30 آذر 1400

مالتی پلکسر

بازدید: 2536

30 آذر 1400

مالتی پلکسر

بازدید: 2536

مالتی‌پلکسر، یک مدار منطقی ترکیبی است که برای سوئیچ یکی از چندین خطوط ورودی به یک خط مشترک خروجی منفرد، طراحی شده‌است.

مالتی‌پلکسینگ، یک اصطلاح عمومی است؛ که برای توصیف عملکرد ارسال یک یا چند سیگنال آنالوگ یا دیجیتال، از طریق یک خط انتقال عمومی، در زمان‌ها یا سرعت‌های مختلف، استفاده می‌شود و به‌همین دلیل، دستگاهی که برای انجام این کار استفاده می‌کنیم؛ مالتی‌پلکسر نامیده می‌شود.

مالتی‌پلکسر، کوتاه‌شده به “MUX” یا “MPX” ، یک مدار منطقی ترکیبی است؛ که برای اعمال سوئیچ از یکی از چند خطوط ورودی به یک خط خروجی مشترک، با استفاده از عملکرد سیگنال کنترل، طراحی شده‌است. مالتی‌پلکسرها، مانند سوئیچ‌های دوار چند موقعیتی بسیار سریع، عمل می‌کنند؛ که چندین خط ورودی به‌نام “کانال‌” را، یک به یک در زمان، به خروجی متصل‌کرده یا کنترل می‌کنند.

مالتی‌پلکسرها یا MUXها، می‌توانند مدارهای دیجیتالی ساخته‌شده از گیت‌های منطقی با سرعت بالا، باشند؛ که برای سوئیچ داده دیجیتال یا باینری استفاده می‌شوند یا می‌توانند انواع آنالوگ با استفاده از ترانزیستورها، ماسفت‌ها یا رله‌ها، برای سوئیچ یکی از ورودی‌های ولتاژ یا جریان، به یک خروجی منفرد، باشند.

اساسی‌ترین نوع دستگاه مالتی‌پلکسر، همانطور که در شکل زیر نشان داده‌شده‌است؛ یک سوئیچ یک طرفه دوار می‌باشد.

سوئیچ مالتی‌پلکسینگ پایه

سوئیچ دوار؛ که به آن سوئیچ ویفر نیز گفته می‌شود؛ زیرا هر لایه‌ی سوئیچ، به‌عنوان ویفر، شناخته می‌شود؛ یک دستگاه مکانیکی است؛ که ورودی آن، با چرخاندن یک شفت، انتخاب می‌شود. به‌عبارت دیگر، سوئیچ دوار، یک سوئیچ دستی است؛ که می‌توانید از آن، برای انتخاب داده منحصربفرد یا خطوط سیگنال، به‌سادگی و با بردن ورودی‌های آن به‌حالت “ON” یا “OFF” ، استفاده کنید. بنابراین، چگونه می‌توانیم هر ورودی داده را، به‌طور خودکار، با استفاده از یک دستگاه دیجیتال، انتخاب کنیم؟

در الکترونیک دیجیتال، مالتی‌پلکسرها به‌عنوان انتخاب‌کننده‌ی داده نیز شناخته می‌شوند؛ زیرا می‌توانند هر خط ورودی را “انتخاب” کنند و از سوئیچ‌های آنالوگ منحصربفرد که در یک پکیج IC منفرد، قرار گرفته‌اند؛ ساخته شده‌اند؛ که در مقابل انتخاب‌کننده‌های “مکانیکی” مانند سوئیچ‌ها و رله‌های معمولی، می‌باشند.

آن‌ها به‌عنوان یکی از روش‌های کاهش تعداد گیت‌های منطقی موردنیاز، در طراحی مدار یا هنگامی‌که، یک خط داده یا باس (گذرگاه) داده، برای حمل دو یا چند سیگنال دیجیتالی متفاوت مورد نیاز است؛ استفاده می‌شوند. به‌عنوان مثال، یک مالتی‌پلکسر منفرد 8 کاناله.

