Multiplexere og demultiplexere

Introduction to Multiplexers | MUX Basic (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Multiplexere og demultiplexere

Digitale kredsløb


Spørgsmål 1

Lad ikke bare sidde der! Byg noget !!

At lære at analysere digitale kredsløb kræver meget undersøgelse og praksis. Normalt praktiserer eleverne ved at arbejde igennem masser af prøveproblemer og kontrollere deres svar mod dem fra lærebogen eller instruktøren. Mens dette er godt, er der en meget bedre måde.

Du vil lære meget mere ved faktisk at opbygge og analysere rigtige kredsløb, så din testudstyr giver svarene "i stedet for en bog eller en anden person. Følg disse trin for succesfulde øvelser i kredsløbsopbygning:

  1. Tegn skematisk diagram for det digitale kredsløb, der skal analyseres.
  2. Opbyg forsigtigt dette kredsløb på et brødbræt eller andet passende medium.
  3. Kontroller nøjagtigheden af ​​kredsløbets konstruktion, efter hver ledning til hvert forbindelsessted, og kontroller disse elementer en for en på diagrammet.
  4. Analyser kredsløbet, bestemmer alle output logiske tilstande for givne indgangsforhold.
  5. Mål forsigtigt de logiske tilstande for at kontrollere nøjagtigheden af ​​din analyse.
  6. Hvis der er fejl, skal du omhyggeligt kontrollere dit kredsløbs konstruktion mod diagrammet, og analyser derefter kredsløbet omhyggeligt igen og mål igen.

Sørg altid for, at strømforsyningsspændingsniveauet er inden for specifikationen for de logikkredsløb, du planlægger at bruge. Hvis TTL, skal strømforsyningen være en 5 volt reguleret forsyning, justeret til en værdi så tæt på 5.0 volt DC som muligt.

En måde du kan spare tid på og reducere muligheden for fejl er at begynde med et meget simpelt kredsløb og trinvis tilføje komponenter for at øge dens kompleksitet efter hver analyse, i stedet for at opbygge et helt nyt kredsløb for hvert øvelsesproblem. En anden tidsbesparende teknik er at genbruge de samme komponenter i en række forskellige kredsløbskonfigurationer. På den måde må du ikke måle en komponents værdi mere end én gang.

Reveal svar Skjul svar

Lad elektronerne selv give dig svarene på dine egne "praksisproblemer"!

Bemærkninger:

Det har været min erfaring, at eleverne kræver meget praksis med kredsløbsanalyse at blive dygtige. Til dette formål giver instruktører normalt deres elever mange øvelsesproblemer til at arbejde igennem og giver svar til, at eleverne tjekker deres arbejde imod. Mens denne tilgang gør eleverne dygtige i kredsløbsteori, undlader det at uddanne dem fuldt ud.

Studerende behøver ikke bare matematisk praksis. De har også brug for rigtige, praktisk praktiske bygningskredsløb og brug af testudstyr. Så jeg foreslår følgende alternative tilgang: eleverne skal bygge deres egne "praksisproblemer" med virkelige komponenter og forsøge at forudsige de forskellige logiske tilstande. På den måde kommer den digitale teori "levende", og de studerende får praktisk færdighed, de ikke ville vinde ved blot at løse boolske ligninger eller forenkle Karnaugh-kort.

En anden grund til at følge denne metode er at lære studerende videnskabelig metode : processen med at teste en hypotese (i dette tilfælde logiske tilstand forudsigelser) ved at udføre et rigtigt eksperiment. Studerende vil også udvikle rigtige fejlfindingskompetencer, da de lejlighedsvis laver kredsløbsbyggeri fejl.

Tilbring et par øjeblikke med din klasse for at gennemgå nogle af de "regler" for bygningskredsløb, før de begynder. Diskuter disse spørgsmål med dine elever på samme socratiske måde, som du normalt vil diskutere arbejdsarkets spørgsmål, snarere end blot at fortælle dem, hvad de burde og ikke burde gøre. Jeg ophører aldrig med at blive overrasket over, hvor dårlige eleverne får fat i instruktioner, når de præsenteres i et typisk foredrag (instruktørmonolog) format!

