آشنایی با مالتی پلکسر و دی مالتی پلکسر به زبان ساده

مالتی پلکسر

مالتی پلکسر نوعی مدار منطقی ترکیبی است که برای سوییچ کردن بین چندین خط ورودی به خروجی مشترک آنها به­‌کار می­رود.

عملیات ارسال یک یا چند سیگنال آنالوگ یا دیجیتال در زمان­ها یا سرعت­‌های مختلف روی یک خط انتقال مشترک مالتی­ پلکسینگ (Multiplexing) نامیده می­شود و به قطعه‌ای که این عملیات را انجام میدهد مالتی پلکسر میگویند.

مالتی­ پلکسر یک مدار منطقی ترکیبی است که توسط یک سیگنالِ کنترلی، هر­بار یکی از چندین خط ورودی را به خروجی مشترکشان متصل می‌کند. مالتی ­پلکسر به اختصار “MUX” یا “MPX” نیز نامیده می­شود. عملکرد مالتی­ پلکسرها مانند “سوئیچ­‌های روتاری چند موقعیتی بسیار سریع” است که ارتباط یا کنترل خطوط ورودی به خروجی در آنها انجام می­شود. خطوط ورودی به اصطلاح کانال نامیده می­شوند.

ساختار مالتی­ پلکسر می­تواند مدار دیجیتال یا آنالوگ باشد، مدارهای دیجیتال از گیت­‌های منطقی بسیار سریع تشکیل شده‌­است و برای سوئیچ داده­‌های دیجیتال یا باینری کاربرد دارند. در ساختار مدارات آنالوگ از ترانزیستور، ماسفت یا رله استفاده شده که برای سوییچ بین ورودی‌­های ولتاژ یا جریان به خروجی واحد استفاده می­شوند.

کلید چرخشی یا روتاری یک طرفه یکی از ابتدایی‌­ترین نوع مالتی­ پلکسرهاست که در شکل زیر نشان داده‌­شده‌­است.

سوئیچ مالتی پلکسر پایه

سوئیچ روتاری یا چرخشی که به آن سوئیچ ویفر نیز گفته می­شود یک قطعه مکانیکی است که با چرخاندن شفت آن می­توان ورودی مورد­نظر را انتخاب کرد و به این دلیل سوئیچ ویفر نام گرفته که هر لایه از کلید به یک ویفر معروف است. به عبارت دیگر، سوییچ روتاری یک سوئیچ دستی است که با on یا off کردن ورودی­‌های آن می­توان خطوط داده یا سیگنال مجزا انتخاب کرد. در ادامه بررسی خواهیم‌­کرد با استفاده از یک قطعه دیجیتال چگونه می­توان هر ورودی داده را جداگانه و به‌صورت اتوماتیک انتخاب کرد.

مالتی ­پلکسر دیجیتال به نام گزینش‌گر داده نیز معروف است، زیرا می­تواند هر خط داده ورودی را انتخاب کند. برخلاف انتخابگرهای مکانیکی مانند سوئیچ­ها و رله­های معمول، در الکترونیک دیجیتال مالتی ­پلکسر از تعدادی سوییچ آنالوگ مجزا تشکیل شده که در یک پک آیسی قرار می­گیرند.

استفاده از مالتی­ پلکسرها یک روش برای کاهش استفاده از گیت­های منطقی در طراحی مدارات به­شمار می­رود. همچنین زمانی­که نیاز است برای انتقال دو یا چند سیگنال دیجیتال از یک خط انتقال یا گذرگاه داده استفاده شود، می­توان از یک مالتی­ پلکسر استفاده کرد، برای مثال یک مالتی ­پلکسر 8 کاناله.

یک خط داده ورودی در مالتی­ پلکسر توسط خطوط ورودی دیگری انتخاب می­شود که خطوط کنترل نام دارند و باتوجه بهوضعیت دیجیتال این خطوط کنترل که “HIGH” یا “LOW” می­باشند، ورودی مورد نظر مستقیما به خروجی وصل می­شود. یک مالتی­ پلکسر به طور معمول تعداد زوج ⁿ2 خط ورودی دارد و تعداد خطوط کنترلی با تعداد خطوط داده رابطه دارد.

