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多路复用器(MUX)和多路复用

在本教程中,我们将学习通信中一个叫做多路复用(Multiplexing)的有趣概念,以及使用叫做多路复用器(Multiplexer)的组合逻辑电路实现它的数字实现。我们将学习什么是多路复用器,不同类型的多路复用器,如2比1,4比1,8比1和16比1多路复用器,常用的多路复用ic和多路复用器的一些重要应用。

多路复用是什么?

多路复用是将一个或多个信号组合在一个信道上传输的过程。在模拟通信系统中,通信信道是一个稀缺量,必须合理利用。为了更经济有效地使用通道,多路复用的概念非常有用,因为它允许多个用户以逻辑方式共享单个通道。

三种常见的多路复用方法是:

  • 时间
  • 频率
  • 空间

在我们日常生活中使用的多路复用系统的两个最好的例子是固定电话网络和有线电视。

负责多路复用的设备称为多路复用器。多路复用器用于模拟和数字信号。为了简单起见,让我们在本教程中集中讨论数字信号。多路复用器是最常用的组合电路,是许多数字系统的重要组成部分。

它们主要用于在多个源和单个目的地之间形成选定的路径。基本多路复用器有多种数据输入线和单一输出线。这些可以在许多数字系统应用中找到,如数据选择和数据路由、逻辑函数发生器、带多路复用显示的数字计数器、电话网络、通信系统、波形发生器等。在这篇文章中,我们将讨论多路复用器的类型及其设计。

什么是多路复用器?

多路复用器或MUX是一种数字开关,也称为数据选择器。它是一种具有多条输入线、一条输出线和多条选择线的组合逻辑电路。它接受来自多个输入行或源的二进制信息,并根据选择行的集合将特定的输入行路由到单个输出行。

多路复用的基本思想如下图所示,当使能开关打开时,来自多个来源的数据被路由到单个输出行。这就是为什么多路复用器也被称为“多对一”的组合电路。

使用交换机的基本多路复用

下图是由n条输入线、m条选择线和1条输出线组成的多路复用器的框图。如果有m条选择行,那么可能的输入行数是2.或者,我们也可以说,如果输入行数等于2,则需要m条选择线从n中选择一条(考虑2= n)输入行。

这种类型的多路复用器被称为2n× 1或2多路复用器n比1多路复用器。例如,如果输入行数为4,则需要两个选择行。类似地,要从8个输入行中选择一个,需要3个选择行。

通用多路复用器框图

通常,多路复用器的数据输入数量是2的幂,如2、4、8、16等。一些最常用的多路复用器包括2对1、4对1、8对1和16对1多路复用器。

这些多路复用器以IC形式提供不同的输入和选择线路配置。一些可用的多路复用ic包括74157 (Quad 2对1 MUX), 78158 (Quad 2对1 MUX带反向输出),74153(4对1 MUX), 74152(8对1 MUX)和74150(16对1 MUX)。

2比1多路复用器

2对1多路复用器由两个输入D0和D1,一个选择输入S和一个输出y组成,根据选择信号的不同,输出连接到任意一个输入。由于有两个输入信号,只有两种方式可以连接输入和输出,因此需要一个选择来执行这些操作。

如果选择线是低的,那么输出将切换到D0输入,而如果选择线是高的,那么输出将切换到D1输入。下图显示了一个2对1多路复用器的框图,它将两个1位输入连接到一个共同的目的地。

2对1多路复用器框图

2对1复用器的真值表如下所示。根据所选输入的值,在输出时产生输入,即D0、D1。当Select value为S = 0时,输出为D0;当Select value为S = 1时,输出为D1。

年代 D0 D1 Y
0 0 X 0
0 1 X 1
1 X 0 0
1 X 1 1

上面真值表中的“X”表示“不在乎”的情况。因此,忽略don 't care条件,我们可以推导典型的2对1复用器的布尔表达式如下:

