Multiplexer

การออกแบบวงจร Multiplexer

วงจรมัลติเพล็กซ์ (Multiplexer) หรือมักซ์ (MUX) หรือวงจรเลือกข้อมูล (Data Selector) เป็นวงจรที่มีเอาต์พุตเพียง 1 เอาต์พุตแต่ มีอินพุตหลายอินพุต ทำหน้าที่เลือกข้อมูลจากอินพุตมาใช้เพียงครั้งละข้อมูลเดียว ลักษณะของ MUX แสดงดังรูปที่ 12.1 (ก) ส่วนรูปที่ 12.1 (ข) แสดงการทำงานของ MUX ซึ่งเปรียบเสมือนสวิตซ์แบบหมุน (Rotary switch)

 

 รูปที่ 12.1 แสดงโครงสร้างและการทำงานของ MUX

เอาต์พุตของ MUX มี l เอาต์พุต (Y) อาจจะเป็นแบบ Active High หรือ Active Low ก็ได้แต่บางตัวอาจจะมีเอาต์พุตทั้ง 2 แบบ ซึ่งเรียกว่า เป็นแบบ Complement Output อินพุตของ MUX แบ่งเป็น 3 กลุ่ม คือ
1. ขา Enable หรือ Strobe (E, EN หรือ G) ทำหน้าที่ควบคุมให้ MUX ทำงานหรือไม่ทำงานเป็นอินพุตแบบ Active Low
ถ้าขา Enable ได้รับลอจิก 0 MUX ทำงานตามปกติ
ถ้าขา Enable ได้รับลอจิก 1 MUX ไม่ทำงาน (เอาต์พุตไม่ Active)
2. Data Input เป็นอินพุตที่รับสัญญาณข้อมูล (Data) เข้ามา
3. Select Input เป็นขาที่ทำหน้าที่เลือกข้อมูล (Data) จากขา Data Input ไปใช้งาน
ถ้า Data Input = n, Select Input = m จะได้ความสัมพันธ์ระหว่างจำนวน Data Inputกับจำนวน Select Input เป็น n = 2m
การกำหนดขนาดของ MUX กำหนดในรูป “จำนวน Data Input : 1” หรือ “จำนวน Data Input-to-1”


12.1.1 MUX ขนาด 2 : 1 (2-to-1ine MUX)
เนื่องจาก n = 2 ดังนั้น m = 1 (ขา Select มี 1 ขา)

รูปที่ 12.2 แสดง MUX ขนาด 2 : 1

ข้อมูลที่ขา Data Input D0, D1 จะถูกเลือกไปใช้ที่เอาต์พุตเพียงครั้งละ 1 ข้อมูลเท่านั้น โดยการควบคุมที่ขา S การทำงานเป็นไปตามตารางความจริง

จากตารางความจริงเขียนสมการลอจิกได้เป็น รูปที่ 12.3 แสดงวงจรภายในของ MUX ขนาด 2 :1

   

 จากสมการนำไปเขียนเป็นวงจรได้ดังรูปที่ 12.3

สำหรับวงจรมัลติเพล็กซ์ขนาดเข้า 2 ออก 1 หรือ 2 -line-to-1-line Data\Selector Multiplexer ที่นิยมใช้กัน คือ วงจรรวมทีทีแอลเบอร์ 74157 ซึ่งภายในประกอบด้วยมัลติเพล็กซ์ขนาด เข้า 2 ออก 1 จำนวน 4 วงจรคือ มีอินพุต 2 อินพุต A และ B เอาต์พุตคือ Y มีขาสโตรบ (Strobe) ทำหน้าที่ควบคุมการ ทำงาน และขาซีเล็ค (Select) สำหรับป้อนลอจิกควบคุมเพื่อเลือกอินพุตใดอินพุตหนึ่งให้ส่งข้อมูลไปยังเอาต์พุต ตารางความจริงแสดงการทำงานแสดงในรูปที่ 12.4 (ข) และวงจรเกตภายในของมัลติเพล็กซ์เบอร์ 74157 แสดงในรูปที่ 12.4 (ก) เมื่อพิจารณาการการทำงานจากตารางความจริงจะพบว่าเมื่อให้ขาสโตรบเป็น “H” วงจรไม่ทำงาน ที่เอาต์พุต Y จะให้ลอจิก “L” เมื่อให้ขาสโตรบเป็น “L” วงจรจะทำงานได้ กล่าวคือ เมื่อเลือกขาซีเล็คให้เป็น “L” เอาต์พุต Y จะเท่ากับอินพุต A และเมื่อขาซีเล็คเป็น “H” เอาต์พุต Y จะเท่ากับอินพุต B

