Что такое мультиплексор: определение и принцип работы
Основная функция мультиплексора — это электронное переключение нескольких входов: цифровых, дискретных или аналоговых сигналов в один выход. А чтобы обратно преобразовать цифровой код из одной линии в шину применяют демультиплексор. Первый нужен для конвертации цифрового кода из параллельного типа в последовательный, второй — наоборот. Эквивалентом обоих этих устройств, для аналогового сигнала, является коммутатор или набор электронных ключей. Рассмотрим, что такое мультиплексор и для чего он применяется в электронной технике.
Содержание:
Как работает мультиплексор и демультиплексор
Для надежной работы электронной аппаратуры на больших скоростях необходима высоко синхронизированная и стабильная работа всех элементов схемы. Что такое мультиплексор и как он работает? Каскад представляет собой набор электронных ключей, которые переключают состояние одного из нескольких входов в единственный выход. Поэтому очень важна схожесть характеристик всех его элементов.
Емкостные и индуктивные параметры интегральных компонентов, выполненных одним техпроцессом, получаются максимально идентичными. Компактность модулей при этом возрастает, если выполнить мультиплексор в одном корпусе, а не собирать его из нескольких чипов. Поэтому есть класс отдельных микросхем, в которых основной считается работа мультиплексора, возможно в нескольких каналах и на различных этапах.
Назначение мультиплексора — коммутировать один из нескольких входов, количество которых соответствует двоичным разрядам. Обычно это 4, 8, 16 или даже 32 входа. Если требуется меньшее число, например 3 или 30, то неиспользуемые входы можно не задействовать или соединить в один.
В некоторых марках микросхем для исполнения переключающих каскадов возможно наличие нескольких каналов с совместимым управлением или с раздельным. Также есть входы управления, которые необходимы для того, чтобы выбирать сигнал одного из линейных входов и передавать его состояние на выход.
Существует адресная система управления, в которой для каждой комбинации кода соответствует определенный вход. Выбранный адрес будет коммутировать соответствующий вход с выходом. Адрес может выбираться циклическим счетчиком, который управляется тактовым сигналом (см. схему на рисунке ниже, правая часть). На данной схеме мультиплексор построен на логических элементах 4×2И и 1×4ИЛИ. Адрес формируется циклическим счетчиком из тактовых импульсов.
При включении счетчика на его выходе 0 присутствует логическая 1, на остальных — логические 0. При каждом импульсе на входе счетчика, высокий логический потенциал сдвигается на 1, 2, 3, затем опять 0 и далее по циклу. Таким образом подключаются входы, соответственно: 4, 3, 2, 1 и по кругу. Некоторые мультиплексоры могут содержать 2 выхода: прямой и инверсный.
Применяются мультиплексоры для изменения режимов работы или переключения цифровых каналов. В зависимости от схемы использования выбирают устройство с нужным интерфейсом управления. Для преобразования цифрового параллельного сигнала в последовательный код используется топология, изображенная на картинке (левая часть функциональной схемы). В подобных каскадах количество импульсов тактового сигнала должно соответствовать числу разряда шины параллельного кода.
Функциональные схемы мультиплексоров
Существуют двунаправленные типы мультиплексоров / демультиплексоров. Они чаще всего используются в составе многоканальных устройств. Такие микросхемы или модули применяются для коммутации шин в параллельных цифровых интерфейсах. Чаще такие устройства могут использоваться для ввода/вывода данных шины. Их степень сложности может быть различной. Так что названия этих интегральных устройств может быть другим. К примеру, северный и южный мост материнских плат компьютеров или ноутбуков выполняет функции мультиплексора и демультиплексора. Назвать эти сложные программные устройства таковыми будет не совсем технически верно. В сложных процессорных устройствах мультиплексор, а чаще всего демультиплексор, может быть выполнен программно. В таких случаях поток данных запоминается, а затем, исходя из нескольких циклов, делается более точный расчет.
Если скорость передачи данных изменяется, управление мультиплексором может осуществляться с помощью микроконтроллера. В этом случае числовое программное управление системы будет делать перерасчет частоты тактовых импульсов в зависимости от скважности синхроимпульсов. Так что некоторые микроконтроллеры имеют в составе эти рассматриваемые сейчас устройства, выполненные внутрикристально.
Где применяются мультиплексоры
Мультиплексоры и демультиплексоры входят в состав всех сложных электронных устройств. Мы, как обладатели современной аппаратуры, пользуемся пультами дистанционного управления. Для реализации этих переключений применяется мультиплексор, сложность топологии которого зависит от конкретной схемы, т.е. поставленных ему задач.
Конвертация из параллельного цифрового кода в последовательный сигнал необходима для реализации цифрового интерфейса, например, радиоканалом, оптикой или кабельной линией. При таком преобразовании и передаче сигнала через канал возможны искажения и сбои. Но, если обратить внимание на принцип передачи, то ошибки наиболее вероятны в последних разрядах кода. Сразу же после синхроимпульса система идентифицирует код наиболее точно.
По этому принципу выбраны коды, которые максимально безошибочно передаются даже в условиях сильных помех. Их используют как управляющие байты, остальные как второстепенные. В итоге цифровой интерфейс обладает высоким качеством достоверности передаваемой информации. Добиться такого на аналоговых интерфейсах бывает практически невозможно.
Однако, самое широкое применение мультиплексоров — это адресация памяти. Любое запоминающее устройство содержит этот элемент электроники. Даже процессор или микропроцессор, содержащий кэш, обязательно должен иметь мультиплексор, выполненный внутрикристально. Так что эти устройства могут быть сделаны различной топологии и с разными схемотехническими решениями. Так что и параметры их отличаются, важнейшими из которых являются скорость и экономичность.
