Analogschalter, Multiplexer und Demultiplexer: Adressleitungen, Steuerpegel, Durchlasswiderstand und Messstellenumschaltung

Analogschalter, Multiplexer und Demultiplexer: Adressleitungen, Steuerpegel, Durchlasswiderstand und Messstellenumschaltung

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Multiplexer, Demultiplexer, Decoder, Adressleitungen, Freigabeeingang, Analogschalter, Analogmultiplexer, Durchlasswiderstand, Leckstrom, Messstellenumschaltung, A/D-Umsetzer, gemultiplexter Bus

tl/dr; (ca. 25 min Lesezeit): Ein Multiplexer wählt über seine Adressleitungen einen von mehreren Kanälen aus, ein Demultiplexer verteilt ein Signal auf einen von mehreren Ausgängen. Dieser Artikel zeigt Schritt für Schritt, wie Du Kanalzahl und Adressleitungen bestimmst, die Steuerpegel an Adress- und Freigabeeingängen festlegst, Multiplexer erweiterst und an einen Zähler anschließt, wie Analogschalter und Analogmultiplexer aufgebaut sind, wie ihr Durchlasswiderstand das Messergebnis verfälscht, wie eine Messstellenumschaltung vor dem A/D-Umsetzer eines Mikrocontrollers arbeitet, wie Du Bausteine anhand ihrer Datenblätter vergleichst und austauschst und was einen gemultiplexten Daten-/Adressbus ausmacht [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 11.11.2026)

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Ein Datenlogger misst die Temperatur an zwölf Stellen eines Kühlhauses, hat aber nur einen A/D-Umsetzer. Ein Mischpult schaltet zwischen vier Mikrofonen um, ohne dass ein Relais klickt. Ein Mikrocontroller spart acht Pins, weil auf denselben Leitungen erst die Adresse und dann die Daten laufen. In allen drei Fällen arbeitet ein Multiplexer: Er verbindet nacheinander jeweils eine von mehreren Leitungen mit einer gemeinsamen Leitung.

Die Übungsaufgaben zu diesem Artikel findest Du unter Übungsaufgaben zu Analogschaltern, Multiplexern und Demultiplexern. Der Artikel setzt die Grundgatter, Funktionstabellen und Dualzahlen aus Logische Verknüpfungen und den Spannungsteiler aus Gleichstromkreis voraus.

Schritt 1: Was ein Multiplexer tut – Kanalzahl und Adressleitungen

Ein Multiplexer (MUX, Datenselektor) hat mehrere Dateneingänge (Kanäle) I_0, I_1, \ldots, einen Ausgang Y und einige Adresseingänge (Steuereingänge, Select) A_0, A_1, \ldots. Die Dualzahl an den Adresseingängen bestimmt, welcher Kanal zum Ausgang durchgeschaltet ist. Das Wort kommt vom lateinischen multiplex („vielfach“): Viele Signale teilen sich nacheinander eine Leitung.

Mit n Adressleitungen lassen sich 2^n verschiedene Dualzahlen bilden, also höchstens

k_\mathrm{max} = 2^n

Kanäle auswählen. Umgekehrt braucht ein Multiplexer mit k Kanälen mindestens

n \geq \log_2 k = \frac{\lg k}{\lg 2}

Adressleitungen, aufgerundet auf die nächste ganze Zahl. Ein 8-Kanal-Multiplexer (8 : 1, „1 aus 8“) braucht \log_2 8 = 3 Adressleitungen. Für 6 Kanäle genügen 2 Leitungen nicht (2^2 = 4), es sind 3 nötig; zwei der acht möglichen Adressen bleiben dann frei.

Zusätzlich hat fast jeder Multiplexer einen Freigabeeingang (Enable, EN, E, Strobe; bei Analogmultiplexern der 4000er-Reihe Inhibit, INH). Nur bei Freigabe ist überhaupt ein Kanal durchgeschaltet. Ist der Freigabeeingang low-aktiv (Überstrich bzw. Negationskreis im Schaltzeichen, z. B. \overline{E}), gibt ein Low-Pegel den Baustein frei; bei INH sperrt ein High-Pegel alle Kanäle.

