими несущими и называются мультиплексорами (и демультиплексорами соответственно). Вторые используются для...

3. Компютерна схемотехніка (2)

   Курсовая работа >> Информатика

   МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА Факультет комп’ютерних наук Кафедра комп’ютерних систем та мереж Курсова робота Комп’ютерна схемотехніка 2007 Лінійні дешифратори. Функції алгебри логіки, ...

Мультиплексором — называют комбинационное устройство, обеспечивающее передачу в желаемом порядке цифровой информации, поступающей по нескольким входам на один выход. Мультиплексоры обозначают через MUX (от англ. multiplexor), а также через MS (от англ. multiplex or selector).

Схематически можно изобразить в виде коммутатора, обеспечивающего подключение одного из нескольких входов (их называют информационными) к одному выходу устройства. Кроме информационных входов в мультиплексоре имеются адресные входы и, как правило, разрешающие (стробирующие). Сигналы на адресных входах определяют, какой конкретно информационный канал подключен к выходу. Если между числом информационных входов n и числом адресных входов m действует соотношение n = 2 m , то такой мультиплексор называют полным. Если n< 2 m , то мультиплексор называют неполным.

Разрешающие входы используют для расширения функциональных возможностей мультиплексора. Они используются для наращивания разрядности мультиплексора, синхронизации его работы с работой других узлов. Сигналы на разрешающих входах могут разрешать, а могут и запрещать подключение определенного входа к выходу, т. е. могут блокировать действие всего устройства.

Функционирование двухвходового мультиплексора

Рассмотрим функционирование двухвходового мультиплексора (2 →1), который условно изображен в виде коммутатора, а состояние его входов Х 1 Х 2 и выхода Y приведено в таблице (рис. 3.41).

Исходя из таблицы, можно записать следующее уравнение:

Y = X 1 A + X 2 A

На рис. 3.42 показаны реализация такого устройства и его условное графическое обозначение.

Основой данной схемы являются две схемы совпадения на элементах И, которые при логическом уровне «1» на одном из своих входов повторяют на выходе то, что есть на другом входе.

Если необходимо расширить число входов, то используют каскадное включение мультиплексоров. В качестве примера рассмотрим мультиплексор с четырьмя входами (4 → 1), построенный на основе мультиплексоров (2 → 1).

Схема и таблица состояний такого мультиплексора приведены на рис.3.43.

Мультиплексоры являются универсальными логическими устройствами, на основе которых создают различные комбинационные и последовательностные схемы. Мультиплексоры могут использоваться в делителях частоты, триггерных устройствах, сдвигающих устройствах и др. Мультиплексоры часто используют для преобразования параллельного двоичного кода в последовательный. Для такого преобразования достаточно подать на информационные входы мультиплексора параллельный двоичный код, а сигналы на адресные входы подавать в такой последовательности, чтобы к выходу поочередно подключались входы, начиная с первого и кончая последним.

Мультиплексор как устройство сдвига

Рассмотрим пример использования мультиплексоров для реализации так называемого комбинационного устройства сдвига, обеспечивающего сдвиг двоичного, числа по разрядам. Принцип функционирования данного устройства понятен из схемы устройства и таблицы состояний его входов и выходов (рис. 3.44).

В обозначении мультиплексоров используют две русские буквы КП, например, промышленностью выпускаются такие мультиплексоры, как К155КП1, К531КШ8, К561КПЗ, К555КП17 и др.

Демультиплексором называют устройство, в котором сигналы с одного информационного входа, поступают в желаемой последовательности по нескольким выходам в зависимости от кода на адресных шинах. Таким образом, демультиплексор в функциональном отношении противоположен мультиплексору. Демультиплексоры обозначают через DMX или DMS.

Если соотношение между числом выходов n и числом адресных входов m определяется равенством n= 2 m , то такой демультиплексор называется полным, при n< 2 m демультиплексор является неполным.

Функционирование демультиплексора с двумя выходами

Рассмотрим функционирование демультиплексора с двумя выходами, который условно изображен в виде коммутатора, а состояние его входов и выходов приведено в таблице (рис. 3.45).

Из этой таблицы следует: Y 1 =X·А Y 2 = X·А т. е. реализовать такое устройство можно так, как показано на рис. 3.46.

Для наращивания числа выходов демультиплексора используют каскадное включение демультиплексоров. В качестве примера (рис. 3.47) рассмотрим построение демультиплексоров с 16 выходами (1 → 16) на основе демультиплексоров с 4 выходами (1 → 4).


При наличии на адресных шинах А 0 и А 1 нулей информационный вход X подключен к верхнему выходу DМХ 0 и в зависимости от состояния адресных шин А 2 и А 3 он может быть подключен к одному из выходов DMX 1 . Так, при А 2 = А 3 = 0 вход X подключен к Y 0 . При А 0 = 1 и А 1 = 0 вход X подключен к DMX 2 , в зависимости от состояния А 2 и А 3 вход соединяется с одним из выходов Y 4 − Y 7 и т.д.

Функции демультиплексоров

Функции демультиплексоров сходны с функциями дешифраторов. Дешифратор можно рассматривать как демультиплексор, у которого информационный вход поддерживает напряжение выходов в активном состоянии, а адресные входы выполняют роль входов дешифратора. Поэтому в обозначении как дешифраторов, так и демультиплексоров используются одинаковые буквы — ИД. Выпускают дешифраторы (демультиплексоры) К155ИДЗ, К531ИД7 и др.

При использовании КМОП-технологии можно построить двунаправленные ключи, которые обладают возможностью пропускать ток в обоих направлениях и передавать не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Благодаря этому можно строить мультиплексоры-демультиплек-соры, которые могут использоваться либо как мультиплексоры, либо как демультиплексоры. Мультиплексоры-демультиплексоры обозначаются через MX. Среди выпускаемых мультиплексоров-демультиплексоров можно выделить такие, как К564КП1, К590КП1. Мультиплексоры-демультиплексоры входят в состав серий К176, К561, К591, К1564.