Multiplexery Střední odborná škola Otrokovice www.zlinskedumy.cz Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miloš Zatloukal Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

Charakteristika DUM 2 Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /4 Autor Ing. Miloš Zatloukal Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-PE-CT/2-EL-4/11 Název DUM Multiplexery Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání Kód oboru RVP 26-41-L/52 Obor vzdělávání Provozní elektrotechnika Vyučovací předmět Číslicová technika Druh učebního materiálu Výukový materiál Cílová skupina Žák, 19 – 20 let Anotace Výukový materiál je určený k frontální výuce s doplňujícím výkladem vyučujícího; náplň: princip a přehled multiplexerů Vybavení, pomůcky Dataprojektor Klíčová slova Kombinační obvod, vstup, výstup, multiplexer, MPX, MUX, kanál, N kanálový, adresa, blokování, NOT, AND, OR, integrovaný, analogový, číslicový, kombinovaný, skládaný. Datum 12. 8. 2013

Multiplexery Obsah tématu Definice multiplexeru Příklady použití multiplexeru Návrh multiplexeru 2 kanálový 4 kanálový Integrované multiplexery Kombinované mnohokanálové (skládané) multiplexery

Multiplexery Co je to multiplexer ? Nejprve malý příklad. Měříme teplotu v bytě – ve všech místnostech. K zobrazení teploty v jednotlivých místnostech použijeme 1 společný centrální zobrazovač. Potřebovali bychom elektrický obvod, který nám podle potřeby zobrazí teplotu v zadané místnosti. Každá místnost má svoje jedinečné číslo (např. 0,1,2,3) a pokud ho zadáme, zobrazí se změřená teplota spojená s tímto číslem – adresou místnosti. Nebo potřebujeme opakované (cyklické) postupné zobrazování teploty v jednotlivých místnostech. Obvodem, který potřebujeme je multiplexer – bývá značen zkratkou – MPX, MUX. - je to číslicovou adresou (dvojkovým číslem) řízený přepínač datových vstupů (říká se jim kanály) - má tedy N kanálů (značí se D0 až DN-1) - pouze jeden výstup Y (pro větší pohodlí je tento k dispozici jako negovaný Y ) - adresní nebo adresovací vstupy – je jich n, značí se písmeny A0, A1, A2, …An-1 - blokovací signál E nebo E (někdy je také značen jako G, nebo CS) Mezi počtem kanálů N a  počtem adresních vstupů platí vztah N = 2n

Multiplexery Použití multiplexeru: tam, kde má být z množství různých signálů vybrán jediný, např. na vstupech aritmeticko-logických jednotek, v obvodech pro převod paralelní informace na sériovou, při multiplexním buzení sedmisegmentových zobrazovačů (tzv. dynamické řízení vícemístného zobrazovače), apod. Příklad 1: Kolik adresních vstupů má 16 kanálový (16 k) multiplexer (MPX) N = 2n 16 = 2n 16 = 24 n=4 Zadaný 16 k MPX má 4 adresní vstupy (A, B, C, D) Příklad 2: Ve schématu je nakreslen MPX se 3 adresními vstupy. Kolik má kanálů? N = 23 8 = 23 N=8 Zadaný MPX s tříbitovou adresou má 8 kanálů (D0 až D7)  

Multiplexery Obr. 1: Blokové schéma multiplexeru

Multiplexery Rovnice multiplexeru: Pro výstup Y multiplexeru můžeme psát logickou funkci Y = (Adr1 & D0 + Adr1 & D1+ Adr2 & D2.....+ AdrN-1 & DN-1) & E   kde Adri označuje příslušnou kombinaci adresových vstupů A0 až An-1. D0 až DN-1 pak jeho datové vstupy (kanály). Např. pro osmikanálový multiplexer potřebujeme tři adresní vodiče A2,A1 a A0. Kombinací adresových vstupů pak rozumíme při výběru - vstupu D0: kombinaci A2=A1=A0 = 0 (0,0,0) - pro vstup D1: kombinaci A2=A1=0, A0 = 1 (0,0,1) a tak podobně dále – viz tabulky při návrhu multiplexeru. Realizace multiplexeru Z logických členů typu NOT, AND, OR – návrh obsahuje zdání, tabulku a schéma zapojení „hotový“ MPX jako jeden integrovaný obvod (IO)