Schaltzeichen nach DIN EN 60617-12: Der Multiplexer ist ein Rechteck mit dem Kennzeichen MUX. Die Adresseingänge sind zu einem Steuerblock zusammengefasst und tragen die Steuerabhängigkeit G mit dem Bereich der Kanalnummern, z. B. G\frac{0}{7} für die Kanäle 0 bis 7. Ihre Wertigkeiten (1, 2, 4 …) stehen an den einzelnen Eingängen. Die Dateneingänge sind mit den Kanalnummern 0 bis 7 bezeichnet. Aus dem Schaltzeichen liest Du deshalb die Kanalzahl direkt ab: Aus G\frac{0}{15} folgen 16 Kanäle und 4 Adressleitungen.

Schritt 2: Steuerpegel bestimmen und tabellieren

Für jeden Kanal gibt es genau eine Adresse. Um einen Kanal durchzuschalten, wandelst Du seine Kanalnummer in eine Dualzahl um und legst sie an die Adresseingänge: das höchstwertige Bit an den Eingang mit der größten Wertigkeit, das niederwertigste an A_0 (Wertigkeit 1). Dazu kommt der Pegel, der den Baustein freigibt.

Als Beispiel ein digitaler 8:1-Multiplexer mit den Adresseingängen A_2 (Wertigkeit 4), A_1 (2), A_0 (1) und dem low-aktiven Freigabeeingang \overline{E}:

Für Kanal 6 gilt also 6 = 110_2: A_2 = 1, A_1 = 1, A_0 = 0 und \overline{E} = 0. Viele digitale Multiplexer (z. B. der 74HC151) haben zusätzlich einen negierten Ausgang \overline{Y}; bei gesperrtem Baustein liegt Y fest auf 0.

Als Funktionsgleichung geschrieben, ist ein 2:1-Multiplexer Y = (\overline{A_0} \wedge I_0) \vee (A_0 \wedge I_1): Für jeden Kanal gibt es ein UND-Glied, das nur bei „seiner“ Adresse durchlässt, und alle UND-Glieder werden ODER-verknüpft.

Signalform zuordnen: Liegen an den Kanälen unterschiedliche Signale (z. B. Rechtecksignale verschiedener Frequenz, Dauer-0, Dauer-1), zeigt der Ausgang stets das Signal des gerade adressierten Kanals. Ändert sich die Adresse, wechselt auch die Signalform am Ausgang. Ein Impulsdiagramm des Ausgangs liest Du deshalb abschnittsweise: Adresse ablesen → Kanal bestimmen → dessen Signal übernehmen. Während der Freigabeeingang sperrt, bleibt Y = 0.

Schritt 3: Demultiplexer und Decoder

Der Demultiplexer (DEMUX) arbeitet umgekehrt: Er verteilt ein Eingangssignal auf einen von 2^n Ausgängen; die Adresse bestimmt, welcher Ausgang das Signal bekommt. Die übrigen Ausgänge bleiben auf ihrem Ruhepegel.

Ein Decoder (Schaltzeichen-Kennzeichen „X/Y“ bzw. „BIN/1-OF-8“) setzt eine Dualzahl in ein 1-aus-n-Signal um: Genau ein Ausgang ist aktiv, nämlich der, dessen Nummer an den Adresseingängen anliegt. Legst Du das Datensignal an einen Freigabeeingang des Decoders, arbeitet er als Demultiplexer. Der 3-zu-8-Decoder 74HC138 hat drei Freigabeeingänge (\overline{E_1}, \overline{E_2} low-aktiv, E_3 high-aktiv) und low-aktive Ausgänge \overline{Y_0} bis \overline{Y_7}: Der ausgewählte Ausgang geht auf 0, alle anderen bleiben auf 1.

Für die Steuerpegel gilt dasselbe Vorgehen wie beim Multiplexer, nur musst Du alle Freigabebedingungen erfüllen. Beim 74HC138 wird \overline{Y_5} aktiv (0) bei A_2A_1A_0 = 101, \overline{E_1} = 0, \overline{E_2} = 0 und E_3 = 1. Ist auch nur eine Freigabebedingung verletzt, liegen alle Ausgänge auf 1.

Decoder wählen in Geräten zum Beispiel einen von mehreren Speicher- oder Peripheriebausteinen über deren Chip-Select-Eingang aus (siehe Halbleiterspeicher) oder steuern eine von mehreren Anzeigestellen an.

Schritt 4: Multiplexer erweitern und an einen Zähler anschließen

Mehr Kanäle durch zwei Bausteine

Reichen die Kanäle eines Bausteins nicht, schaltest Du mehrere zusammen. Aus zwei 8:1-Multiplexern wird ein 16:1-Multiplexer:

• Die Adressleitungen A_0 bis A_2 liegen an beiden Bausteinen parallel.