توجه کنید انکودرها با مالتی­ پلکسرها عملکرد متفاوتی دارند. انکودر یا رمزگذار یک الگوی ورودی n بیتی را به خطوط خروجی متعددی تغییر می­دهد و یک خروجی باینری کد شده (BCD) ارائه می­دهد که معادل ورودی فعال است. همانطور­که در شکل زیر نشان داده شده است با استفاده از گیت پایه NAND، می­توان یک مالتی ­پلکسر ساده 2 به 1 ایجاد کرد.

طراحی مالتی پلکسر 2 ورودی

در این مالتی­ پلکسر ساده 2 به 1، ورودی A از یک گیت استاندارد NAND ساخته­ شده‌­است که در­واقع ورودی کنترلی محسوب می­شود و مشخص می­کند کدام­یک از ورودی­‌های (I₀ یا I₁) به خروجی Q انتقال داده شود.

با توجه به جدول صحت فوق می­توان مشاهده کرد هنگامی­که ورودی A در وضعیت LOW یا منطق 0 است، داده موجود در ورودی I₁ از طریق گیت NAND مدار مالتی­ پلکسر به خروجی ارسال می­شود و ورودی I₀ مسدود می­شود و اگر داده ورودی A در وضعیت HIGH یا منطق 1 باشد بر­عکس حالت قبل رخ می­دهد، یعنی ورودی I₀ به خروجی ارسال می­شود در حالیکه I₁ مسدود است.

Q = A.I₀.I₁ + A.I₀.I₁ + A.I₀.I₁ + A.I₀.I₁

بنابراین با اعمال منطق 0 یا 1 به ورودی A می­توان ورودی مناسب I₀ یا I₁ را انتخاب کرد که تقریبا عملکردی مشابه سوئیچ تک­پل دو­حالته (SPDT) دارد.

با توجه به اینکه تنها یک خط کنترل (A) وجود دارد، تعداد خطوط ورودی که می­توان سوئیچ کرد 2¹ است، و در این مثال، مالتی ­پلکسر دو­ ورودی یکی از دو منبع یک­‌بیتی را به خروجی وصل می­کند و یک مالتی­ پلکسر 2 به 1 ایجاد می­کند. عبارت بولی زیر تایید ­کننده این موضوع است:

Q = A.I₁ + A.I₀

و برای مالتی­ پلکسر دو ­ورودی بالا، این عبارت به‌صورت زیر ساده می­شود:

با پیروی از روش فوق می­توان تعداد خطوط داده ورودی قابل انتخاب را افزایش داد و با استفاده از مالتی ­پلکسرهای کوچک 2 به 1، مالتی­ پلکسرهای بزرگتر ایجاد کرد. برای یک مالتی ­پلکسر 4 ورودی، دو خط انتخاب لازم است، زیرا 4 ورودی بیانگر 2² خط کنترل داده است. همانطور که در شکل نشان­‌داده ­‌شده یک مدار با 4 ورودی I₀، I₁،I₂ ،I₃  و دو خط کنترل A و B خواهیم داشت.

مالتی ­پلکسر 4 به 1 کانال

عبارت بولی برای مالتی ­پلکسر 4 به 1 فوق با ورودی‌­های A تا D و خطوط کنترل a و b به صورت زیر بیان می­شود:

Q = abA + abB + abC + abD

در اینجا در هر لحظه یکی از چهار سوئیچ آنالوگ بسته ­است که تنها یکی از خطوط ورودی A تا D را به خروجی Q وصل می­کند و انتخاب اینکه کدام ورودی بسته ­شود به کد آدرس ورودی روی خطوط a و b بستگی دارد.

برای مثال برای انتخاب ورودی B و ارسال آن به خروجی Q، آدرس ورودی باینری باید به­‌صورت a=1 و b=0 باشد که در اینجا 0 و 1 منطقی مد­نظر است. بنابراین انتخاب داده­‌ها از طریق مالتی پلکسر می­توان به­‌صورت تابعی از بیت­‌های انتخاب داده (کنترل) بیان‌­کرد.

