Мультиплексор

Мультиплексор — это электронное устройство, предназначенное для коммутации (переключения) одного из нескольких входных сигналов на единственный выход. Мультиплексор действует как управляемый переключатель, который в зависимости от состояния управляющих сигналов (адреса) подключает к выходу один из информационных входов. В цифровой схемотехнике мультиплексор является одной из базовых комбинационных логических схем, широко применяемой в вычислительной технике, телекоммуникациях и системах автоматизации.

Принцип работы

Основная функция мультиплексора — выбор одного из N входных сигналов и передача его на выход. Выбор осуществляется с помощью адресных входов. Количество адресных входов (m) и количество информационных входов (N) связаны соотношением N = 2^m. Например, для мультиплексора с 4 входами требуется 2 адресных входа, для 8 входов — 3 адресных входа.

Работа мультиплексора описывается логическим выражением. Для мультиплексора с 4 входами (D0, D1, D2, D3) и двумя адресными входами (A0, A1) выход Y определяется как:

Y = (¬A1 ∧ ¬A0 ∧ D0) ∨ (¬A1 ∧ A0 ∧ D1) ∨ (A1 ∧ ¬A0 ∧ D2) ∨ (A1 ∧ A0 ∧ D3)

Здесь ¬ обозначает логическое отрицание (инверсию), ∧ — логическое «И», ∨ — логическое «ИЛИ». Фактически, мультиплексор реализует дизъюнкцию конъюнкций, где каждая конъюнкция соответствует одному из входов, активируемому только при определённой комбинации адресных сигналов.

Структурная схема

Внутренняя структура мультиплексора состоит из:

• Информационных входов (D0, D1, ..., D(N-1)) — на них подаются сигналы, которые могут быть переданы на выход.
• Адресных входов (A0, A1, ..., A(m-1)) — они задают двоичный код, определяющий, какой из входов будет подключён.
• Входа разрешения (Enable, E или STB) — в некоторых моделях используется для активации или деактивации мультиплексора. При активном сигнале разрешения мультиплексор работает в штатном режиме; при неактивном — выход может быть переведён в высокоимпедансное состояние (Z-состояние) или на выход подаётся логический ноль.
• Выхода (Y) — сигнал, равный сигналу на выбранном информационном входе.

Классификация

Мультиплексоры классифицируются по нескольким признакам.

По типу обрабатываемых сигналов

• Цифровые мультиплексоры — работают с дискретными логическими уровнями (0 и 1). Наиболее распространённый тип, используемый в цифровых микросхемах.
• Аналоговые мультиплексоры — коммутируют аналоговые сигналы (непрерывные напряжения). В таких устройствах применяются полевые транзисторы (например, CMOS-ключи), обеспечивающие двунаправленную передачу сигнала. Аналоговые мультиплексоры часто называют коммутаторами сигналов.

По количеству каналов

• 2-канальные (2:1) — один адресный вход, два информационных.
• 4-канальные (4:1) — два адресных входа, четыре информационных.
• 8-канальные (8:1) — три адресных входа, восемь информационных.
• 16-канальные (16:1) — четыре адресных входа, шестнадцать информационных.
• Мультиплексоры с большим числом каналов (32:1, 64:1 и т.д.) обычно реализуются путём каскадирования нескольких микросхем.

По способу реализации

• Интегральные микросхемы — стандартные серии (например, К155КП1, К555КП2, КР1533КП11, 74HC151, 74HC4051). В России выпускаются микросхемы серий 155, 555, 1533, 1564 и других.
• Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) — мультиплексоры могут быть реализованы на логических элементах внутри ПЛИС.
• Дискретные компоненты — на транзисторах и диодах, применяются в учебных целях или в специализированных устройствах.

Применение

Мультиплексоры находят широкое применение в различных областях электроники.