• Die neue, höchstwertige Adressleitung A_3 wählt den Baustein über die Freigabeeingänge aus: Bei low-aktiver Freigabe geht A_3 direkt an \overline{E} des ersten Bausteins (Kanäle 0 bis 7) und über einen Inverter an \overline{E} des zweiten (Kanäle 8 bis 15). Bei mehr als zwei Bausteinen übernimmt ein Decoder diese Auswahl.

• Die Ausgänge werden zusammengeführt. Bei digitalen Multiplexern liefert der gesperrte Baustein Y = 0; deshalb verknüpft ein ODER-Glied die beiden Ausgänge. Bei analogen Multiplexern sind im gesperrten Baustein alle Schalter offen (hochohmig); ihre gemeinsamen Anschlüsse dürfen deshalb direkt miteinander verbunden werden.

Die zweite Möglichkeit ist eine Baumstruktur (Kaskade): Die Ausgänge mehrerer Multiplexer gehen an die Kanäle eines weiteren Multiplexers, der über die höherwertigen Adressbits gesteuert wird. Das spart den Inverter bzw. Decoder, das Signal läuft aber über zwei Bausteine.

Willst Du nur wenige Kanäle mehr, lohnt sich ein Blick auf die Bausteinfamilie: Statt zweier 8:1-Bausteine gibt es auch 16:1-Bausteine in einem Gehäuse (z. B. 74HC4067 als Analogmultiplexer), die eine Adressleitung mehr haben.

Adressleitungen an einen Zähler anschließen

Sollen die Kanäle zyklisch nacheinander abgefragt werden, steuert ein Dualzähler (Teiler) die Adressleitungen: Seine Ausgänge Q_0, Q_1, Q_2 … liegen an A_0, A_1, A_2 … Mit jedem Taktimpuls zählt der Zähler weiter und schaltet den nächsten Kanal durch; nach dem letzten Kanal beginnt er wieder bei 0. Jeder Kanal ist für eine Taktperiode T = 1/f durchgeschaltet, ein vollständiger Durchlauf über k Kanäle dauert

t_\mathrm{Zyklus} = k \cdot T = \frac{k}{f}

Werden nicht alle Kanäle gebraucht (z. B. 6 von 8), setzt eine Rücksetzlogik den Zähler nach dem letzten benutzten Kanal zurück. Wie das geht, zeigt Zähler, Frequenzteiler und Schieberegister. Ohne Rücksetzlogik werden die freien Kanäle mit abgefragt; sie sollten dann auf einen definierten Pegel gelegt sein.

Schritt 5: Analogschalter – elektronische Schalter für analoge Signale

Ein digitaler Multiplexer verarbeitet nur Logikpegel: Er erkennt am Eingang 0 oder 1 und erzeugt am Ausgang einen neuen, sauberen Pegel. Für eine Sensorspannung von z. B. 1,37 V oder ein Audiosignal taugt er nicht. Dafür gibt es Analogschalter: elektronische Schalter, die eine analoge Spannung in beide Richtungen möglichst unverfälscht durchleiten oder trennen.

Aufbau: das Transmission-Gate

Ein Analogschalter in CMOS-Technik besteht aus einem n-Kanal- und einem p-Kanal-MOSFET, die parallel geschaltet sind (Transmission-Gate). Ein Inverter steuert die beiden Gates gegenphasig an: Ist der Steuereingang S = 1, liegt das Gate des n-Kanal-MOSFET an U_\mathrm{DD} und das des p-Kanal-MOSFET an Masse – beide leiten. Bei S = 0 sperren beide.

Warum zwei Transistoren? Der n-Kanal-MOSFET leitet gut, solange die Signalspannung deutlich unter U_\mathrm{DD} liegt, der p-Kanal-MOSFET, solange sie deutlich über Masse liegt. Parallel geschaltet, ergänzen sie sich: Über den ganzen Signalbereich bleibt der Durchlasswiderstand klein und einigermaßen gleichmäßig. Da ein MOSFET in beide Richtungen leitet, haben Analogschalter keinen festen Ein- und Ausgang; die Anschlüsse heißen deshalb oft „In/Out“ bzw. X und Y.

Analogschalter und Analogmultiplexer der 4000er-Reihe

Ein Analogmultiplexer besteht aus mehreren Analogschaltern mit einem gemeinsamen Anschluss und einem Decoder, der aus der Adresse genau einen Schalter einschaltet. Weil jeder Schalter in beide Richtungen leitet, ist ein Analogmultiplexer zugleich ein Analogdemultiplexer: Er kann ein Signal vom gemeinsamen Anschluss auf einen von acht Kanälen verteilen.

