Исследование работы мультиплексоров на базе ИМС серии К155

Цель работы: Изучить устройство и принцип действия мультиплексоров
(сменное устройство УС-13).

1. Краткие теоретические сведения

Использование одних и тех же шин для передачи информации от различных источников называют мультиплексированием, а устройства сведения информации в одну шину – мультиплексорами.

Мультиплексор (MS) – это функциональный узел, осуществляющий подключение (коммутацию) одного из нескольких входов данных к выходу. С помощью мультиплексора выполняется временное разделение информации, поступающей по разным каналам.

Мультиплексоры обладают двумя группами входов и одним, реже двумя – взаимодополняющими выходами. Одни входы информационные, а другие служат для управления. К ним относятся адресные и разрешающие (стробирующие) входы. Если мультиплексор имеет nадресных входов, то число информационных входов будет 2ⁿ. Набор сигналов на адресных входах определяет конкретный информационный вход, который будет соединен с выходом.

Разрешающий (стробирующий) вход управляет одновременно всеми информационными входами независимо от состояния адресных входов. Запрещающий сигнал на этом входе блокирует действие всего устройства. Наличие разрешающего входа расширяет функциональные возможности мультиплексора, позволяя синхронизировать его работу с работой других узлов. Этот вход используется также для наращивания разрядности мультиплексора.

MS способны выбирать (селектировать) определенный канал, поэтому иногда их называют селекторами или селекторами – мультиплексорами.

Демультиплексор – это функциональный узел, осуществляющий коммутацию информации с одного входа на один из нескольких выходов. Демультиплексоры в виде самостоятельных микросхем не изготавливаются, т.к. их функции могут выполняться дешифратором, имеющим хотя бы один вход разрешения, который используется как информационный вход.

Функциональная схема простейшего MS приведена на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема мультиплексора.

С помощью кода адреса, поданного на адресные входы a1 и a2, выбирается один из информационных входов Х1-Х4, содержимое которого передается на выход (см. рис. 1). MS на 4 входа имеет переключательную функцию:

F=`a2`a1X₁+`a2a1X<sub>2</sub>+a2`a1X₃+a2a1X₄

При a2=1, a1=0:

F=0 1 X₁+0 0 X₂+1 1 X₃+1 0 X₄=0+0+X₃+0=X₃

Закон функционирования MS приведенного на рис.1 отражен в таблице 1.

Таблица 1. Закон функционирования MS.

В соответствии с функцией F построена функциональная схема MS на 4 канала со стробированием (рис. 2).

Рис.2. Функциональная схема мультиплексора со стробированием.

При `S=0 MS функционирует в соответствии с функцией F, при `S=1 на выходе F=0, независимо от состояния входов Xi и aj.

Для MS со стробированием (см. рис. 2) переключательная функция:

F=`S (`a2`a1X<sub>1</sub>+`a2a1X₂+a2`a1X₃+a2a1X₄)

MS построенные на ТТЛ структурах могут коммутировать только цифровые сигналы, логические уровни которых находятся в пределах допустимых для микросхем ТТЛ, так как построены на логических элементах.

MS построенные на КМОП структурах строятся на основе дешифраторов и двунаправленных вентилей – ключей. Поскольку ключи КМОП обладают способностью проводить ток в двух направлениях, такие MS могут быть использованы в качестве демультиплексоров. В отличие от MS на ТТЛ структурах в MS на КМОП структурах сигнал от входа к выходу проходит без преобразования его в промежуточных элементах микросхемы, поэтому MS построенные на КМОП структурах могут быть использованы для коммутации как импульсных, так и аналоговых сигналов.

MS применяют: для преобразования параллельного цифрового кода в последовательный, для сдвига информации, для реализации различных булевых функций, для считывания информации по одно разрядной шине с нескольких блоков.

Кроме коммутационных функций, мультиплексоры позволяют реализовать комбинационные устройства на m (m-количество управляющих входов) входов и на один выход. Если комбинационное устройство, построенное на базе мультиплексора, не требует подключения дополнительных элементов логики, оно называется универсальным логическим модулем. Отметим, что мультиплексор 8®1 (3 управляющих и 8 информационных входов) позволяет реализовать любую функцию трёх переменных.

Для получения универсальных логических модулей (УЛМ) управляющие входы мультиплексора представляют как информационные, а информационные входы - как настроечные (следовательно, у мультиплексора 8®1 будут три информационных и 8- настроечных входов).

Пусть функция задана в виде карты Карно (рис. 3).

 

При построении УЛМ по карте Карно минимизационные контуры не проводятся. По карте записывается дизъюнктивная нормальная форма (ДHФ) с учетом состояния информационных (настроечных) входов мультиплексора.

Сопоставляя полученную ДHФ с формулой мультиплексора, определяем номера коэффициентов «а», т.е.

Следовательно, эти коэффициенты равны единице, т.е. D₀ = D₃ = D₅= D₆ = 1, а на остальных настроечных входах логические нули, т.е. D₁ = D₂ = D₄ = D₇ = 0.

Схема комбинационного устройства, построенного на базе мультиплексора 8®1 и реализующего функцию f, приведена на рис. 4.

Как следует из рис. 4, построение комбинационного устройства на базе мультиплексора сводится к объединению настроечных входов так, чтобы получилось две группы. К одной группе входов, в соответствии с заданной функцией, подают логический «0», а другой – «1».

На базе мультиплексоров можно синтезировать комбинационные устройства, которые могут реализовать функции на большее число переменных, чем количество управляющих входов мультиплексора. Очевидно, и в этом случае, мультиплексор сохраняет свою универсальность, так как часть переменных реализуемой функции непосредственно подается на входы Х₁... Х_m мультиплексора (количество переменных, непосредственно подаваемых на управляющие входы мультиплексора равно m).

У мультиплексоров, выпускаемых в виде микросхем, число информационных входов не превышает шестнадцати. Большее число входов обеспечивается путем наращивания. На рисунке 5а показано условное обозначение мультиплексора К155КП1 на 16 входов. На рис. 5б показана схема мультиплексора на 32 входа, построенная на двух микросхемах К155КП1.