mạch đa hợp- giải đa hợp.

Làm sao để 8 người ở 1 đầu nói và nghe được 8 người ở đầu bên kia cùng một lúc?. Ta không thể dùng 8 đường dây để kết nối cho 8 đường tín hiệu được vì tốn kém, bị nhiễu giữa các đường dây hay suy giảm tín hiệu trên đường dây đặc biệt khi khoảng cách truyền xa lên hay có nhiều hơn số đường cần truyền (16, 32, 100,…). Có 1 cách là ghép các đường tín hiệu lại với nhau để giảm bớt số đường truyền và rõ ràng bên nhận được cũng phải tách đường nhận được trở lại 8 đường tín hiệu ban đầu nhưng để không lẫn lộn giữa các đường tín hiệu ghép lại thì cần phải đặt cho mỗi đường một mã riêng. Mạch điện tử thực hiện chức năng ghép nhiều đường lại với nhau được gọi là mạch dồn kênh còn mạch điện tử sẽ tách đường nhận được ra nhiều đường tín hiệu ban đầu được gọi là mạch tách kênh. Mạch dồn kênh và tách kênh ngày nay được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hiện đại liên quan trực tiếp tới điện tử như ghép tách kênh điện thoại, kênh truyền hình, truyền dữ liệu nối tiếp, mạng truyền internet,… Với tần số hoạt động được của các IC mạch số hàng Mhz trở lên nên cho phép ghép truyền được rất nhiều đường tín hiệu và dữ liệu đi coi như là đồng thời. Phần này ta sẽ tìm hiểu về các mạch dồn kênh, tách kênh dùng IC số và những ứng dụng liên quan.

Mạch dồn kênh là gì?

Mạch dồn kênh hay còn gọi là mạch ghép kênh, đa hợp (Multiplexer-MUX) là 1 dạng mạch tổ hợp cho phép chọn 1 trong nhiều đường ngõ vào song song (các kênh vào) để đưa tới 1 ngõ ra (gọi là kênh truyền nối tiếp). Việc chọn đường nào trong các đường ngõ vào do các ngõ chọn quyết định. Ta thấy MUX hoạt động như 1 công tắc nhiều vị trí được điều khiển bởi mã số. Mã số này là dạng số nhị phân, tuỳ tổ hợp số nhị phân này mà ở bất kì thời điểm nào chỉ có 1 ngõ vào được chọn và cho phép đưa tới ngõ ra.

Các mạch dồn kênh thường gặp là 2 sang 1, 4 sang 1, 8 sang 1, …Nói chung là từ 2ⁿ sang 1. Mục dưới sẽ nói đến mạch dồn kênh 4 sang 1

1.1 Mạch dồn kênh 4 sang 1

Hình 2.2.1 Mạch dồn kênh 4 sang 1 và bảng hoạt động

Mạch trên có 2 ngõ điều khiển chọn là S0 và S1 nên chúng tạo ra 4 trạng thái logic. Mỗi một trạng thái tại một thời điểm sẽ cho phép 1 ngõ vào I nào đó qua để truyền tới ngõ ra Y. Như vậy tổng quát nếu có 2ⁿ ngõ vào song song thì phải cần n ngõ điều khiển chọn.

Cũng nói thêm rằng, ngoài những ngõ như ở trên, mạch thường còn có thêm ngõ G : được gọi là ngõ vào cho phép (enable) hay xung đánh dấu (strobe). Mạch tổ hợp có thể có 1 hay nhiều ngõ vào cho phép và nó có thể tác động mức cao hay mức thấp. Như mạch dồn kênh ở trên, nếu có thêm 1 ngõ cho phép G tác động ở mức thấp, tức là chỉ khi G = 0 thì hoạt động dồn kênh mới diễn ra còn khi G = 1 thì bất chấp các ngõ vào song song và các ngõ chọn, ngõ ra vẫn giữ cố định mức thấp (có thể mức cao tuỳ dạng mạch)

Như vậy khi G = 0

S1S0 = 00, dữ liệu ở I0 sẽ đưa ra ở Y

S1S0 = 01, dữ liệu ở I1 sẽ đưa ra ở Y

S1S0 = 10, dữ liệu ở I2 sẽ đưa ra ở Y

S1S0 = 11, dữ liệu ở I3 sẽ đưa ra ở Y

do đó biểu thức logic của mạch khi có thêm ngõ G là

Y =G.S₁S₀I₀ + G.S₁SI₁ + G.S₁S₀I₂ + G.S₁S₀I₃

Ta có thể kiểm chứng lại biểu thức trên bằng cách : từ bảng trạng thái ở trên, viết biểu thức logic rồi rút gọn (có thể dùng phương pháp rút gọn dùng bìa Kạc nô.

