Исследование мультиплексоров

Методические указания к лабораторной работе №2

по курсу “Электроника и микропроцессорная техника”,

часть 2: “Основы цифровой электроники”

Автор: Иванцов В.И.

Кафедра БМТ-1, «Биомедицинские технические системы»

Москва, 2009

Цель лабораторной работы — закрепление теоретического материала путем макетирования и экспериментального исследования мультиплексоров. В данных методических указаниях приведены необходимые для выполнения работы общие теоретические сведения, функциональные и принципиальные электрические схемы мульти­плексоров, а также задание и конкретные указания по порядку и методике выполнения работы.

Самостоятельная работа студента включает изучение принци­пов построений мультиплексоров и подготовку индивидуального задания. Перед началом работы преподавателем проводится собе­седование, целью которого является проверка теоретической и практической подготовленности студента к лабораторной работе. Студент должен подготовить отчет по каждому пункту раздела "Задание и порядок выполнения работы" и знать методику выпол­нения каждого пункта задания. После выполнения работы студент обязан представить на проверку преподавателю оформленный ин­дивидуальный отчет.

Теоретические сведения

Мультиплексор – это функциональный узел, имеющий n ад­ресных иm=2ⁿ

информационных входов и выполняющий коммутацию сигнала с того информационного входа, адрес которого установ­лен на адресных входах, на выход. Мультиплексор реализует логическую функцию

где А_i - адресные входы и сигналы, i=0,1…n;

D_j – информационные входы и сигналы, j=0,1… 2ⁿ -1

К_j - конституента I. Т.е. конъюнкция всех аргументов, номер которой равен числу, образованному двоичным кодом сигналов на адресных входах.

Такой мультиплексор называется мультиплексором с прямым выходом. Выход мультиплексора может быть инверсным. Тогда на этом выходе реализуется функция . Некоторые разновидности интегральных схем (ИС) мультиплексоров имеют как прямой, так и инверсный выходы.

Мультиплексор может иметь вход стробирования С. Стробируемый мультиплексор выполняет логическую функцию

Вход стробирования можно использовать для устранения ложных сигналов на выходе мультиплексора, возникающих при пере­ключении его логических элементов, а также в качестве допол­нительного адресного входа при наращивании мультиплексора.

ИС мультиплексоров строятся по линейной схеме в соответ­ствии с (1). Вариант реализации мультиплексора с 4 линий на одну выходную линию (4-1) и его условное графическое обозначе­ние (УГО) приведены на рис. 1а, б соответственно. Мультиплек­сор состоит из дешифратора, каждый конъюнктор которого имеет дополнительный вход для соответствующего информационного сиг­нала D_j. Выходы конъюнкторов объединяются по операции "ИЛИ" дизъюнктором. Время задержки распространения сигнала в мульти­плексоре определяется задержкой цепи последовательно соединенных элементов НЕ, И, ИЛИ.

		б)

Рис.1

Мультиплексоры широко применяются для построения

- коммутаторов-селекторов цифровых сигналов;

- постоянных запоминающих устройств емкостью 2ⁿx1 бит;

- комбинационных схем, реализующих логические функции;

- преобразователей кодов (например, параллельного кода в последовательный или кода с одними весами разрядов в коды с другими весами разрядов) и других узлов.

Наращивание мультиплексора. m-канальные стробируемые мультиплексоры можно

использовать для построения 2^к*m – канального мультиплексора. В общем случае для этого требуется 2^к m-канальных стробируемых мультиплексоров, дешифратор с К входами и 2^к выходами и 2^к - входовой логический элемент ИЛИ.

Рассмотрим построение 8-канального мультиплексора на основе 4-канального стробируемого мультиплексора. Для получения 8-канального мультиплексора требуется два 4-канальных стробиpyeмых мультиплексора. Мультиплексоры 1 и 2 выполняют логические функции:

логически просуммируем (3) и (4) и получим:

Функциональная электрическая схема 8-канального мультиплексора приведена на рис.2. При А₂=0 происходит выбор (стробирование) MS1, при А₂=1 - выбор MS2.

Мультиплексоры, имеющие три состояния на выходах, допускают непосредственное объединение выходов. Таким образом исключается элемент ИЛИ. Вход разрешения Е используется при этом как стробирующий.

A0

	A1

D4

D1

D0

Y

Рис.2

Реализация логических функций на мультиплексорах. С помощью m-канального с тробируемого мультиплексора (m=2ⁿ) можно реализовать любую функцию от (n+1) логических переменных.

Примечание. Реализация функций n переменных на m-канальном мультиплексоре тривиально и

основано на использовании только его адресных входов.

