Κύκλωμα πολυπλέκτη και πώς λειτουργεί

Ο όρος Multiplexer που ονομάζεται επίσης " MUX " ή " MPX " αναφέρεται στην επιλογή μιας εξόδου από τις πολλές διαθέσιμες εισόδους. Ο καθηγητής Shankar Balachandran (IIT-M) εξηγεί την πολυπλεξία ως τη μέθοδο μετάδοσης μεγάλου αριθμού μονάδων πληροφοριών μέσω μικρού αριθμού καναλιών ή γραμμών και ένα Ψηφιακό Πολυπλέκτη είναι ένα συνδυαστικό κύκλωμα Λογικής που επιλέγει δυαδικές πληροφορίες από μία από τις πολλές γραμμές εισόδου και το κατευθύνει σε μία γραμμή εξόδου.

Σε αυτό το άρθρο, θα μάθουμε πώς λειτουργούν αυτοί οι Πολυπλέκτες, πώς να σχεδιάσουμε έναν για το έργο μας και επίσης να δοκιμάσουμε ένα πρακτικό παράδειγμα σε ένα breadboard για να ελέγξουμε τη λειτουργία του Υλικού.

Βασικά στοιχεία των πολυπλέκτρων:

Ο καλύτερος τρόπος για να κατανοήσετε τους πολυπλέκτες είναι να κοιτάξετε έναν πόλο πολλαπλών θέσεων όπως φαίνεται παρακάτω. Εδώ ο διακόπτης έχει πολλαπλές εισόδους D0, D1, D2 και D3 αλλά έχει μόνο μία έξοδο (Out) pin. Το κουμπί ελέγχου χρησιμοποιείται για την επιλογή ενός από τα τέσσερα διαθέσιμα δεδομένα και αυτά τα δεδομένα θα αντικατοπτρίζονται στην πλευρά εξόδου. Με αυτόν τον τρόπο ο χρήστης μπορεί να επιλέξει το απαιτούμενο σήμα μεταξύ πολλών διαθέσιμων σημάτων.

Αυτό είναι ένα απλό παράδειγμα ενός μηχανικού πολυπλέκτη. Αλλά στο ηλεκτρονικό κύκλωμα που περιλαμβάνει εναλλαγή υψηλής ταχύτητας και μεταφορά δεδομένων θα πρέπει να είμαστε σε θέση να επιλέξουμε την απαιτούμενη είσοδο πολύ γρήγορα χρησιμοποιώντας ψηφιακά κυκλώματα. Τα σήματα ελέγχου (S1 και S0) κάνουν ακριβώς το ίδιο, επιλέγουν μία είσοδο από τις πολλές διαθέσιμες με βάση το σήμα που τους παρέχεται. Έτσι, οι τρεις βασικοί και γυμνοί ελάχιστοι όροι σε οποιοδήποτε πολυπλέκτη θα είναι οι ακροδέκτες εισόδου εισόδου, ο ακροδέκτης εξόδου και το σήμα ελέγχου

Καρφίτσες εισόδου: Αυτές είναι οι διαθέσιμες καρφίτσες σήματος από τις οποίες πρέπει να επιλεγεί. Αυτά τα σήματα μπορούν είτε να είναι ένα ψηφιακό σήμα είτε ένα αναλογικό σήμα.

Έξοδος Pin: Ένας πολυπλέκτης θα έχει πάντα μόνο έναν ακροδέκτη εξόδου. Το επιλεγμένο σήμα εισόδου θα παρέχεται από τον ακροδέκτη εξόδου.

Ρύθμιση ελέγχου / επιλογής: Οι ακίδες ελέγχου χρησιμοποιούνται για την επιλογή του σήματος εισόδου. Ο αριθμός των ακίδων ελέγχου σε έναν πολυπλέκτη εξαρτάται από τον αριθμό των ακίδων εισόδου. Για παράδειγμα, ένας πολυπλέκτης 4 εισόδων θα έχει 2 ακίδες σήματος.