Y =年代D0 + SD1

由以上输出表达式可知,2对1复用器的逻辑电路可以用逻辑门实现,如图所示。它由两个与门、一个非门和一个或门组成。当选择线S=0时,下与门的输出为零,而上与门的输出为D0。因此,由OR门产生的输出等于D0。

同样,当S=1时,上与门的输出为零,而下与门的输出为D1。因此,OR门的输出是D1。因此,该电路满足上述布尔表达式。

2对1多路复用器逻辑电路

为了有效地利用硅,IC制造商在一个IC中制造多个复用器,通常在一个IC中制造4个2对1线路复用器,一些流行的2对1复用器IC 74157和IC 74158。

这两种ic都是Quad 2对1多路复用器。IC 74157有一个正常输出,而IC74158有一个反向输出。在所有四个多路复用器中,只有一条选择线控制输入到输出的线。

根据所选行的状态,输出Y0可以是A0或B0。类似地,Y1可以是A1或B1, Y2可以是A2或B2等等。有一个额外的频闪器或使能控制输入E/频闪器,它启用和禁用所有的多路复用器,即,当E=1时,所有多路复用器的输出为零,不管S的值。

四对一MUX内部电路

只有当E /频闪输入为LOW时,所有多路复用器才被激活。

4多路复用器

4对1多路复用器由4条数据输入线D0 ~ D3、两条选择线S0和S1和一条输出线y组成。选择线S0和S1从4条输入线中选择一条连接输出线。下图显示了4:1多路复用器的框图,其中多路复用器通过选择线解码输入。

4比1复用器的真值表如下所示,其中选择线上的4个输入组合00、10、01和11分别将输入D0、D2、D1和D3切换到输出。这意味着当S0=0和S1= 0时,Y处的输出为D0,同样,如果选择输入S0=0和S1= 1,则Y为D1,依此类推。

S0 S1 D0 D1 D2 D3 Y
0 0 0 X X X 0
0 0 1 X X X 1
0 1 X 0 X X 0
0 1 X 1 X X 1
1 0 X X 0 X 0
1 0 X X 1 X 1
1 1 X X X 0 0
1 1 X X X 1 1

根据上面的真值表,我们可以写出如下的输出表达式:

Y =S0S1D0 +S0S1 d1 + s0S1D2 + s0 s1 d3

由上面的输出表达式,可以使用基本逻辑门实现一个4:1的多路复用器。下图为4:1多路复用电路的逻辑电路,由4个3输入AND门、2个1输入NOT门和1个4输入OR门组成。

在该电路中,每条数据输入线作为与门的输入连接,两条选择线作为与门的其他两个输入连接。此外,还有一个启用信号。所有与门的输出连接到或门的输入,以产生输出Y。

4对1多路复用器逻辑电路

一般来说,这种类型的多路复用器可用于双模式的IC,即在单个IC中有两个4对1多路复用器。最常见和最流行的4对1线路多路复用器是IC 74153,它是一个双4对1线路多路复用器。它由两个相同的4比1多路复用器组成。它有两个独立的使能或频闪输入开关单独的多路复用器。但选择线是通用的多路复用器。

