多路复用器(MUX)和多路复用

在本教程中，我们将学习一个有趣的概念，通信多路复用及其数字实现使用组合逻辑电路称为多路复用器。我们将学习什么是多路复用器，不同类型的多路复用器，如2 - 1,4 - 1,8 - 1和16 - 1多路复用器，常用的多路复用ic和一些重要的多路复用器应用。

多路复用是什么?

多路复用是将一个或多个信号组合在一个信道上传输的过程。在模拟通信系统中，通信信道数量较少，必须合理使用。为了成本效益和高效地使用信道，多路复用的概念非常有用，因为它允许多个用户以逻辑方式共享单个信道。

三种常见的多路复用方法是:

• 时间
• 频率
• 空间

在我们的日常生活中使用的多路复用系统的两个最好的例子是固定电话网络和有线电视。

负责多路复用的设备称为多路复用器。多路复用器用于模拟和数字信号。让我们在本教程中关注数字信号，以保持简单。多路复用器是数字系统中最常用的组合电路，是许多数字系统的重要组成部分。

这些主要用于在多个源和单个目的地之间形成选定的路径。一个基本的多路复用器有不同的数据输入线和一个单一的输出线。在许多数字系统应用中，如数据选择和数据路由、逻辑函数发生器、带多路显示的数字计数器、电话网络、通信系统、波形发生器等。在本文中，我们将讨论多路复用器的类型及其设计。

什么是多路复用器?

多路复用器或MUX是一个数字开关，也称为数据选择器。它是一种具有多个输入线、一个输出线和多个选择线的组合逻辑电路。它接受来自多个输入行或源的二进制信息，并根据所选行的集合，将特定的输入行路由到单个输出行。

多路复用的基本思想如下图所示，当使能开关为ON时，来自多个源的数据被路由到单个输出线。这就是为什么多路复用器也被称为“多对一”组合电路。

下图是由n个输入线、m个选择线和1个输出线组成的多路复用器的框图。如果有m个选择行，那么可能的输入行数是2^米．或者，我们可以说，如果输入行数等于2^米，则需要m个选择行来从n个(考虑2^米= n)输入行。

这种类型的多路复用器被称为2ⁿ× 1多路复用器或2ⁿ比1多路复用器。例如，如果输入行数是4，那么需要两行选择行。类似地，要从8个输入行中选择一个，需要3个选择行。

一般来说，一个多路复用器的数据输入数是2的幂，如2,4,8,16等。一些最常用的多路复用器包括2- 1,4 - 1,8 -1和16- 1多路复用器。

这些多路复用器可在IC形式与不同的输入和选择线路配置。一些可用的多路复用电路包括74157(四路2对1 MUX)， 78158(四路2对1 MUX逆输出)，74153(4对1 MUX)， 74152(8对1 MUX)和74150(16对1 MUX)。

2比1多路复用器

一个2-to-1多路复用器由两个输入D0和D1，一个选择输入S和一个输出y组成。根据选择的信号，输出连接到任意一个输入。因为有两个输入信号，只有两种方法可以连接输入到输出，所以需要一个选择来完成这些操作。

如果选择线低，则输出切换为D0输入，如果选择线高，则输出切换为D1输入。下图显示了一个2对1多路复用器的框图，它将两个1位输入连接到一个共同的目的地。

2对1复用器的真值表如下所示。根据选择输入的值，输入D0, D1在输出时产生。当“Select value”为“S = 0”时，输出为D0;当“Select value”为“S = 1”时，输出为D1。

上面的真值表中的' X '表示一个不关心的条件。因此，忽略不关心的条件，我们可以推导出典型的2到1多路复用器的布尔表达式如下:

Y =年代D0 + SD1

由上述输出表达式，可以用逻辑门实现如图所示的2对1多路复用器的逻辑电路。它由两个“与”门、一个“非”门和一个“或”门组成。当选择线S=0时，下与门输出为零，而上与门输出为D0。因此，OR门产生的输出等于D0。

同样，当S=1时，上与门的输出为零，而下与门的输出为D1。因此，OR门的输出为D1。因此，该电路满足上述布尔表达式。

为了有效地使用硅，IC制造商在单个IC中制造多路复用器。通常在单个IC中制造4个2对1多路复用器。一些流行的2对1多路复用器IC包括IC 74157和IC 74158。

