Multiplexoare și demultiplexoare

segmentarea si multiplexarea unui mesaj (Iunie 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Multiplexoare și demultiplexoare

Circuite digitale


Intrebarea 1

Nu stați acolo! Construiți ceva!

Învățarea de a analiza circuitele digitale necesită mult studiu și practică. În mod obișnuit, elevii practică prin lucrul prin numeroase probleme de probă și verificând răspunsurile lor față de cele oferite de manual sau instructor. În timp ce acest lucru este bun, există o cale mult mai bună.

Veți învăța mult mai mult prin construirea și analizarea circuitelor reale, permițând echipamentul de testare să furnizeze "răspunsurile" în loc de o carte sau de o altă persoană. Pentru exerciții de construire a circuitelor de succes, urmați acești pași:

  1. Desenați schema schematică a circuitului digital care urmează să fie analizat.
  2. Construiți cu atenție acest circuit pe un panou sau alt mediu convenabil.
  3. Verificați precizia construcției circuitului, urmărind fiecare cablu la fiecare punct de conectare și verificând elementele unu-câte unul pe diagramă.
  4. Analizați circuitul, determinând toate stările logice de ieșire pentru condițiile de intrare date.
  5. Măriți cu atenție aceste stări logice, pentru a verifica corectitudinea analizei.
  6. Dacă există erori, verificați cu atenție construcția circuitului în funcție de diagramă, apoi reanalizați cu atenție circuitul și re-măsurați.

Asigurați-vă întotdeauna că tensiunile sursei de alimentare sunt în limitele specificațiilor pentru circuitele logice pe care intenționați să le utilizați. În cazul în care TTL, sursa de alimentare trebuie să fie o sursă de reglare cu 5 volți, ajustată la o valoare cât mai apropiată de 5, 0 volți DC.

O modalitate prin care puteți economisi timp și reduce posibilitatea de eroare este să începeți cu un circuit foarte simplu și să adăugați incremental componente pentru a crește complexitatea acestuia după fiecare analiză, mai degrabă decât să construiți un circuit complet nou pentru fiecare problemă de practică. O altă tehnică de economisire a timpului este de a reutiliza aceleași componente într-o varietate de configurații diferite de circuite. În acest fel, nu va trebui să măsurați valoarea unei componente mai mult decât o dată.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Lăsați electronii înșiși să vă dea răspunsul la propriile "probleme practice"!

Note:

Experiența mea a fost că studenții au nevoie de multă practică cu analiza circuitului pentru a deveni competenți. În acest scop, instructorii oferă de obicei studenților lor o mulțime de probleme de practică prin care să lucreze și oferă răspunsuri elevilor să-și controleze munca. În timp ce această abordare îi face pe studenți să se familiarizeze cu teoria circuitelor, nu reușește să le educe pe deplin.

Elevii nu au nevoie doar de practică matematică. Aceștia au nevoie, de asemenea, de circuite de construcție practice practice și de echipamente de testare. Deci, sugerez următoarea abordare alternativă: elevii ar trebui să își construiască propriile "probleme practice" cu componente reale și să încerce să prezică diferitele stări logice. În acest fel, teoria digitală "vine în viață", iar studenții dobândesc o experiență practică pe care nu o vor câștiga decât prin rezolvarea ecuațiilor booleene sau prin simplificarea hărților Karnaugh.

Un alt motiv pentru a urma această metodă de practică este de a învăța metodele științifice ale studenților: procesul de testare a unei ipoteze (în acest caz predicții de stare logică) prin efectuarea unui experiment real. Elevii vor dezvolta, de asemenea, abilități reale de depanare, deoarece uneori fac erori de construcție a circuitelor.

Petreceți câteva momente de timp cu clasa dvs. pentru a revizui unele dintre "regulile" de construire a circuitelor înainte de a începe. Discutați aceste probleme cu elevii dvs. în aceeași manieră Socratică, în mod normal, ați discuta cu întrebările din foaia de lucru, în loc să le spuneți pur și simplu ce ar trebui și nu ar trebui să facă. Nu mă mai opresc niciodată să fiu uimită de modul în care elevii slab înțeleg instrucțiunile atunci când sunt prezentați într-un format tipic de prelegere (instructor monolog)!

