Лабораторная работа №12
Исследование мультиплексоров и демультиплексоров
Цель работы: Изучить принципы синтеза и работы мультиплексоров и демультиплексоров.
Задание: Произвести синтез схемы мультиплексора, исследовать работу схемы. Исследовать микросхему мультиплексора, построить и исследовать работу пирамидальной схемы. Произвести синтез схемы демультиплексора, исследовать работу схемы. Исследовать совместную работу мультиплексора и демультиплексора.
Теоретическое введение
Мультиплексором называется комбинационное логическое устройство, предназначенное для управляемой передачи данных от нескольких источников информации в один выходной канал. Входы мультиплексора подразделяются на информационные Д0, Д1, …… и управляющие (адресные) А0, А1, …, Аn-1.
Код, подаваемый на адресные входы, определяет, какой из информационных входов в данный момент передается на выход схемы. Поскольку n-разрядный двоичный код может принимать 2n значений, то, если число адресных входов мультиплексора равно n, число его информационных входов должно равняться 2n .
Построим таблицу истинности, отображающую работу мультиплексора с двумя адресными входами на основе определения. Обозначим в таблице A0 и A1 – адресные входы. D0, D1, D2, D3 – входы 4-х потоков данных, при установке адреса соответствующие данные будут передаваться на единственный выход мультиплексора Y (таблица 2.12. 1) .
Таблица имеет следующий вид:
Таблица 2.12. 1
Адрес |
Данные |
Выход |
||||
А1 |
А0 |
D0 |
D1 |
D2 |
D3 |
Y |
0 |
0 |
D0 |
D1 |
D2 |
D3 |
D0 |
0 |
1 |
D0 |
D1 |
D2 |
D3 |
D1 |
1 |
0 |
D0 |
D1 |
D2 |
D3 |
D2 |
1 |
1 |
D0 |
D1 |
D2 |
D3 |
D3 |
Запишем уравнение для функции Y:
Y = A1*A0*D0 v A1*A0 D1 v A1 A0*D2 v A1 A0 D3.
Схема, реализующая функцию Y, может быть построена на 2-х инверторах, 4-х трехвходовых элементах «И» и четырехвходовом элементе «ИЛИ» (рис. 12.2.1).
Рис. 12.2.1. Схема мультиплексора 4-1
Можно для реализации этой же схемы собрать дешифратор, и с его помощью осуществлять переключение входов на выход Y (рис. 2.12.2).
Рис. 2.12.2. Схема мультиплексора и его условное обозначение
В тех случаях, когда функциональные возможности ИС мультиплексоров не удовлетворяют разработчиков по числу информационных входов, прибегают к их каскадированию с целью наращивания числа входов до требуемого значения. Наиболее универсальный способ наращивания размерности мультиплексора состоит в построении пирамидальной структуры, состоящей из нескольких мультиплексоров. При этом первый ярус схемы представляет собой столбец, содержащий столько мультиплексоров, сколько необходимо для получения нужного числа информационных входов. Все мультиплексоры этого столбца коммутируются одним и тем же адресным кодом, составленным из соответствующего числа младших разрядов общего адресного кода. Старшие разряды адресного кода используются во втором ярусе, мультиплексор которого обеспечивает поочередную работу мультиплексоров первого яруса на общий выход. Каскадная схема мультиплексора «16-1», построенная на мультиплексорах «4-1», показана на рис. 2.12.3.
Рис. 2.12.3. Каскадная схема мультиплексора 16-1
Типовое применение мультиплексора — это передача информации от нескольких разнесенных в пространстве источников (датчиков) информации на вход одного приемника.
Предположим, что измеряется температура окружающей среды в нескольких помещениях и результаты этих измерений должны быть введены в одно регистрирующее устройство, например ЭВМ. При этом, так как температура изменяется медленно, для получения достаточной точности совсем не обязательно измерять ее постоянно. Достаточно иметь информацию через некоторые фиксированные промежутки времени.
Функцию подключения различных источников информации к одному приемнику по заданной команде и выполняет мультиплексор.
Мультиплексор можно использовать в качестве универсального логического элемента для реализации любой логической функции от числа аргументов, равного числу адресных входов мультиплексора. Покажем это на примере логической функции, заданной таблицей истинности (табл. 2.12.2).
Таблица2.12.2
№ |
A2 |
A1 |
A0 |
Y |
№ |
A2 |
A1 |
A0 |
Y |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
4 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
5 |
1 |
0 |
1 |
1 |
2 |
0 |
1 |
0 |
0 |
6 |
1 |
1 |
0 |
1 |
3 |
0 |
1 |
1 |
1 |
7 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Схема, реализующая данную функцию показана на рис. 2.12.4.
