Multiplexores: ¿cómo funcionan? (Circuito de 2 a 1, 4 a 1, 8 a 1 MUX)

Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS

¿Qué es un multiplexor?

Un multiplexor (a veces deletreado multiplexor y también conocido como MUX ) se define como un circuito combinacional que selecciona una de varias entradas de datos y la reenvía a la salida. Las entradas a un multiplexor pueden ser analógicas o digitales. Los multiplexores también se conocen como selectores de datos.

Un multiplexor es útil para transmitir una gran cantidad de datos a través de la red dentro de una determinada cantidad de tiempo y ancho de banda.

Los multiplexores que se construyen a partir de transistores y relés se denominan multiplexores analógicos que se utilizan en aplicaciones analógicas y los multiplexores que se construyen a partir de una puerta lógica denominados multiplexores digitales que se utilizan en aplicaciones digitales. La inversa de un multiplexor se conoce como demultiplexor .

¿Qué hace un multiplexor?

En los sistemas digitales, muchas veces es necesario seleccionar una sola línea de datos de varias líneas de entrada de datos y los datos de la línea de entrada de datos seleccionada deben estar disponibles en la línea de salida. El circuito digital que realiza esta tarea es un multiplexor.

Un multiplexor es un circuito digital que selecciona una de las n entradas de datos y la reenvía a la salida. La selección de una de las n entradas se realiza mediante las entradas de selección. Para seleccionar una de varias entradas, necesitamos m seleccionar líneas tales que 2 ^m = n.

Dependiendo del código digital aplicado en las entradas seleccionadas, se selecciona una de las n entradas de datos y se transmite a la salida única. Por lo tanto, un multiplexor tiene un máximo de 2 ⁿ líneas de entrada de datos, ‘m’ selecciona líneas y una línea de salida.

El diagrama de bloques de un multiplexor n-a-1 y su circuito equivalente se muestra en la siguiente figura.

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¿Cómo funciona un multiplexor?

El multiplexor funciona como un conmutador de múltiples entradas y salidas individuales. La salida se conecta a solo una de las n entradas de datos en un instante de tiempo dado. Por lo tanto, el multiplexor es ‘muchos en uno’ y funciona como el equivalente digital de un interruptor selector analógico.

Circuito multiplexor

Hay muchos tipos de multiplexores, como multiplexores 2 a 1, 4 a 1 y 8 a 1. Cada uno tiene un circuito, una tabla de verdad, una expresión booleana y un principio de funcionamiento diferentes. Analicemos cada tipo de multiplexor uno por uno.

Multiplexor 2 a 1

Circuito multiplexor 2 a 1

Un multiplexor 2 a 1 es el circuito multiplexor digital que tiene dos entradas de datos D ₀ y D ₁ , una selecciona la línea S y la otra salida Y. Para implementar un circuito multiplexor 2 a 1 necesitamos 2 puertas Y , una OR puerta y una puerta NOT .

El diagrama de bloques, el símbolo lógico y la analogía del circuito de conmutación del multiplexor 2 a 1 se muestran en la siguiente figura.

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Como se muestra, D ₀ es una entrada aplicada a una de las puertas AND y D ₁ es una entrada aplicada a la otra puerta AND. La entrada de selección S se aplica a la segunda puerta Y como segunda entrada y una entrada S invertida se aplica a la primera puerta Y como segunda entrada. La salida de ambas puertas Y se aplica como entradas a la puerta O 2 a 1 Circuito multiplexor

Principio de funcionamiento del multiplexor 2 a 1

Cuando S = 0, se aplica directamente como entrada a la segunda puerta Y, y S invertida que es 1 se aplica como segunda entrada a la primera puerta Y. Ahora, sabemos que para la puerta AND, si una entrada es cero, la salida es cero. Entonces, la salida de la segunda puerta AND es cero. Dado que la segunda entrada a la primera puerta Y es 1, su salida es igual a su primera entrada, que es Y = D ₀ .