درحالت کلی، انتخاب هرخط ورودی در یک مالتی‌پلکسر، توسط مجموعه‌ای اضافی از ورودی‌ها به‌نام خطوط کنترل، کنترل می‌شود و باتوجه به وضعیت باینری این ورودی‌های کنترلی چه “HIGH” و چه “LOW”، ورودی داده‌ی مناسب، مستقیما به خروجی متصل شده‌است. به‌طور معمول، یک مالتی‌پلکسر دارای تعداد زوجی از 2ⁿ خطوط ورودی داده و تعدادی ورودی‌های کنترلی است؛ که با تعداد ورودی‌های داده، مطابقت دارد.

توجه داشته‌باشید؛ که مالتی‌پلکسرها درعملکرد با انکدرها متفاوت می‌باشند. انکدرها، قادر به سوئیچ از یک الگوی ورودی n بیتی، به چندین خط خروجی بوده؛ که نشان‌دهنده‌ی خروجی کدشده‌ی باینری (BCD) معادل یک ورودی فعال، است.

ما می‌توانیم یک مالتی‌پلکسر 2 خط به 1 خط ساده ( 2 به 1) از گیت‌های NAND منطقی پایه، همانطور که در زیر نشان داده‌شده است؛ بسازیم.

طراحی مالتی پلکسر دو ورودی

ورودی A این مدار ساده 2-1 خطی مالتی‌پلکسر ساخته‌شده از گیت‌های استاندارد NAND ، کنترل می‌کند؛ که کدام ورودی (I₀ یا I₁) به خروجی در Q، منتقل شود.

از جدول درستی در بالا، می‌توانیم ببینیم که وقتی‌که انتخاب داده برای ورودی صورت گرفت، A، درحالت LOW و منطق 0 قرار گرفته و ورودی I₁ داده‌ی خود را از طریق گیت NAND مدار مالتی‌پلکسر، به خروجی منتقل می‌کند و در این حالت، ورودی I₀ مسدود ‌است. اما وقتی انتخاب داده برای ورودی به‌گونه‌ای باشد که، A، درحالت HIGH و منطق 1 قرار بگیرد، معکوس حالت قبل، اتفاق می‌افتد و ورودی I₀ داده‌ی خود را ، به خروجی Q منتقل می‌کند؛ و در این حالت، ورودی I₁ مسدود ‌است.

بنابراین، با استفاده از منطق “0” یا منطق “1” در A، می‌توانیم ورودی مناسب I₀ یا I₁ را انتخاب کنیم؛ که مدار کمی شبیه به سوئیچ تک قطب دو پرتابه (SPDT) عمل کند.

ازآن‌جایی‌که، ما تنها دارای یک خط کنترل (A) می‌باشیم؛ پس می‌توانیم تنها 2¹ ورودی را سوئیچ کنیم و در این مثال ساده، مالتی‌پلکسر 2 ورودی، یکی از دو منبع‌های 1 بیت را به خروجی مشترک، متصل می‌کند؛ که سبب تولید مالتی‌پلکسر خط 2 به 1 می‌شود. پس می‌توانیم این امر را با عبارت بولین زیر، تایید کنیم.

و برای مدار مالتی‌پلکسر 2 ورودی در بالا، آن‌ را به‌صورت زیر ساده‌سازی کنیم:

ما می‌توانیم تعداد ورودی‌های داده را، برای انتخاب بیشتر با پیروی از همان روش، افزایش دهیم و مدارهای مالتی‌پلکسر بزرگتر را با استفاده از مالتی‌پلکسرهای کوچکتر 2 به 1 به‌عنوان بلوک‌های اصلی آن‌ها، پیاده‌سازی کنیم. پس برای یک مالتی پلکسر 4 ورودی، ما به دو خط انتخاب داده نیاز داریم. زیرا 4 ورودی نشان‌دهنده‌ی 2² خط کنترل داده‌ است؛ که یک مدار با چهار ورودی I₀ ، I₁ ، I₂، I₃ و 2 خط انتخاب داده A و B را نشان می‌دهد.