Và sau đó bạn có thể xây dựng mạch dồn kênh trên bằng các cổng logic. Cấu tạo logíc của mạch như sau : (lưu ý là trên hình không xét đến chân cho phép G)

Nhận thấy rằng tổ hợp 4 cổng NOT để đưa 2 đường điều khiển chọn S0, S1 vào các cồng AND chính là 1 mạch mã hoá 2 sang 4, các ngõ ra mạch mã hoá như là xung mở cổng AND cho 1 trong các đường I ra ngoài. Vậy mạch trên cũng có thể vẽ lại như sau :

Hình 2.2.2 Cấu trúc mạch dồn kênh 4 sang

1

Hình 2.2.3 Dồn kênh 4 sang 1 từ giải mã 2 sang 4

1.2 Một số IC dồn kênh hay dùng

Hình 2.2.4 Kí hiệu khối của một số IC dồn kênh hay dùng

74LS151 có 8 ngõ vào dữ liệu, 1 ngõ vào cho phép G tác động ở mức thấp, 3 ngõ vào chọn C B A, ngõ ra Y còn có ngõ đảo của nó : Y. Khi G ở mức thấp nó cho phép hoạt động ghép kênh mã chọn CBA sẽ quyết định 1 trong 8 đường dữ liệu được đưa ra ngõ Y. Ngược lại khi G ở mức cao, mạch không được phép nên Y = 0 bất chấp các ngõ chọn và ngõ vào dữ liệu.
74LS153 gồm 2 bộ ghép kênh 4:1 có 2 ngõ vào chọn chung BA mỗi bộ có ngõ cho phép riêng, ngõ vào và ngõ ra riêng. Tương tự chỉ khi G ở mức 0 ngõ Y mới giống 1 trong các ngõ vào tuỳ mã chọn.
74LS157 gồm 4 bộ ghép kênh 2:1 có chung ngõ vào cho phép G tác động ở mức thấp, chung ngõ chọn A. Ngõ vào dữ liệu 1I0, 1I1 có ngõ ra tương ứng là 1Y, ngõ vào dữ liệu 2I0, 2I1 có ngõ ra tương ứng là 2Y, … Khi G ở thấp và A ở thấp sẽ cho dữ liệu vào ở ngõ nI0 ra ở nY (n = 1,2,3,4) còn khi A ở cao sẽ cho dữ liệu vào ở nI1 ra ở nY. Khi

= 1 thì Y = 0

Chẳng hạn với 74LS153, kí hiệu khối, chân ra, bảng trạng thái và cấu tạo logic được minh hoạ ở những hình dưới, với những IC khác cũng tương tự, bạn có thể tìm thấy trong tờ dữ liệu ở phần phụ lục

Hình 2.2.5 Kí hiệu khối và chân ra của 74LS153

Bảng sự thật của 74LS53

Hình 2.2.6 Cấu tạo bên trong của 74LS153

1.3 Ứng dụng

a) Mở rộng kênh ghép

Các mạch ghép kênh ít ngõ vào có thể được kết hợp với nhau để tạo mạch ghép kênh nhiều ngõ vào. Ví dụ để tạo mạch ghép kênh 16:1 ta có thể dùng IC 74LS150 hoặc các IC tương tự, nhưng có 1 cách khác là ghép 2 IC 74LS151

Sơ đồ ghép như sau :

Hình 2.2.7 Hai cách mở rộng kênh ghép 16 sang 1 từ IC74LS151

(74LS151 là IC dồn kênh 8 sang 1)

b) Chuyển đổi song song sang nối tiếp:

Các dữ liệu nhị phân nhiều bit, chẳng hạn mã ASCII, word,... thường được xử lí song song, tứ là tất cả chúng được làm 1 lúc. Trong máy tính, dữ liệu được di chuyển từ nơi này đến nơi khác cùng 1 lúc trên các đường dẫn điện song song gọi là các bus. Khi dữ liệu được truyền đi qua khoảng cách dài chẳng hạn hàng chục mét thì cách truyền song song không còn thích hợp vì tốn nhiều đường dây, rồi nhiễu, .... Lúc này mạch dồn kênh có thể dùng như mạch chuyển đổi song song sang nối tiếp tương tự như mạch ghi dịch mà ta đã xét ở phần trước.

