МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ И ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРЫ

Мультиплексоры

Мультиплексор – это функциональный узел, осуществляющий подключение (коммутацию) одного из нескольких входов данных к выходу. Номер выбранного входа соответствует коду, поданному на адресные входы мультиплексора. Аналогично дешифраторам, мультиплексоры бывают полными и неполными.

В мультиплексоре имеются информационные, адресные входы и, как правило, разрешающие (стробирующие). 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.

Мультиплексоры обозначают как MUX (от англ. multiplexor) или MS (от англ. multiplexor selector). Схематически мультиплексор можно изобразить в виде коммутатора, обеспечивающего подключение одного из нескольких входов (их называют информационными) к одному выходу устройства.

Рассмотрим функционирование четырехвходового мультиплексора (4→1), который условно изображен в виде коммутатора(рис.21.1,а), а состояние его входов D1, D2, D3, D4 и выхода Y приведено на рис. 21.1, б. Исходя из таблицы, можно записать следующее уравнение:

Y = D0( ) + D1(A0 ) + D2( A1) + D3(A0A1). (21.1)

а) б)

Рис.21.1. Упрощенное представление мультиплексора в виде коммутатора (а) и таблица состояний мультиплексора (б)

На рис. 21.2 показаны условное графическое обозначение и реализация такого устройства.

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

Мультиплексор предназначен для коммутации N каналов входных сигналов на одно устройство обработки в задаваемой очередности.

Рис. 21.2. Четырехвходовый мультиплексор: условное графическое обозначение (а) и его реализация на логических элементах (б)

На рис. 21.3 изображена функциональная схема ИС типа K155КП5. В ее основе лежит логический элемент DD₁, который работает так: на его выход передается с инверсией сигнал, равный сумме частных произведений входных сигналов ЛЭ "И". На каждую схему "И" подается входной сигнал с одного из каналов информации (входы D0 – D7) и одна из комбинаций сигналов, подаваемых на адресные входы 1, 2, 4. Двоичный номер канала X1, X2, X4, подаваемый на входы 1, 2, 4 определяет, сигнал какого из каналов информации D(X2, X1, X0) будет передан на выход. Например, на входе четвертого ЛЭ "И" действует сигнал, равный D4X4X2X1. Если на адресные входы подать код 100₂ , то единичное значение примет только один набор переменных X1, X2, X4 для четвертого канала – X4X2X1. Поэтому только сигнал D4 умножается на 1 и пропускается на выход ИС с инверсией.

Мультиплексор можно использовать в качестве универсального логического элемента для реализации любой функции с числом переменных, равным числу адресных входов мультиплексора.

При этом на входы D0 – D7 (для КП5) подаются либо логический 0, либо логическая единица с инверсией по отношению к выходной переменной в таблице истинности (номер набора совпадает с номером входа). Входные сигналы подаются на адресные входы.

Такой способ реализации ЛЭ может дать экономию при использовании микросхем. Условные графические обозначения некоторых мультиплексоров приведены на рис. 21.4 а - в.

Если необходимо расширить число входов, то используют каскадное включение мультиплексоров. Принцип наращивания числа каналов основывается на использовании входов стробирования.

Схема мультиплексора с четырьмя входами (4→1), построенного на основе мультиплексоров (2→1), приведена на рис. 21.5.

В 64-канальном мультиплексоре (рис. 21.6) код X5, X4, X3 определяет номер выхода дешифратора, на котором будет действовать уровень логической 1 и, следовательно, номер MS, находящегося в рабочем состоянии (у других MS на выходе постоянно уровень логической 1). На выходе выбранного MS (с инверсией) и на выходе ЛЭ 8И-НЕ (без инверсии) будет действовать сигнал i-го канала, определяемого кодом X2, X1, X0.

Рис. 21.3. Функциональная схема MS типа КП5

Мультиплексоры являются универсальными логическими устройствами, на основе которых создают различные комбинационные и последовательностные схемы. Мультиплексоры могут использоваться в делителях частоты, триггерных устройствах,

Рис. 21.4. ИМС мультиплексоров: а – К155КП1, б – К155КП2, в – К155КП5

Рис. 21.5. Каскадное включение мультиплексоров

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.

Рис. 21.5. 64-канальный мультиплексор

Демультиплексоры

Демультиплексором (DMX или DMS) называют функциональный узел, который обеспечивает передачу цифровой информации, поступающей по одной линии, на несколько выходных линий. Выбор выходной линии осуществляется при помощи сигналов, поступающих на адресные входы. Таким образом, демультиплексор выполняет преобразование, обратное действию мультиплексора. Аналогично мультиплексорам, демультиплексоры бывают полными и неполными.

Рассмотрим функционирование демультиплексора, имеющего четыре выхода, состояние его входов и выходов приведено в таблице (рис. 21.6, а).