这两个集成电路都是四路2对1多路复用器。IC 74157有正常输出，IC74158有反向输出。在所有四个多路复用器中，只有一条选择线控制到输出的输入线。

根据选择行的状态，输出Y0可以是A0或B0。类似地，Y1可以是A1或B1, Y2可以是A2或B2，以此类推。有一个额外的频闪器或使能控制输入E/频闪器，它使能和禁用所有的多路复用器，即，当E=1，所有的多路复用器输出是零，不管S的值。

只有当E /频闪灯输入为LOW时，所有的多路复用器才被激活。

4多路复用器

一个4对1的多路复用器由4条数据输入线D0 ~ D3, 2条选择线S0和S1, 1条输出线y组成。选择线S0和S1从4条输入线中选择一条连接输出线。下图显示了一个4对1的多路复用器的框图，其中，多路复用器通过选择线来解码输入。

4对1复用器的真值表如下所示，选择线路上的4个输入组合00、10、01、11分别将输入D0、D2、D1、D3切换到输出。这意味着当S0=0和S1= 0时，Y处的输出是D0，类似地，当选择输入S0=0和S1= 1时，Y是D1。

从上面的真值表，我们可以写出输出表达式如下:

Y =S0S1D0 +S0S1 d1 + s0S1D2 + s0 s1d3

根据上述输出表达式，可以使用基本逻辑门实现4对1多路复用器。下图显示了4:1 MUX的逻辑电路，它是由四个3输入与门，两个1输入非门和一个4输入或门实现的。

在这个电路中，每一条数据输入线作为与门的输入连接，两条选择线作为与门的其他两个输入连接。此外，还有一个启用信号。所有与门的输出都连接到或门的输入，以产生输出Y。

一般来说，这种类型的多路复用器可用于双模式的IC，即在单个IC中有两个4对1多路复用器。最常见和流行的4对1线路多路复用器是IC 74153，这是一个双4对1线路多路复用器。它由两个相同的4对1多路复用器组成。它有两个独立的使能或频闪灯输入开关ON或OFF的个别多路转换器。但是Select线路对两种多路复用器都是通用的。

通常，使能输入或频闸可用于级联两个或多个多路复用ic，以构造具有大量输入的多路复用器。每个乘数都有单独的输入。下图是IC74153的引脚图。

8比1多路复用器

一个8对1的多路复用器由8个数据输入D0到D7, 3个输入选择线S0到S2和单个输出线y组成。根据选择的线路组合，多路复用器选择输入。

下面的图显示了一个8对1的多路复用器的框图，它具有能够使能或使能该多路复用器的输入。由于给MUX的数字数据位是8，那么3位(2^3.= 8)，以选择8个数据位中的一个。

下面给出8- 1多路复用器的真值表，其中有8种输入组合，从而产生每个输出对应于输入。

例如，如果S2= 0, S1=1, S0=0，那么数据输出Y等于D2。同样，数据输出D0 ~ D7也将通过S2、S1、S0的组合进行选择，如下图所示。

由上真值表可知，输出的布尔方程为:

Y =S0S1S2D0 +S0S1S2 D1 +S0S1S2D2 +S0S1 s2 d3 + s0S1S2D4 + S0S1S2 d5 + s0 s1S2D6 + s0 + s1 + s2 + d7

由上面的布尔方程，8对1多路复用器的逻辑电路图可以用8个AND门、1个OR门和7个NOT门实现，如下图所示。在电路中，当使能引脚设置为1时，多路复用器将被禁用，如果它为零，则选择线将选择相应的数据输入通过输出。

IC 74151是一种流行的8对1多路复用IC，有8个输入和2个输出。两个输出分别是有功低输出和有功高输出。它有三个选择线A, B和C和一个有源低使能输入。这个IC的引脚如下所示。

8对1 Mux使用4对1 Mux和2对1 Mux

如果你观察如上所示的8- 1多路复用器的布尔表达式，我们可以重写如下:

Y =S0S1S2D0 +S0S1S2 D1 +S0S1S2D2 +S0S1 s2 d3 + s0S1S2D4 + S0S1S2 d5 + s0 s1S2D6 + s0 + s1 + s2 + d7

Y =S0（S1S2D0 +S1S2 d1 + s1S2D2 + s1 s2 + d3S1S2D4 +S1S2 d5 + s1S22) D6 + s1

第一个括号中的表达式，即，S1S2D0 +S1S2 d1 + s1S2D2 + s1 s2 d3类似于4对1多路复用器的布尔表达式，D0, D1, D2和D3作为输入，S1和S2作为选择线。设这个表达式为P1。