Για λόγους κατανόησης, ας εξετάσουμε έναν πολυπλέκτη 4 εισόδων που φαίνεται παραπάνω. Έχει δύο σήματα ελέγχου χρησιμοποιώντας τα οποία μπορούμε να επιλέξουμε μία από τις τέσσερις διαθέσιμες γραμμές εισόδου. Ο Πίνακας αλήθειας παρακάτω δείχνει την κατάσταση των ακίδων ελέγχου (S0 και S1) για την επιλογή του απαιτούμενου ακροδέκτη εισόδου.

Τώρα, που έχουμε κατανοήσει τα βασικά των πολυπλέκτρων, ας ρίξουμε μια ματιά στους πολυπλέκτες 2 εισόδων και πολυπλέκτες 4 εισόδων που χρησιμοποιούνται συνήθως σε κυκλώματα εφαρμογών.

Πολυπλέκτες 2 εισόδων:

Όπως υποδηλώνει το όνομα για πολυπλέκτες 2 εισόδων, θα έχουμε 2 γραμμές εισόδου και μία γραμμή εξόδου. Επίσης, θα έχει μόνο έναν πείρο ελέγχου για επιλογή μεταξύ των διαθέσιμων δύο ακίδων εισόδου. Μια γραφική παράσταση ενός πολυπλέκτη 2: 1 φαίνεται παρακάτω.

Εδώ οι ακίδες εισαγωγής ονομάζονται D0 και D1 και ο ακροδέκτης εξόδου ονομάζεται έξω. Ο χρήστης μπορεί να επιλέξει μία από τις εισόδους που είναι είτε D0 είτε D1 χρησιμοποιώντας το Pin Pin S0. Εάν το S0 διατηρείται χαμηλό (λογική 0) τότε το Input D0 θα αντανακλάται στον ακροδέκτη εξόδου και εάν το Input S0 διατηρείται υψηλό (λογική 1) τότε το Input D1 θα αντανακλάται στον ακροδέκτη εξόδου. Ο πίνακας αλήθειας που αντιπροσωπεύει το ίδιο φαίνεται παρακάτω

Όπως μπορείτε να δείτε από τον παραπάνω πίνακα, όταν το σήμα ελέγχου S0 είναι 0, η έξοδος αντανακλά τις τιμές σήματος του D0 (επισημαίνεται με μπλε χρώμα) και παρόμοια όταν το σήμα ελέγχου S0 είναι 1, η έξοδος αντικατοπτρίζει τις τιμές σήματος του D1 (επισημαίνονται με κόκκινο χρώμα). Υπάρχουν λίγα ειδικά πακέτα IC που θα λειτουργούν ως πολυπλέκτες απευθείας από το πακέτο, αλλά επειδή προσπαθούμε να κατανοήσουμε τα συνδυαστικά λογικά σχέδια, ας δημιουργήσουμε τον παραπάνω πολυπλέκτη 2 εισόδων χρησιμοποιώντας λογικές πύλες. Το διάγραμμα κυκλώματος λογικής για το ίδιο φαίνεται παρακάτω

Το λογικό διάγραμμα χρησιμοποιεί μόνο τις πύλες NAND και, ως εκ τούτου, μπορεί εύκολα να χτιστεί σε έναν πίνακα ή ακόμα και σε ένα breadboard. Η έκφραση Boolean για το λογικό διάγραμμα μπορεί να δοθεί από

Έξοδος = S ₀ '.D ₀ '.D ₁ + S ₀ '.D ₀.D ₁ + S ₀.D ₀.D ₁ ' + S ₀.D ₀.D ₁

Μπορούμε να κάνουμε απλώς αυτήν την Boolean έκφραση χρησιμοποιώντας την ακύρωση των κοινών όρων, έτσι ώστε το λογικό διάγραμμα να γίνει πολύ πιο απλό και εύκολο να κατασκευαστεί. Η απλοποιημένη έκφραση Boolean δίνεται παρακάτω.

Out = S ₀ »μ.Χ. ₀ + S ₀ μ.Χ. ₁

Πολυπλέκτες υψηλότερης τάξης (πολυπλέκτης 4: 1):

Μόλις καταλάβετε τη λειτουργία ενός πολυπλέκτη 2: 1, θα ήταν εύκολο να κατανοήσετε επίσης τον πολυπλέκτη 4: 1. Είναι απλώς ότι θα έχει 4 ακίδες εισόδου και 1 ακίδες εξόδου με δύο γραμμές ελέγχου. Αυτές οι δύο γραμμές ελέγχου μπορούν να σχηματίσουν 4 διαφορετικά συνδυαστικά λογικά σήματα και για κάθε σήμα θα επιλεγεί μια συγκεκριμένη είσοδος.

Μπορείτε να βρείτε τον αριθμό των γραμμών ελέγχου για οποιοδήποτε Πολυπλέκτη χρησιμοποιώντας τους παρακάτω τύπους

2 ^{Αριθμός γραμμών ελέγχου} = Αριθμός γραμμών εισαγωγής

Έτσι, για παράδειγμα, ένας πολυπλέκτης 2: 1 θα έχει 1 γραμμή ελέγχου επειδή 2 ¹ = 2 και ένας πολυπλέκτης 4: 1 θα έχει 2 γραμμές ελέγχου επειδή 2 ² = 4. Ομοίως μπορείτε να υπολογίσετε για τυχόν πολυπλέκτες υψηλότερης τάξης.

Είναι επίσης συνηθισμένο να συνδυάζετε σε πολυπλέκτες χαμηλότερης τάξης όπως 2: 1 και 4: 1 MUX για να σχηματίζετε υψηλότερης τάξης MUX όπως 8: 1 Πολυπλέκτης. Τώρα, για παράδειγμα, ας προσπαθήσουμε να εφαρμόσουμε έναν πολυπλέκτη 4: 1 χρησιμοποιώντας έναν πολυπλέκτη 2: 1. Για να κατασκευάσουμε ένα MUX 4: 1 χρησιμοποιώντας ένα MUX 2: 1, θα πρέπει να συνδυάσουμε τρία MUX 2: 1.

Το τελικό αποτέλεσμα θα πρέπει να μας δώσει 4 ακίδες εισόδου, 2 ακίδες ελέγχου / επιλογής και έναν ακροδέκτη εξόδου. Για την επίτευξη των δύο πρώτων MUX συνδέεται παράλληλα και στη συνέχεια η έξοδος αυτών των δύο τροφοδοτείται ως είσοδος στο ^3ο MUX όπως φαίνεται παρακάτω.

Η γραμμή ελέγχου / επιλογής των δύο πρώτων MUX συνδέεται μαζί για να σχηματίσει μία μόνο γραμμή (S ₀) και στη συνέχεια η γραμμή ελέγχου του ^3ου MUX χρησιμοποιείται ως το δεύτερο σήμα ελέγχου / επιλογής. Έτσι, τελικά έχουμε έναν πολυπλέκτη με τέσσερις εισόδους (W0, W1, W2 και W3) και μόνο μία έξοδο (f). Ο πίνακας αλήθειας για έναν πολυπλέκτη 4: 1 φαίνεται παρακάτω.

Όπως μπορείτε να δείτε στον παραπάνω πίνακα, για κάθε σύνολο τιμών που παρέχεται στους πείρους σήματος ελέγχου (S0 και S1) λαμβάνουμε μια διαφορετική έξοδο από τις ακίδες εισόδου στον πείρο εξόδου μας. Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το MUX για να επιλέξετε μία από τις διαθέσιμες τέσσερις ακίδες εισόδου για να εργαστείτε. Κανονικά, αυτοί οι πείροι ελέγχου (S0 και S1) θα ελέγχονται αυτόματα χρησιμοποιώντας ένα ψηφιακό κύκλωμα. Υπάρχουν ορισμένα ειδικά IC που μπορούν να λειτουργήσουν ως MUX και να κάνουν τη δουλειά εύκολη για εμάς, οπότε ας ρίξουμε μια ματιά σε αυτές.