Analoge und digitale Multiplexer unterscheiden

Ein digitaler Multiplexer kann deshalb einen Analogmultiplexer nicht ersetzen. Umgekehrt kann ein Analogmultiplexer Logiksignale schalten, solange die Last hochohmig ist; er verstärkt sie aber nicht.

Elektronischer statt mechanischer Schalter

Analogschalter ersetzen in vielen Geräten Schiebeschalter, Drehschalter und Relais, etwa für die Messbereichsumschaltung eines Verstärkers oder die Eingangswahl einer Audioanlage. Vorteile: kein Verschleiß und kein Prellen, schnelles Umschalten, Steuerung durch einen Mikrocontroller, kleine Bauform. Für den Umbau eines Geräts ändert sich:

• Der Schalter ist nicht mehr von Hand bedienbar; die Bedienung übernimmt z. B. ein Taster am Mikrocontroller, der den Steuereingang ansteuert.

• Der Analogschalter braucht eine Versorgungsspannung, und das geschaltete Signal muss innerhalb seines Versorgungsbereichs bleiben (bei Wechselspannung ggf. eine negative Versorgung U_\mathrm{EE}).

• Der Steuereingang braucht passende Logikpegel; bei einer anderen Versorgung als der des Mikrocontrollers ist eine Pegelanpassung nötig (siehe Logikfamilien und Pegel).

• R_\mathrm{ON} liegt jetzt in Reihe zum Signal (Schritt 6), und es fließt ein kleiner Leckstrom auch im ausgeschalteten Zustand.

• Ein Analogschalter verträgt nur kleine Ströme (typisch einige mA) und keine Netzspannung; Lasten schaltet er nicht.

Schritt 6: Kennwerte aus dem Datenblatt und der Einfluss des Durchlasswiderstands

Die wichtigsten Kennwerte

Datenblätter von Analogschaltern sind meist englisch. Die wichtigsten Angaben:

R_\mathrm{ON} hängt von der Versorgungsspannung ab: Je größer U_\mathrm{DD}, desto stärker werden die MOSFETs durchgesteuert und desto kleiner wird R_\mathrm{ON}. Das Datenblatt gibt deshalb Werte für mehrere Versorgungsspannungen an, jeweils typisch und maximal. Für eine sichere Auslegung rechnest Du mit dem Maximalwert. Außerdem trennt das Datenblatt die Grenzwerte (absolute maximum ratings, dürfen nie überschritten werden, auch nicht kurz) von den Betriebsbedingungen (recommended operating conditions), für die die Kennwerte garantiert sind.

Einfluss des Durchlasswiderstands auf das Messergebnis

Ein eingeschalteter Analogschalter ist kein idealer Schalter, sondern ein Widerstand R_\mathrm{ON} in Reihe zum Signal. Zusammen mit dem Innenwiderstand R_\mathrm{i} der Signalquelle und dem Eingangswiderstand R_\mathrm{E} der Folgestufe entsteht ein Spannungsteiler:

U_\mathrm{E} = U_\mathrm{q} \cdot \frac{R_\mathrm{E}}{R_\mathrm{i} + R_\mathrm{ON} + R_\mathrm{E}}

Beispiel: Eine Quelle mit U_\mathrm{q} = 1{,}00\ \mathrm{V} und R_\mathrm{i} = 1{,}00\ \mathrm{k\Omega} wird über einen Schalter mit R_\mathrm{ON} = 100\ \Omega an eine Folgestufe mit R_\mathrm{E} = 10{,}0\ \mathrm{k\Omega} gelegt. Ohne Schalter misst die Folgestufe 1{,}00\ \mathrm{V} \cdot 10/11 = 909\ \mathrm{mV}, mit Schalter 1{,}00\ \mathrm{V} \cdot 10/11{,}1 = 901\ \mathrm{mV}. Der Schalter verfälscht das Ergebnis um rund 8 mV. Das ist mehr als ein Quantisierungsschritt eines 10-Bit-A/D-Umsetzers mit 5 V Referenz (4,88 mV).

Daraus folgt:

• Der Fehler ist klein, wenn R_\mathrm{E} \gg R_\mathrm{ON} ist. Deshalb folgt auf einen Analogmultiplexer oft ein Spannungsfolger (Impedanzwandler mit Operationsverstärker): Sein Eingang ist so hochohmig, dass durch R_\mathrm{ON} praktisch kein Strom fließt und an ihm keine Spannung abfällt.