مالتی پلکسر 4 به 1 کاناله

عبارت بولین برای مالتی‌پلکسر 4 به 1 بالا، با ورودی‌های A به D و خط‌های انتخاب داده a و b ،به‌صورت زیر آورده شده‌است:

دراین مثال، درهرلحظه، فقط یک مورد از 4 سوئیچ آنالوگ، بسته شده‌است و فقط، یکی از خطوط ورودی A به D ، به خروجی واحد در Q متصل است. اینکه کدام سوئیچ بسته شود، وابسته به آدرسی است؛ که کد ورودی روی خطوط “a” و “b”، قرار می‌دهد.

پس در این مثال، برای انتخاب ورودی B، به خروجی Q نیاز است که آدرس ورودی باینری، منطق “1” = “a” و منطق “0” = “b” باشد. بنابراین، می‌توانیم انتخاب داده‌ها را از طریق مالتی‌پلکسر، به‌عنوان تابعی از بیت‌های انتخاب‌شده، مطابق شکل زیر، نشان‌دهیم.

انتخاب خط ورودی مالتی پلکسر

اضافه‌نمودن خطوط آدرس کنترلی بیشتر (n)، به مالتی‌پلکسر اجازه‌ی کنترل ورودی‌ها را به‌دلیل امکان سوئیچ 2ⁿ ورودی می‌دهد؛ اما هر پیکربندی خط کنترل، تنها یک ورودی را به خروجی متصل می‌کند.

پس پیاده‌سازی عبارت بولین بالا، با استفاده از گیت‌های منطقی منحصربفرد، نیاز به استفاده از 7 گیت، تشکیل‌شده از گیت‌های AND،OR وNOT، به‌صورت زیر دارد.

مالتی پلکسر چهار کاناله با استفاده از گیت‌های منطقی

نماد استفاده‌شده در نمودارهای منطقی، برای شناسایی مالتی‌پلکسر، به‌صورت زیر است:

نماد مالتی پلکسر

مالتی‌پلکسرها، تنها محدود به سوئیچ‌کردن تعدادی خطوط ورودی متفاوت یا کانال‌ها به یک خروجی مشترک منفرد، نمی‌باشند. انواعی از آن‌ها وجود دارند؛ که می‌توانند ورودی‌های خود را به چند خروجی، سوییچ کنند و پیکربندی‌هایی به‌صورت 4 به 2 ،8 به 3، یا حتی 16 به 4 و … داشته باشند. برای مثال، یک مالتی‌پلکسر 2 کاناله 4 ورودی ساده (4 به 2) به‌صورت زیر است:

مالتی‌پلکسر 4 به 2 کاناله

در اینجا و در این مثال، کانال‌های 4 ورودی به 2 خط خروجی منحصربفرد، سوئیچ می‌کنند. اما تنظیمات بزرگتری نیز امکان‌پذیر است. این پیکربندی 4 به 2 ساده، برای مثال، می‌تواند، برای سوئیچ سیگنال‌های صوتی، برای پیش تقویت‌کننده‌های استریو یا میکسرها، استفاده شوند.

بهره‌ی تقویت‌کننده‌ی قابل‌تنظیم

علاوه‌بر ارسال داده‌های موازی در قالب سریال، در یک خط انتقال یا اتصال، یکی‌دیگر از کاربردهای مالتی‌پلکسرهای چند کاناله، در اپلیکیشن‌های صوتی دیجیتال، به‌عنوان میکسرها یا جایی‌که است؛ که بهره‌ی تقویت‌کننده‌ی آنالوگ می‌تواند برای مثال، به‌صورت دیجیتال، کنترل شود.

بهره‌ی تقویت‌کننده‌ی قابل‌تنظیم دیجیتال

در اینجا، بهره‌ی ولتاژ تقویت‌کننده‌ی عملیاتی معکوس، وابسته به نسبت بین مقاومت ورودی، و مقاومت فیدبک آن، است؛ که در آموزش اپ امپ آورده شده‌است.

یک سوئیچ SPST 4 کاناله(Quad) منفرد، به‌عنوان مالتی‌پلکسر 4 به 1، پیکربندی شده و به‌صورت سری به مقاومت‌ها متصل شده‌است؛ تا هر مقاومت فیدبکی را برای تغییر مقدار انتخاب کند. ترکیب این مقاومت‌ها، بهره‌ی کلی ولتاژ تقویت‌کننده(Av) را تعیین می‌کند. سپس افزایش ولتاژ تقویت‌کننده را می‌توان با انتخاب ترکیب مقاومت مناسب، به‌صورت دیجیتالی، تنظیم کرد.