 

 รูปที่ 12.4 แสดงวงจรลอจิกและตารางความจริงของ 2-line-to-1-line multiplexer เบอร์ 74157

12.1.2 MUX ขนาด 4 : 1 (4-to-1ine MUX)
เนื่องจาก n = 4 ดังนั้น m = 2 (จำนวน Select Input 2 ขา)

 รูปที่ 12.5 แสดง MUX ขนาด 4 : 1

 

 ตารางความจริง จากตารางความจริงเขียนสมการลอจิกได้เป็น

   

 เขียนเป็นวงจรลอจิกได้ดังรูปที่ 12.6 

   

 รูปที่ 12.6 แสดงวงจรภายในของ MUX ขนาด 4 : 1

วงจรมัลติเพล็กซ์ที่มีขนาดเข้า 4 ออก 1 สามารถเรียกข้อมูลอินพุต 4 ออก 1 เอาต์พุตได้คือเบอร์ 74153 (Dual-4-line-to-1-line Data Selector Multiplexers) ภายในของวงจรรวมทีทีแอลเบอร์ 74153 ประกอบไปด้วยมัลติเพล็กซ์ขนาดเข้า 4 ออก 1 จำนวน 2 วงจร ดังรูปที่ 12.7 (ก) วงจรที่ 1 มีอินพุต 1C0, 1C1, 1C2, 1C3 มีเอาต์พุต 1Y มีขาควบคุมคือสโตรบ (Strobe / Enable, 1G) และใช้ขาซีเล็คเพื่อเลือก ช่องของข้อมูลอินพุต 2 ขาคือ ขา A และ B สำหรับตัวที่ 2 มีขาอินพุต 4 บิต คือ 2C0, 2C1, 2C2, 2C3 มีเอาต์พุต 2Y มีขาควบคุมคือสโตรบ (2G) และใช้ขาซีเล็ค A และ B ร่วมกับมัลติเพล็กซ์ตัวแรก
ตารางความจริงแสดงการทำงานของมัลติเพล็กซ์เบอร์ 74153 แสดงในรูปที่ 12.7 (ข) จะพบ ว่าเมื่อต้องการให้วงจรมัลติเพล็กซ์ทำงานได้ต้อง ควบคุมขาสโตรบ (G) ให้ได้รับลอจิก “L” เมื่อทำการเลือกข้อมูลด้วยขาซีเล็ค A และ B เป็น “L” ทั้ง 2 ขา อินพุต ที่ C0 จะปรากฏที่ Y และถ้าเลือก A และ B เป็น “L” และ “H” ที่เอาต์พุต Y จะเท่ากับ C1 ถ้าเลือก A และ B เป็น “H” และ “L” เอาต์พุต Y จะเข้ากับ C2 ในทำนองเดียวกัน เมื่อเลือก A และ B เป็น “H” ทั้ง 2 ขา เอาต์พุต Y จะเท่ากับ C3

รูปที่ 12.7 แสดงวงจรลอจิกและตารางความจริงของ 4-line-to-1-line

 

Data Selector Multiplexer เบอร์ 74153

12.1.3 MUX ขนาด 8 : 1 มีสมการเอาต์พุตเป็น

   

วงจรมัลติเพล็กซ์ขนาดเข้า 8 ออก 1 หรือ 8-line-to-1-line Data Selector/Multiplexers ชนิด วงจรรวมทีทีแอล มีใช้กัน 2 เบอร์คือ เบอร์ 74151 และ 74152 ถ้าเป็นเบอร์ 74151 จะมีอินพุตรับขอมูลจำนวน 8 อินพุต (คือ D6 ถึง D7) และมีขาซีเล็ค 3 ขา (A, B, C) มีขาควบคุมคือขาสโตรบ (S) และมีเอาต์พุต 2 เอาต์พุต คือเอาต์พุต Y (ปกติ) และเอาต์พุต W (เป็นอินเวิร์สของ Y) ดังวงจรในรูปที่ 12.8 (ก) ตารางความจริงของมัลติเพล็กซ์เบอร์ 74151 แสดงในรูปที่ 12.8 (ข) เมื่อต้องการให้มัลติเพล็กเซอร์ ทำงานได้ต้องควบคุมขาสโตรบให้เป็น “L”