Jeg anbefaler stærkt CMOS logik kredsløb til hjemme eksperimenter, hvor eleverne måske ikke har adgang til en 5 volt reguleret strømforsyning. Moderne CMOS-kredsløb er langt mere robust med hensyn til statisk udladning end de første CMOS-kredsløb, så frygt for, at eleverne beskadiger disse enheder ved ikke at have et "korrekt" laboratorieopsætning derhjemme, er stort set ugrundede.

En note til de instruktører, der kan klage over den "spildte" tid, der kræves for at få eleverne til at opbygge virkelige kredsløb i stedet for bare at matematisk analysere teoretiske kredsløb:

Hvad er formålet med eleverne, der tager dit kursus? Panelarkontrolpanelets standardpanel?

Spørgsmål 2

Forestil dig et telefonsystem med kun et par ledninger, der strækker sig mellem telefonenheder. Af hensyn til enkelheden skal vi overveje, at hver telefon er en lyddrevet enhed (unamplified), hvor spændingen produceret direkte af mikrofonen driver højttaleren i den anden ende:

Hvis vi skulle installere en anden telefonlinje for at imødekomme et andet par, der taler til hinanden, ville det helt sikkert fungere, men det kan være dyrt at gøre det på grund af omkostningerne ved ledninger over den lange afstand:

Antag, at vi dog installerede et sæt DPDT-switche, der skiftede de to telefonsamtaler langs det samme par ledninger (kun 1 telefon "linje"). Denne generelle teknik er kendt som multiplexing . Afbryderne ville synkroniseres i henhold til ure i hver ende af linjen og cyklede frem og tilbage gentagne gange:

Hvad ville samtalen lyde som en af ​​lytterne, hvis switchfrekvensen var 1 Hz "# 2"> Reveal svar Skjul svar

Ved 1 Hz mangler et halvt sekund af hver samtale hvert sekund. Resultatet vil være en meget "hakket" strøm af lyd, der når hver lytter.

Ved 10 Hz, ville "choppiness" reduceres, med kun 1/20 af et sekund værd at samtalen savner hver 1/10 af et sekund fra hver samtale. Det ville dog stadig være meget svært at lytte til.

Ved 40 kHz skiftehastighed lyder begge samtaler problemfrit.

Opfølgningsspørgsmål: Hvordan kan vi multipleksere mere end to samtaler langs samme par telefonledninger?

Udfordringsspørgsmål: Er der en grænse for, hvor mange samtaler vi kan multiplexere på samme trådpar? Hvis ja, hvilke parametre ville definere denne grænse?

Bemærkninger:

Spørg dine elever, hvorfor denne teknik til at skifte samtaler fungerer. Hvordan er det muligt for lydsamtaler at lyde "sømløse", når halvdelen af ​​informationen mangler fra hver enkelt (uanset omdrejningshastighed)?

Spørg dine elever om svar på udfordringsspørgsmålet. Hvis ingen har nogen, giv dem et tip: Hvordan påvirker telefonlinjens båndbredde multipleksering af et stort antal signaler?

Spørgsmål 3

De fleste moderne analoge oscilloskoper har evnen til at vise flere spor på deres skærme (dual-trace er standarden), selvom CRT'en selv brugt af 'scope'et kun kan have en elektronpistol og således kun kunne "male" en flyvende prik på skærmen ad gangen.

Oscilloskoper med single-gun display rør opnår dual-trace kapacitet ved multiplexering af de to indgangskanaler til samme CRT. Der er normalt to forskellige tilstande til denne multipleksering, dog: alternativ og hugge .

Forklar, hvordan disse multiplekseteknikker fungerer, og hvilke betingelser vil bede dig om at bruge de to forskellige multiplekseringsfunktioner. Jeg opfordrer dig stærkt til at eksperimentere med at vise to forskellige signaler på en af ​​disse oscilloskoper som din forskning. Du vil sandsynligvis lære langt mere fra en praktisk øvelse, end hvis du skulle læse om det i en bog!