Multiplexery Návrh multiplexerů z logických členů typu NOT, AND, OR – návrh obsahuje zadání, tabulku a schéma zapojení Dvoukanálový MPX Čtyřkanálový MPX Tabulka počtu kanálů a adresních vstupů Počet kanálů Kanály Počet bitů adresy Značení adresy 2 D1, D0 1 A 4 D3, D2, D1, D0 A1, A0 8 D7, D6, D5, D4 3 A2, A1, A0 16 D15, D14 … D1, D0 A3, A2, A1, A0

Multiplexery Návrh N kanálového multiplexeru Vychází z rovnice: Y = (Adr1 & D0 + Adr1 & D1+ Adr2 & D2 … + AdrN-1 & DN-1) & E Abychom nakreslili schéma zapojení musíme znát: typy logických členů jejich počty dále počty jejich vstupů (pokud je vstupů více než 1) Pozn. Blokování je dostačující pouze na jednom typu členů – na členech AND nebo na členu OR. Typ členu Počet členů Popis Počet vstupů Zdůvodnění NOT n jako počet adr. vstupů 1 AND N jako počet kanálů 1+n+(1) 1 datový Di + n adresních + 1 (blokovací E) OR tzv. slučovací N +(1) + 1 (blokovací E )

I. Návrh dvoukanálového multiplexeru (2k MPX) Multiplexery I. Návrh dvoukanálového multiplexeru (2k MPX) Zadání: Navrhněte dvoukanálový multiplexer s blokováním E z logických členů typu NOT, AND, OR. Pozn. Blokování typu E je vhodné pro člen AND (E = 1 = odblokováno) Z předchozí tabulky určíme, že budeme potřebovat: 1x člen NOT (N = 2n, 2 = 21, 1 adresní vstup A) 2x člen AND (třívstupový, 3 = jeden datový + 1 adresní + 1 blokovací) 1x člen OR (dvouvstupový, 2 kanály) Tabulka 2k MPX   E D1 D0 A Y 1 X Obr. 2: Blokové schéma 2 kan. MPX

Multiplexery – návrh dvoukanálového multiplexeru (2k MPX) – pokračování Schéma zapojení: 1x člen NOT, 2x člen AND (třívstupový),1x člen OR (dvouvstupový) + 1x NOT ( Y)   Obr. 3: Schéma 2 kanálového multiplexeru, blokování typu E

Multiplexery II. Návrh čtyřkanálového multiplexeru (4k MPX) Zadání: Navrhněte čtyřkanálový multiplexer s blokováním E z logických členů typu NOT, AND, OR. Pozn. Blokování typu E je vhodné pro člen AND (E = 1 = odblokováno) Z tabulky pro typy a počty logických členů určíme, že budeme potřebovat: 2x člen NOT (N = 2n, 4 = 22, 2 adresní vstupy A1, A0) 4x člen AND (třívstupové, 3 = jeden datový + 2 adresní) 1x člen OR (pětivstupový, 4 kanály + 1 blokovací signál = E )   Obr. 4: Blokové schéma 4 kanálového multiplexeru

X – na hodnotě nezáleží (je to jedno, zda je zde nula či jednička) Multiplexery – návrh čtyřkanálového multiplexeru (4k MPX) – pokračování Tabulka 4k MPX  Popis: prvních 8 řádků – MPX je odblokován ( E = 0), 9. řádek – MPX je zablokován ( E = 1), Pro kombinaci adresních vstupů A1, A0 je obsah příslušného kanálu (určeného touto adresní kombinací) přenesen na výstup. Každý řádek je zdvojen, protože v kanále může být jednička nebo nula. X – na hodnotě nezáleží (je to jedno, zda je zde nula či jednička) 𝑬 D3 D2 D1 D0 A1 A0 Y 𝒀 X 1

