Распределители и коммутаторы

В системах обработки информации часто по одной линии связи необходимо пересылать несколько распределенных во времени сигналов или поочередно подключать к одной линии несколько приемников. Для этого разработаны устройства для коммутации сигналов нескольких источников на одну линию или выполнения обратной операции распределения сигналов, поступающих по одной линии связи на входы нескольких приемников.

М у л ь т и п л е к с о р (селектор данных) подключает единственную выходную шину к одному из N = 2ⁿ входов в соответствии с адресом, заданным n- разрядным двоичным кодом.

Схема простейшего мультиплексора (рис.6.14), реализующая логическую функцию , коммутирует на выход F в зависимости от состояния адресного входа А один из двух сигналов (x₁или x₀), подаваемых на информационные входы DI.

Рис.6.14. Структура мультиплексора 2:1

В мультиплексоре управляющие двоичные коды, поступающие на адресные входы, задают номер информационного входа, подключаемого к выходу. Таблица истинности мультиплексора 4:1 описывает процедуру коммутации данных с четырех входов на единственный выход (табл. 6.6).

Таблица 6.6. Состояния мультиплексора 4:1

А1	А0	y
0	0	x0 (D0)
0	1	x1 (D1)
1	0	x2 (D2)
1	1	x3 (D3)

Приведенная таблица позволяет записать логическое выражение , которому соответствует схема на ЛЭ (рис.6.15,а).

Рис.6.15. Структура мультиплексора 4:1 (а) и его обозначение (б)

Конструктивно завершенные мультиплексоры (рис.6.15,б) имеют от 4 до 16 информационных входов, также дополнительные управляющие входы (выбор кристалла CS, разрешение переключения E).

Увеличение разрядности мультиплексоров при большом числе входных линий выполняют с помощью каскадно-пирамидального соединения мультиплексоров с меньшим числом входов. Например, двухкаскадный мультиплексор 16:1 можно построить с использованием пяти мультиплексоров 4:1 (рис.6.16). Первый каскад из четырех мультиплексоров коммутирует 16 входов на 4 выхода, из которых во втором каскаде выбирается единственный. Очевидно, что при этом усложняется схема управления.

Рис.6.16. Структура мультиплексора 16:1, построенного на мультиплексорах 4:1

Д е м у л ь т и п л е к с о р выполняет функцию обратную мультиплексированию и предназначен для распределения сигналов с одного информационного входа по нескольким выходам в желаемой последовательности, которую задают с помощью адреса (табл.6.7).

Таблица 6.7. Состояния демультиплексора

А1	A0	y3	y2	y1	y0
0	0	0	0	0	x
0	1	0	0	x	0
1	0	0	x	0	0
1	1	x	0	0	0

Логическим формулам , , , , описывающим демультиплексор 1:4, соответствует реализация на элементах И (рис.6.17).

Рис.6.17. Схема демультиплексора.

С использованием каскадного соединения мультиплексоров и демультиплексоров можно реализовать различные схемы коммутаторов, соединяющих источники и приемники информации.

В соответствии с принципом действия коммутаторы (мультиплексоры и демультиплексоры) представляют собой ключи, управляемые внешним сигналом. Их реализация в биполярной и МДП технологии приводит к отличиям в структуре и схемном решении.

Ключи на БТ обладают существенной зависимостью сопротивления в открытом состоянии от тока и достаточно большим током закрытого транзистора. Поэтому коммутаторы в биполярной технологии строят на основе ЛЭ, передающих в одном направлении цифровые сигналы стандартных уровней.

Сопротивление канала МДП транзистора сравнительно невелико и в состоянии отсечки обеспечивается практически разомкнутое состояние с токами утечки не более единиц наноампер. Малая зависимость от значения и направления тока достигают за счет использования симметричных КМОП переключателей (рис.6.18,а).

Рис. 6.18. Двунаправленный управляемый ключ (а) и его структура (б)

Мультиплексоры по КМОП технологии структурно выполняют на основе двунаправленный ключей, управляемых сигналами с выхода дешифратора (рис.6.18,б).

Независимость сопротивления замкнутого ключа от направления распространения сигнала позволяет использовать устройство в качестве демультиплексора при выходных сигналах x₃, x₂, x₁, x₀ и подаче входного сигнала y.

Благодаря малому линейному сопротивлению ключа в замкнутом состоянии, обеспечивающем неискаженную передачу сигналов произвольного направления и уровня, с помощью приведенной схемы можно коммутировать аналоговые сигналы в достаточно широкой полосе частот и диапазоне интенсивностей.

Логическая формула , описывающая функционирование мультиплексора заданных значениях x₀, x₁, x₂, x₃, совпадает с общей формальной запись СДНФ логического устройства, что дает возможность синтезировать на его основе любые цифровые блоки, т.е. использовать в качестве базового элемента для комбинационных устройств. Для этого следует подать на адресные шины мультиплексора соответствующие переменные и на информационные входы значения функции (константы 0 или1) для каждого набора переменных в соответствии с таблицей истинности.

Проиллюстрируем указанный подход на примере построения на базе мультиплексора устройства, описываемого мажоритарной функцией трехпеременных. Значение выходного сигнала устройства определяется значениями большинства входных сигналов (табл.6.8).

Таблица 6.8 Таблица истинности мажоритарной функции

a	0	1	0	1	0	1	0	1
b	0	0	1	1	0	0	1	1
c	0	0	0	0	1	1	1	1
F	0	0	0	1	0	1	1	1

Несложно показать, что для реализации заданной в таблице истинности функциональной зависимости логические переменные a, b и c следует подать на адресные входы мультиплексора 8:1, и запрограммировать информационные входы в соответствии со значениями выходного напряжения, т. е. при F = 0 подать U⁰ на входы D₀, D₁, D₂, D₄, и при F = 1 подать U¹ на входы D₃, D₅, D₆, D₇ .

Прямая реализация обладает аппаратной избыточностью, т. к. число информационных шин (набор возможных реализуемых функций) существенно превышает число адресных входов (переменных) и используются другие приемы постороения.