Reveal svar Skjul svar

Chop bruges til at vise to bølgeformer, når timebasen er indstillet til en langsom (lavfrekvent) indstilling. Alternativ bruges til at vise to bølgeformer, når timebasen er indstillet til en hurtig (højfrekvent) indstilling.

Bemærkninger:

Fortæl ikke blot dine elever, hvordan deres oscilloskoper alternerer og hugger faciliteter. Lad dem opleve disse to former for multiplexing direkte, med praktisk undersøgelse. Hvis intet andet, vil dette give dem yderligere øvelse ved hjælp af oscilloskoper.

Spørgsmål 4

En række praktiske elektroniske applikationer kræver multipleksering, hvor flere indgangssignaler vælges individuelt, en ad gangen men meget hurtigt, der skal formidles via en enkelt kanal. Telefonsystemer bruger denne teknik til at "koncentrere" flere talekonversationer over et enkelt trådpar, og de fleste analoge dual-spor-oscilloskoper bruger denne teknik til at give en enkeltkanal-CRT mulighed for at vise mere end et signalspor på skærmen ad gangen.

For at kunne hurtigt vælge (eller skifte) analoge signaler i disse multipleksapplikationer, har vi brug for en form for halvleder til / fra-switch, der er i stand til hurtig skiftetid, lav gennemgang ("on" state) impedans og høj blokering "State" impedans. Heldigvis er der en sådan enhed almindeligt og billigt produceret, kaldet en CMOS bilateral switch :

Denne hybrid analog / digital enhed bruger digitale logiske signaler (høj / lav) til at aktivere portene til CMOS transistorenheder til at slå analoge signaler til og fra. Det er som at have fire lavstrøms solid state relæer i et enkelt integreret kredsløb. Når kontrollinjen er lavet "høj" (standard CMOS logikniveau), går den respektive switch i sin ledende ("on") tilstand. Når kontrollinjen er lavet "lav", slukkes kontakten. Fordi det er MOSFET'er, vi tænder og slukker, trækker kontrollinjerne ubetydelig strøm (ligesom CMOS logiske gateindgange).

Hvis vi skal bruge sådanne bilaterale kontakter til multiplex analoge signaler langs en fælles signallinje, skal vi dog tilføje nogle tilbehørskomponenter til at kontrollere, hvilken switch (ud af fire) der er aktiv på et givet tidspunkt. Tag for eksempel dette kredsløb, hvor vi bruger fire bilaterale kontakter til multiplexering af spændingssignalerne fra fire accelerometre (måling acceleration på en vibrationstest-jig):

Identificer den nødvendige "mystery device", der er vist i skematisk, hvilket tillader en binær indgang (S 0 og S 1 med fire kombinationer af høj / lav tilstand: 00, 01, 10 og 11) for at aktivere en enkelt bilateral afbryder ad gangen .

Reveal svar Skjul svar

Denne "mystery device" er en 2-linje til 4-line binær dekoder .

Bemærkninger:

Dette spørgsmål tjener nogle få formål: At introducere eleverne til den 4066 quad-bilaterale switch, for at fremvise en praktisk applikation til analog multiplexing og at gennemgå et tidligere emne (dekodere).

Spørgsmål 5

Multiplexere og demultiplexere er ofte forvekslet med hinanden ved elever, der først lærer om dem. Selvom de ligner hinanden, udfører de helt sikkert forskellige funktioner. Vist her er en multiplekser og en demultiplexer, der hver bruger et flerpositions-switch-symbol til at angive valgfunktionerne inden for de respektive kredsløb:

Efter at have identificeret, hvad er der, der giver definitioner for "multiplexer" og "demultiplexer" i dine egne ord.

Reveal svar Skjul svar

Jeg vil lade dig undersøge svaret på dette spørgsmål alene!

Bemærkninger:

Dette spørgsmål tvinger eleverne til direkte at møde et forvirringspunkt, jeg har bemærket over flere års undervisning. Spørg dem, hvor de kunne finde definitioner for hvert udtryk.