Cách nối

Hình 2.2.8 Chuyển đổi dữ liệu truyền từ song song sang nối tiếp

Mạch ở hình trên cho phép truyền dữ liệu 16 bit trên đường truyền nối tiếp thông qua IC dồn kênh 74LS150. Tất nhiên cần 1 mạch đếm để tạo mã số nhị phân 4 bit cho 4 ngõ chọn của mạch dồn kênh (chẳng hạn 74LS93). Mạch đếm hoạt động khiến mã chọn thay đổi từ 0000 rồi 0001, rồi đến 1111 và lại vòng trở lại 0000 đếm lên tiếp khiến dữ liệu vào song song được chuyển đổi liên tiếp sang nối tiếp. Cũng cần phải có một mạch dao động để tạo xung kích cho mạch đếm, nếu tần số dao động tạo xung kích cho mạch đếm rất lớn thì dữ liệu được luân chuyển nhanh, và với tốc độ lớn như vậy với cảm nhận của con người thì dữ liệu dường như được truyền đồng thời. Nguyên lí này được áp dụng cho ghép kênh điện thoại và nhiều ứng dụng khtransistor

c) Dùng dồn kênh để thiết kế tổ hợp:

Các mạch dồn kênh với hoạt động logic như đã xét ở trước ngoài cách dùng để ghép nhiều đường ngõ vào còn có thể dùng để thiết kế mạch tổ hợp đôi khi rất dễ dàng vì :

Không cần phải đơn giản biểu thức nhiều

Thường dùng ít IC

Dễ thiết kế

Bài toán thiết kế mạch tổ hợp như bảng dưới đây cho thấy rõ hơn điều này

Ví dụ : Thiết kế mạch tổ hợp thoả bảng sự thật sau

Từ bảng sự thật ta có biểu thức logic là :

Y=ABC+ABC+ABC+ABC

Đây là biễu thức thuộc dạng tổng của các tích. Như cách thiết kế ở trước ta sẽ sử dụng các cổng logic gồm 3 cổng NOT, 4 cổng NAND, 1 cổng OR, còn nếu chuyển sang dùng toàn cổng NAND không thì phải cần tới 3 cổng NAND 2 ngõ vào, 4 cổng NAND 3 ngõ vào và 1 cổng NAND 4 ngõ vào chưa kể là phải đơn giản biểu thức nếu có thể trước khi thực hiện.

Bây giờ ta sẽ sử dụng IC dồn kênh 8 sang 1. 3 ngõ vào A, B, C sẽ được nối tới 3 ngõ chọn của IC, căn cứ vào thứ tự tổ hợp trong bảng nếu Y là 0 thì sẽ phải nối ngõ vào ghép kênh tương ứng xuống mass, còn nếu Y là 1 thì nối ngõ vào ghép kênh tương ứng lên nguồn (có thể qua R giá trị 1K). Hình 2.2.9 sẽ minh hoạ cho cách nối trên và nếu bạn kiểm tra lại sẽ thấy mạch hoàn toàn thoả điều kiện đề ra của bài toán.

Hình 2.2.9 Thiết kế tổ hợp dùng mạch dồn kênh

Mạch tách kênh là gì?

Bộ chuyển mạch phân kênh hay còn gọi là tách kênh, giải đa hợp (demultiplexer) có chức năng ngược lại với mạch dồn kênh tức là : tách kênh truyền thành 1 trong các kênh dữ liệu song song tuỳ vào mã chọn ngõ vào. Có thể xem mạch tách kênh giống như 1 công tắc cơ khí được điều khiển chuyển mạch bởi mã số. Tuỳ theo mã số được áp vào ngõ chọn mà dữ liệu từ 1 đường sẽ được đưa ra đường nào trong số các đường song song.

Các mạch tách kênh thường gặp là 1 sang 2, 1 sang 4, 1 sang 8, ...Nói chung từ 1 đường có thể đưa ra 2ⁿ đường, và số đường để chọn sẽ phải là n. Mục dưới sẽ nói đến mạch tách kênh 1 sang 4

2.1 Mạch tách kênh 1 sang 4

Hình 2.2.9 Mạch tách kênh 1 sang 4

Mạch tách kênh từ 1 đường sang 4 đường nên số ngõ chọn phải là 2

Khi ngõ cho phép G ở mức 1 thì nó cấm không cho phép dữ liệu vào được truyền ra ở bất kì ngõ nào nên tất cả các ngõ ra đều ở mức 0

Như vậy khi G = 0 BA = 00 dữ liệu S được đưa ra ngõ Y0, nếu S = 0 thì Y0 cũng bằng 0 và nếu S = 1 thì Y0 cũng bằng 1,tức là S được đưa tới Y0; các ngõ khác không đổi

