Мультиплексори та демультиплексори відносяться до класу комбінаційних пристроїв, які призначені для комутації потоків даних у лініях зв'язку за заданими адресами. Більшість даних у цифрових системахпередається безпосередньо по проводам та провідникам друкованих плат. Часто виникає необхідність передачі інформаційних двійкових сигналів (або аналогових в аналого-цифрових системах) від джерела сигналів до споживачів. У деяких випадках потрібно передавати дані на великі відстані по телефонних лініях, коаксіальних та оптичних кабелях. Якби всі дані передавалися одночасно паралельними лініями зв'язку, загальна довжина таких кабелів була б занадто велика і вони були б занадто дорогими. Натомість дані передаються по одному дроту в послідовній формі і групуються в паралельні дані на приймальному кінці цієї єдиної лінії зв'язку. Пристрої, що використовуються для підключення одного із джерел даних із заданим номером (адресою) до лінії зв'язку, називаються мультиплексорами. Пристрої, що використовуються для підключення лінії зв'язку до одного із приймачів інформації із зазначеною адресою, називаються демультиплексорами. Паралельні дані одного з цифрових пристроївза допомогою мультиплексора можуть бути перетворені на послідовні інформаційні сигнали, які передаються по одному дроту. На виходах демультиплексора ці послідовні вхідні сигнали можуть знову згруповані в паралельні дані.
Мультиплексори та демультиплексори належать до класу комбінаційних пристроїв, які призначені для комутації потоків даних у лініях зв'язку за заданими адресами. Більшість даних у цифрових системах передається безпосередньо по проводам і провідникам друкованих плат. Часто виникає необхідність передачі інформаційних двійкових сигналів (або аналогових в аналого-цифрових системах) від джерела сигналів до споживачів. У деяких випадках потрібно передавати дані на великі відстані по телефонних лініях, коаксіальних та оптичних кабелях. Якби всі дані передавалися одночасно паралельними лініями зв'язку, загальна довжина таких кабелів була б занадто велика і вони були б занадто дорогими. Натомість дані передаються по одному дроту в послідовній формі і групуються в паралельні дані на приймальному кінці цієї єдиної лінії зв'язку. Пристрої, що використовуються для підключення одного із джерел даних із заданим номером (адресою) до лінії зв'язку, називаються мультиплексорами. Пристрої, що використовуються для підключення лінії зв'язку до одного із приймачів інформації із зазначеною адресою, називаються демультиплексорами. Паралельні дані одного з цифрових пристроїв за допомогою мультиплексора можуть бути перетворені на послідовні інформаційні сигнали, які передаються по одному дроту. На виходах демультиплексора ці послідовні вхідні сигнали можуть бути знову згруповані в паралельні дані.
Мультиплексори
Мультиплексор служить для об'єднання в єдиний транспортний потік цифрових потоків від джерел– кодерів стиснення, виходів інших мультиплексорів, виходів приймачів – декодерів тощо. Приходящие сигнали можуть мати різну тимчасову базу (тобто формуватися з тактовими частотами, що дещо розрізняються), і завдання мультиплексора - сформувати асинхронний потік зі збереженням синхронізуючої інформації кожного з компонентів.
Принцип дії мультиплексора заснований на властивостях буфера пам'яті - інформація записується в нього з одного тактовою частотою, а зчитується з іншого, вищою частотою. Якщо уявити ланцюжок послідовно з'єднаних буферів, синхронізованих таким чином, що вихідні пачки імпульсів не перекриваються в часі, це буде мультиплексор.
Основним параметром мультиплексора вважається вихідна швидкість транспортного потоку, яка більшість моделей составляет55…60 Мбіт/с. Існують і зразки зі швидкістю до 100 Мбіт/с. Зрозуміло, що встановлюється на виході швидкість потоку повинна бути принаймні не нижче суми швидкостей всіх потоків, що об'єднуються. Перевищення швидкості вихідного потоку компенсується запровадженням нульових пакетів на виході мультиплексора.