• Schwankt R_\mathrm{ON} mit Temperatur, Signalspannung oder Kanal (\Delta R_\mathrm{ON}), schwankt auch der Fehler. Einen konstanten Fehler könntest Du herauskalibrieren, einen schwankenden nicht.

• Bei hochohmigen Quellen spielt zusätzlich der Leckstrom der geöffneten Kanäle eine Rolle: Er fließt über R_\mathrm{i} und erzeugt den Fehler \Delta U = I_\mathrm{OFF} \cdot R_\mathrm{i}. Bei R_\mathrm{i} = 100\ \mathrm{k\Omega} und I_\mathrm{OFF} = 100\ \mathrm{nA} (heißes Gehäuse) sind das schon 10 mV.

• Ein A/D-Umsetzer mit Abtast-Halte-Glied lädt bei jeder Wandlung einen kleinen Kondensator über R_\mathrm{i} + R_\mathrm{ON}. Ist dieser Widerstand zu groß, wird der Kondensator in der Abtastzeit nicht vollständig geladen. Datenblätter von Mikrocontrollern nennen deshalb einen größten zulässigen Quellenwiderstand (beim ATmega328P z. B. 10 kΩ).

• Weitere Kennwerte für schnelle oder kleine Signale: Kanalübersprechen (crosstalk), Dämpfung im ausgeschalteten Zustand (off isolation), Ladungsinjektion beim Umschalten (charge injection) und Bandbreite.

Schritt 7: Messstellenumschaltung am Mikrocontroller

Warum ein externer Analogmultiplexer?

Ein Mikrocontroller hat meist nur einen A/D-Umsetzer, vor dem intern bereits ein Analogmultiplexer für einige Eingangspins sitzt (beim ATmega328P sechs bzw. acht Kanäle). Sollen mehr Sensoren gemessen werden, setzt Du einen externen Analogmultiplexer davor. Vorteile:

• Mit n Adressleitungen und einem A/D-Eingang misst der Mikrocontroller 2^n Sensoren (z. B. 3 Ausgangspins + 1 Analogpin für 8 Sensoren).

• Alle Messstellen nutzen denselben A/D-Umsetzer und dieselbe Referenz; Verstärkung und Kalibrierung gelten für alle gleich.

• Mehrere Sensoren lassen sich mit einem gemeinsamen Verstärker oder Impedanzwandler hinter dem Multiplexer betreiben.

Der Preis: Die Sensoren werden nacheinander gemessen, nicht gleichzeitig. Nach jedem Umschalten muss das Signal erst einschwingen, bevor der A/D-Umsetzer wandelt.

Der Signalweg

Bei einer Messstellenumschaltung läuft das Signal vom Sensor (z. B. einem NTC-Spannungsteiler) zum Kanal des Analogmultiplexers, durch den eingeschalteten Analogschalter mit R_\mathrm{ON} zum gemeinsamen Anschluss, von dort über einen Spannungsfolger (falls vorhanden) zum A/D-Eingang des Mikrocontrollers. Der Mikrocontroller steuert über Ausgangspins die Adressleitungen und den Freigabeeingang. Ein Messablauf sieht so aus:

1. Adresse des gewünschten Kanals an die Adressleitungen legen, Freigabe aktivieren.

2. Einschwingzeit abwarten (Schaltzeit des Multiplexers, Umladen der Leitungskapazitäten).

3. A/D-Wandlung starten und Ergebnis lesen.

4. Nächste Adresse anlegen und wieder bei 2. weitermachen.

Messstellenzahl erhöhen

Für mehr Messstellen gibt es drei Wege:

• größerer Baustein: 16:1 statt 8:1, eine Adressleitung mehr.

• mehrere Bausteine parallel wie in Schritt 4: gemeinsame Adressleitungen, Auswahl über die Freigabeeingänge (zusätzliche Adressleitung, Inverter oder Decoder); die gemeinsamen Anschlüsse der Analogmultiplexer dürfen verbunden werden, weil gesperrte Bausteine hochohmig sind.

• mehrere Bausteine an verschiedenen A/D-Eingängen: gemeinsame Adressleitungen, jeder Multiplexer an einem eigenen Analogpin; dann wählt die Software den Analogpin.

In jedem Fall müssen Leitungen zum Mikrocontroller ergänzt, die Software angepasst und der zusätzliche Leckstrom der weiteren gesperrten Kanäle bedacht werden.

