Multiplekser IC rozwiązuje prosty, ale częsty problem: jak przesłać sygnał z wielu linii wejściowych przez jedno wyjście. Dzięki temu można ograniczyć liczbę ścieżek, przewodów, pinów mikrokontrolera i kanałów pomiarowych.
Multipleksery stosuje się w układach cyfrowych i analogowych: w systemach komunikacyjnych, pamięciach, pomiarach, przełączaniu audio/wideo oraz sterowaniu magistralami. Pozwalają obsłużyć wiele sygnałów bez rozbudowy całego interfejsu.
W OurPCB patrzymy na takie układy także od strony montażu, routingu i testowania gotowych płytek.
Poniżej wyjaśniamy, czym jest układ scalony multipleksera, jak działają popularne konfiguracje 2:1, 4:1 i 8:1 oraz gdzie takie układy najczęściej pojawiają się w projektach elektroniki.
Co to jest układ scalony multipleksera?
Rys. 1: Odtwarzacz DVD z pilotem zdalnego sterowania
Układ scalony multipleksera, często oznaczany jako MUX, wybiera jeden z kilku sygnałów wejściowych i przekazuje go na wspólne wyjście. Aktywne wejście wskazują linie wyboru, nazywane też liniami adresowymi lub sterującymi.
Przykładem jest przełączanie źródła audio: urządzenie wybiera dźwięk z odtwarzacza DVD, odtwarzacza CD albo telewizora i kieruje go do jednego wzmacniacza. W elektronice cyfrowej ta sama zasada pozwala wybrać jedną linię danych spośród wielu.
W torach analogowych multipleksery realizuje się zwykle za pomocą tranzystorów MOSFET, przełączników analogowych lub przekaźników. W układach cyfrowych ich funkcję można zbudować z bramek logicznych, choć w praktyce najczęściej korzysta się z gotowych układów scalonych.
Najprostsza analogia to jednobiegunowy przełącznik wielopozycyjny: jedno wyjście, wiele możliwych wejść i mechanizm wyboru. W układzie scalonym taki wybór odbywa się elektronicznie, szybko i powtarzalnie.
Konfiguracja pinów multipleksera IC
Rys. 2: Układ pinów multipleksera dwuwejściowego
Typowy multiplekser ma wejścia danych, jedno wyjście, linie wyboru oraz piny zasilania. W wielu układach występuje także pin enable, który włącza albo blokuje działanie całego multipleksera. Poniższy schemat pokazuje podstawowe przypisanie pinów.
Różne typy układów scalonych multiplekserów
Multiplekser IC - multiplekser dwuwejściowy
Multiplekser dwuwejściowy, czyli 2:1, ma dwa wejścia danych, jedno wyjście i jedną linię wyboru. Oznaczmy ją jako "S". Stan tej linii decyduje, czy na wyjściu pojawi się sygnał z pierwszego, czy z drugiego wejścia.
Funkcję takiego układu można zrealizować z bramek logicznych: sygnał wyboru przepuszcza jedno wejście, a jednocześnie blokuje drugie. W wersji analogowej odpowiada temu elektroniczny przełącznik SPDT, czyli single pole double throw.
Przełącznik SPDT ma jeden wspólny styk i dwa możliwe tory przełączenia. W multiplekserze 2:1 dwa wejścia są wybierane do jednego wyjścia. Należy też poprawnie podłączyć zasilanie, masę oraz ewentualny pin enable zgodnie z notą katalogową.
Tablicę prawdy multipleksera 2:1 można przedstawić następująco:
Stan linii wyboru wskazuje aktywne wejście. Dla jednego stanu wyjście R przyjmuje wartość z I1, a dla drugiego - wartość z I2. Druga linia pozostaje wtedy odłączona od wyjścia.
W praktyce oznacza to, że jeden bit sterujący wystarcza do wyboru jednego z dwóch sygnałów. To podstawowy blok, z którego buduje się większe multipleksery.
Równanie Boole'a dla obwodu multipleksera dwuwejściowego pokazano poniżej.
Pojedyncza linia sterująca może więc zaadresować dwa wejścia danych. Liczba możliwych wejść rośnie wykładniczo wraz z liczbą linii wyboru.
Większe układy można budować, łącząc kilka multiplekserów 2:1 w strukturę kaskadową. Z tego powodu konfiguracja dwuwejściowa jest dobrym punktem wyjścia do zrozumienia bardziej rozbudowanych multiplekserów.
Multiplekser IC - multiplekser 4 na 1 kanał
Multiplekser 4:1 ma cztery wejścia danych i jedno wyjście. Do wyboru jednego z czterech wejść potrzebne są dwie linie sterujące.
W poniższym przykładzie cztery wejścia oznaczono jako A0, A1, A2 i A3.
Liniami wyboru są a oraz b. Ich kombinacja binarna wskazuje wejście połączone z wyjściem R.
Rys. 3: Schemat ideowy multipleksera 4 na 1 kanał
Poniżej znajduje się tabela prawdy dla takiego multipleksera.
W danej chwili aktywne jest tylko jedno połączenie z wyjściem. Pozostałe wejścia są odłączone logicznie albo pozostają w stanie rozwarcia.