Демультиплексор називається функціональний вузол комп'ютера, призначений для комутації (перемикання) сигналу єдиного інформаційного входу D на один з n інформаційних виходів. Номер виходу, який у кожен такт машинного часу подається значення вхідного сигналу, визначається адресним кодом A0,A1…,Am-1. Адресні входи m та інформаційні виходи n пов'язані співвідношенням n2m. Як демультиплексор може бути використаний дешифратор DC. У цьому інформаційний сигнал подається на вхід дозволу Е (від англ. enable – дозвіл). Стробований демультиплексор з інформаційним входом D, адресними входами А1, А0 і стробуючого входу С показаний на малюнку 2.1. Демультиплексор виконує функцію, обернену до функції мультиплексора. Стосовно мультиплексорів і демультиплексорів користуються також терміном «селектори» даних.
Демультиплексори використовують для комутації окремих ліній та багаторозрядних шин, перетворення послідовного коду на паралельний. Як і мультиплексор, демультиплексор включають дешифратор адреси. Сигнали дешифратора управляють логічними вентилями, дозволяючи передачу інформації лише через один із них (рис.1.1)
Мультиплексор є пристроєм, який здійснює вибірку одного з кількох входів та підключає його до свого виходу. Мультиплексор має кілька інформаційних входів (D 0 , D 1 ...), адресні входи (А 0 А 1 ...), вхід для подачі стробуючого сигналу С і один вихід Q. На рис. 1,ф показано символічне зображення мультиплексора із чотирма інформаційними входами.
Кожному інформаційному входу мультиплексора надається номер, званий адресою. При подачі стробуючого сигналу на вхід мультиплексор вибирає один із входів, адреса якого задається двійковим кодом на адресних входах, і підключає його до виходу.
Таким чином, подаючи адресні входи адреси різних інформаційних входів, можна передавати цифрові сигнали з цих входів на вихід Q. Очевидно, число інформаційних входів n інф і число адресних входів n адр пов'язані співвідношенням n інф = 2 nадр.
|
Таблиця 1 |
|||
|
Адреснівходи |
Стробуючийсигнал |
Вихід |
|
Функціонування мультиплексора визначається табл. 1. За відсутності стробуючого сигналу (C = 0) зв'язок між інформаційними входами та виходом відсутній (Q = 0). При подачі стробуючого сигналу (C = l) на вихід передається логічний рівень того з інформаційних входів D i номер якого i в двійковій формі заданий на адресних входах. Так, при завданні адреси A l A 0 = ll 2 = 3 10 на вихід Q буде передаватися сигнал інформаційного входу з адресою 3 10 т. е. D 3 .
За цією таблицею можна записати наступний логічний вираз для виходу Q:
Побудована з цього виразу принципова схема мультиплексора показано на рис. 1, б.
У тих випадках, коли потрібно передавати на виходи багаторозрядні вхідні дані в паралельній формі, використовується паралельне включення мультиплексорів за кількістю розрядів даних, що передаються.
Використання мультиплекторів для синтезу комбінаційних пристроїв.
Мультиплексори можуть бути використані для синтезу логічних функцій. При цьому кількість елементів, що використовуються в схемі (корпусів інтегральних мікросхем) може бути значно зменшено.
Логічне вираження мультиплексора містить члени з усіма комбінаціями адресних змінних. Отже, якщо потрібно синтезувати функцію трьох змінних f(x 1 , x 2 , х 3), то дві з цих змінних (наприклад, x 1 , х 2) можуть бути подані на адресні входи А 1 і А 0 і третя x 3 – на інформаційний вхід.
Наприклад, нехай слід синтезувати функцію, задану табл. 2. Логічне вираження функції
Розглядаючи змінні x l , х 2 як адресні змінні отримаємо табл. 3 з якої видно, що мультиплексор на виході Q реалізує задану логічну функцію. Принципова схемапоказано на рис. 2.
Вочевидь, на четырехвходовых мультиплексорах може бути синтезована будь-яка функція трьох змінних, на восьмивходовых мультиплексорах - будь-яка функція чотирьох змінних тощо.
При синтезі комбінаційних схем мультиплексори можна використовувати разом із елементами деякого базису. Нехай загальна кількість змінних функцій n. Тоді, якщо мультиплексор має n адр адресних входів, на них подаються n адр змінних, але в його інформаційні входи подаються функції n-nадр змінних.
Нехай, наприклад, потрібно синтезувати логічну функцію чотирьох змінних з використанням чотиривхідного мультиплексора. Якщо адресними змінними є x 1 х 2 то на інформаційні входи мультиплексора повинні подаватися функції змінних х 3 і x 4 визначені показаними в табл. 5 областями таблиці Вейча. Усередині кожної окресленої для інформаційних входів області таблиці Вейча проводиться мінімізація звичайними методами, після чого будуються схеми, що формують функції, що подаються на інформаційні входи мультиплексора.