Cuando S = 1, sucede exactamente lo contrario. En este caso, la segunda salida de la puerta Y es igual a su primera entrada, es decir, Y = D ₁ y la primera salida de la puerta Y es 0.

Entonces, al aplicar un ‘0’ lógico o un ‘1’ lógico en la entrada de selección S, podemos seleccionar la entrada apropiada, D ₀ o D ₁ con el circuito actuando como un interruptor unipolar de doble tiro (SPDT).

Tabla de verdad del multiplexor 2 a 1

La siguiente tabla muestra la tabla de verdad para el multiplexor 2 a 1.

Seleccionar entrada S	Entrada de datos	Entrada de datos	Salida Y
0	0	0	0
0	0	1	0
0	1	0	1
0	1	1	1
1	0	0	0
1	0	1	1
1	1	0	0
1	1	1	1

Aquí, el multiplexor de 2 entradas conecta una de las dos fuentes de 1 bit a una salida común, por lo que produce un multiplexor de 2 a 1.

Expresión booleana de multiplexor 2 a 1

De la tabla de verdad, podemos escribir la expresión booleana para la salida del multiplexor 2 a 1.

En notación simple

S	Y
0	D 0
1	D 1

Como se muestra en la tabla anterior, cuando seleccione la entrada S = 0, la salida Y = D ₀ y cuando S = 1, Y = D ₁ . Podemos aumentar aún más el número de entradas de datos que se seleccionarán y se pueden implementar circuitos multiplexores más grandes utilizando un multiplexor 2 a 1 más pequeño.

También podemos implementar todos los multiplexores usando la puerta NAND . Tenga en cuenta que las puertas NAND y NOR son una puerta universal y podemos implementar cualquier circuito digital utilizando puertas NAND y NOR.

Multiplexor 4 a 1

Diagrama de circuito de multiplexor 4 a 1

Un multiplexor 4 a 1 es un multiplexor digital que tiene cuatro entradas de datos, dos líneas de selección y una salida. Para implementar un circuito multiplexor 4 a 1, necesitamos 4 puertas Y, una puerta O y una puerta 2 NO.

En un multiplexor 4 a 1, cuatro entradas D ₀ , D ₁ , D ₂ y D ₃ , dos líneas de selección de datos que son S ₀ y S ₁ como 4 entradas representan = = líneas de control de datos. Una de estas cuatro entradas se conectará a la salida según la combinación de las entradas en las líneas de selección.

El diagrama de bloques, el símbolo lógico y la analogía del circuito de conmutación del multiplexor 4 a 1 se muestran en la siguiente figura.

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Principio de funcionamiento del multiplexor 4 a 1

Si se seleccionan ambas entradas , entonces la puerta Y superior está habilitada y todas las demás puertas Y están deshabilitadas. Entonces, la entrada de datos se selecciona y se transmite como salida. Por lo tanto, obtenemos la salida .

Si se seleccionan las dos entradas , entonces la puerta Y más inferior está habilitada y todas las demás puertas Y están deshabilitadas. Entonces, la entrada de datos se selecciona y se transmite como salida. Por lo tanto, obtenemos salida .

Tabla de verdad del multiplexor 4 a 1

La siguiente tabla muestra la tabla de verdad para el multiplexor 4 a 1.

S 0	S 1	Y
0	0	D 0
0	1	D 1
1	0	D 2
1	1	D 3

Aquí, el multiplexor de 4 entradas conecta una de las cuatro fuentes de 1 bit a una salida común, por lo que produce un multiplexor de 4 a 1.

Expresión booleana multiplexor 4 a 1

De la tabla de verdad, podemos escribir la expresión booleana para la salida.

Multiplexor 8 a 1

Diagrama de circuito de multiplexor de 8 a 1

Un multiplexor 8 a 1 es un multiplexor digital que tiene 8 entradas de datos, 3 líneas de selección y una salida. Para implementar un circuito multiplexor de 8 a 1, necesitamos 8 puertas Y, una puerta O y una puerta 3 NO.