Tương tự với các tổ hợp BA khác thì lần lượt ra ở S sẽ là Y1, Y2, Y3

Biểu thức logic của các ngõ ra sẽ là :

Y0 = G.B.A.S

Y1 = G.B.A.S

Y2 = G.B.A.S

Y3 = G.B.A.S

Từ đây có thể dùng cổng logic để thiết kế mạch tách kênh

Hình 2.2.10 Cấu trúc của mạch tách kênh 1 sang 4

Ví dụ : Khảo sát IC 74LS155

Hình 2.2.12 Kí hiệu khối và chân ra của 74LS155

Trong cấu trúc của nó gồm 2 bộ tách kênh 1 sang 4, chúng có 2 ngõ chọn A0A1 chung, ngõ cho phép cũng có thể chung khi nối chân 2 nối với chân 15). Một lưu ý khác là bộ tách kênh đầu có ngõ ra đảo so với ngõ vào (dữ liệu vào chân 1 không đảo) còn bộ tách kênh thứ 2 thì ngõ vào và ngõ ra như nhau khi được tác động ( dữ liệu vào chân 14 đảo).

Cấu trúc logic của mạch không khác gì so với mạch đã xét ở trên ngoài trừ mạch có thêm ngõ cho phép

Bảng sự thật của 74LS155

Mạch tách kênh hoạt động như mạch giải mã

Nhiều mạch tách kênh còn có chức năng như 1 mạch giải mã. Thật vậy,vào dữ liệu S không được dùng như 1 ngõ vào dữ liệu nối tiếp mà lại dùng như ngõ vào cho phép còn các ngõ vào chọn CBA khi này lại được dùng như các ngõ vào dữ liệu và các ngõ ra vẫn giữ nguyên chức năng thì mạch đa hợp lại hoạt động như 1 mạch giải mã.

Tuỳ thuộc mã dữ liệu áp vào ngõ C B A mà một trong các ngõ ra sẽ lên cao hay xuống thấp tuỳ cấu trúc mạch. Như vậy mạch tách kênh 1:4 như ở trên đã trở thành mạch giải mã 2 sang 4 . Thực tế ngoài ngõ S khi này trở thành ngõ cho phép giải mã, mạch trên sẽ phải cần một số ngõ điều khiển khác để cho phép mạch hoạt động giải mã hay tách kênh; còn cấu tạo logic của chúng hoàn toàn tương thích nhau. Hình sau cho phép dùng mạch tách kênh 1 sang 4 để giải mã 2 sang 4

Hình 2.2.13 Mạch tách kênh hoạt động như mạch giải mã

Tương tự ta cũng có các loại mạch khác như vừa tách kênh 1:8 vừa giải mã 3:8, tách kênh 1:16/giải mã 4:16…

2.2 Một số IC giải mã tách kênh hay dùng

Khảo sát IC tách kênh/giải mã tiêu biểu 74LS138

Hình 2.2.14 Kí hiệu khối và chân ra của 74LS138

Trong đó

Hình 2.2.15 Cấu trúc bên trong 74LS138

Hoạt động giải mã như sau :
- Đưa dữ liệu nhị phân 3bit vào ở C, B, A(LSB), lấy dữ liệu ra ở các ngõ O0 đến O7; ngõ cho phép E2 và E3 đặt mức thấp, ngõ cho phép E1 đặt ở mức cao. Chẳng hạn khi CBA là 001 thì ngõ O1 xuống thấp còn các ngõ ra khác đều ở cao.
Hoạt động tách kênh :
- Dữ liệu vào nối tiếp vào ngõ E2, hay E3 (với ngõ còn lại đặt ở thấp). Đặt G = 1 để cho phép tách kênh. Như vậy dữ liệu ra song song vẫn lấy ra ở các ngõ O0 đến O7. Chẳng hạn nếu mã chọn là 001thì dữ liệu nối tiếp S sẽ ra ở ngõ O1 và không bị đảo.
Mở rộng đường giải mã : 74LS138 dùng thêm 1 cổng đảo còn cho phép giải mã địa chỉ từ 5 sang 32 đường (đủ dùng trong giải mã địa chỉ của máy vi tính). Hình ghép nối như sau :