انتخاب خط ورودی مالتی ­پلکسر

با اضافه ­کردن خطوط آدرس کنترل (افزایش n)، به مالتی ­پلکسر این امکان داده­‌ می­شود تا ورودی­‌های بیشتری را کنترل­ کند، زیرا 2ⁿ خط ورودی را می­تواند سوئیچ کند؛ ولی هر چیدمان بیتی روی ­خط کنترل تنها یک ورودی را به خروجی وصل می­کند.

برای پیاده‌­سازی عبارت بولی فوق با­استفاده از گیت­‌های منطقی مجزا؛ همانطور که در شکل زیر نشان­‌داده‌­شده، ۷ گیت منطقی شامل AND, OR و NOT نیاز است.

مالتی پلکسر ۴ کاناله با استفاده از گیت‌­های منطقی

نماد­ استفاده ‌شده در مدارات منطقی برای نمایش مالتی­ پلکسر به شکل زیر است:

استفاده از مالتی­ پلکسرها به سوئیچ‌­کردن چند خط ورودی یا کانال به یک خروجی واحد مشترک محدود نمی­شود، انواع دیگری از آن­ها نیز وجود دارد که قابلیت سوئیچ­ کردن خطوط ورودی به چندین خروجی را دارا هستند و ساختار­هایی مانند 4 به 2، 8 به 3 ، 16 به 4 و … را تشکیل می­دهند. در ادامه نمونه ساده مالتی­ پلکسر دو­کاناله 4 ورودی (4 به 2) نشان­‌داده شده­‌است

مالتی ­پلکسر دو­کاناله 4 به 2

در این مدل 4 کانال ورودی به دو خط خروجی مجزا سوئیچ می­شود اما ساختارهای بزرگتر از آن نیز امکان‌پذیر است. این ساختار ساده 4 به 2 برای مثال در سوئیچ­‌کردن سیگنال‌­های صوتی پیش تقویت کننده‌­ها یا میکسرهای استریو به­‌کار می­رود.

بهره تقویت کننده قابل تنظیم

علاوه بر ارسال داده‌­های موازی در قالب یک خط انتقال، امکان استفاده از مالتی ­پلکسرهای چند­کاناله در کاربرد­های صوتی دیجیتال به عنوان میکسر و همچنین در تقویت‌­کننده‌­های آنالوگ که بهره آنها به صورت دیجیتال کنترل می­شوند، وجود دارد.

بهره تقویت کننده دیجیتال قابل تنظیم

در اینجا بهره ولتاژ آپ امپ به نسبت مقاومت ورودی (R_IN) و مقاومت فیدبک (R_f) بستگی دارد.

یک سوئیچ 4 کاناله SPST به عنوان یک مالتی ­پلکسر 4 به 1 به­‌کار برده­‌شده که به صورت سری به مقاومت‌­ها متصل شده­‌است تا بتوان با انتخاب هر­یک، مقاومت فیدبک R_f را تغییر داد. ترکیب این مقاومت‌­ها بهره کلی ولتاژ تقویت­‌کننده (A_v) را تعیین می­کند و با انتخاب یک ترکیب مناسب می­توان بهره ولتاژ تقویت‌­کننده را به‌­صورت دیجیتال تنظیم کرد.

مالتی ­پلکسرهای دیجیتال گاها به‌­عنوان انتخابگر داده شناخته می­شوند زیرا انتخاب می­کنند کدام داده به خروجی ارسال شود و غالبا در مخابرات یا مدارات سوئیچینگ شبکه پرسرعت مانند LAN و اترنت استفاده می­شوند.

در برخی آیسی‌­های مالتی­ پلکسر، یک بافر معکوس­‌کننده (گیت NOT) به خروجی وصل می­شود تا یک خروجی منطقی مثبت (منطق 1، HIGH) به یک ترمینال و یک خروجی منطقی منفی (منطق 0، LOW) به ترمینال دیگر بدهد.

