Digitale Datenselektoren

Sollen von einer Sendestelle Informationen mehrerer Datenkanäle durch einen Ausgangskanal weitergeleitet werden, benötigt man Codierschaltungen zur kontrollierten Datenselektion. Diese Selektionsschaltungen werden Multiplexer, kurz MUX genannt. Sie besitzen zwei oder mehr Eingänge, oft auch zusätzliche digitale Steuereingänge und mindestens einen Ausgang. Die Steuerschaltung arbeitet mit logischen Gattern als elektronische Schalter, die einen mittels Binärcode gewählten Eingang zum Ausgang freischalten. Die Empfangsstelle muss diesen Datenstrom wieder in die einzelnen Kanalinformationen aufteilen. Der zum Multiplexer synchron arbeitende Decoder wird Demultiplexer, kurz DMUX oder DX genannt.

Multiplexer

Multiplexer sind zeitabhängig gesteuerte Datenselektoren. Die serielle Datenübertragung verwendet ein synchrones Zeitmultiplexverfahren, bei dem die Eingangskanäle zyklisch kontinuierlich an den Ausgang durchgeschaltet werden. Anwendung findet das Zeitmultiplex oder Time Division Multiplex, TDM-Verfahren unter anderem zur Ansteuerung von LED- und Fluoreszenzanzeigen und LCD- und Plasmabildschirmen in der ISDN-Telefonie und im Kanalsprungverfahren der Funktelefonie.

Die digitale Steuerung entspricht den Dualzahlen. Mit einem Steuereingang kann zwischen zwei Eingangssignalen gewählt werden. Ein n-MUX hat n Steuersignale, 2ⁿ Eingänge und einen Ausgang. Die Eingänge werden von 0 ... 2ⁿ−1 nummeriert. Die Zählung der Steuerleitungen beginnt ebenfalls mit 0.

1-MUX, ein 2-Bit zu 1-Bit Datenselektor

Auch mit nur zwei Eingängen wird dieser einfachste Datenselektor als Multiplexer bezeichnet. Der 1-MUX hat einen Steuereingang für High oder Low Pegel, zwei Dateneingänge und einen Ausgang. Es gibt ein Schaltzeichen nach DIN 40900 mit einem Steuerblock und darunter liegendem Funktionsblock. Die mit Logikgattern erstellte Schaltung zeigt die Funktionsweise des 1-MUX.

Mit Low am Steuereingang bleibt das obere UND Gatter gesperrt und das untere UND Gatter kann die Eingangsdaten von e1 durch das ODER Gatter zum Ausgang geben. Mit High am Steuereingang kehren sich die Verhältnisse um. Bei dieser einfachen Schaltung kann die Übertragungsgleichung eigentlich direkt aufgestellt werden, wird aber nachfolgend ausführlich hergeleitet.

2-MUX, ein 4-Bit zu 1-Bit Datenselektor

Mit zwei Steuerleitungen ergeben sich vier unterschiedliche Schaltzustände und so lassen sich vier Eingangssignale kontrolliert an einen Ausgang leiten. Liegen die Steuerleitungen an einem Dualzähler, dann kann der 2-MUX Datenselektor im Zeitmultiplexverfahren arbeiten.

Im Steuerblock des DIN-Schaltzeichens ist den Steuereingängen die Wertigkeit 0 und 1 zugeordnet. Die Steuerleitung S0 hat die Wertigkeit 0 und stellt in einer Binärzahl die niederwertigste Stelle 2⁰ dar. Die Steuerleitung S1 mit der Wertigkeit 1 entspricht in einer Binärzahl der Stelle 2¹. Aus den anliegenden Pegeln errechnet sich eine dezimale Indexzahl, die den entsprechenden Eingang dann zum Ausgang schaltet. Mit S0 = 1 und S1 = 1 ist der binäre Index 11 und steht für dezimal 3. Der Eingang e3 wird zum Ausgang a geschaltet.

Beispiele aus der TTL-Serie

Digitale Multiplexer gibt es als vollintegrierte TTL-Bausteine, teils mit speziellen Eigenschaften. Das IC 74153 enthält zwei 4:1 Datenselektoren mit der Option der Kaskadierung. Die ICs 74151 und 74152 sind 8:1 Datenselektoren mit einem direkten und invertierten Ausgang. Das 74150 ist ein 16:1 Datenselektor-IC ebenfalls mit direktem und invertierendem Ausgang. Oft gibt es noch einen Strobe genannten Steuereingang, der mit einem statischen High oder Low Pegel den Ausgang unabhängig von allen anderen Eingängen auf einen konstanten Pegel legt.

Demultiplexer

Mit einem synchron zum Multiplexer gesteuerten Decoder, dem Demultiplexer, kann ein empfangener serieller Datenstrom wieder auf die entsprechenden parallelen Datenkanäle verteilt werden. Die folgende Schaltung zeigt einen 1-Bit zu 4-Bit Decoder, der auch als 2-DMUX bezeichnet werden könnte.

Die in der Wahrheitstabelle mit Stern * belegten Ausgangszustände sind vom ausgewählten Eingangsbit unabhängig und werden bei einem durch die Steuersignale gesperrten UND Gatter auf Low Pegel liegen. Bei der Indizierung der Ein- und Ausgänge findet man keine Einheitlichkeit. Da die Demultiplexer auch als X/Y-Decoder bezeichnet werden, steht X für das Eingangssignal und Y stellt die Ausgänge dar.

In der TTL-Schaltkreisfamilie gibt es vollintegrierte digitale Demultiplexer 2:4 (74139, 74155), 3:8 (74138) und 4:16 (74154) mit zum Teil weiteren Zusatzfunktionen, deren Beschreibungen über die prinzipielle Funktionsweise hinausgehen. Parallel zu den rein digital arbeitenden Datenselektoren gibt es diverse in CMOS-Technik ausgeführte bidirektional arbeitende MUX/DMUX Bausteine. Mit ihnen lassen sich auch analoge Signale übertragen. Die Steuerschaltung arbeitet weiterhin digital und wirkt auf MOS-Transistoren als Analogschalter, Transmissionsgates, die dadurch hochohmig gesperrt oder niederohmig leitend werden.