Покажемо цей прийом реалізації функції, заданої табл. 6.
При подачі змінних х 1 і х 2 на адресні входи мультиплексора з його інформаційні входи повинні подаватися D 0 = 1; D1 = 0; D 2 = х 3 . 4, D 3 = 4 . Схема, що реалізує задану функцію, показана на рис. 3.
Слід пам'ятати, що синтезуючи логічний пристрій з допомогою мультиплексора, необхідно також побудувати варіант схеми без використання мультиплексора. Потім порівнянням отриманих варіантів визначити, який із варіантів виявляється кращим за кількістю використовуваних у схемі корпусів інтегральних схем.
Мультиплексор є перемикач, який з'єднує безліч входів з одним виходом, згідно з заданим цифровим кодом. Насправді мультиплексори бувають двох видів: аналогові та цифрові, аналогові будуються на польових транзисторах і пропускають сигнал в обидві сторони, цифрові з обраного входу дублюють сигнал на вихід. Далі йтиметься про аналоговий мультиплексор.
Вибір каналу, як писалося вище, здійснюється згідно з заданим цифровим кодом, як показано на малюнку нижче.
Давайте уявімо наступну ситуацію, у нас є АЦП і кілька аналогових датчиків, інформацію з яких воно має обробляти. Так як АЦП тільки одне, а датчиків багато, обслуговувати їх, він може лише по черзі, а допоможе йому мультиплексор.
Використовуючи звичайний дільник напруги та мультиплексор можна послабити сигнал у потрібна кількістьразів.
А додавши мультиплексор і кілька резисторів у Зворотній зв'язокпідсилювача, побудованого на ОУ, можна посилити сигнал у потрібну кількість разів.
На картинках вище, мультиплексор зображався схематично для кращого сприйняття, схема ж він зображується так.
Тепер, коли ми знаємо де застосовується мультиплексор, давайте розглянемо, чим він відрізняється від перемикача.
Перше, сучасні мультиплексори будуються за КМОП технології і як наслідок відкритий канал має деякий опір, величина цього опору може бути менше 1 Ома і залежить від величини напруги живлення. Опір каналу можна дізнатися з даташиту, позначається Ron.
Друге, напруга, яка може комутувати мультиплексор, а також напруга на входах, що управляють, не повинна перевищувати напругу живлення. Максимальний струм комутації сучасних мультиплексорів може сягати 400mA. Знову ж таки максимальний струм можна дізнатися з даташита, у різних даташитах воно позначається по-різному.
Третє, оскільки мультиплексор побудований за КМОП технології у його структурі присутні ємності, які погіршують його характеристики. Еквівалентна схема двоканального мультиплексора виглядає так.
- На картинці видно, що між каналами є деяка ємність Css і Cdd, якою сигнал з одного каналу може проникати в інший.
- Наявність ємності Cds призводить до того, що на високих частотах сигнал проходить через розімкнений ключ.
- Опір Ron разом з ємністю Сd утворюють фільтр нижніх частот, який обмежує смугу пропускання.
Також на еквівалентній схемі зображені джерела струму, які відображають струм витоку, який, у свою чергу, може бути джерелом помилки.
Мультиплексорами називаються пристрої, які дозволяють підключати кілька входів одного виходу. називаються пристрої, які дозволяють підключати один вхід до кількох виходів. У найпростішому випадку таку комутацію можна здійснити за допомогою ключів:
Рисунок 1. Комутатор (мультиплексор), зібраний на ключах
Такий комутатор однаково добре працюватиме як з аналоговими, так і з цифровими сигналами. Однак швидкість роботи механічних ключів залишає бажати кращого, та й керувати ключами часто доводиться автоматично за допомогою будь-якої схеми.
У цифрових схемах потрібно керувати ключами з допомогою логічних рівнів. Тобто потрібно підібрати пристрій, який міг би виконувати функції електронного ключа з електронним керуванням цифровим сигналом.
