Министерство  образования и  науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный  технический университет  – УПИ»

Кафедра «Автоматика и  информационные технологии» 
 

Оценка_______________

Члены комиссии:__________ 

Мультиплексоры. Демультиплексоры.

Пояснительная записка к курсовому  проекту

по  дисциплине «Схемотехника  ЭВМ»

230100 0000 01 ПЗ 
 
 

Преподаватель:  Бессонов Н. П.

Студент:  Авксенова А. Е.

Группа:  Р-34031 
 
 
 
 
 
 
 

2006

 

Содержание.

 

Введение.

Со временем развития цифровой техники появилась  необходимость пересылать данные от многих источников к одному. Для  этого был изобретен мультиплексор. Так же для решения обратной задачи – пересылки данных от одного источника в несколько – изобретен демультиплексор.

В данной работе обобщены сведения об мультиплексорах и демультиплексорах, приведены схемы из реализации, рассмотрены особенности разных микросхем. 

 

1. Мультиплексоры.

1.1. Общие сведения.

Мультиплексорами  называются устройства, которые позволяют  подключать несколько входов к одному выходу. В простейшем случае такую  коммутацию можно осуществить при  помощи ключей:

Рис. 1. Коммутатор (мультиплексор), собранный  на ключах.

Такой коммутатор одинаково хорошо будет  работать как с аналоговыми, так  и с цифровыми сигналами. Однако скорость работы механических ключей оставляет желать лучшего, да и управлять  ключами часто приходится автоматически  при помощи какой-либо схемы.

В цифровых схемах требуется управлять ключами при помощи логических уровней. То есть нужно подобрать устройство, которое могло бы выполнять функции электронного ключа с электронным управлением цифровым сигналом.

1.2. Особенности построения  мультиплексоров  на ТТЛ элементах

Попробуем заставить работать в качестве электронного ключа уже знакомые нам логические элементы. Рассмотрим таблицу истинности логического элемента "И". При  этом один из входов логического элемента "И" будем рассматривать как  информационный вход электронного ключа, а другой вход – как управляющий. Так как оба входа логического элемента "И" эквивалентны, то не важно какой из них будет управляющим входом.

Пусть вход X будет управляющим, а Y - информационным. Для простоты рассуждений, разделим таблицу истинности на две части в зависимости от уровня логического сигнала на управляющем входе X.

По таблице  истинности отчетливо видно, что  пока на управляющий вход X подан нулевой логический уровень, сигнал, поданный на вход Y, на выход Out не проходит. При подаче на управляющий вход X логической единицы, сигнал, поступающий на вход Y, появляется на выходе Out.

Это означает, что логический элемент "И" можно  использовать в качестве электронного ключа. При этом не важно, какой из входов элемента "И" будет использоваться в качестве управляющего входа, а какой - в качестве информационного. Остается только объединить выходы элементов "И" в один выход. Это делается при помощи элемента "ИЛИ" точно так же как и при построении схемы по произвольной таблице истинности. Получившийся вариант схемы коммутатора с управлением логическими уровнями приведен на рисунке 2.

Рис. 2. Принципиальная схема мультиплексора, выполненная на логических элементах.

В схемах, приведенных на рисунках 1 и 2, можно одновременно включать несколько входов на один выход. Однако обычно это приводит к непредсказуемым последствиям. Кроме того, для управления таким коммутатором требуется много входов, поэтому в состав мультиплексора обычно включают двоичный дешифратор, как показано на рисунке 3. Это позволяет управлять переключением информационных входов при помощи двоичных кодов, подаваемых на управляющие входы. Количество информационных входов в таких схемах выбирают кратным степени числа два.

Рис. 3. Принципиальная схема мультиплексора, управляемого двоичным кодом.

Условно графическое обозначение 4-входового  мультиплексора с двоичным управлением  приведено на рис. 4. Входы A0 и A1 являются управляющими входами мультиплексора, определяющими адрес входного сигнала, который будет соединён с выходным выводом мультиплексора Y. Сами входные сигналы обозначены как X0, X1, X2 и X3.

Рис. 4. Условно графическое обозначение  четырёхвходового мультиплексора.

В условно-графическом  обозначении названия информационных входов A, B, C и D заменены названиями X0, X1, X2 и X3, а название выхода Out заменено на название Y. Такое название входов и выходов более распространено в отечественной литературе. Адресные входы обозначены как A0 и A1.

1.3. Особенности построения  мультиплексоров на КМОП элементах

При работе с КМОП логическими элементами электронный  ключ очень легко получить на одном  или двух МОП транзисторах, поэтому  в КМОП схемах логический элемент  “И” в качестве электронного ключа  не используется. Схема электронного ключа, выполненного на комплементарных МОП транзисторах, приведена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема электронного ключа, выполненного на МОП транзисторах.

Такой ключ может коммутировать как  цифровые, так и аналоговые сигналы. Сопротивление открытых транзисторов составляет десятки Ом, а сопротивление закрытых транзисторов превышает десятки мегом. В этом есть как преимущества, так и недостатки. То, что ключ, собранный на МОП транзисторе, не является обычным логическим элементом, позволяет объединять выходы электронных ключей в точном соответствии со схемой, приведённой на рисунке 1. Это явно упрощает схему устройства.

Кроме того, МОП мультиплексор может  быть использован для коммутации аналоговых сигналов. При этом только следует не забывать, что схема  не выдерживает отрицательных напряжений. Это означает, что для аналоговых сигналов необходимо использовать схему смещения, так чтобы значения аналогового сигнала находились в диапазоне от потенциала общего провода схемы до напряжения питания мультиплексора.