 

(ก) วงจรภายใน 74151 รูปที่ 12.8 แสดงวงจรภายในของ 8-line-to-1-line Data Selector Multiplexer เบอร์ 74151 และตารางความจริง

 

 รูปที่ 12.8 (ต่อ)

สำหรับเบอร์ 74152 เป็นชนิด 8-1ine-to-1-1ine เช่นกัน แต่ไม่มีขาสโตรบเป็นขาควบคุม ดังนั้นข้อมูลทางอินพุตจะเรียงลำดับออกไป ที่เอาต์พุตครั้งละ 1 บิตได้เมื่อควบคุมลอจิกของซีเล็คให้เป็นไปตามตารางความจริงดังแสดงในรูปที่ 12.9 (ข) วงจรภายในของ 74152 แสดงในรูปที่ 12.9 (ก)

 

 รูปที่ 12.9 แสดงวงจรภายในและตารางความจริงของ 8-line-to-1-line 

Data Selector/Multiplexer เบอร์ 74152

 

 รูปที่ 12.9 (ต่อ)

12.1.4 MUX ขนาด 16 : 1 มีสมการเอาต์พุตเป็น

   

วงจรมัลติเพล็กซ์ที่มีอินพุตเข้า 16 ออก 1 หรือ 16-line-to-1-line Multiplexer ชนิดวงจรรวมทีทีแอล ที่นิยมใช้กันคือเบอร์ 74150 (มีทั้งชนิด Standard, LS, S) วงจรมัลติเพล็กซ์นี้มีอินพุตรับข้อมูลเข้า 16 อินพุต คือ E0 ถึง E15 และมีอินพุตซีเล็คที่ทำหน้าที่เลือกข้อมูลจาก อินพุต 1 บิตไปสู่เอาต์พุต ขาซีเล็คมีจำนวน 4 ขา คือ A, B, C และ D (Data Select) มีขาควบคุมการทำงานของมัลติเพล็กซ์คือ ขาสโตรบ (อีนาเบิล) เมื่อต้องการให้วงจรมัลติเพล็กซ์ทำงานได้จะต้องเลือกให้ขา สโตรบเป็น “L” แต่ที่เอาต์พุตจะให้ข้อมูลตรงกันข้ามกับลอจิก ข้อมูลอินพุต เช่น เมื่อให้สโตรบเป็น “L” และเลือกซีเล็ค A, B, C, D เป็น “L” ทั้งหมด ถ้าป้อนข้อมูล “H” ที่ขา E0 ที่เอาต์พุตจะได้ E0 หรือ “L” เมื่อต้องการให้เอาต์พุตมีค่าเป็น “H” จะต้องต่ออินเวอร์เตอร์เกตที่เอาต์พุตเพิ่มอีก 1 เกตลักษณะของวงจรภายในของมัลติเพล็กซ์เบอร์ 74150 แสดงในรูป 12.10 (ก) และตารางความจริงแสดงการทำงานแสดงในรูป 12.10 (ข)

 

 รูปที่ 12.10 แสดงวงจรภายในและตารางความจริงของ 16-line-to-1-line 

Data Selector/Multiplexer เบอร์ 74150

12.1.5 MUX ขนาด n : 1 มีสมการเอาต์พุตเป็น

   

12.2 การเพิ่มจำนวนอินพุตของ Multiplexer
การเพิ่มจำนวนอินพุตของ Multiplexer คือการนำมัลติเพล็กซ์หลายๆ ตัวมาต่อร่วมกัน เพื่อให้สามารถรับข้อมูลเข้าได้มากกว่า เช่น กรณีที่ต้องการรับข้อมูลมากกว่า 16 บิต (16 บิตสามารถใช้เบอร์ 74150 ได้) สามารถสร้างได้โดยใช้ 74150 หลาย ๆ ตัวการนำ MUX หลายๆ ตัวมาต่อรวมกันเพื่อเพิ่มจำนวนอินพุตของ MUX เรียกว่า Multiplexer Tree มีตัวอย่างการต่อวงจรดังรูปที่ 12.11