همانطور که مشاهده شد امکان ساخت مدارات مالتی ­پلکسر ساده با استفاده از گیت‌­های استاندارد AND  و OR وجود ­دارد، ولی به طور معمول مالتی­ پلکسرها به صورت آیسی­‌های استاندارد در دسترس هستند مانند تراشه­‌های  TTL 74LS151 که مالتی ­پلکسر 8 به 1 (با 8 ورودی) و TTL 74LS153 که مالتی ­پلکسر دوگانه 4 به 1 هستند. با اتصال آبشاری مالتی پلکسرهای کوچک­تر می­توان مالتی­ پلکسرهایی با ورودی­‌های بسیار بالا ایجاد کرد.

درادامه آموزش به مدارات منطقی ترکیبی به معرفی مالتی پلکسرهای معکوس که دی مالتی پلکسر نام دارند می­پردازیم، عملکرد آنها بدین صورت است که یک خط ورودی را می­گیرند و به چندین خط خروجی وصل میکنند.

دی مالتی پلکسر

دی ­مالتی ­پلکسر یک مدار منطقی ترکیبی است که به منظور سوئیچ کردن یک خط ورودی مشترک به چندین خط خروجی طراحی شده است.

توزیع­ کننده­‌های داده معمولا با عنوان دی ­مالتی­ پلکسر شناخته می­شوند و به اختصار demux نامیده می­شوند که نقطه مقابل مالتی ­پلکسرها هستند که در آموزش قبلی با آنها آشنا شدیم. دی­ مالتی­ پلکسر یک سیگنال داده ورودی را دریافت می­کند و در هر زمان آن را به خطوط خروجی جداگانه سوییچ می­کند. همانطور که در شکل زیر آورده‌­شده­‌است دی ­مالتی ­پلکسر یک سیگنال ورودی سریال را در ورودی به داده‌­ موازی در خطوط خروجی تبدیل می­کند.

دی ­مالتی ­پلکسر ۱ به ۴ کاناله

عبارت بولی برای دی­ مالتی ­پلکسر فوق با خروجی­های A تا D و خطوط انتخاب داده a و b به صورت زیر بیان می­شود:

F = abA + abB + abC + abD

در مثال فوق، کاربرد دی­ مالتی ­پلکسر برای سوییچ خط­ داده ورودی مشترک به هر یک از ۴ خط خروجی A تا D است. همانطور که نشان ­داده‌شده مانند مالتی ­پلکسرها، سوییچ‌­های حالت جامد مستقل توسط پین­‌های انتخاب خروجی انتخاب می­شوند.

انتخاب خط خروجی دی ­مالتی ­پلکسر

در دی ­مالتی ­پلکسر مانند مالتی ­پلکسرها با اضافه کردن خط آدرس ورودی امکان سوئیچ ­کردن خط ­خروجی داده از 1 به 2ⁿ افزایش می­یابد.

برخی آیسی‌­های استاندارد دی ­مالتی ­پلکسر یک پین اضافی “فعالساز خروجی” دارند که از ارسال ورودی به خروجی انتخاب‌شده جلوگیری می­کنند. برخی دیگر دارای لچ‌هایی در خروجی خود هستند که پس از تغییر آدرس ورودی سطح منطقی خروجی را حفظ می­کنند. با لچ‌ها در ادامه این سری آموزش‌ها آشنا خواهیم شد.

اگر­چه در بعضی مدارات دیکودر استاندارد، آدرس ورودی تعیین می­کند کدام خروجی به ورودی متصل شود و سایر خروجی‌ها مقدار منطقی “0” خواهند داشت.

همانطور که نشان داده­‌شده برای پیاده‌سازی عبارت بولی فوق با استفاده از گیت­‌های منطقی جداگانه، به شش گیت AND  و NOT ، نیاز است.