В то же самое время, при работе с мультиплексором, собранным на таких ключах, приходится ставить на его входе и выходе логические элементы. Только в этом случае цифровая схема в целом будет функционировать правильно. Следует отметить, что в большинстве случаев это условие выполняется автоматически.

Теперь  вспомним, что в мультиплексоре требуется  подключать к выходу только один из входных сигналов. Точно также  как и в ТТЛ микросхемах  для управления электронными ключами  двоичным кодом в состав мультиплексора вводится дешифратор. Схема такого мультиплексора приведена на рисунке 6.

 

Рис.6. Мультиплексор, управляемый двоичным кодом.

Условно-графическое  обозначение мультиплексоров не зависит от технологии изготовления микросхем, то есть КМОП мультиплексор  обозначается точно так же, как это приведено на рисунке 4.

В отечественных  микросхемах мультиплексоры обозначаются буквами КП, следующими непосредственно  за номером серии микросхем. Например, микросхема К1533КП2 является сдвоенным  четырёхканальным мультиплексором, выполненным  по ТТЛ технологии, а микросхема К1561КП1 является сдвоенным четырёхканальным мультиплексором, выполненным по КМОП технологии.

 

1.4. Мультиплексоры. Примеры  микросхем.

Микросхемы К176КТ1, К561КТЗ, КР1561КТЗ (рис. 7) содержат по четыре аналоговых ключа. Каждый ключ имеет три вывода - два информационных А и В и один управляющий С. При подаче лог. 0 на вход С информационные выводы разомкнуты между собой и паспортный ток утечки между ними не превышает 2 мкА (реально значительно меньше). При подаче лог. 1 на вход С сопротивление ключа уменьшается до нескольких сотен Ом. Это сопротивление нелинейно и зависит от напряжения между информационным выводом, на который подается входной сигнал, и общим проводом. Максимальное сопротивление ключ имеет при указанном напряжении, близком к половине напряжения питания, минимальное - при напряжении, близком к нулю или напряжению питания.

Рис.7. Микросхемы К176КТ1, К561КТ3, КР1561КТ3

В табл. 1 приведены минимальное и максимальное сопротивление открытого ключа  при изменении напряжения на его информационном входе при различных напряжениях питания.

Табл. 1.

Как видно  из таблицы, при напряжении питания 3...5 В ключ К176КТ1 может пропускать сигнал, лишь близкий к напряжению питания или нулю, то есть только цифровой сигнал. Аналоговый сигнал, меняющийся в диапазоне от нуля до напряжения питания, Ключ К176КТ1 может пропускать лишь при напряжении питания 9...15 В. Для ключей микросхемы К561КТЗ диапазон напряжений питания, при котором возможно пропускание аналогового сигнала - от 5 до 15 В. Для получения малых нелинейных искажений при коммутации аналоговых сигналов сопротивление нагрузки должно иметь величину порядка 100 кОм и более. В любом случае амплитудные значения коммутируемого сигнала не должны быть выше напряжения источника питания и ниже нуля.

Микросхемы К561КП1 и КР1561КП1 содержат по два четырехвходовых мультиплексора. Микросхемы имеют два адресных входа 1 и 2, общие для обоих мультиплексоров, общий вход стробирования S, информационные входы ХО - ХЗ первого мультиплексора и его выход, входы Y0 - Y3 второго мультиплексора и его выход. Два варианта изображения микросхемы КП1 приведены на рис. 8.

Рис.8. Структура  микросхемы К561КП1 (а) и ее обозначение (б).

При подаче на адресные входы 1 и 2 двоичного кода адреса и на вход S лог. 0 выходы мультиплексоров соединяются со входами, номера которых соответствуют десятичному эквиваленту кода адреса. Если на входе S лог. 1, выходы мультиплексоров отключаются от входов и переходят в высокоимпедансное состояние. Соединение входов с выходом мультиплексора происходит аналогично соединению в микросхемах К176КТ1, К561КТЗ и КР1561КТЗ при помощи двунаправленных ключей на комплементарных МОП-транзисторах. Передаваемый через мультиплексор сигнал может быть как аналоговым, так и цифровым, он может передаваться как со входов на выход (микросхема работает в режиме мультиплексора), так и с выхода распределяться на входы (режим демультиплексора).

Особенность микросхемы КП1 по сравнению с ранее  рассмотренными ключами КТ1 и КТЗ - возможность коммутации аналоговых и цифровых сигналов с амплитудой от пика до пика, превышающей амплитуду входных управляющих сигналов, подаваемых на входы 1,2, S.

Микросхема  имеет три вывода для подачи напряжения питания -вывод 16 Uпит1, вывод 7 - Uпит2, вывод 8 - общий провод. Напряжение Uпит1 должно быть положительным и находиться в пределах от 3 до 15В, напряжение Uпит2 - равно нулю или отрицательное, сумма абсолютных величин Uпит1 и Uпит2 не должна превышать 15В. Входные управляющие сигналы должны иметь уровни Uпит1, (лог. 1) и 0 В (лог. 0), коммутируемые сигналы могут находиться в диапазоне от Uпит1 до Uпит2. В табл. 10 приведены некоторые возможные сочетания напряжений источников питания, управляющих сигналов, а также диапазон возможного изменения сопротивления открытого ключа мультиплексора. Максимальное сопротивление открытый ключ имеет при коммутируемом напряжении в середине допустимого диапазона напряжений, минимальное - на краях диапазона.