Особливості побудови мультиплексорів на елементах ТТЛ
Спробуємо змусити працювати як електронний ключ вже знайомі нам . Розглянемо таблицю істинності логічного елемента "І". При цьому один із входів логічного елемента "І" розглядатимемо як інформаційний вхід електронного ключа, а інший вхід - як керуючий. Так як обидва входи логічного елемента "І" еквівалентні, то не важливо, який з них буде керуючим входом.
Нехай вхід X буде керуючим, а Y інформаційним. Для простоти міркувань, розділимо таблицю істинності на частини в залежності від рівня логічного сигналу на вході X, що управляє.
По таблиці істинності чітко видно, що поки управляючий вхід X подано нульовий логічний рівень, сигнал, поданий на вхід Y, вихід Out не проходить. При подачі на керуючий вхід X логічної одиниці сигнал, що надходить на вхід Y, з'являється на виході Out.
Це означає, що логічний елемент "І" можна використовувати як електронний ключ. При цьому не важливо який із входів елемента "І" буде використовуватися як управляючий вход, а який - як інформаційний. Залишається лише поєднати виходи логічних елементів "І" в один вихід. Це робиться за допомогою логічного елемента "АБО" так само як і при . Вийшов варіант комутатора з управлінням логічними рівнями наведено малюнку 2.
Рисунок 2. Принципова схема цифрового мультиплексора, виконана на логічних елементах
У схемах, наведених на малюнках 1 та 2, можна одночасно включати кілька входів на один вихід. Однак зазвичай це призводить до непередбачуваних наслідків. Крім того, для керування таким комутатором потрібно багато входів, тому до складу мультиплексора зазвичай включають двійковий , як показано на малюнку 3. Цей дешифратор отриманий раніше за допомогою . Це дозволяє управляти перемиканням інформаційних входів за допомогою двійкових кодів, що подаються на входи, що управляють. Кількість інформаційних входів у таких схемах вибирають кратним ступеня два числа.
Малюнок 3. Принципова схема мультиплексора, керованого двійковим кодом
Умовно-графічне позначення четирехвходового мультиплексора з двійковим управлінням наведено малюнку 4. Входи A0 і A1 є управляючими входами аналізованої мікросхеми, визначальними адресу вхідного сигналу, який буде з'єднаний з виходом Y. Самі вхідні сигнали позначені як X0, X1, X2 і X3.
Малюнок 4. Умовно графічне позначення чотиривхідного мультиплексора
В умовно-графічному позначенні назви інформаційних входів A, B, C і D замінені назвами X0, X1, X2 та X3, а назва виходу Out замінена на назву Y. Така назва входів та виходів більш поширена у вітчизняній літературі. Адресні входи позначені як A0 та A1.
Особливості побудови мультиплексорів на елементах КМОП
При роботі з електронним ключем дуже легко отримати на одному або двох МОП транзисторах, тому в КМОП схемах логічний елемент "І" як електронний ключ не використовується. Схема електронного ключа, виконаного на комплементарних МОП транзисторах, наведено малюнку 5.
Рисунок 5. Схема електронного ключа, виконаного на КМОП транзисторах
Такий ключ може комутувати як цифрові, і аналогові сигнали. Опір відкритих транзисторів становить десятки Ом, а опір закритих транзисторів перевищує десятки миг. У цьому є як переваги, і недоліки. Те, що ключ, зібраний на МОП транзисторі, не є звичайним логічним елементом, дозволяє об'єднувати виходи електронних ключів у точній відповідності до схеми, наведеної на малюнку 1. Це явно спрощує схему пристрою.
Крім того, КМОП мультиплексор може бути використаний для комутації аналогових сигналів. При цьому слід лише забувати, що схема не витримує негативних напруг. Це означає, що для аналогових сигналів необхідно використовувати схему зміщення, так щоб значення аналогового сигналу знаходилися в діапазоні від загального потенціалу дроту схеми до напруги живлення мультиплексора.
У той же час, при роботі з мультиплексором, зібраним на КМОП ключах, доводиться ставити на його вході і виході логічні елементи. Тільки в цьому випадку цифрова схема загалом функціонуватиме правильно. Слід зазначити, що у більшості випадків ця умова виконується автоматично.
Тепер пригадаємо, що в мультиплексорі потрібно підключати до виходу лише один із вхідних сигналів. Так само як і для керування електронними ключами двійковим кодом до складу мультиплексора вводиться дешифратор. Схема такого мультиплексора наведено малюнку 6.