Vă recomand foarte mult circuitele logice CMOS pentru experimentele la domiciliu, unde elevii nu pot avea acces la o sursă de alimentare reglementată de 5 volți. Circuitele CMOS moderne sunt mult mai rezistente în ceea ce privește descărcarea statică decât primele circuite CMOS, astfel încât temerile studenților care lezează aceste dispozitive prin faptul că nu au un laborator "potrivit" înființat la domiciliu sunt în mare măsură nefondate.

O notă adresată acelor instructori care se pot plânge de timpul "irosit" trebuie să-i facă pe elevi să construiască circuite reale în loc să analizeze doar matematic circuitele teoretice:

Care este scopul studenților care vă ia cursul "panoul de lucru" panoul panoului de lucru implicit?

intrebarea 2

Imaginați-vă un sistem telefonic cu o singură pereche de fire care se întind între unitățile telefonice. Din motive de simplitate, să considerăm că fiecare telefon este o unitate acționată de sunet (neamplificată), unde tensiunea produsă direct de microfon conduce difuzorul la celălalt capăt:

Dacă am fi instalat oa doua linie telefonică pentru a găzdui o altă pereche de oameni care vorbesc unul cu altul, cu siguranță ar funcționa, dar ar putea fi costisitor să o facă din cauza costului de sârmă de-a lungul distanței lungi:

Să presupunem că am instalat un set de switch-uri DPDT care au schimbat cele două convorbiri telefonice de-a lungul aceleiași perechi de fire (numai 1 linie telefonică). Această tehnică generală este cunoscută sub numele de multiplexare . Comutatoarele s-ar sincroniza în funcție de ceasurile de la fiecare capăt al liniei și s-au ciclat înainte și înapoi în mod repetat:

Ce-ar fi vorba conversația la oricare dintre ascultători dacă frecvența comutatorului a fost de 1 Hz "# 2"> Răspuns dezvălui Ascunde răspunsul

La 1 Hz, o jumătate de secundă din fiecare conversație ar lipsi, în fiecare secundă. Rezultatul ar fi un flux de audio foarte "încurcat", care ajunge la fiecare ascultător.

La 10 Hz, "choppiness" ar fi redus, cu doar 1/20 din secunda de conversație lipsesc la fiecare 1/10 din secundă de la fiecare conversație. Totuși, ar fi foarte greu să asculți.

La viteza de comutare de 40 kHz, ambele conversații s-ar suna fără probleme.

Următoarea întrebare: cum putem multiplexa mai mult de două conversații de-a lungul aceleiași perechi de fire telefonice?

Întrebare de provocare: există o limită în privința numărului de conversații pe care putem multiplica pe aceeași pereche de fire? Dacă da, ce parametri ar defini această limită?

Note:

Întrebați elevii dvs. de ce funcționează această tehnică de comutare a conversațiilor. Cum este posibil ca conversațiile audio să sune "fără sudură" atunci când jumătate din informațiile lipsesc din fiecare (indiferent de viteza de comutare)?

Adresați-vă studenților dumneavoastră răspunsurile la întrebarea provocată. Dacă nimeni nu are, dați-i un indiciu: cum influențează lățimea de bandă a liniilor telefonice multiplexând un număr mare de semnale?

Întrebarea 3

Cele mai multe osciloscoape analogice moderne au capacitatea de a afișa mai multe urme pe ecranele lor (dual-track este standardul), chiar dacă CRT în sine folosit de "domeniul de aplicare poate avea doar un pistol de electroni și, astfel, să poată" vopsi " zboară punct de pe ecran la un moment dat.

Osciloscoapele cu tuburi de afișare cu o singură pistol ating capacitatea duală de trasare prin multiplexarea celor două canale de intrare la același CRT. Există de obicei două moduri diferite pentru acest multiplexare, deși: alternate și chop .

Explicați modul în care funcționează aceste tehnici de multiplexare și ce condiții vă vor solicita să utilizați cele două moduri multiple de multiplexare. Vă încurajez cu tărie să experimentați afișarea a două semnale diferite pe unul dintre aceste osciloscoape ca și cercetarea voastră. Veți învăța probabil mult mai mult dintr-un exercițiu fizic decât dacă ați fi citit despre asta într-o carte!