Eingangskanal des A/D-Umsetzers über Registerbits festlegen

Den internen Multiplexer, die Referenz und den Takt des A/D-Umsetzers stellst Du über Register ein. Beim ATmega328P (z. B. auf dem Arduino Uno) sind das vor allem zwei Register:

• Referenz (REFS1, REFS0): 00 = externe Spannung an AREF, 01 = AVCC (mit Kondensator an AREF), 11 = interne Referenz 1,1 V.

• Eingangskanal (MUX3 … MUX0): die Kanalnummer als Dualzahl, z. B. 0011_2 für ADC3. Das ist nichts anderes als die Adresse des internen Multiplexers.

• ADLAR = 0: Ergebnis rechtsbündig im Registerpaar ADCH:ADCL.

• Umsetzertakt (ADPS2 … ADPS0): Teiler des Systemtakts, 000 und 001 = 2, 010 = 4, 011 = 8 … 111 = 128. Für volle 10-Bit-Auflösung soll der Umsetzertakt zwischen 50 kHz und 200 kHz liegen; bei 16 MHz Systemtakt ergibt der Teiler 128 einen Umsetzertakt von 125 kHz.

• ADEN = 1 schaltet den Umsetzer ein, ADSC = 1 startet eine Wandlung.

Beispiel: Referenz AVCC, Kanal ADC2, rechtsbündig ergibt ADMUX = 0100\,0010_2 = 0x42. In Arduino-C:

ADMUX  = (1 << REFS0) | 2;                                   // AVCC, Kanal ADC2
ADCSRA = (1 << ADEN) | (1 << ADPS2) | (1 << ADPS1) | (1 << ADPS0); // ein, Teiler 128
ADCSRA |= (1 << ADSC);                                       // Wandlung starten
while (ADCSRA & (1 << ADSC));                                // warten, bis fertig
uint16_t wert = ADC;                                         // Ergebnis 0 ... 1023

Die Arduino-Funktion analogRead() erledigt genau diese Schritte. Wie der A/D-Umsetzer selbst arbeitet, zeigt A/D-Umsetzer.

Schritt 8: Bausteine vergleichen und austauschen

Ist ein Baustein nicht lieferbar oder abgekündigt, suchst Du einen Ersatz. Ob ein anderer Typ passt, prüfst Du anhand der Datenblätter in dieser Reihenfolge:

1. Funktion: Gleiche Kanalzahl und Anordnung? Ein 8:1-Multiplexer (4051) und ein Baustein mit zwei 4:1-Multiplexern (4052) haben zwar beide acht Kanäle, aber zwei getrennte Ausgänge und nur zwei Adressleitungen: Ohne Schaltungsänderung (zusätzlicher Umschalter, dritte Adressleitung) ersetzt der eine den anderen nicht. Analog gegen digital (Schritt 5) ist für analoge Signale kein Ersatz.

2. Pinbelegung und Gehäuse: Gleiches Gehäuse und gleiche Anschlussbelegung erlauben den Tausch ohne neue Platine (pin-compatible, drop-in replacement). Varianten derselben Familie (z. B. 4051 und 74HC4051) sind oft pinkompatibel, unterscheiden sich aber in der Polarität des Freigabeeingangs oder den Kennwerten.

3. Elektrische Kennwerte und Grenzwerte: Versorgungsspannungsbereich, Signalbereich, R_\mathrm{ON}, Leckstrom, Logikpegel der Steuereingänge, Temperaturbereich. Der Ersatz muss alle Bedingungen der vorhandenen Schaltung einhalten, insbesondere die Grenzwerte (absolute maximum ratings).

4. Ansteuerung bzw. Bussystem: Manche Bausteine gleicher Funktion werden nicht über parallele Adressleitungen, sondern über einen seriellen Bus (I²C, SPI) gesteuert, ähnlich wie Portexpander oder Digitalpotenziometer. Funktional kann so ein Baustein passen; er braucht aber andere Anschlüsse (z. B. SDA, SCL und Pull-up-Widerstände), eine Busadresse und eine geänderte Software. Dafür werden die bisherigen Adressleitungen frei, und ein zweiter Baustein am Bus braucht keine weiteren Pins, nur eine andere Busadresse.

Neben dem Datenblatt helfen weitere Quellen des Herstellers und Dritter: Application Notes (Anwendungsbeispiele und Auslegungshinweise), Errata (bekannte Fehler eines Bausteins und Abhilfen), Querverweislisten für Ersatztypen (cross reference), Simulationsmodelle sowie Hersteller- und Anwenderforen. Bei Foren gilt: Antworten mit dem Datenblatt gegenprüfen.

Schritt 9: Multiplexverfahren am Daten-/Adressbus

Das Multiplexprinzip gibt es nicht nur für Messsignale. Manche Mikrocontroller (klassisch der 8051) und Prozessoren nutzen dieselben Leitungen nacheinander für die Adresse und für die Daten: Das ist ein gemultiplexter Daten-/Adressbus (Zeitmultiplex). Merkmale:

• Gemeinsame Leitungen tragen in einer ersten Phase das niederwertige Adressbyte (AD0 bis AD7), danach die Daten (D0 bis D7). Die höherwertigen Adressbits (A8 bis A15) haben meist eigene Leitungen.

• Ein Steuersignal (beim 8051 ALE, Address Latch Enable) zeigt an, wann die Adresse anliegt. Mit diesem Signal übernimmt ein externer Adress-Latch (z. B. ein 8-Bit-Latch 74HC573) die Adresse und hält sie fest, während auf den Leitungen schon die Daten laufen.

• Die Lese- und Schreibsignale (\overline{RD}, \overline{WR}) zeigen an, wann die Daten gültig sind.

• Vorteil: weniger Anschlüsse am Gehäuse (im Beispiel 8 Pins gespart) und weniger Leiterbahnen. Nachteil: ein zusätzlicher Baustein (Latch), ein komplizierterer Zeitablauf und geringere Übertragungsrate, weil Adresse und Daten nicht gleichzeitig übertragen werden.

Auch serielle Busse wie I²C sind ein Multiplexverfahren: Adresse, Steuerbits und Daten laufen nacheinander über dieselbe Datenleitung SDA.

Wie geht es weiter?

Multiplexer und Analogschalter verbinden die Digitaltechnik mit der Messtechnik:

• Aufgaben zu allen Schritten dieses Artikels: Übungsaufgaben zu Analogschaltern, Multiplexern und Demultiplexern

• Grundgatter, Funktionstabellen und Dualzahlen: Logische Verknüpfungen

• Spannungsteiler und belasteter Spannungsteiler: Gleichstromkreis

• Zähler als Adressgeber und Rücksetzlogik: Zähler, Frequenzteiler und Schieberegister

• A/D-Umsetzer, Abtastung und Auflösung: A/D-Umsetzer

• Logikpegel und Pegelanpassung: Logikfamilien und Pegel

• Adressdecodierung und Chip-Select: Halbleiterspeicher

Leitfragen

1. Wie viele Kanäle kann ein Multiplexer mit 5 Adressleitungen höchstens auswählen, und wie viele Adressleitungen braucht einer mit 12 Kanälen? Antwort

2^5 = 32 Kanäle; für 12 Kanäle reichen 3 Leitungen nicht (2^3 = 8), es sind 4 nötig (2^4 = 16). siehe Abschnitt „Schritt 1: Was ein Multiplexer tut – Kanalzahl und Adressleitungen“

2. Welche Pegel brauchst Du an einem 8:1-Multiplexer mit low-aktivem \overline{E}, um Kanal 3 durchzuschalten? Antwort

3 = 011_2: A_2 = 0, A_1 = 1, A_0 = 1 und \overline{E} = 0. siehe Abschnitt „Schritt 2: Steuerpegel bestimmen und tabellieren“

3. Worin unterscheiden sich Multiplexer, Demultiplexer und Decoder? Antwort

Der Multiplexer wählt einen von vielen Eingängen für einen Ausgang aus, der Demultiplexer verteilt einen Eingang auf einen von vielen Ausgängen, der Decoder setzt eine Dualzahl in ein 1-aus-n-Signal um; mit dem Datensignal am Freigabeeingang arbeitet ein Decoder als Demultiplexer. siehe Abschnitt „Schritt 3: Demultiplexer und Decoder“

4. Wie werden zwei 8:1-Multiplexer zu einem 16:1-Multiplexer zusammengeschaltet, und was ist bei digitalen und analogen Bausteinen am Ausgang verschieden? Antwort

A_0 bis A_2 parallel, A_3 direkt an die Freigabe des einen und über einen Inverter an die des anderen Bausteins. Digitale Ausgänge über ein ODER-Glied verknüpfen (gesperrt Y = 0), analoge direkt verbinden (gesperrt hochohmig). siehe Abschnitt „Mehr Kanäle durch zwei Bausteine“

5. Wie lange dauert ein vollständiger Abfragezyklus, wenn ein Zähler mit 50 Hz die Adressen eines 8:1-Multiplexers durchzählt? Antwort

t_\mathrm{Zyklus} = k / f = 8 / 50\ \mathrm{Hz} = 160\ \mathrm{ms}; jeder Kanal ist 20 ms durchgeschaltet. siehe Abschnitt „Adressleitungen an einen Zähler anschließen“

6. Warum besteht ein Analogschalter aus einem n-Kanal- und einem p-Kanal-MOSFET? Antwort

Der n-Kanal-MOSFET leitet gut bei kleinen, der p-Kanal-MOSFET bei großen Signalspannungen. Parallel bleibt R_\mathrm{ON} über den ganzen Signalbereich klein; das Transmission-Gate leitet in beide Richtungen. siehe Abschnitt „Aufbau: das Transmission-Gate“

7. Warum kann ein digitaler Multiplexer keinen Analogmultiplexer ersetzen? Antwort

Er wertet das Eingangssignal nur als 0 oder 1 aus, erzeugt am Ausgang einen neuen Logikpegel und leitet nur in eine Richtung; Zwischenwerte einer Sensorspannung gehen verloren. siehe Abschnitt „Analoge und digitale Multiplexer unterscheiden“

8. Wie verfälscht R_\mathrm{ON} eine Messung, und wie verhinderst Du das? Antwort

R_\mathrm{ON} bildet mit R_\mathrm{i} und R_\mathrm{E} einen Spannungsteiler: U_\mathrm{E} = U_\mathrm{q} \cdot R_\mathrm{E} / (R_\mathrm{i} + R_\mathrm{ON} + R_\mathrm{E}). Abhilfe: sehr hochohmige Folgestufe, z. B. ein Spannungsfolger hinter dem Multiplexer, oder ein Schalter mit kleinerem R_\mathrm{ON}. siehe Abschnitt „Einfluss des Durchlasswiderstands auf das Messergebnis“

9. Welche Werte schreibst Du in ADMUX, um beim ATmega328P mit Referenz AVCC rechtsbündig den Kanal ADC5 zu messen? Antwort

REFS1 REFS0 = 01, ADLAR = 0, MUX3 … MUX0 = 0101: ADMUX = 0100\,0101_2 = 0x45. siehe Abschnitt „Eingangskanal des A/D-Umsetzers über Registerbits festlegen“

10. Was prüfst Du, bevor Du einen Multiplexer durch einen anderen Typ ersetzt? Antwort

Funktion (Kanalzahl, Anordnung, analog/digital), Gehäuse und Pinbelegung, Kennwerte und Grenzwerte (Versorgung, Signalbereich, R_\mathrm{ON}, Leckstrom, Pegel, Temperatur) sowie die Ansteuerung bzw. das Bussystem. siehe Abschnitt „Schritt 8: Bausteine vergleichen und austauschen“

11. Woran erkennst Du einen gemultiplexten Daten-/Adressbus? Antwort

Dieselben Leitungen (AD0 bis AD7) tragen nacheinander Adresse und Daten; ein Signal wie ALE steuert einen Adress-Latch, der die Adresse festhält. siehe Abschnitt „Schritt 9: Multiplexverfahren am Daten-/Adressbus“

Links und weitere Informationen

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: Multiplexer

• zum Transmission-Gate: Wikipedia: Transmission-Gate

• Datenblatt CD4051B: Texas Instruments: CD4051B

• Datenblatt 74HC4051: Nexperia: 74HC4051

• Datenblatt ATmega328P: Microchip: ATmega328P

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Dieser Artikel und seine Texte, Bilder, Grafiken, Code und sonstiger Inhalt sind - sofern nicht anders angegeben - lizenziert unter CC BY 4.0. Nennung gemäß TULLU-Regel bitte wie folgt: “Analogschalter, Multiplexer und Demultiplexer: Adressleitungen, Steuerpegel, Durchlasswiderstand und Messstellenumschaltung” von oer-informatik.de (H. Stein), Lizenz: CC BY 4.0. Der Artikel wurde unter https://oer-informatik.de/analogschalter-multiplexer veröffentlicht, die Quelltexte sind in weiterverarbeitbarer Form verfügbar im Repository unter https://gitlab.com/oer-informatik/elektrotechnik/digitaltechnik. Erstellt mit KI-Assistenz; von mir umfassend redaktionell überarbeitet, geprüft und freigegeben. Stand: 11.11.2026.

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