Multiplexery – návrh čtyřkanálového multiplexeru (4k MPX) – pokračování Schéma zapojení: 2x člen NOT, 4x člen AND (třívstupový), 1x člen OR (pětivstupový) + 1x NOT ( Y)   Obr. 5: Schéma 4 kanálového multiplexeru, blokování typu E

Integrované multiplexery Vícekanálové multiplexery (s počtem kanálů 8 a více) jsou relativně složité obvody a proto jsou vyráběny jako integrované (IO). Několik příkladů ukazuje tabulka: Technologie Označení Typ Popis TTL 74150 Číslicový 16 k MPX 74151 8k MPX 74153 2x 4k MPX 74157 BiFET MAC 08 Analogový MAC 16 MAC 24 CMOS 4019 4x 2k MPX 4052

Multiplexery  Integrované multiplexery Jak z tabulky vyplývá, v jednom pouzdře integrovaného obvodu může být i několik multiplexerů (2 nebo 4), obvykle ale nejsou na sobě nezávislé – mají např. některé signály společné (např. adresovací vstupy nebo blokování). V tabulce jsou také analogové multiplexery – čím se liší od číslicových? Číslicový multiplexer (v tomto textu jen multiplexer) je takový, který má všechny signály (vstupní i výstupní) číslicové – logické – tedy nuly a jedničky. Analogový multiplexer je takový, který má sice adresní signály a blokovací signál číslicové, ale datové vstupy – kanály (a tedy i výstup multiplexeru) jsou analogové (tedy určeny pro stejnosměrné nebo střídavé napětí v rozsahu do 20 V).

Multiplexery kombinované – skládané Multiplexery jako integrované obvody se vyrábějí: - 4 kanálové - 8 kanálové - 16 kanálové Pokud je nutné navrhnout např. 32 kanálový multiplexer, tak musíme některé z výše uvedených multiplexerů zkombinovat – vznikne tak skládaný multiplexer (z několika IO) Z tabulky je vidět, že z hlediska malého počtu IO je nejlépe použít 16 kanálové (2) nebo 8 kanálové (4). Vždy nezapomeňme přidat jeden koncový – slučovací multiplexor. Má vzniknout MPX: Potřebujeme k tomu multiplexery Pozn. 32 k 2x 16 k + 1x 2 k 2 kan. MPX je slučovací 4x 8 k + 1x 4 k 4 kan. MPX je slučovací 8x 4 k + 1x 8 k Nedoporučeno – mnoho IO 16x 2 k + 1x 16 k

Multiplexery kombinované – skládané Postup řešení návrhu mnohakanálového skládaného multiplexeru. Rozbor zadání – blokové schéma žádaného multiplexeru se vstupy a výstupy Rozvaha, které dílčí multiplexory použijeme – výpočet počtu kusů V závislosti na bodu b) určíme typ slučovacího multiplexeru V návrhu je nutné kontrolovat vedle kanálů také adresní vstupy (kolik který má), např. počet bitů adresy slučovacího multiplexeru závisí na tom, kolik kusů dílčích multiplexerů je použito. Příklad Navrhněte 32 kanálový multiplexer ze čtyřkanálových dílčích multiplexerů. Pro 25. kanál vyznačte adresu a „cestu“ – vstup – výstup. Řešení: Požadované čtyřkanálové MPX nejsou sice doporučovány (bude jich potřeba mnoho), ale zadání vyhovíme. Nejprve určeme potřebný počet dílčích 4 k MPX a z něj typ slučovacího MPX – Výpočet 32 : 4 = 8 ks dílčích = > slučovací MPX bude 8 kanálový. Pokud jde o blokování, doporučuje se až na slučovacím multiplexeru (jednodušší schéma), přičemž dílčí multiplexery jsou trvale odblokovány.