 

 รูปที่ 12.11 แสดงการต่อวงจรไอซีเบอร์ 74151 เพื่อใช้งานเป็น 16 : 1 MUX

วงจรรูปที่ 12.11 เป็นการนำ 74151 8 : 1 MUX 2 ตัว มาต่อเป็น 16 : 1 MUX ซึ่งมีคุณสมบัติการทำงานเหมือนกับ 74150 16 : 1 MUX ในรูปที่ 12.12

รูปที่ 12.12 แสดงการต่อไอซีเบอร์ 74150 เพื่อใช้งานเป็นแบบ Complement Output

 

รูปที่ 12.13 แสดงการต่อไอซีเบอร์ 74150 เพื่อใช้งานเป็น 32 : 1 MUX แบบ Complement Output

แนนด์เกตทางด้านเอาต์พุตของวงจรรูปที่ 12.13 อาจจะเปลี่ยนไปใช้ 2 : 1 MUX แทนก็ได้ โดยใช้ขา S ของ 2 : 1 MUX ไปเป็นขา S4 ส่วนขา EN ของ 74150 ทั้ง 2 ตัวต่อไว้ที่ลอจิก 0

 

รูปที่ 12.14 แสดงการต่อวงจร 4 : 1 MUX 5 ตัวเพื่อใช้งานเป็น 16 : 1 

การสร้างวงจรมัลติเพล็กซ์ขนาดเข้า 64 ออก 1 (64-line-to-1-1ine Multiplexers) จะเห็นว่าต้องออกแบบให้ขาซีเล็คเลือกข้อมูลได้ 64 บิต (26 = 64) แสดงว่าต้องมีขาซีเล็ค 6 ขา (A, B, C, D, E และ F) ขาข้อมูลเข้าต้อง มี 64 ขา ใช้วงจรรวมเบอร์ 74150 จำนวน 4 ตัว ตัวที่ (1) รับข้อมูลบิตที่ 0-15 ตัวที่ (2) รับข้อมูลบิตที่ 16-31 ตัวที่ (3) รับข้อมูลบิตที่ 32-47 และตัวที่ (4) รับข้อมูลบิตที่ 48-63 สำหรับขาซีเล็ค (A, B, C, D) ของทั้ง 4 ตัวน ี้ (74150) ต่อขนานกันดังรูปที่ 12.15 จากนั้นนำเอาต์พุต (W) ของ 74150 ทั้ง 4 ตัวต่อเข้ากับมัลติเพล็กซ์ขนาด 4 ออก 1 เช่น เบอร์ 74153 และนำซีเลค อินพุตของ 74153 มาเป็นแอดเดรสของซีเล็คอินพุตรวมของระบบ ทำให้ชีเล็คอินพุตรวมมี 6 ขา (A, B, C, D, E, F) จึงออกแบวงจรมัลติเพล็กซ์แบบ 64-line-to-1-line ได้อย่างสมบูรณ์ ดังรูปที่ 12.15

 

 รูปที่ 12.15 64-line-to-1-line Multiplexer ที่สร้างจากเบอร์ 74150 (16-line-to-1-line)

ตัวอย่างที่ 12.1 จงออกแบบวงจร
(ก) โดยใช้ไอซีเบอร์ 74153 4 : 1 MUX 1ตัว (ใช้ MUX ขนาด 4 : 1 จำนวน 1 ตัว)
(ข) โดยใช้ไอซีเบอร์ 74153 4 : 1 MUX 2 ตัว มาต่อเป็น 8 :1 MUX
วิธีทำ
(ก) ใช้ไอซีเบอร์ 74153 4 : 1 MUX 1ตัว
เขียนวงจร 74153 ดังรูป นำเอาต์พุต Y ไปใช้เป็นเอาต์พุตของวงจร จะได้ ส่วนขา Enable ต้องต่อที่สถานะ active เสมอ (ต่อไว้ที่ลอจิก 0) 

  

