Multiplexer

Ein Multiplexer ist eine Schaltvorrichtung, die eines von mehreren Eingangssignalen auswählt und auf eine einzelne Ausgangsleitung schaltet. Die Auswahl wird durch Adresseingänge gesteuert, üblicherweise binäre Signale, die dem Multiplexer mitteilen, welchen Eingangskanal zu einem bestimmten Zeitpunkt verbunden werden soll. Im Wesentlichen funktioniert er wie ein schneller elektronischer Drehschalter, der Eingänge unter digitaler Kontrolle durchschaltet, anstatt mechanisch betätigt zu werden.

Multiplexer gibt es in verschiedenen Größen, definiert durch die Anzahl ihrer Eingänge. Ein 2-zu-1-Multiplexer verarbeitet zwei Eingänge und wählt zwischen ihnen; ein 4-zu-1 verarbeitet vier; ein 8-zu-1 verarbeitet acht und so weiter. Die erforderlichen Adressleitungen skalieren logarithmisch, sodass ein 4-zu-1-Multiplexer 2 Adressbits benötigt, um eine von vier Optionen anzugeben, während ein 8-zu-1 3 Bits benötigt. Gebräuchliche integrierte Schaltkreise sind der 74LS157 (Quad 2-zu-1) und der 74LS151 (8-zu-1), wobei moderne Designs häufig programmierbare Logik oder Mikrocontroller für ähnliche Funktionen nutzen.

Bei der analogen Signalaufbereitung schalten Multiplexer Spannungs- oder Stromsignale von mehreren Sensoren in einen einzelnen Datenerfassungskanal, sodass ein Analog-Digital-Wandler viele Eingänge nacheinander abtasten kann. In digitalen Systemen wählen sie zwischen Datenbussen, Steuerleitungen oder Speicheradressen. Die Schaltgeschwindigkeit hängt von der Schaltkreistechnologie und den Lasten ab; Ausbreitungsverzögerungen durch handelsübliche Multiplexer liegen üblicherweise im Nanosekundenbereich (moderne Logikvarianten) bis zum Mikrosekundenbereich (ältere Bauteile).

Häufige Probleme und Entwurfs-Kompromisse

Signalübersprechungen treten auf, wenn eine unzureichende Isolation zwischen Kanälen bewirkt, dass ein Eingang einen anderen beeinflusst, besonders problematisch in hochohmigen Analogschaltungen. Der Durchlasswiderstand in Analogmultiplexern variiert mit Versorgungsspannung und Temperatur und führt zu Verstärkungsfehlern bei Präzisionsmessungen. Schaltübergangsvorgänge und Störimpulse entstehen bei Übergängen, wenn Adressleitungen nicht synchron wechseln und vorübergehend falsche Eingangskombinationen verbinden. In Audio- und Videoanwendungen können Multiplexvorgänge hörbare Knackser oder sichtbare Artefakte erzeugen, wenn das Schalten nicht sorgfältig bezüglich des Datenflusses zeitgesteuert ist.

Der Begriff stammt aus der Telekommunikation, wo das Konzept, mehrere Signale über gemeinsame Infrastruktur zu kombinieren, seinen Ursprung hat. Heute bleiben Multiplexer unverzichtbar in Testgeräten, Datenloggern, Oszilloskopen und Steuersystemen, überall dort, wo mehrere analoge oder digitale Eingänge in begrenzte nachgelagerte Verarbeitung fließen müssen. Das Verständnis von Eingangsimpedanz, Ausbreitungsverzögerung und Durchlasswiderstand ist entscheidend bei der Auswahl oder dem Entwurf von Multiplexerschaltungen für Niederpegelarbeiten.