Малюнок 6. Схема мультиплексора на елементах КМОП
Умовно-графічне позначення мультиплексорів залежить від технології виготовлення мікросхем, тобто КМОП мультиплексор позначається так само, як і наведено малюнку 4.
У вітчизняних мікросхем мультиплексори позначаються літерами КП, наступними безпосередньо за номером серії мікросхем. Наприклад, мікросхема К1533КП2 є здвоєним чотириканальним мультиплексором, виконаним за ТТЛ технології, а мікросхема К1561КП1 є здвоєним чотириканальним мультиплексором, виконаним за КМОП технології.
Література:
Разом із статтею "Мультиплексори" читають:
Закони алгебри логіки дозволяють перетворювати логічні функції. Логічні функціїперетворюються з метою їх спрощення, а це веде до спрощення цифрової схеми...
http://сайт/digital/AlgLog.php
Будь-яка логічна схема без пам'яті повністю описується таблицею істинності... Для реалізації таблиці істинності досить розглянути ті рядки...
http://сайт/digital/SintSxem.php
Декодери (дешифратори) дозволяють перетворювати одні види бінарних кодів на інші. Наприклад...
http://сайт/digital/DC.php
Досить часто перед розробниками цифрової апаратури постає обернена задача. Потрібно перетворити восьмирічний або десятковий лінійний код на...
http://сайт/digital/Coder.php
Демультиплексорами називаються пристрої... Істотною відмінністю від мультиплексора є...
http://сайт/digital/DMS.php
Цифровий мультиплексор є логічним комбінованим пристроєм, який призначений для керованої передачі інформації від декількох джерел даних у вихідний канал. По суті, цей прилад є кілька цифрових позиційних перемикачів. Виходить, що цифровий мультиплексор є комутатором вхідних сигналів одну вихідну лінію.
Цей прилад має три групи входів:
- адресні, у яких визначає те, який інформаційний вхід необхідно підключити до виходу;
- інформаційні;
- дозвільні (стробуючі).
У цифровий мультиплексор має максимально 16 інформаційних входів. Якщо проектований пристрій вимагає більшої кількостіУ такому випадку будується структура так званого мультиплексорного дерева з кількох мікросхем.
Цифровий мультиплексор може використовуватися для синтезу практично будь-якого логічного пристрою, завдяки чому суттєво знижується кількість логічних елементів, що використовуються в схемах.
Правила синтезу приладів на базі мультиплексорів:
- будується карта Карно для вихідної функції (за значеннями змінних функцій);
- вибирається порядок використання у схемі мультиплексора;
- будується маскувальна матриця, яка повинна відповідати порядку використовуваного мультиплексора;
- необхідно накласти отриману матрицю на карту Карно;
- після цього проводиться мінімізація функції окремо кожної області матриці;
- з урахуванням результатів мінімізації необхідно побудувати схему.
Тепер від теорії перейдемо до практики. Розглянемо, де застосовуються такі пристрої.
Гнучкі мультиплексори призначені для формування цифрових потоків (первинних) зі швидкістю 2048 кбіт/с (мовлення), а також даних цифрових інтерфейсів кросової комутації електронних каналів зі швидкістю 64 кбіт/с, передачі цифрового потоку по мережі IP/Ethernet і для конвертації лінійної сигналізації та фізичних стиків.
За допомогою такого пристрою можна скомутувати до 60 (у деяких моделях ця цифра може бути більше) аналогових закінчень 1 або 2 або 128 абонентських комплектів на чотири потоки Е1. Зазвичай як аналогові закінчення виступають лінії ТЧ, що мають внутрішньосмугову сигналізацію, або сигналізація реалізується на окремому каналі. Дані мовних каналів можуть стискатися до 32 або 16 кбіт/с на один канал, для цього використовується кодування АДІКМ.
Гнучкі мультиплексори дозволяють використовувати широкомовні з'єднання, тобто подавати сигнали з одного з цифрових чи аналогових каналів на кілька інших. Часто застосовуються для подачі радіомовних програм одночасно у кілька різних пунктів.
Оптичні мультиплексори - це прилади, призначені для роботи з потоками даних за допомогою світлових пучків, які відрізняються амплітудною або фазовою довжиною хвилі. До переваг таких приладів можна віднести стійкість до зовнішніх впливів, технічну безпеку, захист від злому інформації, що передається.