Пример: Синтезировать комбинационную схему (КС), выполняющую функцию f(X₁, X₂, X₃, X₄), заданную диаграммой Вейча (рис. 3) на основе 8-канального мультиплексора. Минимальная дизъюнктивная нормальная форма (МДНФ) функции f(X₁, X₂, X₃, X₄) имеет два представления

Основной задачей синтеза КС на мультиплексорах является оптимальный выбор переменных, подаваемых на его адресные вхо­ды, так как сложность функций К_j, а значит и КС в общем случае зависит от сделанного выбора.

Для наиболее рационального использования адресных входов на них следует подавать те переменные, от которых наиболее сильно зависит МДНФ функции. Например, если в МДНФ функции какая-либо переменная вообще не входит, то нет смысла использо­вать ее в качестве адресной переменной, так как соответствующий адресный вход не будет нести никакой логической нагрузки. Поэтому в качестве адресных переменных следует использовать те переменные, которые входят в МДНФ наибольшее число раз как с инверсией, так и без нее.

	X2
		X3

Рис.3 Рис.4

В нашем примере переменная Х₄в оба представления МДНФ входит наименьшее число раз (два) по отношению к остальным пе­ременным. В связи с этим в качестве адресных переменных пред­почтительнее выбрать переменные X₁, X₂, и X₃.

Полагаем А₂=Х₁, А₁=Х₂, А₀=Х₃.Тогда на информационные входыD_j должны подаваться функции одной переменной Х₄:

Из анализа табл. I истинности функции f(X₁, X₂, X₃, X₄) получим, следующие значения сигналов на информационных входах мультиплексора (рис. 4):

Таблица 1

X1	X2	X3	X4	f	X1	X2	X3	X4	F

Мультиплексор можно использовать для преобразования параллельного кода, подаваемого на информационные входы, в пос­ледовательный, снимаемый с выхода, если адреса задавать счет­чиком, состояния которого изменяются тактовым сигналом.

ИС мультиплексоров лабораторного стенда

В лабораторном стенде на базе установки УМ-11 имеются:

1. Интегральная схема 533КП12 ¾ сдвоенный cелектор-мультиплексор 4-1 с общими адресными входами А₁, А₀, с раздельными разрешающими входами

и с тремя состояниями выходов D и B (рис.5). ИС 533КП12 выполняет логические функции:

где a - состояние высокого выходного импеданса.

2. Интегральная схема 564КП2 – стробируемый селектор-мультиплексор 8-1 с двунаправленными ключами (рис.6). Двунаправленные ключи ИС 564КП2 управляют выходными сигналами дешифратора и переключают информационные сигналы, поступающие на их входы, на общий выход.

Двунаправленные ключи позволяют:

- коммутировать как цифровые, так и аналоговые сигналы;

-

R

+5B

использовать ИС в режиме демультиплексора. При этом входом демультиплексора является объдиненный вывод двунаправленных ключей, а выходами – раздельные выводы последних.

			VD1

Рис.5 Рис.6 Рис.7

Задание и порядок выполнения работы.

1. Исследование ИС 564КП2 в качестве коммутатора цифровых сигналов:

- на информационные входы D_0¼D₇ мультиплексора подать ком­бинацию сигналов, заданную преподавателем из табл. 2, с тумблерного регистра;

- на адресные входы А₂, А₁, A₀ подать сигналы Q₂, Q₁, Q₀ c вы­ходов 3-разрядного двоичного счетчика (младший разряд - нулевой). Счетчик собрать на JK-триггерах;

- снять временную диаграмму сигналов при Е=1.

2. Повторить п.1, задавая на информационные входы D_0¼D₇ напряжения 0В, U_Д, 2U_Д, 3U_Д, 4U_Д, 5U_Д, U_ИП, 0_В. Напряжения U_Д, 2U_Д, 3U_Д, 4U_Д, 5U_Д снимаются с диодного ограничителя (рис.7).

3. Исследование ИС 564КП2 в качестве генератора логичес­кой функции четырех аргументов. Логическая функция задается преподавателем из табл. 2. Проверить работу генератора в ста­тическом и динамическом режимах. Снять временные диаграммы сигналов генератора.

4. Исследование ИC 533КП12 в качестве стробируемого ком­мутатора цифровых сигналов:

- на информационные входы мультиплексора подать комбинацию входных сигналов с тумблерного регистра (см. п.1);

- на адресные входы А₁, А₀ мультиплексора подать сигналы с выходов Q₁,Q₀ 3-разрядного двоичного счетчика на JK-триггеpax;

- снять временную диаграмму сигналов на выходе одного из мультиплексоров при

- устранить ложные сигналы на выходе мультиплексора, подав навход Е задержанный линией задержки макета сигнал счетного входа счетчика. Определить время задержки, при котором ложные сигналы на выходе исключаются.

