Лекция «Функциональные узлы»

Функциональные узлы. Мультиплексор

Схема мультиплексора 2-к-1.

Mультиплексор — устройство, имеющее несколько сигнальных входов, один или более управляющих входов и один выход. Мультиплексор позволяет передавать сигнал с одного из входов на выход; при этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов.

Аналоговые и цифровые мультиплексоры значительно различаются по принципу работы. Первые электрически соединяют выбранный вход с выходом (при этом сопротивление между ними невелико — порядка единиц/десятков Ом). Вторые же не образуют прямого электрического соединения между выбранным входом и выходом, а лишь «копируют» на выход логический уровень ('0' или '1') с выбранного входа. Аналоговые мультиплексоры иногда называют ключами или коммутаторами.

Устройство, противоположное мультиплексору по своей функции, называется демультиплексором. В случае применения аналоговых мультиплексоров (с применением ключей на полевых транзисторах) не существует различия между мультиплексором и демультиплексором; такие устройства могут называться коммутаторами.

Устройство.

Схематически мультиплексор можно изобразить в виде коммутатора, обеспечивающего подключение одного из нескольких входов (их называют информационными) к одному выходу устройства. Коммутатор обслуживает управляющая схема, в которой имеются адресные входы и, как правило, разрешающие (стробирующие).

Сигналы на адресных входах определяют, какой конкретно информационный канал подключен к выходу. Если между числом информационных входов и числом адресных входов действует соотношение , то такой мультиплексор называют полным. Если , то мультиплексор называют неполным.

Разрешающие входы используют для расширения функциональных возможностей мультиплексора. Они используются для наращивания разрядности мультиплексора, синхронизации его работы с работой других узлов. Сигналы на разрешающих входах могут разрешать, а могут и запрещать подключение определенного входа к выходу, то есть могут блокировать действие всего устройства. В качестве управляющей схемы обычно используется дешифратор. В цифровых мультиплексорах логические элементы коммутатора и дешифратора обычно объединяются. Обобщённая схема мультиплексора

Обобщённая схема мультиплексора.

Входные логические сигналы Xi поступают на входы коммутатора и через коммутатор передаются на выход Y. На вход управляющей схемы подаются адресные сигналы Ak (от англ. Address). Мультиплексор также может иметь дополнительный управляющий вход E (от англ. Enable), который разрешает или запрещает прохождение входного сигнала на выход Y.

Кроме этого, некоторые мультиплексоры могут иметь выход с тремя состояниями: два логических состояния 0 и 1, и третье состояние — отключённый выход (высокоимпедансное состояние, Z-состояние — выходное сопротивление равно бесконечности). Перевод мультиплексора в третье состояние производится снятием управляющего сигнала OE (от англ. Output Enable).

Использование.

Мультиплексоры могут использоваться в делителях частоты, триггерных устройствах, сдвигающих устройствах и др. Мультиплексоры могут использоваться для преобразования параллельного двоичного кода в последовательный. Для такого преобразования достаточно подать на информационные входы мультиплексора параллельный двоичный код, а сигналы на адресные входы подавать в такой последовательности, чтобы к выходу поочередно подключались входы, начиная с первого и заканчивая последним.

Обозначение.

Мультиплексоры обозначают сочетанием MUX (от англ. multiplexer), а также MS (от англ. multiplexer selector ).

 

Демультиплексор.

Демультиплексор — это логическое устройство, предназначенное для переключения сигнала с одного информационного входа на один из информационных выходов. Таким образом, демультиплексор в функциональном отношении противоположен мультиплексору. На схемах демультиплексоры обозначают через DMX или DMS.

Суть и схема реализации.

В случае ТТЛ логики для коммутации каналов применяются логические элементы "И". В КМОП микросхемах широко применяются ключи на полевых транзисторах. Поэтому в них отсутствует понятие демультиплексора. Информационные входы и выход можно поменять местами, в результате чего мультиплексор может служить в качестве демультиплексора.

Если между числом выходов и числом адресных входов действует соотношение n=2m для двоичных демультиплексоров или n=3m для троичных демультиплексоров, то такой демультиплексор называют полным. Если n<2m для двоичных демультиплексоров или n<3m для троичных демультиплексоров, то демультиплексор называют неполным. Функции демультиплексоров сходны с функциями дешифраторов. Дешифратор можно рассматривать как демультиплексор, у которого информационный вход поддерживает напряжение выходов в активном состоянии, а адресные входы выполняют роль входов дешифратора. Поэтому в обозначении как дешифраторов, так и демультиплексоров в отечественных микросхемах используются одинаковые буквы - ИД.

Демультиплексоры выполняют унарные (одновходовые, однооперандные) логические функции с n-арным выходом.

Схема демультиплексора "2 на 4".
 

Дешифратор.

Дешифратор (декодер) — комбинационное устройство, преобразующее n-разрядный двоичный, троичный или k-ичный код в -ичный одноединичный код, где  — основание системы счисления. Логический сигнал появляется на том выходе, порядковый номер которого соответствует двоичному, троичному или k-ичному коду.
Дешифраторы являются устройствами, выполняющими двоичные, троичные или k-ичные логические функции (операции).

Двоичный дешифратор работает по следующему принципу: пусть дешифратор имеет N входов, на них подано двоичное слово , тогда на выходе будем иметь такой код, разрядности меньшей или равной , что разряд, номер которого равен входному слову, принимает значение единицы, все остальные разряды равны нулю. Очевидно, что максимально возможная разрядность выходного слова равна . Такой дешифратор называется полным. Если часть входных наборов не используется, то число выходов меньше , и дешифратор является неполным.