通常,使能输入或频闪可用于级联两个或多个多路复用ic,以构造具有大量输入的多路复用器。每个乘法器都有单独的输入。下图是IC74153的引脚图。

引出线的IC74153

8比1多路复用器

8对1多路复用器由8个数据输入D0到D7, 3个输入选择线S0到S2和一个输出线y组成,根据选择线的组合,多路复用器选择输入。

下图显示了一个8对1多路复用器的框图,该多路复用器具有可启用或禁用的启用输入。由于给MUX的数据位数是8,那么3位(23.= 8)需要从八个数据位中选择一个。

8对1多路复用器框图

下面给出了8比1多路复用器的真值表,有8个输入组合,以便产生每个输出对应于输入。

例如,如果S2= 0, S1=1, S0=0,那么数据输出Y等于D2。同样,通过S2、S1、S0的组合来选择输出数据D0到D7,如下图所示。

S0 S1 S2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Y
0 0 0 0 X X X X X X X 0
0 0 0 1 X X X X X X X 1
0 0 1 X 0 X X X X X X 0
0 0 1 X 1 X X X X X X 1
0 1 0 X X 0 X X X X X 0
0 1 0 X X 1 X X X X X 1
0 1 1 X X X 0 X X X X 0
0 1 1 X X X 1 X X X X 1
1 0 0 X X X X 0 X X X 0
1 0 0 X X X X 1 X X X 1
1 0 1 X X X X X 0 X X 0
1 0 1 X X X X X 1 X X 1
1 1 0 X X X X X X 0 X 0
1 1 0 X X X X X X 1 X 1
1 1 1 X X X X X X X 0 0
1 1 1 X X X X X X X 1 1

从上面的真值表中,输出的布尔方程为:

Y =S0S1S2D0 +S0S1S2 D1 +S0S1S2D2 +S0S1 s2 d3 + s0S1S2D4 + S0S1S2 d5 + s0 s1S2D6 + s0 s1 s2 d7

由上述布尔方程可知,8对1复用器的逻辑电路图可由8个与门、1个或门和7个非门实现,如下图所示。在电路中,当使能引脚设置为1时,多路复用器将被禁用,如果为零,则选择线将选择相应的输入数据通过输出。

8对1多路复用器逻辑电路

IC 74151是一种流行的8对1多路复用IC,具有8输入2输出。两个输出分别是主动低输出和主动高输出。它有三个选择行A, B和C和一个活动的低使能输入。这个IC的图如下所示。

8对1的Mux使用4对1的Mux和2对1的Mux

如果你观察了上面所示的8比1复用器的布尔表达式,我们可以将其重写如下:

Y =S0S1S2D0 +S0S1S2 D1 +S0S1S2D2 +S0S1 s2 d3 + s0S1S2D4 + S0S1S2 d5 + s0 s1S2D6 + s0 s1 s2 d7

Y =S0S1S2D0 +S1S2 d1 + s1S2D2 + s1 s2 d3) + s0 (S1S2D4 +S1S2 d5 + s1S2D6 + s1 s2

第一个括号中的表达式,即,S1S2D0 +S1S2 d1 + s1S2D2 + s1, s2, d3类似于4比1复用器的布尔表达式,其中D0, D1, D2和D3作为输入,S1和S2作为选择线。设这个表达式是P1。

类似地,第二个括号中的表达式,即,S1S2D4 +S1S2 d5 + s1S2D6 + s1 s2 d7类似于另一个4:1复用器的布尔表达式,其中D4, D5, D6和D7作为输入,S1和S2作为选择线。设这个表达式是P2。

现在,用P1和P2替换上面的表达式,我们得到,

S0P1 + s0 p2

这个表达式类似于一个2对1复用器,P1和P2(其中P1和P2是各自的4对1复用器的输出)作为输入,S0作为选择信号。因此,最后,我们可以推断一个8对1多路复用器可以使用两个4对1多路复用器和一个2对1多路复用器实现。其框图如下所示:

8对1 MUX使用4对1 MUX

为16:1多路复用器

所有高阶多路复用器,如8比1、16比1等,都可以使用低阶多路复用器实现。但尽管如此,让我们快速看看16对1多路复用器。IC 74150是一种流行的16对1多路复用IC, 16对1 MUX的输入是D0, D1, D2等等,直到tp D15。因为它有16个输入行,所以会有4个选择行,即S0, S1, S2和S3。

下图显示了典型的16对1多路复用器的框图。

16对1多路复用器框图

16×1复用器的简化真值表如下表所示。

S0 S1 S2 S3 Y
0 0 0 0 D0
0 0 0 1 D1
0 0 1 0 D2
0 0 1 1 D3
0 1 0 0 D4
0 1 0 1 D5
0 1 1 0 D6
0 1 1 1 D7
1 0 0 0 D8
1 0 0 1 D9
1 0 1 0 D10
1 0 1 1 这里
1 1 0 0 D12
1 1 0 1 D13
1 1 1 0 D14
1 1 1 1 D15