Из этой таблицы следует:

Y0 = D( ); Y1 = D(A0 ); Y2 = D( A1); Y3 = D(A0A1). (21.2)

т. е. реализовать такое устройство можно так, как показано на рис. 21.6, б.

Для наращивания числа выходов демультиплексора используют каскадное включение демультиплексоров. В качестве примера (рис. 21.7) рассмотрим построение демультиплексоров с 16 выходами (1→16) на основе демультиплексоров с 4 выходами (1→4). При наличии на адресных шинах А0 и А1 нулей информационный вход X подключен к верхнему выходу DMX и в зависимости от состояния адресных шин А2 и А3 он может быть подключен к одному из выходов DMX1. Так, при А2 = А3 = 0 вход X подключен к Y3. При A0 = 1 и A1 = 0 вход X подключен к DMX2, в зависимости от состояния А2 и А3 вход соединяется с одним из выходов Y4 → Y7 и т. д.

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.

а) б)

Рис.21.6. Таблица состояний демультиплексора (а) и его реализация на логических элементах (б)

Дешифратор типа К155ИД3 может быть использован как демультиплексор, т.е. функциональный узел комбинационного типа, позволяющий коммутировать двоичный сигнал из одного в N каналов. При этом номер коммутируемого канала определяется адресным двоичным кодом. Так, комбинация X3, X2, X1, X0 определяет номер выхода дешифратора, который может быть скоммутирован с одним из входов E1 или E2. Например, при подаче E2=0 информация по E1 передается на соответствующий выход дешифратора. Остальные выходы постоянно находятся в состоянии логической единицы. Так, при X3, X2, X1, X0 = 0101 информация со входа «D» поступает на пятый выход дешифратора, причем в случае необходимости второй вход стробирования может быть использован для выборки ИС – дешифратора, например с целью увеличения количества коммутируемых каналов. В этом случае можно поступить так же, как и при увеличении разрядности дешифратора. Использование ИД3 в качестве демультиплексора иллюстрируется рис. 21.8.

Рис. 21.7. Демультиплексор на 16 выходов

Дешифратор типа К555ИД4 – два дешифратора (демультиплексора) с объединенными информационными входами DI и раздельными разрешающими входами E и G. Причем логика управления разрешающими входами одного дешифратора отличается от логики управления разрешающими входами другого дешифратора. Так, верхний дешифратор включается при E1 & E2 = 1, в то время как нижний - при G1 & G2 = 1. Это позволяет без дополнительных затрат реализовать один дешифратор 3×8. Условное графическое обозначение приведено на рис. 21.9, а на рис. 21.10, а показано включение ИС для реализации дешифратора 3×8.

Рис. 21.8. Дешифратор К155ИД3 в качестве демультиплексора

Рис. 21.9. ИМС К155ИД4

Рис. 21.10. Использование ИМС К155ИД4 в качестве:

а) дешифратора 3×8, б) демультиплексора 1×8

В этом случае объединенные входы E2 и G1 используются для подачи старшей переменной – X2, которая обеспечивает выбор верхней или нижней части дешифратора, а объединенные входы E1 и G2 используются в качестве стробирующего входа – W. Для реализации демультиплексора 1x8 используется то же включение ИС, однако на входы E2 и G1 подается входной сигнал – D, а двоичный код является адресным и определяет номер коммутируемого канала. Схема включения ИС в качестве демультиплексора 1×8 приведена на рис. 21.10, б.

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-демультиплексоры, которые могут использоваться либо как мультиплексоры, либо как демультиплексоры. Мультиплексоры - демультиплексоры обозначаются через MX.

Так мультиплексор-демультиплексор К561КП1 (рис. 21.11) содержит два четырехвходовых мультиплексора 4→1, которые могут использоваться и как демультиплексоры 1→4.

Микросхема содержит один общий инверсный вход разрешения (стробирования) и два общих адресных входа. При логической 1 на входе разрешения выходы отключаются от информационных входов и переходят в высокоимпедансное состояние.

При активизации входа разрешения, т. е. при подаче на него логического 0, происходит соединение одного из информационных входов (в соответствии с кодом на адресных входах) с выходом микросхемы. Поскольку это состояние происходит при помощи двунаправленных ключей на КМОП-транзисторах, то сигнал может передаваться как со входов на выход (режим мультиплексора), так и с выхода нa входы (режим демультиплексора).

Кроме того, передаваемый сигнал может быть как аналоговым, так и цифровым. Среди выпускаемых мультиплексоров - демультиплексоров можно выделить такие, как К564КП2, К590КП1. Мультиплексоры-демультиплексоры входят в состав серий К176, К561, К591, К1564.

Рис. 21.11. Двунаправленный мультиплексор- демультиплексор К561КП1

ГЛАВА 22

СУММАТОРЫ