В вычислительной технике

• Выборка данных из памяти — мультиплексоры используются для выбора нужной ячейки памяти по адресу.
• Коммутация шин данных — в микропроцессорных системах мультиплексоры позволяют подключать несколько устройств к одной шине данных.
• Реализация арифметико-логических устройств (АЛУ) — мультиплексоры используются для выбора операндов и режимов работы.
• Построение дешифраторов и преобразователей кодов — мультиплексор может быть использован для реализации произвольной логической функции.

В телекоммуникациях

• Временное мультиплексирование (TDM) — в системах связи мультиплексоры объединяют несколько низкоскоростных цифровых потоков в один высокоскоростной.
• Коммутация каналов — в телефонных станциях и сетевых коммутаторах.

В измерительной технике

• Мультиплексирование датчиков — один аналого-цифровой преобразователь (АЦП) может последовательно опрашивать несколько датчиков через мультиплексор.
• Системы сбора данных — в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП) мультиплексоры используются для подключения множества аналоговых сигналов к одному измерительному каналу.

В бытовой электронике

• Аудио- и видеокоммутаторы — мультиплексоры используются в AV-ресиверах для переключения между источниками сигнала (DVD-плеер, приставка, компьютер).
• Клавиатуры — в матричных клавиатурах мультиплексоры позволяют считывать состояние большого количества клавиш при малом числе выводов микроконтроллера.

Основные параметры и характеристики

При выборе мультиплексора учитываются следующие параметры:

• Число каналов — количество информационных входов.
• Время задержки распространения сигнала — время от момента изменения адреса или входного сигнала до установления сигнала на выходе. Для быстродействующих схем (например, серии 74AC) задержка составляет единицы наносекунд.
• Напряжение питания — для ТТЛ-микросхем (транзисторно-транзисторная логика) обычно 5 В, для КМОП-микросхем (комплементарная логика на полевых транзисторах) — от 3 до 15 В.
• Входные и выходные логические уровни — для ТТЛ: логический 0 — 0,4 В, логическая 1 — 2,4 В; для КМОП: логический 0 — 0,1 В, логическая 1 — 4,9 В (при 5 В питания).
• Выходной ток — способность нагрузки.
• Диапазон рабочих температур — для коммерческих микросхем от 0 до 70 °C, для промышленных от -40 до 85 °C, для военных от -55 до 125 °C.

Примеры микросхем мультиплексоров

В российской и советской электронике широко применялись микросхемы:

• К155КП1 — мультиплексор 8:1 (8 входов, 1 выход) с инверсным выходом, ТТЛ-логика.
• К555КП2 — мультиплексор 4:1 с тремя состояниями на выходе, ТТЛШ (транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки).
• КР1533КП11 — мультиплексор 8:1, ТТЛШ.
• К561КП1 — аналоговый мультиплексор 4:1, КМОП-логика.

Из зарубежных аналогов известны:

• 74HC151 — 8-канальный цифровой мультиплексор, КМОП.
• 74HC4051 — 8-канальный аналоговый мультиплексор/демультиплексор, КМОП.
• CD4051 — аналоговый мультиплексор/демультиплексор, КМОП.

Интересные факты

• Мультиплексор является универсальным логическим элементом: на его основе можно реализовать любую булеву функцию от m переменных. Для этого на информационные входы подаются константы 0 или 1, а на адресные — переменные функции.
• В некоторых источниках мультиплексор называют «селектором данных» (data selector), что отражает его функцию выбора одного из нескольких источников данных.
• В советской литературе мультиплексоры часто обозначались как «коммутаторы цифровых сигналов» или «селекторы-мультиплексоры».
• Современные микроконтроллеры (например, STM32, AVR) часто имеют встроенные аналоговые мультиплексоры, которые подключают несколько выводов к одному встроенному АЦП.

Источники

• Угрюмов Е.П. «Цифровая схемотехника». — СПб.: БХВ-Петербург, 2010.
• Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника». — М.: ДМК Пресс, 2008.
• ГОСТ 2.743-91 «Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники».
• Техническая документация на микросхемы серий К155, К555, К561 (ОАО «Интеграл», г. Минск).
• Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники». — М.: Мир, 2003.