Функционирование одноединичного дешифратора описывается системой конъюнкций:

…

Часто дешифраторы дополняются входом разрешения работы (Enable). Если на этот вход поступает единица, то дешифратор функционирует, в ином случае на выходе дешифратора вырабатывается логический ноль вне зависимости от входных сигналов.

Функционирование одноединичного дешифратора с дополнительным входом (Enable) описывается системой конъюнкций:

…

Существуют дешифраторы с инверсными выходами, у такого дешифратора выбранный разряд показан нулём.

Обратное преобразование осуществляет шифратор.

Дешифраторы. Это комбинационные схемы с несколькими входами и выходами, преобразующие код, подаваемый на входы в сигнал на одном из выходов. На одном выходе дешифратора появляется логическая единица, а на остальных — логические нули, когда на входных шинах устанавливается двоичный код определённого числа или символа, то есть дешифратор расшифровывает число в двоичном, троичном или k-ичном коде, представляя его логической единицей на определённом выходе. Число входов дешифратора равно количеству разрядов поступающих двоичных, троичных или k-ичных чисел. Число выходов равно полному количеству различных двоичных, троичных или k-ичных чисел этой разрядности.

Для n-разрядов на входе, на выходе , или . Чтобы вычислить, является ли поступившее на вход двоичное, троичное или k-ичное число известным ожидаемым, инвертируются пути в определённых разрядах этого числа. Затем выполняется конъюнкция всех разрядов преобразованного таким образом числа. Если результатом конъюнкции является логическая единица, значит на вход поступило известное ожидаемое число.

Из логических элементов являющихся дешифраторами можно строить дешифраторы на большое число входов. Каскадное подключение таких схем позволит наращивать число дифференцируемых переменных.

Одноединичные дешифраторы Бинарный двоичный одноединичный дешифратор.

Является объединением четырёх () бинарных (двухоперандных, двухаргументных) двоичных логических функций:

Тринарный двоичный одноединичный дешифратор.

Является объединением восьми () тринарных (трёхоперандных, трёхаргументных) двоичных логических функций:

Шифратор.

Шифратор (кодер) — (англ. encoder) логическое устройство, выполняющее логическую функцию (операцию) — преобразование позиционного n-разрядного кода в m-разрядный двоичный, троичный или k-ичный код.

Двоичный шифратор выполняет логическую функцию преобразования унитарного n-ичного однозначного кода в двоичный. При подаче сигнала на один из n входов (обязательно на один, не более) на выходе появляется двоичный код номера активного входа.

Если количество входов настолько велико, что в шифраторе используются все возможные комбинации сигналов на выходе, то такой шифратор называется полным, если не все, то неполным. Число входов и выходов в полном шифраторе связано соотношением:

где
 — число входов,
 — число выходных двоичных разрядов.

Троичный шифратор выполняет логическую функцию преобразования унарно n-ичного однозначного (одноединичного или однонулевого) кода в троичный. При подаче сигнала («1» в одноединичном коде или «0» в однонулевом коде) на один из n входов на выходе появляется троичный код номера активного входа.

Число входов и выходов в полном троичном шифраторе связано соотношением:

, где
 — число входов,
 — число выходных троичных разрядов.

Число входов и выходов в полном k-ичном шифраторе связано соотношением:

, где
 — число входов,
 — число выходных k-ичных разрядов,
 — основание системы счисления.

Приоритетный шифратор отличается от шифратора наличием дополнительной логической схемы выделения активного уровня старшего входа для обеспечения условия работоспособности шифратора (только один уровень на входе активный). Уровни сигналов на остальных входах схемой игнорируются.

К555ИВ1 — ТТЛ микросхема приоритетного шифратора (n = 8, m = 3). Зарубежный аналог 74148.

К555ИВ3 — ТТЛ микросхема неполного декадного шифратора (n = 9, m = 4). Зарубежный аналог 74147.

Цифровой компаратор.

Цифровой компаратор или компаратор амплитуд является электронным устройством, берущим два числа в двоичном виде и определяющим, является ли первое число меньшим, большим или равным второму числу.

Компараторы используются в центральных процессорах и микроконтроллерах. Примерами цифровых компараторов являются КМОП — 4063 и 4585, ТТЛ — 7485 и 74682-89.

Аналоговым эквивалентом цифрового компаратора является компаратор напряжений. Некоторые микроконтроллеры имеют аналоговые компараторы на некоторых своих входах, которые могут быть считаны или включать прерывание.

Таблица истинности компаратора.

Действие однобитного цифрового компаратора может быть выражено таблицей истинности:

Действие двухцифрового компаратора может быть выражено таблицей истинности:

Выражения.

Рассмотрим два 4-х битных числа A и B

Здесь каждая буква с цифрой представляет одну из цифр в числе.

Равенство (эквивалентность)

Двоичные числа A и B будут равны, если все пары значащих цифр обоих чисел равны, т.е.,

, , и

Так как числа являются двоичными, то цифры являются или 0 или 1. Булева функция для равенства любых двух цифр и может быть выражена как

.

равна 1 только если и равны.

Для равенства A и B, все функции (для i=0,1,2,3) должны быть равны 1.

Состояние равенства A и B может быть выражено используя операции И, как

Двоичная функция (A=B) равна 1 только если все пары цифр двух чисел равны.

Неравенство (неэквивалентность).

Чтобы определить наибольшее из двух двоичных чисел, мы рассмотрим отношение величин пар значащих цифр, начиная с наиболее значащих битов, последовательно продвигаясь к младшим значащим битам до нахождения неравенства. Когда неравенство найдено, то, если соответствующий бит A равен 1 и такой же бит B равен 0, то мы считаем, что A>B.

Это последовательное сравнение может быть выражено логически как: