复用器(MUX)和多路复用

在本教程中,我们将学习一个有趣的通信概念,称为多路复用及其数字实现使用组合逻辑电路称为多路复用器。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到1,4到1,8到1和16到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,必须正确使用。为了节省成本和高效地使用信道,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信道。

三种常见的多路复用方法是:

  • 时间
  • 频率
  • 空间

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被称为多路复用器。多路复用器用于模拟和数字信号。让我们在本教程中专注于数字信号,以保持事情简单。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。

它们通常用于在多个源和单个目的地之间形成选定的路径。一个基本的多路复用器有不同的数据输入线和单一的输出线。在许多数字系统应用中,如数据选择和数据路由,逻辑函数发生器,多路显示数字计数器,电话网络,通信系统,波形发生器等。在本文中,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。它是一个多输入线、多输出线和多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,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,当使能开关是ON时,来自多个源的数据被路由到单个输出线。这就是为什么多路复用器也被称为“多对一”组合电路。

使用交换机的基本复用

下图是由n条输入线、m条选择线和一条输出线组成的多路复用器的框图。如果有m个选择行,那么可能的输入行数是2.或者,我们可以说,如果输入行数等于2,则需要m条选择线从n(考虑2)中选择一条= n)输入行。

这种类型的多路复用器称为2n× 1多路复用器或2n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条输入行中选择一条,需要3条选择行。

通用多路复用器框图

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

这些多路复用器可在不同的输入和选择线配置的IC形式。一些可用的多路复用ic包括74157 (Quad 2对1 MUX), 78158 (Quad 2对1 MUX与逆输出),74153(4对1 MUX), 74152(8对1 MUX)和74150(16对1 MUX)。

2比1多路复用器

一个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,输出连接到任意一个输入。由于有两个输入信号,因此只有两种方法可以将输入连接到输出,因此需要进行一次选择来完成这些操作。

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2对1多路复用器的框图,该多路复用器将两个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多路复用器的真值表如下所示。根据选择输入的值,输入即D0, D1在输出时产生。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 '表示不关心条件。因此,忽略don 't care条件,我们可以推导出一个典型的2到1多路复用器的布尔表达式如下:

Y =年代D0 + SD1

由上述输出表达式,可以使用如图所示的逻辑门实现2对1多路复用器的逻辑电路。它由两个与门、一个非门和一个或门组成。当选择行S=0时,下与门输出为零,而上与门输出为D0。因此,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,该电路满足上述给定的布尔表达式。

2对1 MUX的逻辑电路

为了有效地利用硅,集成电路制造商在单个集成电路中制造多路复用器。通常在单个集成电路中制造4个2路到1路复用器。一些流行的2路到1路复用器包括IC 74157和IC 74158。

这两个ic都是四对一多路复用器。而IC 74157有一个正常输出,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出的输入线。

输出Y0可以是A0或B0,这取决于选择线的状态。类似地,Y1可以是A1或B1, Y2可以是A2或B2,等等。还有一个额外的Strobe或使能控制输入E/Strobe,它启用和禁用所有多路复用器,即,当E=1时,所有多路复用器的输出为零,不管S的值。

四联体2对1 MUX的内部电路

只有当E /频闪输入是低电平时,所有多路复用器才被激活。

4多路复用器

4对1复用器由D0 ~ D3的4条数据输入线、S0和S1的2条选择线和一条输出线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对1多路复用器的框图,其中多路复用器通过选择线对输入进行解码。

4对1多路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, S1= 0时,Y处的输出是D0,同样,当选择输入S0=0, S1= 1时,Y是D1,以此类推。

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,我们可以写出输出表达式如下:

Y =S0S1D0 +S0S1 d1 + s0S1+ s0 s + s0 s

由上述输出表达式,可以使用基本逻辑门实现4对1多路复用器。下图显示了4:1 MUX的逻辑电路,它是由四个3输入AND门,两个1输入NOT门和一个4输入OR门实现的。

在这个电路中,每条数据输入线被连接成与门的输入,两条选择线被连接成与门的其他两个输入。此外,还有一个启用信号。所有与门的输出都连接到OR门的输入端,以产生输出Y。

4对1 MUX逻辑电路

通常,这种类型的多路复用器在双模式IC中可用,即在一个IC中有两个4对1多路复用器。最常见和流行的4对1线路复用器是IC 74153,它是一个双4对1线路复用器。它由两个相同的4对1多路复用器组成。它有两个单独的使能或频闪输入开关ON或OFF个别多路复用器。但是选择线对两个多路复用器都是通用的。

通常,使能输入或频闪可用于级联两个或多个多路复用ic,以构建具有大量输入的多路复用器。每个乘法器都有单独的输入。下图为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路数据输入D0 ~ D7、3路输入选择线S0 ~ S2和1路输出y组成。根据选择线的组合,多路复用器选择输入。

下图显示了具有使能输入的8对1多路复用器的框图,该输入可以使能或使能该多路复用器。由于给MUX的数字数据位是8位,那么3位(23.= 8)来选择8个数据位中的一个。