Równanie Boole'a dla tej konfiguracji można zapisać jako:
"R = a̅b̅A0 + ab̅A1 + a̅bA2 + abA3".
Każda kombinacja linii wyboru uaktywnia dokładnie jeden składnik równania. Kolejne linie sterujące zwiększają liczbę wejść, które multiplekser może obsłużyć.
W tym przykładzie wybór wejścia A1 wymaga ustawienia linii a w stan logiczny "1" oraz linii b w stan logiczny "0". Wtedy tylko tor A1 wpływa na wartość wyjścia R.
Ogólna zasada jest prosta: n linii wyboru może zaadresować 2n wejść danych. Dwie linie obsługują cztery wejścia, trzy linie - osiem, a cztery linie - szesnaście.
Multiplekser 4:1 można zbudować z inwerterów, czterech bramek AND oraz bramki OR sumującej wynik. W gotowych układach scalonych ta struktura jest już zintegrowana.
Multiplekser IC - czterokanałowe multipleksowanie z bramkami logicznymi
Rysunek 4: schemat multipleksera 4:1 z bramek logicznych
4-kanałowe multipleksowanie
Spotyka się też układy wielokanałowe, które zawierają kilka multiplekserów w jednej obudowie. Przykładem jest podwójny multiplekser 4:1: jeden układ obsługuje dwa niezależne tory, a każdy wybiera jedno z czterech wejść.
Nie należy mylić tego z koderem "4 wejścia na 2 wyjścia". Multiplekser nadal wybiera jeden tor sygnału, ale kilka takich torów może znajdować się w tym samym układzie scalonym.
Dostępne są również konfiguracje 8:1, 16:1 oraz podwójne i poczwórne multipleksery o mniejszej liczbie wejść na kanał. Wybór zależy od liczby sygnałów, napięcia pracy, rodzaju sygnału i parametrów toru.
Jeżeli gotowy układ ma za mało wejść, multipleksery można łączyć kaskadowo. Trzeba wtedy uwzględnić dodatkowe opóźnienia propagacji albo parametry toru analogowego.
Multiplekser 8 do 1
Multiplekser 8:1 ma osiem wejść danych i jedno wyjście. Wejścia można oznaczyć jako A0-A7, a ich wybór odbywa się za pomocą trzech linii sterujących.
Wynika to z zależności 2n: trzy bity wyboru dają osiem kombinacji, czyli możliwość wskazania jednego z ośmiu wejść.
Dla multipleksera 8:1 linie wyboru można oznaczyć jako C0, C1 i C2. Kombinacja C2 C1 C0 tworzy adres wejścia.
Wyjście przyjmuje wartość tego wejścia, które odpowiada aktualnej kombinacji linii wyboru.
Tablica prawdy wygląda następująco:
Na tej podstawie równanie dla multipleksera 8:1 można zapisać jako sumę ośmiu iloczynów logicznych.
"Y = C2̅C1̅C0̅A0 + C2̅C1̅C0A1 + C2̅C1C0̅A2 + C2̅C1C0A3 + C2C1̅C0̅A4 + C2C1̅C0A5 + C2C1C0̅A6 + C2C1C0A7".
Realizacja z bramek wymaga zanegowanych i niezanegowanych linii wyboru, ośmiu torów AND oraz bramki OR. W wielu układach pin enable jest aktywny stanem niskim: "0" włącza wybór danych, a "1" blokuje multiplekser. Zawsze trzeba to sprawdzić w nocie katalogowej.
Multiplekser IC - zastosowania
Rysunek 5
Multipleksery pojawiają się w liniach transmisyjnych i systemach sieciowych, gdzie trzeba kierować sygnały między wieloma torami.
W systemach komunikacyjnych pomagają obsługiwać wiele kanałów danych przy ograniczonej liczbie wejść i wyjść procesora, FPGA albo kontrolera.
W telefonii i sprzęcie audio umożliwiają wybór jednej linii głosowej lub jednego źródła sygnału z wielu dostępnych wejść.
W telemetrii, także satelitarnej, multipleksowanie pozwala zebrać wiele sygnałów pomiarowych i przesłać je jednym kanałem transmisyjnym.
W kontrolerach pamięci i magistralach adresowych multipleksery pomagają przełączać adresy, dane lub sygnały sterujące zależnie od fazy cyklu pracy.
W systemach pamięci masowej i akwizycji danych ułatwiają wybór kanału, czujnika albo ścieżki sygnałowej bez rozbudowy liczby pinów.
Na koniec
Multiplekser jest prosty koncepcyjnie, ale nie jest elementem drugorzędnym. Od doboru układu zależy funkcja logiczna, opóźnienie propagacji, poziomy napięć, integralność sygnału i zachowanie toru analogowego.
Dlatego multipleksery są ważnym składnikiem systemów sieciowych, komputerowych, komunikacyjnych i pomiarowych. Dobrze dobrany MUX upraszcza projekt i pozwala lepiej wykorzystać zasoby mikrokontrolera lub procesora.
Jeżeli przygotowujesz projekt płytki z multiplekserami, przełącznikami analogowymi albo bardziej złożonym torem sygnałowym, OurPCB może pomóc w analizie DFM, produkcji PCB i montażu. Prześlij pliki Gerber oraz BOM: wycena w 12 godzin roboczych.