สมการลอจิกที่โจทย์กำหนดมี 3 อินพุต คือ และ ให้ต่ออินพุต กับขา ต่ออินพุต กับขา ส่วนอินพุตที่เหลือคือ นำไปออกแบบเพื่อต่อกับขา Data Input ถึง ซึ่งมีวิธีการออกแบบ 3 วิธีดังนี้
วิธีที่ 1 ใช้ตารางความจริง จากสมการลอจิกที่โจทย์กำหนดนำไปเขียนเป็นตารางความจริง แบ่งกลุ่มอินพุต (ตัวแปร) ในตารางความจริงออกเป็น 2 กลุ่ม คือกลุ่มที่ต่อ อยู่กับขา Select Input ได้แก่ และกลุ่มที่เหลือได้แก่

ตารางความจริงมี 8 สถานะ คือ 0 ถึง 7 ส่วน MUX มี 4 สถานะ คือ 0 ถึง 3 จัดกลุ่มตารางความจริงให้มีสถานะตรงกับ MUX คือ 4 กลุ่มได้แก่ = 00, = 10 และ = 11 หาสมการเอาต์พุต Y ของแต่ละกลุ่ม โดยพิจารณาเฉพาะตัวแปรที่ไม่ได้ต่อกับขา Select Input ได้แก่ เมื่อได้สมการ ของแต่ละกลุ่ม นำไปเปรียบเทียบกับคุณสมบัติของ MUX เพื่อหาสมการ และ ดังนี้

 

 นำค่าที่ได้คือ  

ไปเขียนเพิ่มลงในวงจร MUX จะได้วงจรดังรูป

    

วิธีที่ 2 ใช้สมการลอจิก
โดยการจัดรูปฟอร์มสมการลอจิกที่โจทย์กำหนดให้ตรงกับสมการของ MUX


จัดรูปสมการ (2) ให้ตรงกับรูปฟอร์มสมการ MUX (สมการ (1))

เปรียบเทียบสมการ (1) กับ (3) จะได้ คำตอบจะได้เหมือนกับกรณีใช้ตารางความจริงวิธีที่ 1

วิธีที่ 3 โดยใช้ KM
จาก f ( เขียนลงใน KM ได้ดังนี้

   

แบ่งพื้นที่ KM ให้ตรงกับคุณสมบัติของ MUX หาสมการลอจิกของพื้นที่แต่ละส่วน โดยพิจารณาเฉพาะตัวแปรที่ไม่ได้ต่อกับขา Select Input ในที่นี้คือตัวแปร เนื่องจาก MUX มี 4 สถานะ ดังนั้นจึงแบ่งพื้นที่ KM เป็น 4 ส่วน (2 ช่อง ต่อ 1 ส่วน) ตามคุณสมบัติของ MUX ดังนี้





คำตอบที่ได้จะเหมือนกับวิธีที่ 1 และ2 วิธี KM เป็นวิธีที่นิยมนำมาใช้งานมากกว่าวิธีอื่น เพราะหาคำตอบได้เร็วกว่าวิธีอื่น การใช้วิธี KM สามารถ ดัดแปลงให้ง่ายขึ้น โดยการแบ่งพื้นที่ KM ออกเป็นส่วนๆ เท่ากับจำนวนขา Data Input ของ MUX (จำนวนขา Data Input เท่ากับจำนวนสถานะ ของ MUX) จะได้ว่า



นำพื้นที่แต่ละส่วนของ KM ไปหาสมการลอจิก โดยพิจารณาเฉพาะตัวแปรที่ไม่ได้ต่อกับขา Select Input ของ MUX เท่านั้น จะได้เป็นสมการลอจิก ของขา Data Input แต่ละขาซึ่งมีการนับลำดับเช่นเดียวกับ KM
(ข) ใช้ไอซีเบอร์ 74153 4 : 1 MUX 2 ตัว ต่อเป็น 8 : 1 MUX ดังรูปวงจร อินพุต ต่อกับขา , ต่อกับขา , ต่อกับขา ใช้วิธี KM หาสมการลอจิกที่จะจ่ายให้ขา Data Input ของ MUX 

 

นำพื้นที่แต่ละช่องไปหาสมการลอจิก จะได้สมการขา ถึง เรียงลำดับเหมือนการเรียงลำดับช่องของ

 KM 

 

ที่มา คลิ๊กที่นี่

ป้ายกำกับ Digital,ดิจิตอล,Application