دی­ مالتی ­پلکسر 4 کاناله با استفاده از گیت­‌های منطقی

نماد استفاده­ شده در دیاگرام­‌های منطقی برای دی ­مالتی ­پلکسر به صورت زیر است:

همانطورکه نشان­‌داده شده­است همانند مالتی­ پلکسر مثال قبل، از دی ­مالتی ­پلکسر نیز می­توان برای کنترل دیجیتالی بهره تقویت‌­کننده­‌های عملیاتی استفاده کرد

بهره تقویت­ کننده قابل تنظیم دیجیتال

مدار فوق نشان می­دهد با استفاده از دی ­مالتی ­پلکسر چگونه می­توان کنترل دیجیتالی بهره تقویت‌­کننده قابل تنظیم را فراهم کرد. بهره ولتاژ تقویت‌­کننده عملیاتی معکوس به نسبت مقاومت ورودی R_IN  و مقاومت فیدبک R_ƒ  بستگی دارد.

سوئیچ­‌های آنالوگ دی­ مالتی ­پلکسر، یک مقاومت ورودی برای تعیین R_in را انتخاب می­کنند. ترکیب این مقاومت­‌ها بهره ولتاژ کلی تقویت‌­کننده (Av) را مشخص می­کنند. بهره ولتاژ آپ امپ به‌­سادگی و با انتخاب مقاومت ورودی به صورت دیجیتال قابل تنظیم است.

نمونه­‌های آی سی دی­ مالتی ­پلکسر استاندارد در­ دسترس عبارتند از: دی ­مالتی ­پلکسر TTL 74LS138 با 1 ورودی به 8 خروجی (1 به 8)، TTL 74LS139 دوگانه 1 به 4 یا CMOS CD4514 که یک دی مالتی پلکسر 1 به 16 است.

نوع دیگر از دی­ مالتی­ پلکسر 24 پین با عنوان 74LS154 وجود دارد که یک دی­ مالتی ­پلکسر/ دیکودر 4 به 16 است. در اینجا خروجی‌های مجزا با استفاده از ورودی باینری 4 بیتی انتخاب می­شود. دی ­مالتی ­پلکسرها نیز همانند مالتی پلکسرها می‌توانند با اتصال آبشاری به یکدیگر، دی مالتی پلکسرهای بزرگتر ایجاد کنند.

سخن آخر

همانطور که مشاهده شد مالتی پلکسرها و دی مالتی پلکسر‌ها نوعی مدارات سوئیچینگ هستند که سیگنال­ها را توسط خود سوئیچ کرده یا مسیر­دهی می­کنند، و مدارات ترکیبی بدون حافظه هستند که مسیری برای فیدبک سیگنال وجود ندارد. مالتی پلکسر مدار بسیار کاربردی در الکترونیک است که در کاربردهای مختلف از جمله مسیریابی سیگنال (روتینگ)، ارتباطات داده و کاربردهای کنترل باس استفاده می­شوند.

هنگامی که مالتی پلکسر با یک دی مالتی پلکسر استفاده شود، داده­‌های موازی را می­توان به صورت سریال از طریق یک خط انتقال داده مانند کابل فیبر­نوری یا خط ­تلفن انتقال داد و مجددا به داده موازی تبدیل کرد. مزیت این روش این است که به جای استفاده از چندین خط­ داده موازی تنها یک خط ­داده سریال لازم است. بنابراین مالتی پلکسرها برخی اوقات به­‌عنوان انتخابگر داده شناخته می­شوند چرا­که داده­‌های خط انتقال را انتخاب می­کنند.

مالتی‌ پلکسرها همچنین در سوئیچینگ سیگنال­‌های آنالوگ، دیجیتال و سیگنال­‌های ویدیویی استفاده می­شوند. به‌­منظور کاهش تلفات گرمایی در مدارات برق آنالوگ، جریان سوئیچینگ به کمتر از 10 تا 20 میلی آمپر محدود می­شود.

امیدواریم از این آموزش لذت برده باشید و از آن به خوبی استفاده کنید. برای آموزش‌های بیشتر میتوانید از مقالات وبلاگ ما دیدن کنید،همچنین شما میتوانید با عضویت در وبلاگ، با ما در انتشار مقاله همکاری کنید، مقالات شما پس از بررسی با نام خودتان منتشر خواهد شد.
سوالات و نظرات خود را در بخش دیدگاه با ما در میان بگذارید.