Электронные коммутаторы

Коммутатор это микросхема, позволяющая переключать различные сигналы между своими входами и выходами. Для цифровых сигналалов коммутаторы часто называют мультиплексорами и демультиплексорами. Мультиплексорами называются устройства, которые позволяют подключать несколько входов к одному выходу. Демультиплексорами называются устройства, которые позволяют подключать один вход к нескольким выходам. В простейшем случае такую коммутацию можно осуществить при помощи механических ключей:


Рисунок 1. Коммутатор, собранный на механических ключах

Такой коммутатор одинаково хорошо будет работать как с аналоговыми, так и с цифровыми сигналами. Однако скорость работы механических ключей оставляет желать лучшего, да и управлять ключами часто требуется автоматически при помощи какой-либо схемы.

В цифровых схемах управлять ключами удобнее всего при помощи логических уровней. То есть нужно подобрать устройство, которое могло бы выполнять функции электронного ключа с электронным управлением цифровым сигналом.

Особенности построения электронных коммутаторов на ТТЛ элементах

Попробуем заставить работать в качестве электронного ключа уже знакомые нам логические элементы. Рассмотрим таблицу истинности логического элемента "2И". При этом один из входов логического элемента "2И" будем рассматривать как информационный вход электронного ключа, а другой вход — как управляющий. Так как оба входа логического элемента "2И" эквивалентны, то не важно какой из них будет управляющим входом.

Пусть вход X будет управляющим, а Y — информационным. Для простоты рассуждений, разделим таблицу истинности логического элемента "И" на две части в зависимости от уровня логического сигнала на управляющем входе X.

Таблица истинности логического элемента "2И" в применении электронного ключа

По таблице истинности отчетливо видно, что пока на управляющий вход X подан нулевой логический уровень, сигнал, поданный на вход Y, на выход Out не проходит. При подаче на управляющий вход X логической единицы, сигнал, поступающий на вход Y, появляется на выходе Out.

Это означает, что логический элемент "2И" можно использовать в качестве электронного ключа. При этом не важно какой из входов элемента "2И" будет использоваться в качестве управляющего входа, а какой — в качестве информационного. Остается только объединить выходы элементов "2И" в один выход. Это делается при помощи логического элемента "ИЛИ" точно так же как и при построении схемы по произвольной таблице истинности. Получившийся вариант схемы коммутатора с управлением логическими уровнями приведен на рисунке 2.

Принципиальная схема коммутатора цифровых сигналов, выполненая на логических элементах
Рисунок 2. Принципиальная схема электронного коммутатора, выполненая на логических элементах

В схемах, приведенных на рисунках 1 и 2, можно одновременно включать несколько входов на один выход. Однако обычно это приводит к непредсказуемым последствиям. Кроме того, для управления таким коммутатором требуется много входов, поэтому в состав принципиальной схемы электронного коммутатора обычно включают двоичный дешифратор, как показано на рисунке 3. Это позволяет управлять переключением информационных входов при помощи двоичных кодов, подаваемых на управляющие входы. Количество информационных входов в таких схемах выбирают кратным степени числа два.

Принципиальная схема коммутатора, управляемого двоичным кодом
Рисунок 3. Принципиальная схема электронного коммутатора, управляемого двоичным кодом

Условно графическое обозначение четырёхвходового электронного коммутатора с двоичным управлением приведено на рисунке 4. Входы A0 и A1 являются управляющими входами электронного коммутатора, определяющими адрес входного сигнала, который будет подключен к выходу коммутатора Y. Сами входные сигналы обозначены как X0, X1, X2 и X3.

Условно графическое обозначение четырёхвходового коммутатора цифровых сигналов
Рисунок 4. Условно графическое обозначение четырёхвходового электронного коммутатора

В условно-графическом обозначении названия информационных входов A, B, C и D заменены названиями X0, X1, X2 и X3, а название выхода Out заменено на название Y. Такое название входов и выходов более распространено в отечественной литературе. Адресные входы обозначены как A0 и A1.

Особенности построения электронных коммутаторов на КМОП элементах

При работе с КМОП логическими элементами электронный ключ очень легко получить на одном или двух МОП транзисторах, поэтому в КМОП микросхемах логический элемент "2И" в качестве электронного ключа не используется. Схема электронного ключа, выполненного на МОП транзисторах с разной проводимостью канала, приведена на рисунке 5.

Схема электронного ключа, выполненного на МОП транзисторах
Рисунок 5. Схема электронного ключа, выполненного на КМОП транзисторах с разной проводимостью

Такой электронный ключ может коммутировать как цифровые, так и аналоговые сигналы. Сопротивление открытых транзисторов составляет десятки Ом, а сопротивление закрытых транзисторов превышает десятки мегом. В этом есть как преимущества, так и недостатки. То, что ключ, собранный на МОП транзисторах, не является обычным логическим элементом, позволяет объединять выходы электронных ключей в точном соответствии со схемой, приведённой на рисунке 1. Это явно упрощает схему устройства.

Кроме того КМОП электронный коммутатор может быть использован для коммутации аналоговых сигналов. При этом только следует не забывать, что схема не выдерживает отрицательных напряжений. Это означает, что для аналоговых сигналов необходимо использовать схему смещения, так чтобы значения аналогового сигнала находились в диапазоне от потенциала общего провода схемы до напряжения питания микросхемы электронного коммутатора.

В то же самое время в цифровых устройствах, при работе с КМОП коммутатором, приходится ставить на его входе и выходе логические элементы. Только в этом случае цифровая схема в целом будет функционировать правильно. Следует отметить, что в большинстве случаев это условие выполняется автоматически.

Теперь вспомним, что в коммутаторе требуется подключать к выходу только один из входных сигналов. Точно также как и в ТТЛ микросхемах для управления электронными ключами двоичным кодом в его состав вводится дешифратор. Схема такого коммутатора приведена на рисунке 6.

Схема коммутатора с применением электронных ключей на МОП транзисторах
Рисунок 6. Схема коммутатора с применением электронных ключей на МОП транзисторах

Условно-графическое обозначение коммутаторов не зависит от технологии изготовления микросхем, КМОП коммутатор обозначается так, как показано на рисунке 4.

В отечественных микросхемах коммутаторы электронных сигналов обозначаются буквами КП, следующими непосредственно за номером серии микросхем. Например, микросхема К1533КП2 является сдвоенным четырёхканальным коммутатором, выполненным по ТТЛ технологии, а микросхема К1561КП1 является сдвоенным четырёхканальным коммутатором, выполненным по КМОП технологии.

Дата последнего обновления файла 03.04.2018

Литература:

  1. Микушин А.В. Занимательно о микроконтроллерах. СПб, БХВ-Петербург, 2006.
  2. Микушин А.В., Сажнев А.М., Сединин В.И. Цифровые устройства и микропроцессоры. СПб, БХВ-Петербург, 2010.
  3. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. СПб, БХВ-Петербург, 2004.
  4. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. М, Радио и связь, 1987.

Вместе со статьей "Виды двоичных дешифраторов" читают:

Двоичные дешифраторы
http://digteh.ru/digital/dc.php

Двоичные сумматоры
http://digteh.ru/CVT/sum.php

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
http://digteh.ru/CVT/alu.php

Внутреннее устройство микропроцессора (типовые структуры операционного блока)
http://digteh.ru/proc/PU.php




Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2017

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс

Поиск по сайту сервисом ГУГЛ

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 70 научных и научно-методических работ, в том числе 16 книг.

Рейтинг@Mail.ru


Яндекс.Метрика
Rambler's Top100