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Chop este folosit pentru a afișa două forme de undă atunci când baza de timp este setată la o setare lentă (cu frecvență joasă). Alternat este utilizat pentru a afișa două forme de undă atunci când baza de timp este setată la o setare rapidă (înaltă frecvență).

Note:

Nu spuneți studenților dvs. cum funcționează dispozitivele alternative și de tăiere ale osciloscoapelor lor. Lăsați-i să experimenteze aceste două moduri de multiplexare direct, cu investigații practice. Dacă nu altceva, acest lucru le va oferi o practică suplimentară folosind osciloscoape.

Întrebarea 4

O varietate de aplicații electronice practice necesită multiplexare, unde mai multe semnale de intrare sunt selectate individual, una câte una dar foarte rapidă, pentru a fi comunicate printr-un singur canal. Sistemele de telefonie folosesc această tehnică pentru a "concentra" convorbirile vocale multiple pe o singură pereche de fire și majoritatea osciloscoapelor cu dublă urmărire utilizează această tehnică pentru a permite unui CRT cu o singură pistol să afișeze simultan mai multe urme de semnal pe ecran.

Pentru a selecta rapid (sau a schimba) semnalele analogice în aceste aplicații de multiplexare, avem nevoie de o formă de comutator de pornire / oprire semiconductor capabil de timp de comutare rapidă, impedanță redusă ("on") și blocare ridicată "Stat) impedanță. Din fericire, există un astfel de dispozitiv, produs în mod obișnuit și ieftin, numit comutator bilateral CMOS :

Acest dispozitiv analogic / digital hibrid utilizează semnale logice digitale (înalte / joase) pentru a activa porțile ansamblurilor tranzistor CMOS pentru a porni și a opri semnalele analogice. Este ca și cum ai avea patru relee de stare solidă cu curent scăzut într-un singur circuit integrat. Atunci când linia de control este "ridicată" (nivel logic CMOS standard), respectivul comutator intră în starea sa conductivă ("on"). Când linia de control este "scăzută", comutatorul se oprește. Deoarece MOSFET-urile sunt activate și deconectate, liniile de control extrag curentul neglijabil (la fel ca și intrările de poartă logică CMOS).

Dacă trebuie să folosim astfel de comutatoare bilaterale la semnale analogice multiple de-a lungul unei linii comune de semnal, trebuie să adăugăm niște componente accesorii pentru a controla care comutator (din cele patru) este activ la un moment dat. Luați de exemplu acest circuit în care folosim patru întrerupătoare bilaterale pentru a multiplexa semnalele de tensiune de la patru accelerometre (măsurarea accelerației pe un dispozitiv de testare a vibrațiilor):

Identificați "dispozitivul misterios" necesar în schema, care permite o intrare binară (S 0 și S 1 cu patru combinații de stări mari / joase: 00, 01, 10 și 11) pentru a activa doar un întrerupător bilateral la un moment dat .

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Acest "dispozitiv mister" este un decodor binar de 2 linii până la 4 linii.

Note:

Această întrebare servește în câteva scopuri: introducerea studenților în comutatorul quad bilateral 4066, prezentarea unei aplicații practice pentru multiplexarea analogică și revizuirea unui subiect anterior (decodoare).

Întrebarea 5

Multiplexoarele și demultiplexoarele sunt adesea confundate unul cu celălalt de către elevii aflați mai întâi despre ele. Deși apar asemănători, aceștia îndeplinesc cu siguranță diferite funcții. Se afișează aici un multiplexor și un demultiplexor, fiecare folosind un simbol de comutare a poziției multiple pentru a indica funcțiile de selecție din interiorul circuitelor respective:

După ce identificați ce este, asigurați definițiile pentru "multiplexor" și "demultiplexor" în propriile cuvinte.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Vă voi lăsa să cercetați răspunsul la această întrebare pe cont propriu!

Note:

Această întrebare îi obligă pe elevi să se confrunte direct cu un punct de confuzie pe care l-am observat de-a lungul mai multor ani de predare. Întrebați-le unde au putut găsi definiții pentru fiecare termen.

