数字电子 - 多路复用器

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一种数字逻辑电路，它接收多个数据输入，并允许一次只允许其中一个数据通过输出，称为多路复用器或MUX。本文旨在解释数字电子中的多路复用器，其框图、功能和不同类型。因此，让我们从多路复用器的基本介绍开始。

什么是多路复用器？

如前所述，多路复用器，也称为MUX，是一种组合逻辑电路，旨在接收多个输入信号，并仅通过输出线传输其中一个信号。简单来说，多路复用器是一种数字逻辑器件，它从N个（N = 2ⁿ）输入数据源中选择一个，并将所选数据传输到一条输出线上。

多路复用器也称为数据选择器，因为它从多个数据源中选择一个。典型2ⁿ:1多路复用器的框图如图1所示。

在多路复用器的情况下，通过选择线控制所需数据输入通过输出线。在图1中多路复用器的框图中，I₀、I₁、... I_n-1，即（2ⁿ）是输入线，“n”是选择线。这些选择线将确定哪个输入要路由到输出。

因此，多路复用器充当多位置开关，其操作由数字信号控制。这些数字控制信号应用于选择线，以确定哪个数据输入将切换到输出线。

多路复用器的功能

多路复用器是一种数字逻辑器件，用于执行数据的多路复用。其中，多路复用简单来说就是共享数据。从技术上讲，当从多个输入数据源中选择特定数据并将所选数据传输到单个输出通道时，称为多路复用。

有多种类型复用，例如频分复用和时分复用。

当多个设备连接到系统中的单条传输线上时。在任何时间点，只有一个设备使用线路传输数据，这称为时分复用。另一方面，当多个设备共享一条公共线路以不同频率传输数据时，称为频分复用。

多路复用器的类型

基于输入数据线和选择线，多路复用器可以有几种类型。但是，在本文中，我们只讨论以下三种类型的多路复用器：

• 2×1多路复用器
• 4×1多路复用器

让我们分别讨论这三种多路复用器。

2×1多路复用器

2×1多路复用器的框图如图2所示。2×1多路复用器是基本的两输入多路复用器，它有两个数据输入线，分别表示为I₀和I₁，一个数据选择线，表示为S，一个输出线，表示为Y。2×1多路复用器用于将两个1位数据源连接到一个公共目标。

在2×1多路复用器中，应用于选择线S的数字信号的逻辑电平决定了哪个数据输入将通过输出线。可以通过以下真值表理解2×1多路复用器的操作。

4×1多路复用器

4×1多路复用器有四个数据输入I₃、I₂、I₁和I₀，两个选择线s₁和s₀以及一个输出Y。4×1多路复用器的框图如下所示。

这4个输入中的一个将连接到输出，具体取决于这两个选择线上存在的输入组合。4×1多路复用器的真值表如下所示。

从真值表中，我们可以直接写出输出Y的布尔函数为

$$\mathrm{Y\:=\:{S_{1}}'{S_{0}}'I_{0}\:+\:{S_{1}}'S_{0}I_{1}\:+\:S_{1}{S_{0}}'I_{2}\:+\:S_{1}S_{0}I_{3}}$$

我们可以使用反相器、与门和或门来实现此布尔函数。4×1多路复用器的电路图如下所示。

我们可以很容易地理解上述电路的操作。类似地，您可以通过遵循相同的步骤来实现8×1多路复用器和16×1多路复用器。

高阶多路复用器的实现

现在，让我们使用低阶多路复用器来实现以下两个高阶多路复用器。

• 8×1多路复用器
• 16×1多路复用器

8×1多路复用器

在本节中，让我们使用4×1多路复用器和2×1多路复用器来实现8×1多路复用器。我们知道4×1多路复用器有4个数据输入、2个选择线和1个输出。而8×1多路复用器有8个数据输入、3个选择线和1个输出。