Рис. 2.12.4. Реализация комбинационной схемы при помощи мультиплексора
Демультиплексор – это комбинационная схема, имеющая один информационный вход (D), n управляющих (адресных) входов (А0, А1, …, Аn-1) и N = 2n выходов (Y0, Y1, …, YN-1). Двоичный код, поступающий на адресные входы, определяет один из N выходов, на который передается значение переменной с информационного входа D. Демультиплексор реализует функцию, обратную функции мультиплексора. Он предназначен для разделения потока данных одного источника информации в несколько выходных каналов.
Таблица функционирования демультиплексора (табл.2.12.2), имеющего 4 информационных выхода (Y0, Y1, Y2, Y3) и n = 2 адресных входа (А0, А1), представлена ниже.
Таблица 2.12.2
Инф.вход |
Адрес |
Информационные выходы |
||||
D |
A1 |
A0 |
Y0 |
Y1 |
Y2 |
Y3 |
D |
0 |
0 |
D |
0 |
0 |
0 |
D |
0 |
1 |
0 |
D |
0 |
0 |
D |
1 |
0 |
0 |
0 |
D |
0 |
D |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
D |
Уравнения, описывающие работу демультиплексора:
Y0 = D A1* A0*; Y1 = D A1*A0; Y2 = A1 A0*; Y3 = A1 A0.
Схема демультиплексора, построенная по данным уравнениям и его графическое изображение представлены на рис. 2.12.5.
Рис. 2.12.5. Схема демультиплексора "1-4" и его условное изображение
Функция демультиплексора легко реализуется с помощью дешифратора, если его вход “Разрешение” – Е использовать в качестве информационного входа демультиплексора, а входы 1, 2, 4 … - в качестве адресных входов демультиплексора А0, А1, А2, … Действительно, при активном значении сигнала на входе Е избирается выход, соответствующий коду, поданному на адресные входы. Поэтому интегральные схемы дешифраторов, имеющих разрешающий вход, иногда называют не просто дешифраторами, а дешифраторами-демультиплексорами .
Термином “мультиплексирование” называют процесс передачи данных от нескольких источников по общему каналу. В качестве устройства, осуществляющего на передающей стороне операцию сведения данных в один канал применяют мультиплексор. Подобное устройство способно осуществлять временное разделение сигналов, поступающих от нескольких источников, и передавать их в канал (линию) связи друг за другом в соответствии со сменой кодов на своих адресных входах.
На приемной стороне обычно требуется выполнить обратную операцию – демультиплексирование, т.е. распределение порций данных, поступивших по каналу связи в последовательные моменты времени, по своим приемникам. Эту операцию выполняет демультиплексор. Совместное использование мультиплексора и демультиплексора для передачи данных от 4-х источников к
4-м приемникам по общей линии иллюстрирует рис. 2.12.6.
Рис. 2.12.6. Совместное использование мультиплексора и демультиплексора для передачи данных
Выполнение лабораторной работы
Оформите, как обычно, лабораторную работу: запишите заголовок работы, определение мультиплексора, постройте таблицу истинности. Запишите уравнение функции выхода мультиплексора. Соберите и исследуйте схему мультиплексора, приведите в отчете временные диаграммы. Сделайте пояснения к ним. Исследуйте микросхему мультиплексора на 4 входа. Соберите каскадную схему 16-1. Исследуйте ее работу. Чтобы понять, что происходит переключение входов задайте на четных входах значение «1», на нечетных «0».
Запишите определение демультиплексора. Постройте таблицу истинности.
Запишите функции выходов демультиплексора 1-4. Соберите схему. Исследуйте работу демультиплексора. Зарисуйте и поясните временные диаграммы.
Соберите схему совместного использования мультиплексора и демультиплексора. Зарисуйте временные диаграммы работы схемы. Не забывайте, что временная диаграмма описывает зависимость выходных данных от входных. Проследите эту зависимость. Дайте пояснения.
Вопросы для подготовки к отчету:
1. Дайте определение мультиплексора и демультиплексора.
2. Перечислите сферы применения мультиплексоров и демультиплексоров.
3. В чем суть каскадирования мультиплексоров?
4. Как на основе ИС мультиплексора спроектировать схему, реализующую заданную логическую функцию.
5. Объясните, как с помощью демультиплексора можно осуществить преобразование последовательного кода в параллельный.
6. Объясните, как с помощью мультиплексора можно осуществить преобразование параллельного кода в последовательный.