CMOS-IC
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7. Multiplexer

Multiplexer Anwendung Demultiplexer

Multiplexer
Multiplexer (Abk. MUX) sind Datenselektoren, die je nach Beschaltung ihrer S-Eingänge bzw. ihres S-Eingangs (select = wählen) den Pegel an einem Dateneingang auf den Ausgang übertragen. Das folgende Bild zeigt zwei Beispiele für Multiplexer.

Der linke Multiplexer besitzt vier Dateneingänge (A, B, C und D), zwei Select-Eingänge (S1 und S2) und einen Ausgang (Q). Durch verschiedene Pegel an den S-Eingängen kann der Pegel, der an A, B, C oder D liegt auf den Ausgang Q übertragen werden. Da an zwei S-Eingängen zwei Bits liegen und ein Bit den Zustand ’0’ oder ’1’ annehmen kann, sind 22, also vier verschiedene Kombinationen möglich (genau für die vier Dateneingänge). Die folgende Tabelle zeigt die Funktion.

S1 S2 Q
0 0 A
1 0 B
0 1 C
1 1 D

Der Aufbau eines solchen Multiplexers schaut dann so aus:

Was passiert, wenn S1 und S2 auf ’0’ gelegt werden? Dann liegt der obere Eingang des zweiten AND-Gatters, der mittlere Eingang des dritten AND-Gatters und der obere und untere Eingang des vierten AND-Gatters auf ’0’ (von oben nach unten gesehen). Nach der Wahrheitstabelle des AND-Gatters wird dann jeder Ausgang dieser ANDs auf ’0’ liegen, egal welche Pegel die anderen Eingänge führen. Auf welchem Pegel der Ausgang des obersten AND-Gatters liegt hängt jedoch allein vom Pegel des Dateneingangs A ab. Der obere und der mittlere Eingang liegen nämlich wegen den vorgeschalteten Invertern auf ’1’. Liegt A auf ’0’ nimmt auch der Ausgang ’0’-Pegel an und damit auch Ausgang Q des OR-Gatters (da dann alle seine Eingänge auf ’0’ liegen). Liegt A aber auf ’1’ wird der Ausgang des obersten ANDs und damit der Ausgang Q auf ’1’ liegen (da dann ja ein Eingang des OR-Gatters auf ’1’ liegt).
Man sieht also, dass bei dieser Beschaltung der S-Eingänge der Pegel an A von Q übernommen wird. Alle weiteren Zustände kann man sich jetzt überlegen. Man kommt zu dem Ergebnis, dass die Wahrheitstabelle von oben stimmt.
Der rechte Multiplexer im Bild am Anfang besitzt nur einen Select-Eingang, aber mehrere Dateneingänge. Bei ihm werden die Pegel an allen A-Dateneingängen gleichzeitig bei einem best. Pegel an S auf die Q-Ausgänge übertragen (Q1 nimmt den Pegel von A1 an, Q2 den von A2, usw.), beim anderen Pegel an S werden alle Pegel der B-Dateneingänge auf die Q-Ausgänge übertragen. Die Wahrheitstabelle kann also z.B. so ausschauen:

S Q
0 A
1 B

Anwendung
"Multiplexen" bedeutet Mehrfachnutzung. Multiplexer werden dann eingesetzt, wenn man Daten nacheinander auf einer bzw. mehreren gemeinsamen Leitungen übertragen will. Die Leitung (bzw. Leitungen) werden also von mehreren Dateneingängen genutzt.
Ein Anwendungsbeispiel wäre eine Leuchtdiodenanzeige. Angenommen, man möchte auf einem kleinen LED-Display mit 4x4 LEDs jede LED einzeln ansteuern können. Dann wird man 16 Vorwiderstände und Leitungen benötigen (und einen gemeinsamen Anschluß). Mit Hilfe eines Multiplexers, der 4x4 Dateneingänge hat, bräuchte man aber nur vier Leitungen und Widerstände. Man könnte dann immer vier LEDs gleichzeitig betreiben, der Multiplexer schickt nacheinander die Daten für jede LED einer 4er LED-Spalte. Immer wenn eine LED-Spalte gerade ihre Daten bekommt, müssen die anderen ausgeschaltet sein. Der Multiplexer sollte möglichst schnell die LEDs abwechselnd ansteuern, damit die Anzeige nicht stark flimmert. Das nächste Bild zeigt schematisch den Aufbau einer solchen Schaltung.

Alle Anoden einer LED-Zeile und alle Kathoden einer LED-Spalte sind miteinander verbunden. Die Kathoden einer Spalte sind mit dem Kollektor eines Transistors verbunden. Der Multiplexer wird so gesteuert, dass er nacheinander die Pegel von allen 4er Dateneingängen auf den Ausgang überträgt. Alle vier oberen Dateneingänge liegen auf ’0’. Wenn die richtigen Pegel an den S-Eingängen liegen, übernehmen die Ausgänge die Pegel dieser vier Eingänge. Währenddessen muss der gezeichnete Transistor durchschalten, die drei anderen (durch gestrichelte Linien angedeutet) müssen sperren. Als nächstes können dann die Pegel des zweiten (von oben) 4er Dateneingangs durch entsprechende Pegel an den Select-Eingängen von den Ausgängen übernommen werden; hier darf dann nur der zweite Transistor (von links) durchschalten usw.

Demultiplexer
Wenn man die Daten eines Dateneingangs auf mehrere Ausgänge übertragen will, kann man einen Demultiplexer verwenden. Er ist also genau die Umkehrung eines Multiplexers. Das folgende Bild zeigt das Schaltzeichen.

Hier wird also durch verschiedene Pegel an den S-Eingängen der Pegel an D auf Q1, Q2, Q3 oder Q4 übertragen. Die Wahrheitstabelle kann dann so ausschauen:

S1 S2 Q1 Q2 Q3 Q4
0 0 D 0 0 0
1 0 0 D 0 0
0 1 0 0 D 0
1 1 0 0 0 D

Der Demultiplexer ist dann so aufgebaut wie das folgende Bild zeigt:

Was passiert wenn S1 und S2 auf ’0’ liegen? Dann wird der obere Eingang des zweiten AND-Gatters, der mittlere Eingang des dritten AND-Gatters und der obere und untere Eingang des vierten AND-Gatters auf ’0’ liegen (von oben nach unten gesehen). Folglich werden die Ausgänge Q2, Q3 und Q4 auch auf ’0’ liegen, egal auf welchem Pegel die anderen Eingänge der drei Gatter liegen. Der Ausgang Q1 wird jedoch den Pegel von D übernehmen: Da der obere und mittlere Eingang des obersten AND-Gatters auf ’1’ liegen (wegen den vorgeschalteten NOT-Gattern), ist der Zustand, auf den Q1 geht, allein vom Pegel an D abhängig. Liegt D auf ’0’ wird Q1 auch auf ’0’ liegen, wenn D auf ’1’ liegt geht Q1 auch auf ’1’.
Man sieht also, dass bei entsprechender Beschaltung der Select-Eingänge der Pegel an D von Q1 übernommen wird. Alle weiteren Zustände ergeben sich aus der Wahrheitstabelle.