Spørgsmål 6

74HC150 er en højhastigheds CMOS (TTL-kompatibel) integreret kredsløbsmultiplexer, også kendt som en datavælger . Det er almindeligt tilgængeligt som en 24 pin DIP "chip." Identificer terminalerne på en 74HC150 og mærker dem her:

Vær især opmærksom på placeringen af ​​de fire "udvalgte" terminaler samt den enkelte udgangsterminal.

Hvilke typer af elektriske "data" kan "vælges" af dette særlige integrerede kredsløb "# 6"> Reveal svar Skjul svar

Tror du virkelig, at jeg bare ville vise dig pinout her, i stedet for at have konsulteret et dataark? Dette er kun en diskret signal enhed. Det kan ikke "vælge" analoge signaler som dem, der er involveret i telefoni.

Udfordringsspørgsmål: Hvordan kunne du opbygge en analog signalmultiplexer ved hjælp af komponenter, som du er bekendt med? Jeg anbefaler, at du starter med noget simpelt, såsom en firekanals multiplexer, før du forsøger noget med så mange kanaler som den digitale enhed vist her (74HC150).

Bemærkninger:

Datablade giver ikke kun grundlæggende pinoutoplysninger, men de afslører også vigtige operationelle egenskaber ved integrerede kredsløb. I mange tilfælde viser de også typiske applikationer, som har stor uddannelsesmæssig værdi. Understrege vigtigheden af ​​dataark til dine elever med "look-up" øvelser som dette, bygg deres evne til at fortolke de indeholdte oplysninger.

Med hensyn til udfordringsspørgsmålet er det en fælles fejl for eleverne at tro, at de kan opbygge en analog signalmultiplexer omkring en digital signalmultiplexor. I virkeligheden ville de have brug for en helt anden type enhed!

Spørgsmål 7

Multiplexere, eller dataselektorer, kan bruges til at generere vilkårlig sandtabellfunktioner. Tage for eksempel dette Boolean SOP udtryk, vist ved siden af ​​et symbol for en 16-kanal multiplexer:

Vis de ledninger, der er nødvendige for at gøre multiplexeren udgang til de angivne logiske tilstande som svar på datavalgene (A, B, C og D).

Reveal svar Skjul svar

Bemærkninger:

Diskuter med dine elever betydningen af ​​at bruge en multiplexer på denne måde: at implementere vilkårlig logikfunktioner. For de studerende, der måske ikke er bekendt med udtrykket, skal du definere ordet "vilkårlig". Det kan virke dumt, men eleverne undlader ofte at bede om definitionerne af ord, der er nye for dem, af frygt for at lyde dum i foran deres jævnaldrende og foran dig. Endnu en grund til at modellere respekt i dit klasseværelse, og også skabe en atmosfære, hvor eleverne føler sig godt tilpas og stiller spørgsmål.

Spørgsmål 8

74HC154 er en højhastigheds-CMOS (TTL-kompatibel) integreret kredsløbsdekoder med fire indgangslinjer og seksten udgangsledninger:

Identificer de logiske tilstande for alle udgangsterminalerne under de viste indgangsbetingelser.

Identificer nu de logiske tilstande for det samme kredsløb, denne gang med et logisk signal på en firkantbølge (on / off puls), der påføres til aktiveringsterminalerne:

Reveal svar Skjul svar

I det første scenario med aktiverede linjer jordet, vil udgang # 11 være lav, med alle andre udgange høj. I det andet scenario med et firkantbølge-signalindgang til aktiveringslinjerne vil udgang # 11 puls, mens alle andre udgange forbliver i høj tilstand.

Bemærkninger:

Dette spørgsmål forudser brugen af ​​en dekoder som en demultiplexer.

Spørgsmål 9

74HC154 er en højhastigheds-CMOS (TTL-kompatibel) integreret kredsløbsdekoder, som også kan bruges som en demultiplexer:

Hvilke terminal (er) bruger vi til signalindgangen, hvis du bruger denne chip som en demultiplexer og ikke kun en dekoder "# 9"> Reveal svar Skjul svar

Brug aktiveringsterminalerne (sammen) som en "indgangsterminal".