Întrebarea 6

74HC150 este un multiplexor cu circuit integrat CMOS (TTL-compatibil), cunoscut și ca selector de date . Este disponibil în mod obișnuit ca un cip DIP cu 24 pini. Identificați terminalele unui 74HC150 și etichetați-le aici:

În special, rețineți locațiile celor patru terminale "selectați", precum și terminalul de ieșire unic.

Ce tipuri de "date" electrice pot fi "selectate" de acest circuit integrat "# 6"> Răspuns dezvăluiți Ascunde răspunsul

Chiar credeai că te-aș arăta aici, în loc să te consult cu o foaie de date? Acesta este un dispozitiv de semnal discret, numai. Nu poate "selecta" semnale analogice, cum ar fi cele implicate în telefonie.

Întrebare de întrebare: cum ați putea construi un semnal analog multiplexor, folosind componente cu care vă cunoașteți? Vă recomandăm să începeți cu ceva simplu, cum ar fi un multiplexor cu patru canale, înainte de a încerca ceva cu cât mai multe canale ca aparatul digital prezentat aici (74HC150).

Note:

Foile de date furnizează nu numai informații de bază despre pinii, ci și caracteristici operaționale importante ale circuitelor integrate. În multe cazuri, acestea prezintă și aplicații tipice, care au o valoare educațională mare. Subliniați importanța fișelor tehnice pentru elevii dvs. cu exerciții de "căutare", cum ar fi aceasta, pentru a-și construi abilitatea de a interpreta informațiile conținute.

În ceea ce privește întrebarea provocată, este o greșeală obișnuită pentru studenți să creadă că pot construi un multiplexor de semnal analog în jurul unui multiplexor de semnal digital. În realitate, ar avea nevoie de un alt tip de dispozitiv complet diferit!

Întrebarea 7

Multiplexoarele sau selectorii de date pot fi folosite pentru a genera funcții de tabelă de adevăr arbitrar. Luați, de exemplu, această expresie Boolean SOP, afișată lângă un simbol pentru un multiplexer cu 16 canale:

Afișați conexiunile de sârmă necesare pentru a determina ieșirea din multiplexor a stărilor logice specificate ca răspuns la intrările de selectare a datelor (A, B, C și D).

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Note:

Discutați cu elevii dvs. despre importanța utilizării unui multiplexor în acest mod: să implementați funcții logice arbitrare. Pentru acei studenți care nu sunt familiarizați cu termenul, asigurați-vă că definiți cuvântul "arbitrar". Ar putea părea prostie, dar studenții nu reușesc să ceară definirea cuvintelor care le sunt noi, de teamă să nu sune față de colegii lor și în fața ta. Încă un motiv pentru a modela respectul în clasă și, de asemenea, pentru a crea o atmosferă în care elevii se simt confortabil să pună întrebări.

Întrebarea 8

74HC154 este un decodor de circuit integrat CMOS (TTL-compatibil) cu patru linii de intrare și șaisprezece linii de ieșire:

Identificați stările logice ale tuturor terminalelor de ieșire, date fiind condițiile de intrare afișate.

Acum, identificați stările logice pentru același circuit, de data aceasta cu un semnal logic de undă pătrată (pornire / oprire) aplicat la terminalele de activare:

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

În primul scenariu, cu linii de activare îngreunate, ieșirea # 11 va fi scăzută, cu toate celelalte ieșiri ridicate. În cel de-al doilea scenariu, cu un semnal de intrare de undă pătrată la liniile de activare, ieșirea # 11 va fi pulsată, în timp ce toate celelalte ieșiri vor rămâne în stare ridicată.

Note:

Această întrebare prezice utilizarea unui decodor ca demultiplexor.

Întrebarea 9

74HC154 este un decodor de circuit integrat CMOS (TTL-compatibil), care poate fi de asemenea utilizat ca demultiplexor:

Ce terminal folosim pentru intrarea semnalului, dacă folosim acest cip ca demultiplexor și nu doar un decodor "# 9"> Răspuns dezvălui Ascunde răspunsul

Utilizați terminalele de activare (împreună) ca un terminal "de intrare".