Multiplexery kombinované – skládané – pokračování Příklad – rozbor zadání – bloková schémata (jde o vstupy a výstupy) 32 kanálový multiplexer ze čtyřkanálových dílčích multiplexerů. Pro 25. kanál vyznačte adresu a „cestu“ – vstup – výstup. Jak už bylo uvedeno, použijeme 8 čtyřkanálových MPX a 1 slučovací 8 kanálový. 8x 1x Obr. 6: Bloková schémata 32, 4 a 8 kanálového multiplexeru

Multiplexery kombinované Příklad – schéma zapojení: 32 kanálový multiplexer ze čtyřkanálových dílčích multiplexerů. Pro 25. kanál vyznačte adresu a „cestu“ – vstup – výstup. Obr. 7: Schéma 32 kanálového multiplexeru skládaného z 4 k MPX

Multiplexery kombinované – skládané – pokračování Příklad – vyznačení cesty 25. kanálu a zdůvodnění návrhu kombinovaného multiplexeru. 32 kanálový multiplexer ze čtyřkanálových dílčích multiplexerů. Pro 25. kanál vyznačte adresu a „cestu“ – vstup – výstup. (25)10= (11001)2 Je adresa 25. kanálu. Tuto 5 bitovou adresu je potřeba správně rozdělit – a to v závislosti na použitých multiplexerech. Rozdělení Blokování je pouze na slučovacím multiplexeru a dílčí multiplexery MPX 0 až 7 jsou trvale odblokovány ( E je uzemněn, tedy je na log. 0) Celková adresa Adresa slučovacího (8k MPX) Adresa dílčích (4k MPX) (11001)2 = (25)10 (110)2 = (6)10 (01)2 = (1)10 5 bitů 3 bity 2 bity MPX 6 (výstup X6) 2 bitová adresa paralelně na všechny MXP 0 až 7

Kontrolní otázky Ve schématu je nakreslen MPX se 6 adresními vstupy. Kolik má kanálů? 16 32 64 Kolik adresních bitů musí mít 16 kanálový multiplexer? 3 4 5 3. Analogový v označení „Analogový multiplexer „znamená, že: Všechny vstupy i výstupy má analogové Zpracovává pouze analogové signály Sice přepíná analogové signály, ale řízení (adresu a blokování) má číslicové

Kontrolní otázky – správné odpovědi – červeně Ve schématu je nakreslen MPX se 6 adresními vstupy. Kolik má kanálů? 16 32 64 Kolik adresních bitů musí mít 16 kanálový multiplexer? 3 4 5 3. Analogový v označení „Analogový multiplexer „znamená, že: Všechny vstupy i výstupy má analogové Zpracovává pouze analogové signály Sice přepíná analogové signály, ale řízení (adresu a blokování) má číslicové

Seznam obrázků: Obr. 1: vlastní, Blokové schéma multiplexeru Obr. 2: vlastní, Blokové schéma 2 kanálového multiplexeru Obr. 3: vlastní , Schéma 2 kanálového multiplexeru, blokování typu E Obr. 4: vlastní, Blokové schéma 4 kanálového multiplexeru Obr. 5: vlastní, Schéma 4 kanálového multiplexeru, blokování typu E Obr. 6: vlastní, Bloková schémata 32, 4 a 8 kanálového multiplexeru Obr. 7: vlastní, Schéma 32 kanálového multiplexeru skládaného z 4 k MPX

Seznam použité literatury: [1] Matoušek, D.: Číslicová technika, BEN, Praha, 2001, ISBN 80-7232-206-0 [2] Blatný, J., Krištoufek, K., Pokorný, Z., Kolenička, J.: Číslicové počítače, SNTL, Praha, 1982 [3] Kesl, J.: Elektronika III – Číslicová technika, BEN, Praha, 2003, ISBN 80-7300-075-X [4] Pinker, J.,Poupa, M.: Číslicové systémy a jazyk VHDL, BEN, Praha, 2006, ISBN 80-7300-198-5

Děkuji za pozornost 