因此，我们需要在第一级使用两个4×1多路复用器来获得8个数据输入。由于每个4×1多路复用器产生一个输出，因此我们需要在第二级使用一个2×1多路复用器，将第一级的输出作为输入并产生最终输出。

假设一个 8×1 多路复用器具有八个数据输入 I₇ 到 I₀，三个选择线 s₂、s₁ 和 s₀ 以及一个输出 Y。8×1 多路复用器的真值表如下所示。

我们可以通过考虑上述真值表，轻松地使用低阶多路复用器实现 8×1 多路复用器。8×1 多路复用器的框图如下所示。

相同的选择线 s₁ 和 s₀ 应用于两个 4×1 多路复用器。上部 4×1 多路复用器的输入数据为 I₇ 到 I₄，下部 4×1 多路复用器的输入数据为 I₃ 到 I₀。因此，每个 4×1 多路复用器都会根据选择线 s₁ 和 s₀ 的值产生一个输出。

第一级 4×1 多路复用器的输出作为第二级 2×1 多路复用器的输入。另一个选择线 s₂ 应用于 2×1 多路复用器。

• 如果 s₂ 为零，则 2×1 多路复用器的输出将是 4 个输入 I₃ 到 I₀ 中的一个，具体取决于选择线 s₁ 和 s₀ 的值。

• 如果 s₂ 为一，则 2×1 多路复用器的输出将是 4 个输入 I₇ 到 I₄ 中的一个，具体取决于选择线 s₁ 和 s₀ 的值。

因此，两个 4×1 多路复用器和一个 2×1 多路复用器的组合整体上表现为一个 8×1 多路复用器。

16×1多路复用器

在本节中，让我们使用 8×1 多路复用器和 2×1 多路复用器来实现 16×1 多路复用器。我们知道 8×1 多路复用器具有 8 个数据输入、3 个选择线和 1 个输出。而 16×1 多路复用器具有 16 个数据输入、4 个选择线和 1 个输出。

因此，为了获得 16 个数据输入，我们第一级需要两个8×1 多路复用器。由于每个 8×1 多路复用器产生一个输出，因此我们第二级需要一个 2×1 多路复用器，并将第一级的输出作为输入，以产生最终输出。

假设 16×1 多路复用器具有十六个数据输入 I₁₅ 到 I₀，四个选择线 s₃ 到 s₀ 以及一个输出 Y。16×1 多路复用器的真值表如下所示。

我们可以通过考虑上述真值表，轻松地使用低阶多路复用器实现 16×1 多路复用器。16×1 多路复用器的框图如下所示。

相同的选择线 s₂、s₁ 和 s₀ 应用于两个 8×1 多路复用器。上部 8×1 多路复用器的输入数据为 I₁₅ 到 I₈，下部 8×1 多路复用器的输入数据为 I₇ 到 I₀。因此，每个 8×1 多路复用器都会根据选择线 s₂、s₁ 和 s₀ 的值产生一个输出。

第一级 8×1 多路复用器的输出作为第二级 2×1 多路复用器的输入。另一个选择线 s₃ 应用于 2×1 多路复用器。

如果 s₃ 为零，则 2×1 多路复用器的输出将是 8 个输入 I₇ 到 I₀ 中的一个，具体取决于选择线 s₂、s₁ 和 s₀ 的值。

如果 s₃ 为一，则 2×1 多路复用器的输出将是 8 个输入 I₁₅ 到 I₈ 中的一个，具体取决于选择线 s₂、s₁ 和 s₀ 的值。

因此，两个 8×1 多路复用器和一个 2×1 多路复用器的组合整体上表现为一个 16×1 多路复用器。

多路复用器的应用

在数字电子学中，多路复用器在几乎所有类型的数字系统中都有广泛的应用。多路复用器的一些重要应用如下：

• 数据路由和数据选择
• 并串转换
• 逻辑函数实现
• 波形产生等。

结论

在本教程中，我们详细讨论了数字电子学中使用的各种类型多路复用器及其功能和应用。