En el multiplexor 8 a 1, ocho entradas D ₀ , D ₁ , D _2, D ₃ , D ₄ , D ₅ , D ₆ y D ₇ , tres líneas de selección de datos que son S ₀ , S ₁ y S ₂ ya que las 8 entradas representan 2 ^m = 2 ³ líneas de selección de datos. En un multiplexor de 8 a 1, la selección de una línea de entrada particular está controlada por tres líneas de selección.

El diagrama de bloques del multiplexor 8 a 1 se muestra en la siguiente figura.

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Principio de funcionamiento del multiplexor 8 a 1

Si todas las tres entradas de selección , , entonces la puerta Y superior está activado y el resto de la puerta Y está desactivado. Por tanto, la entrada de datos D ₀ se selecciona y se transmite como salida. Por lo tanto, obtenemos la salida .

Si todas las tres entradas de selección , , entonces el más inferior puerta Y está activado y el resto de la puerta Y está desactivado. Por tanto, la entrada de datos D ₇ se selecciona y se transmite como salida. Por lo tanto, obtenemos salida .

Tabla de verdad del multiplexor de 8 a 1

La siguiente tabla muestra la tabla de verdad para el multiplexor 8 a 1.

S 0	S 1	S 2	Y
0	0	0	D 0
0	0	1	D 1
0	1	0	D 2
0	1	1	D 3
1	0	0	D 4
1	0	1	D 5
1	1	0	D 6
1	1	1	D 7

Expresión booleana multiplexor 8 a 1

De la tabla de verdad, podemos escribir la expresión booleana para la salida.

Multiplexor Arduino

La multiplexación es una técnica muy eficiente para controlar muchos componentes conectados entre sí en forma de una matriz o matriz, y esto es cierto para Arduino. Dichos componentes son LED , sensores , botones y otros componentes que vienen incluidos en cualquiera de los mejores kits de inicio de Arduino .

La configuración del multiplexor IC para Arduino se muestra en la siguiente figura. Aquí, usamos el IC multiplexor 74HC4051 de 8 canales.

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Configuración del multiplexor IC 74HC4051 a Arduino:

• + V _CC suministra al IC y está conectado al pin de suministro de 5V de Arduino.

• es el pin de habilitación, -V _EE es el pin de voltaje de suministro negativo y el pin GND está conectado al pin GND de Arduino. (Tenga en cuenta que generalmente es un terminal bajo activo, significa que habilitará el chip cuando esté conectado a GND. Si lo conectamos a una fuente de 5 V, deshabilitará el chip multiplexor y dará una salida Y = 0 independientemente de cualquier condición de entrada. )

• Los pines de control S ₀ , S ₁ y S ₃ controlan la salida y está conectado a los pines 2, 3 y 4 de Arduino.

• La salida Y está conectada a cualquiera de los pines de entrada digital 6 a 12 de Arduino si las entradas al chip son digitales. Pero si las entradas al chip son analógicas, entonces el pin de salida está conectado a los pines de entrada analógica de A ₀ a A ₅ de Arduino.

Aquí, las entradas al multiplexor pueden ser sensores, botones o potenciómetros . Tenga en cuenta que la entrada a los multiplexores puede ser analógica o digital. Algunas personas prefieren usar Raspberry Pis en lugar de Arduinos. Si no está seguro, es posible que desee obtener información sobre Arduino vs Raspberry Pi .

Circuitos integrados multiplexores (CI)

Los circuitos integrados (IC) de multiplexores disponibles, sus funciones y el estado de salida se enumeran en la siguiente tabla.

Número de IC	Función	Estado de salida
74150	Multiplexor 16: 1	Salida invertida
74151	Multiplexor 8: 1	Salida invertida
74153	Multiplexor doble 4 a 1	La salida es igual a la entrada
74352	Multiplexor doble 4 a 1	Salida invertida
74157	Multiplexor cuádruple 2 a 1	La salida es igual a la entrada
74158	Multiplexor cuádruple 2 a 1	Salida invertida

¿Qué es un árbol multiplexor o multiplexores encadenados?