Hình 2.2.16 Ghép 4 IC 74LS138 để có mạch giải mã 5 đường sang 32 đường

Các IC giải mã tách kênh khác:
Khảo sát IC 4051

Hình 2.2.17 Chân ra 4051

Cấu trúc logic mạch khá phức tạp như hình dưới đây

Hình 2.2.18 Cấu trúc mạch của 4051

2.3 Ứng dụng

Dùng mạch tách kênh thiết kế mạch logic

Nếu sử dụng cách cũ, ta sẽ xây dựng bìa K, rồi rút gọn, với 4 ngõ vào, 4 ngõ ra, xem ra việc rút gọn khá dài và phức tạp. Dùng IC 74154 (giải mã 4 sang 16, tách kênh 1 sang 16), thì bài toán sẽ đơn giản hơn.
Thật vậy, trước hết cần nối 4 ngõ vào A, B, C, D tới 4 ngõ chọn của IC tách kênh, rồi dựa vào bảng sự thật ở trên ,ta xác định các vị trí tổ hợp làm Y0 lên 1. Bên mạch giải mã/tách kênh ta sẽ nối các ngõ ra tương ứng với vị trí tổ hợp tới Y0. Vì có tất cả 5 ngõ ra lên 1 nên cuối cùng Y0 sẽ là NAND của 5 ngõ ra ấy. Tương tự với các ngõ ra Y1, Y2, Y3. Cách nối mạch như hình dưới đây

Hình 2.2.19 Ứng dụng mạch tách kênh thiết kế tổ hợp

Nếu trong 1 cột ngõ ra mà số bit 0 nhiều hơn số bit 1 thì ta sẽ dùng cổng NOR gom tất cả các ngõ bit 0 ấy.

Chia sẻ đường truyền

Hình 2.2.20 Truyền dữ liệu nối tiếp

Để ý là mạch giải mã/tách kênh ở bên nhận cũng phải cần mã chọn áp vào các ngõ DCBA, mã này được lấy từ mạch đếm bên truyền, do đó dữ liệu bên truyền đi và bên nhận lại mới đồng bộ nhau. Như vậy ta sẽ cần 5 đường dây gồm 1 đường truyền dữ liệu nối tiếp, 1 đường mass chung và 4 đường mã số chọn. Ngoài ra do mạch đếm tự động reset khi đếm hết mã (lên 1111) làm dữ liệu được truyền liên tục nên ta cần phải có 1 mạch chốt ở ngõ ra song song để chặn dữ liệu lại khi đủ 16 bit truyền mới cho ra một lượt
Thực ra thì cách truyền này vẫn chưa hiệu quả lắm,chỉ dùng ở khoảng cách gần, ta vẫn có thể giảm bớt số dây chuyền đi nữa (thay vì 6 đường dây như ở trên). Thật vậy, thay vì truyền đi tới 4 đường cho mã số chọn từ mạch đếm ta sẽ chỉ truyền đi 1 đường xung đồng hồ chung tức là bên nhận sẽ đặt thêm 1 mạch đếm nữa để tạo mã số chọn cho bộ giải mã/tách kênh và mạch đếm này được cấp xung ck giống như mạch đếm của bên truyền. Cách hay hơn nữa là truyền xung ck ngay trên đường truyền nối tiếp, tất nhiên ta phải mã hoá xung ck lại để nó không lẫn lộn với dữ liệu truyền và bên nhận cũng phải có 1 mạch phát hiện và tách xung ck ra khỏi dữ liệu nhận. Đây được gọi là cách truyền tin (dữ liệu) nối tiếp đồng bộ (synchronuous data transmission). Ngoài ra còn có cách truyền tin nối tiếp không đồng bộ tức là bên truyền và bên nhận không dùng xung đồng hồ như nhau, hay nói cách khác dữ liệu truyền và nhận không đồng bộ nhau. 2 cách truyền này ta sẽ được tìm hiểu rõ hơn nhiều ở môn học “truyền số liệu”, “giao tiếp máy tính”
Cũng cần nói thêm rằng các ngõ vào của mạch dồn kênh không chỉ là 1 byte, 1 word dữ liệu song song cần truyền mà có thể là các đường tín hiệu riêng lẻ, chẳng hạn một số đường lấy từ cảm biến nhiệt độ của lò nhiệt, của các gian phòng chống cháy nổ; một số khác là từ cảm biến dò mực chất lỏng, một số khác lại từ các công tắc tiếp điểm khi bị tác động sẽ tạo mức tín hiệu logic phản hồi, .....Tất cả đều được thu thập chuyển đổi và dồn lại để truyền về nơi cần thiết chẳng hạn phòng giám sát điều khiển. Tại đây các thông tin được tách trở lại và xử lí, hiển thị về tình trạng của nơi đang giám sát thu thập chẳng hạn có kẻ đột nhập cửa, có khói có thể xảy ra cháy, mực nước, nhiệt độ vượt quá mức cho phép hay tất cả vẫn bình thường. Như vậy đây có thể được sử dụng cho hệ thống theo dõi an ninh từ xa.