Note:

Explicați studenților că "decodorul" și "demultiplexerul" sunt cu adevărat doar două cuvinte diferite pentru același dispozitiv, văzând cum toate decodoarele reale sunt echipate cu intrări de activare.

Întrebarea 10

Circuitele integrate de decodor / demultiplexer 74HC137 și 74HC237 au o caracteristică pe care unii alți decoditori / demultiplexatori nu le fac: să se adreseze blocării . Explicați ce este această caracteristică suplimentară, modul în care funcționează și cum ați dezactiva caracteristica dacă doriți să utilizați unul dintre aceste circuite integrate într-o aplicație care nu necesită blocarea adreselor.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Vă las să vă dați seama răspunsurile la această întrebare. Foaia de date a producătorilor, desigur, este probabil cea mai bună sursă de informații!

Următoarele întrebări: Care este diferența funcțională între 74HC137 și 74HC237? Cum ar diferi simbolurile schematice respective pentru aceste două IC-uri decodor / demux?

Întrebare provocare: gândiți-vă la o aplicație practică în care este posibil să aveți nevoie de caracteristica de blocare a adresei.

Note:

Caracteristica blocării adreselor nu este greu de înțeles dacă studenții au studiat deja clapete de tip D (și / sau regiștrii de deplasare paralele / paralele).

Întrebarea 11

Când învățați mai întâi despre codificatori, decodoare, multiplexoare și demultiplexeri, elevii le fac adesea confuzi unul cu celălalt. Scrieți definiții succinte (complete cu ilustrații) pentru fiecare dintre aceste patru funcții digitale, bazate pe propriile dvs. cercetări și scrise cu propriile cuvinte. De asemenea, identificați care dintre aceste două funcții digitale sunt de obicei efectuate de același circuit integrat.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Vă voi lăsa să vă dați seama de prima parte a răspunsului (patru definiții succinte, complete cu ilustrații)! Deoarece este atât de ușor să vă amestecați în minte aceste patru funcții, este important să ajungeți la propria înțelegere a ceea ce este, mai degrabă decât să aveți altcineva (ca mine) să oferiți definiții gata făcute pentru memorare.

Decodificarea și demultiplexarea sunt de obicei efectuate de același dispozitiv integrat de circuit. Un bun exemplu este 74HC154.

Note:

Iată un bun exemplu în care studenții le place să cadă pe memorarea memoriei și unde asemenea strategii de învățare superficială nu reușesc adesea. Este imperativ ca studenții să-și facă propriile cercetări și să distribuie aceste funcții în termeni personali. În acest fel, ei vor înțelege mai degrabă diferențele decât să memoreze diferențele.

Solicitați elevilor individuali să prezinte concluziile pentru această întrebare și lăsați sălile de clasă să fie un loc în care studenții împărtășesc înțelegerile între ei. Lăsați-i să știe că acest lucru este important pentru ei să înțeleagă, dar nu oferă pur și simplu răspunsuri gata pentru ei!

Întrebarea 12

Următoarea diagramă schematică prezintă un generator de forme de undă arbitrare cu opt pași. Multiplexorul analogic selectează unul din cele opt semnale de potențiometru la un moment dat, trecând de la un la altul la ritmul impulsului de ceas:

Explicați ce efect ar avea o întrerupere bilaterală scurtcircuitată asupra formei de undă de ieșire. Fiți cât mai concret posibil.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Dacă unul dintre întrerupătoarele bilaterale ar fi eșuat scurtcircuitat, acesta ar deplasa toate tensiunile arbitrare ale formei de undă "spre" cel cu comutatorul defect, distorsionând forma de undă de forma sa originală.

Note:

Un comutator bilateral cu întreruperi nereușite ar crea un fel de circuit de avertizare pasivă între vasul întrerupătorului scurt și comutatorul selectat. Dacă elevii dvs. au dificultăți în a afla efectele acestei erori, amintiți-le despre ce este un averager pasiv și cum funcționează.