Πρακτική εφαρμογή του πολυπλέκτη με χρήση IC 4052:

Είναι πάντα ενδιαφέρον να δημιουργούμε και να επαληθεύουμε πρακτικά πράγματα, έτσι ώστε η θεωρία που μαθαίνουμε να έχει πιο νόημα. Ας δημιουργήσουμε λοιπόν έναν πολυπλέκτη 4: 1 και ελέγξτε πώς λειτουργεί. Το IC που χρησιμοποιούμε εδώ είναι MC14052B το οποίο έχει δύο πολυπλέκτες 4: 1 μέσα του. Τα pinouts του IC φαίνονται παρακάτω

Εδώ οι ακίδες X0, X1, X2 και X3 είναι οι τέσσερις ακίδες εισόδου και ο ακροδέκτης X είναι ο αντίστοιχος ακροδέκτης εξόδου του. Οι ακίδες ελέγχου A και B χρησιμοποιούνται για την επιλογή της απαιτούμενης εισόδου στον πείρο εξόδου. Ο πείρος Vdd (πείρος 16) πρέπει να συνδεθεί στην τάση τροφοδοσίας που είναι + 5V και ο πείρος Vss και Vee πρέπει να γειωθεί. Ο πείρος Vee είναι για ενεργοποίηση που είναι ενεργός χαμηλός πείρος, οπότε πρέπει να τον γειώσουμε για να ενεργοποιήσουμε αυτό το IC. Το MC14052 είναι ένας αναλογικός πολυπλέκτης που σημαίνει ότι οι ακίδες εισόδου μπορούν επίσης να παρέχονται με μεταβλητή τάση και οι ίδιες μπορούν να ληφθούν μέσω των ακίδων εξόδου. Η παρακάτω εικόνα GIF δείχνει πώς το IC εξάγει μεταβλητή τάση εισόδου με βάση τα παρεχόμενα σήματα ελέγχου. Οι ακίδες εισόδου έχουν την τάση 1.5V, 2.7V, 3.3V και 4.8V η οποία λαμβάνεται επίσης στον πείρο εξόδου βάσει του δεδομένου σήματος ελέγχου.

Μπορούμε επίσης να συναρμολογήσουμε αυτό το κύκλωμα πάνω από ένα breadboard και να ελέγξουμε εάν λειτουργούν. Για να το κάνω αυτό, έχω χρησιμοποιήσει δύο κουμπιά είναι εισόδους για τους πείρους ελέγχου A και B. Και χρησιμοποίησα μια σειρά πιθανών συνδυασμών διαχωριστή για την παροχή μεταβλητών τάσεων για τους πείρους 12, 14, 15 και 11. Ο πείρος εξόδου 13 είναι συνδεδεμένος σε ένα LED. Οι μεταβλητές τάσεις που παρέχονται στο LED θα κάνουν τη μεταβολή της φωτεινότητας με βάση τα σήματα ελέγχου. Το κύκλωμα μόλις κατασκευαστεί θα μοιάζει με αυτό παρακάτω

Το πλήρες βίντεο εργασίας του κυκλώματος βρίσκεται επίσης στο κάτω μέρος αυτής της σελίδας. Ελπίζω να καταλάβατε τη λειτουργία των πολυπλέκτη και να ξέρετε πού να τα χρησιμοποιήσετε στα έργα σας. Εάν έχετε οποιεσδήποτε σκέψεις ή αμφιβολίες αφήστε τις στην παρακάτω ενότητα σχολίων και θα προσπαθήσω το καλύτερό μου για να απαντήσω σε αυτές. Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε τα φόρουμ για να επιλύσετε τις τεχνικές αμφιβολίες σας και να μοιραστείτε τις γνώσεις σας μεταξύ άλλων μελών αυτής της κοινότητας.