5.Построить схему мультиплексора 8-1 нa базе ИС 533КП12. Следует помнить, что разрешение выхода осуществляется сигналом , т.е. сигналом низкого уровня. Снять временную диаграмму работы мультиплексора 8-1.

6. Составить отчет.

Требования к отчету.

Отчет должен содержать электрические функциональные схемы исследуемых мультиплексоров, синтез схемы генератора функции, временные диаграммы сигналов исследуемых схем и результаты из­мерений параметров выходных сигналов.

Таблица 2

№ варианта	D0 ¼ D7	Логическая функция
	0 0 1 1 0 0 1 1	0, 2, 6, 7, 8, 9, 12, 14, 15
	0 1 1 1 0 1 1 1	0, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 14
	1 0 1 1 0 1 0 1	2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 13
	1 1 0 1 1 0 0 1	3, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 15
	1 1 1 0 0 1 1 1	3, 3, 5, 7, 9, 10, 11, 12, 13
	0 1 0 1 1 1 0 1	1, 2, 3, 6, 8, 9, 10, 12, 13
	1 0 1 0 0 1 0 1	1, 2, 3, 5, 9, 10, 12, 13, 14
	1 0 1 0 1 0 0 1	0, 1, 2, 4, 9, 11, 12, 13, 15
	1 1 0 0 1 1 1 0	0, 3, 7, 8, 9, 11, 12, 14, 15
	1 0 0 0 1 1 1 0	1, 3, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 14
	1 0 0 1 1 1 0 0	0, 4, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 14
	0 0 1 1 1 0 1 0	3, 4, 5, 7, 8, 9, 13, 14, 15
	1 1 0 1 1 0 1 1	1, 2, 3, 5, 8, 9, 11, 12, 15
	1 0 1 0 0 1 0 1	0, 1, 2, 5, 6, 7, 9, 11, 12
	1 0 0 1 1 0 0 1	0, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 11, 13
	0 0 1 1 1 0 0 0	0, 3, 4, 7, 8, 12, 14
	0 1 1 0 0 1 1 1	1, 2, 4, 5, 8, 11, 12, 13
	1 0 0 1 0 0 1 0	0, 3, 6, 7, 9, 10, 13, 14
	1 1 0 0 0 1 1 0	0, 1, 3, 4, 7, 9, 10, 11, 13
	0 1 1 0 0 1 1 1	0, 3, 6, 7, 10, 11, 12, 13, 15
	1 1 0 0 1 1 1 0	1, 2, 6, 7, 11, 12, 13, 14
	1 1 1 1 0 1 0 0	0, 4, 5, 7, 8, 9, 10, 14
	0 0 0 0 1 1 0 1	0, 1, 2, 5, 8, 10, 12, 13, 14
	0 0 0 1 1 0 0 1	1, 2, 3, 5, 7, 8, 10, 12, 15
	0 0 0 1 0 1 0 1	0, 5, 6, 7, 8, 12, 14, 15
	1 0 1 1 1 0 1 0	2, 3, 4, 5, 8, 10, 12, 14
	1 1 0 1 1 1 0 0	1, 3, 4, 7, 8, 11, 12, 15
	1 1 0 0 0 0 1 0	0, 1, 5, 7, 9, 13, 14, 15
	1 0 1 1 1 0 1 0	0, 3, 4, 8, 11, 12, 14, 15
	1 1 1 1 0 0 1 0	1, 4, 8, 9, 10, 11, 12, 15
	1 0 0 1 1 0 1 0	0, 1, 2, 4, 5, 6, 9, 10, 13

Контрольные вопросы.

1. Что такое мультиплексор?

2. Какую логическую функцию выполняет мультиплексор?

3. Каково назначение стробирующего входа мультиплексора?

4. Для каких целей можно применять мультиплексоры?

5. Как выполняется наращивание мультиплексора?

6. Поясните методику синтеза генератора логических функ­ций на мультиплексоре.

7. Почему возникают ложные сигналы на выходе мультиплек­сора? Как их устранить?

Литература

1. Жирков В.Ф., Хартов В.Я. «Исследование функциональных узлов ЭВМ»; Москва, МГТУ, 1990.

2. Жирков В.Ф. «Мультиплексоры и преобразователи цифровых кодов»; Москва, МГТУ, 1990

Дата добавления: 2015-05-09