Los multiplexores que tienen un mayor número de entradas se pueden obtener conectando en cascada dos o más multiplexores con un menor número de entradas.

En otras palabras, se pueden construir multiplexores más grandes encadenando multiplexores más pequeños. Esto se conoce como árbol multiplexor o multiplexor de encadenamiento.

Por ejemplo, un multiplexor de 8 a 1 se puede construir conectando en cascada dos multiplexores de 4 a 1 y uno de 2 a 1. La salida de los dos multiplexores 4 a 1 se da al multiplexor 2 a 1 con las líneas de selección en los multiplexores 4 a 1 puestas en paralelo, lo que da un número total de entradas seleccionadas a 3, que es equivalente a un multiplexor de 8 a 1. Veamos un ejemplo.

Ejemplo: Obtenga un multiplexor 8 a 1 utilizando dos multiplexores 4 a 1

Solución:

• La conexión en cascada de dos multiplexores 4 a 1 da como resultado el multiplexor 8 a 1 como se muestra en la figura siguiente.
• Hay 8 entradas de datos que son D ₀ a D _7.
• Las entradas de selección S ₀ y S ₁ de ambos multiplexores 4 a 1 están conectadas en paralelo mientras que la tercera entrada de selección S ₂ se utiliza para habilitar un multiplexor a la vez.
• La entrada de selección S ₂ se conecta directamente al terminal de habilitación (E) de MUX-1, mientras que S ₂ ^– se conecta al terminal de habilitación de MUX-2.
• La salida de ambos multiplexores se conecta a la puerta OR para obtener la salida final Y.

La tabla de verdad se muestra en la siguiente tabla. Obtenemos la salida , , , y cuando MUX-1 está activada y , , , y cuando MUX-2 activado.

S 0	S 1	S 2	Y
0	0	0	D 0
0	0	1	D 1
0	1	0	D 2
0	1	1	D 3
1	0	0	D 4
1	0	1	D 5
1	1	0	D 6
1	1	1	D 7

Ventajas de un multiplexor

Algunas de las ventajas de un multiplexor incluyen:

• Un multiplexor reduce la cantidad de cables utilizados. Por lo tanto, reduce la complejidad del circuito y el costo total.
• Un multiplexor mejora la confiabilidad de los sistemas digitales porque reduce el número de conexiones por cable externas.
• Podemos implementar muchos circuitos combinacionales usando MUX.
• El multiplexor simplifica el diseño lógico.
• El multiplexor no necesita k-maps (mapa de Karnaugh) y simplificación.

Aplicaciones de un multiplexor

Algunas de las aplicaciones de los multiplexores incluyen:

Sistemas de comunicación

• Los multiplexores se utilizan como un selector de datos para seleccionar una de las muchas entradas de datos en los sistemas de comunicación para transmitir los diversos tipos de datos (audio, video, etc.) en el mismo instante. Por lo tanto, aumenta la eficiencia del sistema de comunicación al permitir varios tipos de datos en líneas de transmisión únicas .

Redes telefónicas

• En una red telefónica, los multiplexores pueden usarse para transmitir múltiples señales de audio en un solo canal.

Memorias de computadora

• En la memoria de la computadora, los multiplexores se utilizan para implementar una gran cantidad de datos, al mismo tiempo se reduce la cantidad de cables de cobre necesarios para conectar la memoria a otras partes de la computadora.

Transmisión del sistema informático a los satélites

• Los multiplexores también se utilizan para transmitir los datos desde el sistema informático de una nave espacial o satélite a la tierra utilizando “GPS” (Sistema de posicionamiento global) y “GSM” (Sistema global para comunicaciones móviles).

Algunas otras aplicaciones incluyen:

• Multiplexores se pueden utilizar para implementar el circuito lógico combinatorio como sistemas de tiempo-multiplexación y sistemas de multiplexado de frecuencia, A / D y D / A convertidor .
• Los multiplexores se pueden utilizar para implementar funciones booleanas de múltiples variables.
• Los multiplexores se utilizan en sistemas de adquisición de datos.