Bemærkninger:

Forklar til dine elever, at "dekoder" og "demultiplexer" egentlig kun er to forskellige ord for den samme enhed, da alle ægte dekodere er udstyret med aktiveringsindgange.

Spørgsmål 10

74HC137 og 74HC237 dekoder / demultiplexer integrerede kredsløb har en funktion, at nogle andre dekoder / demultiplexere ikke: adresser låsning . Forklar, hvad denne ekstra funktion er, hvordan den fungerer, og hvordan du vil deaktivere funktionen, hvis du skulle bruge et af disse integrerede kredsløb i et program, der ikke kræver adresselåsning.

Reveal svar Skjul svar

Jeg vil lade dig finde ud af svarene på dette spørgsmål. Fabrikantens dataark er naturligvis din bedste kilde til information!

Opfølgningsspørgsmål: Hvad er den funktionelle forskel mellem 74HC137 og 74HC237? Hvordan vil de respektive skematiske symboler for disse to dekoder / demux IC'er afvige?

Udfordringsspørgsmål: Tænk på en praktisk anvendelse, hvor du måske har brug for funktionen til adresselåsning.

Bemærkninger:

Funktionen ved adresselåsning er ikke svært at forstå, hvis eleverne allerede har studeret D-type lås (og / eller parallel-in / parallel-out skiftregistre).

Spørgsmål 11

Når de først lærer om kodere, dekodere, multiplexere og demultiplexere, får eleverne ofte dem i forveksling med hinanden. Skriv kortfattede definitioner (komplet med illustrationer) for hver af disse fire digitale funktioner, baseret på din egen forskning og skrevet med dine egne ord. Identificer også hvilke to af disse digitale funktioner som regel udføres af det samme integrerede kredsløb.

Reveal svar Skjul svar

Jeg lader dig finde ud af den første del af svaret (fire kortfattede definitioner, komplet med illustrationer)! Fordi det er så nemt at få disse fire funktioner blandet op i dit sind, er det vigtigt, at du kommer til din egen forståelse af hvilken der er, snarere end at have nogen andre (som mig) give klare definitioner for dig at huske.

Afkodning og demultipleksering udføres normalt af den samme integrerede kredsløbsenhed. Et godt eksempel på dette er 74HC154.

Bemærkninger:

Her er et godt eksempel på, hvor eleverne gerne falder på rote memorization, og hvor sådanne overfladiske læringsstrategier ofte fejler. Det er afgørende, at eleverne selv gør deres egen forskning og kaster disse funktioner i deres egne personlige forhold. På denne måde vil de forstå forskellene snarere end blot huske forskellene.

Opfordre de enkelte studerende til at præsentere deres resultater for dette spørgsmål og lade klasseværelset være et sted, hvor eleverne deler deres forståelser med hinanden. Lad dem vide, at dette er vigtigt for dem at forstå, men ikke blot give klare svar til dem!

Spørgsmål 12

Det følgende skematiske diagram viser en otte-punkts vilkårlig bølgeformgenerator. Den analoge multiplexer vælger et af de otte potentiometer signaler ad gangen, der går fra den ene til den anden ved tempoet i urpulsen:

Forklar hvilken virkning en kortsluttet bilateral switch ville have på outputbølgeformen. Vær så specifik som muligt.

Reveal svar Skjul svar

Hvis en af ​​de bilaterale omskiftere skulle afkortes, ville det skævke alle de vilkårlig bølgeformspændinger "mod" den ene med den mislykkede omskifter, der fordrejer bølgeformen fra sin oprindelige form.

Bemærkninger:

En mislykket kortsluttet bilateral switch ville skabe en slags passiv gennemsnitsskreds mellem shorted-switch potten og den valgte switch potten. Hvis dine elever har svært ved at finde ud af virkningerne af denne fejl, skal du minde dem om, hvad en passiv gennemsnit er, og hvordan det virker.