مالتی‌پلکسرهای دیجیتال، گاهی اوقات، به‌عنوان “انتخاب‌کننده‌های داده”، نیز شناخته می‌شوند؛ زیرا داده‌های ارسال‌شده به خط خروجی، را انتخاب می‌کنند و معمولا در مخابرات و مدارات سوئیچینگ شبکه‌ی سرعت بالا، مانند کاربردهای LAN و اترنت استفاده می‌شوند.

برخی IC های مالتی‌پلکسر، دارای بافر معکوس‌کننده‌ی منفرد( گیت NOT) متصل به خروجی می‌باشند؛ که خروجی منطقی مثبت( منطق “1” و HIGHT) در یک ترمینال و خروجی منطقی منفی(منطق “0” و LOW) در ترمینال دیگر خود خواهند داشت.

می‌توان مدارهای مالتی‌پلکسر ساده را با گیت‌های استاندارد AND و OR، همانگونه که در بالا داشتیم؛ ساخت. اما معمولا مالتی‌پلکسرها/انتخاب‌کننده‌های داده، به‌صورت پکیج‌های IC استاندارد، مانند مالتی پلکسر معمولی TTL 74LS151 ،8 ورودی به 1 خط یا مالتی‌پلکسر TTL 74LS153 ،4 ورودی دوگانه به 1 خط، موجود می‌باشند. مدارهای مالتی‌پلکسر با تعداد ورودی‌های بسیار بیشتر را، می‌توان با جمع‌کردن دو یا چند دستگاه کوچکتر، به‌دست آورد.

خلاصه‌ی مالتی پلکسر

پس اکنون، می‌توانیم ببینیم که مالتی‌پلکسرها، مدارهای سوئیچینگ بوده؛ که سیگنال‌ها را از طریق خود سوئیچ یا مسیریابی می‌کنند و به‌دلیل مدار ترکیبی‌بودنشان، بدون حافظه، می‌باشند و هیچ مسیر فیدبکی سیگنال برای آن‌ها وجود ندارد. یک مالتی‌پلکسر، یک مدار الکترونیکی مفید است؛ که در بسیاری از اپلیکشین‌های مختلف، مانند مسیریابی سیگنال، مخابرات داده و اپلیکیشن‌های کنترل گذرگاه داده، استفاده می‌شوند.

هنگامی‌که، با یک دی‌مالتی‌پلکسر استفاده می‌شوند؛ داده‌های موازی، می‌توانند به‌صورت سریال از طریق یک پیوند داده واحد، مانند کابل فیبر نوری یا خط تلفن، منتقل شوند و بار دیگر، به داده‌های موازی تبدیل گردند. مزیت این است؛ که فقط یک خط داده‌ی سریال، به‌جای چندین خط داده‌ی موازی، موردنیاز است. بنابراین، مالتی‌پلکسرها، گاهی‌اوقات، “انتخاب‌کننده‌ی داده”، نیز نامیده می‌شوند؛ زیرا داده‌ها را در یک خط، انتخاب می‌کنند.

از مالتی‌پلکسرها، می‌توان برای سوئیچ سیگنال‌های آنالوگ، دیجیتال یا ویدئویی، استفاده کرد؛ درحالی‌که، جریان سوئیچینگ، درمدارهای توان آنالوگ، به کمتر از 10 میلی آمپر تا 20 میلی آمپر، درهر کانال، برای کاهش اتلاف گرما، محدود می‌شود.

در مقاله بعدی در مورد دستگاه‌های منطق ترکیبی، نگاهی به معکوس مالتی‌پلکسر، که دی‌مالتی‌پلکسر نامیده می‌شود؛ خواهیم داشت. دی‌مالتی‌پلکسر، یک خط ورودی منفرد را می‌گیرد و آن را به تعدادی خطوط خروجی، متصل می‌کند.