16比1复用器的布尔表达式如下:

Y =S0S1S2S3D0 +S0S1S2S3 D1 +S0S1S2S3D2 +S0S1S2 s3 d3 +S0S1S2S3D4 +S0S1S2S3 D5 +S0S1 S2S3D6 +S0S1 s2 s3 d7 + s0S1S2S3D8 + S0S1S2S3 d9 + s0S1S2S3D10 + S0S1S2 s3 d11 + s0 s1S2S3D12 + s0S2S3 d13 + s0 s1 s2S3s0 s1 s2 s3 d15

下图显示了16对1多路复用器的逻辑电路。

16对1多路复用器逻辑电路

与8比1复用器类似,我们可以使用8比1、4比1和2比1等低阶复用器实现16比1复用器。下图显示了使用两个8对1多路复用器和一个2对1多路复用器实现的16对1多路复用器的框图。

16对1 MUX使用8对1 MUX

此外,我们可以使用两个4比1多路复用器和一个2比1多路复用器实现上图中的单个8比1多路复用器。

多路复用器的应用

在所有类型的数字系统应用中,多路复用器发现它的广泛用途。由于这些允许多个输入独立地连接到单个输出,多路复用器在各种应用中被发现,包括数据路由,逻辑函数生成器,控制排序器,并行到串行转换器等。

数据路由

多路复用器在数据路由应用程序中被广泛使用,用于将数据从多个源之一路由到一个特定的目的地。其中一个应用程序包括显示两个多位数BCD计数器,一次一个。在这种应用中,74157多路复用ic被用来使用一组解码器和LED显示器来选择和显示两个BCD计数器中的任何一个的内容。

逻辑函数发生器

代替逻辑门,逻辑表达式可以通过使用多路复用器产生。连接多路复用器可以复制任何真值表的逻辑。在这种情况下,它可以生成一组输入变量的布尔代数函数。

这突然减少了逻辑门或集成电路的数量来执行逻辑功能,因为多路复用器是一个单一的集成电路。在这类应用中,多路复用器被视为逻辑函数生成器。

例如,考虑下面的逻辑图来实现三个输入的ex-OR函数。该逻辑发生器采用74151A 8对1多路复用器。这个多路复用器的工作原理与实现相同功能的一组逻辑门完全相似。

对于数据输入D1, D2, D5和D6,输出F为1,分别将选择线设置为001,010,100和111。

逻辑函数生成真值表1

引出线的IC74151A

并行串行转换

多路复用电路可用于将并行数据转换为串行数据,以便通过将并行总线转换为串行信号来减少并行总线的数量。这种类型的转换需要在电信,测试和测量,军事/航空航天,数据通信应用。

在大多数数字系统中,数据是并行处理的,以达到更高的速度。但是为了长距离传输数据信号,我们需要更多的线路。在这种情况下,使用多路复用器将并行数据转换为串行形式。

下图显示了使用8输入多路复用器的并行到串行数据转换。来自或其他寄存器中的数据的并行数据被应用到多路复用器的8个输入行。

多路复用器的选择码由3位计数器生成。随着每个时钟脉冲对计数器的应用,数据从多路复用器串行输出。

使用多路复用器进行并行到串行数据转换

多路复用器的其他应用包括控制定序器、脉冲序列发生器、编码器、寄存器对寄存器数据传输、波形发生器等。

结论

关于多路复用器(MUX)和多路复用的完整教程。您学习了多路复用、多路复用器、不同类型的常用多路复用器(如2:1 MUX、4:1 MUX、8:1 MUX和16:1 MUX)的基础知识,以及它们的布尔表达式、逻辑电路和多路复用器的一些重要应用。

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