类似地，第二个括号中的表达式即，S1S2D4 +S1S2 d5 + s1S2D6 + s1 s2 d7类似于另一个以D4、D5、D6、D7为输入，S1、S2为Select Lines的4对1多路复用器的布尔表达式。设这个表达式是P2。

现在，用P1和P2替换上面的表达式，我们得到，

S0p + s0 p

这个表达式类似于将P1和P2(其中，P1和P2分别是4对1多路复用器的输出)作为输入，而S0作为选择信号的2对1多路复用器。因此，最后，我们可以推导出一个8对1的多路复用器可以使用两个4对1的多路复用器和一个2对1的多路复用器来实现。其框图如下所示:

为16:1多路复用器

所有高阶复用器如8到1、16到1等都可以使用低阶复用器实现。但是，让我们快速看一下16比1多路复用器。IC 74150是一种流行的16到1多路复用器IC。16到1多路复用器的输入是D0, D1, D2等上tp D15。因为它有16个输入行，所以将有4个选择行，即S0、S1、S2和S3。

下图显示了典型的16到1多路复用器的框图。

16×1 Multiplexer的简化真值表如下表所示。

16比1多路复用器的布尔表达式为:

Y =S0S1S2S3D0 +S0S1S2S3 D1 +S0S1S2S3D2 +S0S1S2 s3 d3 +S0S1S2S3D4 +S0S1S2S3 D5 +S0S1 S2S3D6 +S0S1 s2 s3 d7 + s0S1S2S3D8 + S0S1S2S3 d9 + s0S1S2S3D10 + S0S1S2 s3 d11 + s1S2S3D12 + s0 s1S2S3 d13 + s0 s1 s2S3D14 + s0 s1 s2 s3 d15

下图显示了一个16到1的多路复用器的逻辑电路。

类似于8对1多路复用器，我们可以使用像8对1、4对1和2对1这样的低阶多路复用器实现16对1多路复用器。下图显示了使用两个8对1多路复用器和一个2对1多路复用器实现的16对1多路复用器的框图。

此外，我们可以使用两个4对1多路复用器和一个2对1多路复用器实现上图中的单个8对1多路复用器。

多路复用器的应用

在所有类型的数字系统应用中，多路复用器得到了巨大的应用。由于这些允许多个输入独立地连接到单个输出，多路复用器被发现在各种应用中，包括数据路由、逻辑函数生成器、控制序列、并行到串行转换器等。

数据路由

多路复用器广泛用于数据路由应用程序，将数据从多个源中的一个路由到一个特定的目的地。其中一个应用程序包括显示两个多数字BCD计数器，一次一个。在这种应用中，使用74157多路复用芯片使用一组解码器和LED显示器来选择和显示两个BCD计数器的内容之一。

逻辑函数发生器

可以使用多路复用器生成逻辑表达式来代替逻辑门。可以连接多路复用器，使其复制任何真值表的逻辑。在这种情况下，它可以生成一组输入变量的布尔代数函数。

这就突然减少了执行逻辑功能的逻辑门或集成电路的数量，因为多路复用器是一个单一的集成电路。在这种应用中，多路复用器被视为逻辑函数发生器。

例如，考虑下面的逻辑图来实现三个输入的前or功能。该逻辑发生器采用了74151A 8对1多路复用器。这个多路复用器的工作原理完全类似于实现相同功能的一组逻辑门。

数据输入D1、D2、D5、D6通过选择线分别选择为001、010、100、111，输出F为1。

并行串行转换

多路复用电路可用于将并行数据转换为串行数据，以便通过将并行总线转换为串行信号来减少并行总线的数量。在电信、测试和测量、军事/航空航天、数据通信应用中需要这种类型的转换。

在大多数数字系统中，数据是并行处理的，以获得更高的速度。但是为了远距离传输数据信号，我们需要更多的线路。在这种情况下，并行数据使用多路复用器转换为串行形式。

下图显示并行到串行数据转换使用8输入多路复用器。来自该数据或其他寄存器中的数据的并行数据应用于该多路转换器的8条输入线。

多路复用器的选择码由3位计数器生成。随着每个时钟脉冲应用到计数器，数据从多路复用器串行地输出。

多路复用器的其他应用包括控制序列、脉冲序列发生器、编码器、数据传输寄存器、波形发生器等。

结论

多路复用器(MUX)和多路复用的完整教程。你学习了多路复用的基础，多路复用器，不同类型的常用多路复用器，如2:1 MUX, 4:1 MUX, 8:1 MUX和16:1 MUX，它们的布尔表达式，逻辑电路，以及多路复用器的一些重要应用。