Întrebarea 13

Preziceți modul în care funcționarea acestui circuit "concentrator" (care ia opt intrări digitale și le "concentrează" într-o singură linie de comunicație multiplexată care urmează să fie extinsă în opt ieșiri la capătul receptor) va fi afectată ca urmare a următoarelor defecțiuni . Luați în considerare fiecare defecțiune independent (adică unul câte unul, fără multiple defecte):

Generatorul pulsului ceasului se oprește:
Pinul se rupe pe ieșirea W de 74151 cip, lăsând ca firul să plutească:
Pinul se rupe pe intrarea G2A a cipului 74138, lăsându-l plutitor:
Activați pauzele de pe cip 74151, lăsând-o plutitoare:

Pentru fiecare dintre aceste condiții, explicați de ce se vor produce efectele rezultate.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Generatorul de impulsuri de ceas oprește pulsarea: un singur canal din cele opt va funcționa și funcționează tot timpul fără întrerupere. Datele nu pot trece prin oricare din celelalte șapte canale.
Pinul se rupe pe ieșirea W de 74151 cip, lăsând ca firul să plutească: Toate ieșirile selectate de pe cipul 74138 scad, în loc de a repeta respectivele intrări de stări logice la cipul 74151.
Pinul se încadrează pe intrarea G2A a cipului 74138, lăsându-l plutitor: toate ieșirile de pe cipul 74138 cresc tot timpul.
Activați pauzele de pe cipul 74151, lăsând să plutească: Toate ieșirile selectate de pe cipul 74138 scad, în loc să repetați intrarea de stări logice respective la cipul 74151.

Note:

Scopul acestei întrebări este abordarea domeniului de depanare a circuitelor dintr-o perspectivă de a ști ce este vina, mai degrabă decât să știm doar ce sunt simptomele. Deși aceasta nu este neapărat o perspectivă realistă, aceasta îi ajută pe elevi să construiască cunoștințele fundamentale necesare pentru a diagnostica un circuit defect din datele empirice. Întrebări precum acest lucru ar trebui să fie urmate (în cele din urmă) de alte întrebări care îi cer elevilor să identifice greșelile posibile pe baza măsurătorilor.

Întrebarea 14

Multiplexoarele sau selectorii de date pot fi folosite pentru a genera funcții de tabelă de adevăr arbitrar. Luați, de exemplu, această tabelă de adevăr, prezentată lângă un simbol pentru un multiplexer cu 16 canale:

Afișați conexiunile de sârmă necesare pentru a determina ieșirea din multiplexor a stărilor logice specificate ca răspuns la intrările de selectare a datelor (A, B, C și D).

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Următoarea întrebare: Ce se întâmplă dacă acest multiplexor avea o ieșire activă scăzută, cum ar fi "notele ascunse" de la 74150> Note:

Discutați cu elevii dvs. despre importanța utilizării unui multiplexor în acest mod: să implementați funcții logice arbitrare. Pentru acei studenți care nu sunt familiarizați cu termenul, asigurați-vă că definiți cuvântul "arbitrar". Ar putea părea prostie, dar studenții nu reușesc să ceară definirea cuvintelor care le sunt noi, de teamă să nu sune față de colegii lor și în fața ta. Încă un motiv pentru a modela respectul în clasă și, de asemenea, pentru a crea o atmosferă în care elevii se simt confortabil să pună întrebări.

Întrebarea 15

Următoarea diagramă schematică este pentru un circuit de selecție cu două intrări, care (după cum sugerează și numele) selectează una din cele două intrări care trebuie trimise la ieșire:

Determinați în ce stare trebuie să fie linia de intrare "control de selectare" pentru a selecta intrarea A pentru a fi trimisă la ieșire și ce stare trebuie să fie pentru a selecta intrarea B pentru a merge la ieșire.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Un semnal înalt pe linia "control selectare" selectează intrarea A, în timp ce un semnal scăzut pe aceeași linie selectează intrarea B.

Note:

Circuitele de selectare sunt utilizate pe scară largă în circuitele de regiștrii și registrele de deplasare unde semnalele digitale trebuie selectate din mai multe surse pentru a obține anumite funcții. Asigurați-vă că studenții dvs. înțeleg cum funcționează, pentru că vor vedea cu siguranță mai târziu în unele aplicații!

  • ← Foaia de lucru anterioară

  • Fișa foilor de lucru

  • Foaia de lucru următoare →