8对1多路复用器框图

下面给出了8对1多路复用器的真值表,其中有8个输入组合,以便产生对应于输入的每个输出。

例如,如果S2= 0, S1=1, S0=0,则输出的数据Y等于D2。同样,将输出D0到D7的数据通过S2、S1和S0的组合进行选择,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

由上真值表可知,输出的布尔方程为:

Y =S0S1S2D0 +S0S1S2 D1 +S0S1S2D2 +S0S1 s2 d3 + s0S1S2D4 + S0S1(1) + (2) +S2(1) s0 s0 s0

由上述布尔方程可知,8对1多路复用器的逻辑电路图可以用8 AND门、1 OR门和7 NOT门来实现,如下图所示。在电路中,当使能引脚设置为1时,复用器将被禁用,如果使能引脚为零,则选择线路将选择相应的数据输入通过输出。

8对1 MUX的逻辑电路

IC 74151是一种常用的8对1多路复用IC,具有8个输入和2个输出。两个输出是有源低输出和有源高输出。它有三条选择线A, B和C和一个有源低使能输入。该IC的引脚如下图所示。

8对1 Mux,使用4对1 Mux和2对1 Mux

如果你观察上图中8对1复用器的布尔表达式,我们可以将其改写为:

Y =S0S1S2D0 +S0S1S2 D1 +S0S1S2D2 +S0S1 s2 d3 + s0S1S2D4 + S0S1(1) + (2) +S2(1) s0 s0 s0

Y =S0S1S2D0 +S1S2 d1 + s1S2d + s1 s2 d3) + s0 (S1S2D4 +S1S2 d5 + s1S2D6 + s1 s2 d7)

第一个括号中的表达式,即,S1S2D0 +S1S2 d1 + s1S2D2 + s1 s2, d3类似于D0, D1, D2, D3作为输入,S1, S2作为选择线的4对1多路复用器的布尔表达式。让这个表达式等于P1。

同样,第二个括号中的表达式,即,S1S2D4 +S1S2 d5 + s1S2D6 + s1 s2 d7类似于另一个以D4、D5、D6、D7为输入,S1、S2为选择线的4对1多路复用器的布尔表达式。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多路复用器,P1和P2(其中,P1和P2分别是4对1多路复用器的输出)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多路复用器可以实现使用两个4对1多路复用器和一个2对1多路复用器。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

所有的高阶多路复用器,如8-对-1,16-对-1等,都可以使用低阶多路复用器实现。但不管怎样,让我们快速看一下16比1多路复用器。IC 74150是一个流行的16对1多路复用IC。16对1 MUX的输入是D0, D1, D2等等,一直到D15。因为它有16个输入行,所以有4个选择行,即S0, S1, S2, S3。

下图显示了典型的16比1多路复用器的框图。

16比1多路复用器框图

16×1 multier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对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 +S0(c) i ' s + i ' sS1S2S3D8 + S0S1S2S3 d9 + s0S1S2S3D10 + S0S12 . s0 s + s0 sS2S32 . d + d + dS2S3 d13 + s0 s1 s2S3+ s0 s1 s2 s3

下图显示了16比1多路复用器的逻辑电路。

16对1 MUX的逻辑电路

类似于8对1多路复用器,我们可以使用8对1、4对1和2对1等低阶多路复用器实现16对1多路复用器。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对1多路复用器和一个2对1多路复用器来实现上述图像中的单个8对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,多路复用器有其巨大的用途。由于多路复用器允许多个输入独立地连接到单个输出,因此多路复用器可以应用于各种应用,包括数据路由、逻辑函数生成器、控制程序、并行到串行转换器等。

数据路由

多路复用器广泛用于数据路由应用程序,从多个源中的一个将数据路由到一个特定的目的地。其中一个应用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使用一套解码器和LED显示器来选择和显示两个BCD计数器的内容。

逻辑函数发生器

在逻辑门的位置,可以使用多路复用器生成逻辑表达式。可以连接多路复用器,使其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。

由于多路复用器是一个单一的集成电路,这就突然减少了执行逻辑功能的逻辑门或集成电路的数量。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前或函数。在这个逻辑发生器中使用了一个74151A 8对1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。

数据输入D1、D2、D5、D6分别通过选择线001、010、100、111进行选择,输出F为1。

逻辑函数生成真值表1

引出线的IC74151A

并行-串行转换

利用多路复用电路将并行数据转换为串行数据,通过将并行总线转换为串行信号来减少并行总线的数量。在电信、测试和测量、军事/航空航天、数据通信应用中需要这种类型的转换。

在大多数数字系统中,数据被并行处理以达到更高的速度。但是为了远距离传输数据信号,我们需要更多的线路。在这种情况下,并行数据被转换成串行形式使用多路复用器。

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。从寄存器中的数据或其他寄存器中的并行数据应用于多路复用器的8条输入线。

多路复用器的选择码由一个3位计数器产生。随着每个时钟脉冲在计数器上的应用,数据被串行地从多路复用器输出。

并行串行数据转换使用多路复用器

多路复用器的其他应用包括控制程序、脉冲序列发生器、编码器、用于记录数据传输的寄存器、波形发生器等。

结论

完成多路复用(MUX)和多路复用教程。你学习了多路复用的基础知识,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,它们的布尔表达式,逻辑电路,以及多路复用器的一些重要应用。

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