Spørgsmål 13

Forudsig, hvordan driften af ​​dette "koncentrator" kredsløb (som tager otte digitale indgange og "koncentrerer" dem til en enkelt multiplexeret kommunikationslinje, der skal udvides til otte udgange i modtageren) vil blive påvirket som følge af følgende fejl . Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

Clock pulsgeneratoren stopper pulserende:
Pin pauser på W udgang på 74151 chip, forlader den ledning flydende:
Pin bryder på G2A input af 74138 chip, så den flyder:
Aktiver pinbrud på 74151 chip, så den flyder:

For hver af disse betingelser, forklar hvorfor de resulterende virkninger vil forekomme.

Reveal svar Skjul svar

Urpulsgeneratoren stopper pulserende: Kun en kanal ud af de otte vil fungere, og det virker hele tiden uden afbrydelse. Data kan ikke komme igennem nogen af ​​de andre syv kanaler.
Pin bryder på W udgangen på 74151 chip, hvilket efterlader den ledning flydende: Alle valgte udgange på 74138 chip går lavt, i stedet for at gentage de respektive logiske tilstande input på 74151 chip.
Pin bryder på G2A input på 74138 chip, så den flyder: Alle udgange på 74138 chip går høj, hele tiden.
Aktiver pinbrud på 74151 chip, og lad det flyde: Alle udvalgte udgange på 74138 chip går lavt, i stedet for at gentage de respektive logiske tilstande input på 74151 chip.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at nærme sig domænet for kredsløbsfejlfinding ud fra et perspektiv om at vide, hvad fejlen er, snarere end kun at vide, hvad symptomerne er. Selvom dette ikke nødvendigvis er et realistisk perspektiv, hjælper det eleverne med at opbygge den grundlæggende viden, der er nødvendig for at diagnosticere et fejlet kredsløb fra empiriske data. Spørgsmål som dette skal følges (til sidst) af andre spørgsmål, der beder eleverne om at identificere sandsynlige fejl baseret på målinger.

Spørgsmål 14

Multiplexere, eller dataselektorer, kan bruges til at generere vilkårlig sandtabellfunktioner. Tage for eksempel denne sandhedstabel, vist ved siden af ​​et symbol for en 16-kanals multiplexer:

Vis de ledninger, der er nødvendige for at gøre multiplexeren udgang til de angivne logiske tilstande som svar på datavalgene (A, B, C og D).

Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: Hvad hvis denne multiplexer havde en aktiv lav udgang, som 74150 "noter skjult"> Noter:

Diskuter med dine elever betydningen af ​​at bruge en multiplexer på denne måde: at implementere vilkårlig logikfunktioner. For de studerende, der måske ikke er bekendt med udtrykket, skal du definere ordet "vilkårlig". Det kan virke dumt, men eleverne undlader ofte at bede om definitionerne af ord, der er nye for dem, af frygt for at lyde dum i foran deres jævnaldrende og foran dig. Endnu en grund til at modellere respekt i dit klasseværelse, og også skabe en atmosfære, hvor eleverne føler sig godt tilpas og stiller spørgsmål.

Spørgsmål 15

Det følgende skematiske diagram er et to-indgangsvælger kredsløb, som (som navnet antyder) vælger en af ​​to indgange, der skal sendes til udgangen:

Bestem, hvilken tilstand indgangslinjen "Select Control" skal være i, for at vælge Input A, der skal sendes til outputen, og hvilken tilstand det skal være at vælge Input B for at gå til udgangen.

Reveal svar Skjul svar

Et højt signal på "Select Control" -linjen vælger Input A, mens et lavt signal på samme linje vælger Input B.

Bemærkninger:

Vælger kredsløb er meget udbredt internt i tæller og skift register kredsløb, hvor digitale signaler skal vælges fra flere kilder for at opnå visse funktioner. Vær sikker på, at dine elever forstår, hvordan det virker, for de vil helt sikkert se det senere i nogle applikationer!

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →