引言
74151 是一種廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路中的多路數(shù)據(jù)選擇器/多路復(fù)用器芯片，它能夠?qū)⒍嗦份斎胄盘?hào)按照控制選通信號(hào)的組合，通過(guò)一個(gè)共同的輸出端口進(jìn)行切換與傳輸。由于其簡(jiǎn)單高效的設(shè)計(jì)和靈活的功能，74151 在各種數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。因此，深入了解 74151 的基本原理、引腳功能、電氣特性以及應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)于電子設(shè)計(jì)工程師和數(shù)字電路愛(ài)好者來(lái)說(shuō)具有重要意義。本文將從多路復(fù)用器的基本原理入手，結(jié)合 74151 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與時(shí)序特性，詳細(xì)闡述其引腳定義、真值表、使用方法、典型應(yīng)用以及在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，幫助讀者全面系統(tǒng)地掌握 74151 的基礎(chǔ)知識(shí)。

多路復(fù)用器的基本原理
多路復(fù)用器（Multiplexer，簡(jiǎn)稱(chēng) MUX）是一種能夠?qū)⒍嗦份斎胄盘?hào)按特定選擇信號(hào)進(jìn)行切換，將其中一條數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵龆丝诘倪壿嬈骷１举|(zhì)上，多路復(fù)用器就像一個(gè)“交通轉(zhuǎn)換站”，通過(guò)控制信號(hào)來(lái)決定哪一路輸入信號(hào)可以通過(guò)輸出。以 8 路多路復(fù)用器為例，輸入端口有 8 路數(shù)據(jù)（通常標(biāo)記為 D0、D1、…、D7），選擇端口有 3 個(gè)控制線(xiàn)（S0、S1、S2），這三條控制線(xiàn)可以組合出 23=8 種狀態(tài)，從而對(duì)應(yīng)選擇其中一路輸入；當(dāng)控制信號(hào)組合為 000 時(shí)，將 D0 連接到輸出；組合為 001 時(shí)，將 D1 連接到輸出；以此類(lèi)推，組合為 111 時(shí)，將 D7 連接到輸出。
多路復(fù)用器的優(yōu)勢(shì)在于：

• 通過(guò)較少的控制線(xiàn)，就能在較多條數(shù)據(jù)線(xiàn)中進(jìn)行快速切換。

• 能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的集中共享，降低硬件接口資源的占用。

• 在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能通過(guò)邏輯組合減少冗余電路，提高系統(tǒng)集成度。
  74151 作為典型的 8 路多路復(fù)用器／數(shù)據(jù)選擇器，將上述原理和功能整合于一塊芯片內(nèi)部，并為我們提供了額外的芯片使能（Enable）引腳，增強(qiáng)了其在復(fù)雜系統(tǒng)中的可控性。了解它的內(nèi)部設(shè)計(jì)和工作方式，將有助于我們快速、準(zhǔn)確地將其應(yīng)用到具體的工程項(xiàng)目中。

74151 概述
74151 屬于標(biāo)準(zhǔn) TTL（Transistor-Transistor Logic）邏輯系列中的 74 系列芯片，全稱(chēng)通常寫(xiě)作 “74LS151” 或 “SN74151”，由于市場(chǎng)和不同廠商的命名習(xí)慣，在名稱(chēng)上可能略有差異，但核心功能完全相同。74151 主要功能是將 8 路數(shù)據(jù)輸入（標(biāo)記為 A、B、C、D、E、F、G、H 或 D0~D7）在一個(gè)公共輸出 Y（主輸出）或者 Y*（反相輸出）之間進(jìn)行切換；控制邏輯由三個(gè)地址輸入（A2、A1、A0 或 S2、S1、S0）決定；此外還有一個(gè)使能引腳 G（或 E），當(dāng) G 處于禁止?fàn)顟B(tài)時(shí)，輸出端保持禁用狀態(tài)（通常輸出為高阻或固定電平）。74151 芯片包封形式一般為 16 引腳的 DIP 封裝，也常見(jiàn) SOP 等表面貼裝封裝。以下我們將結(jié)合引腳功能圖進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

74151 引腳功能
在標(biāo)準(zhǔn)的 16 引腳 DIP 封裝（如 SN74LS151N）中，各引腳的編號(hào)和功能定義如下：

1. Y*（引腳1）：反相輸出（主輸出的反相形式），當(dāng) Y 輸出為高電平時(shí)，Y* 輸出為低電平。

2. A/B/C/D/E/F/G/H（D0~D7 輸入）（引腳2~引腳9）：分別對(duì)應(yīng) 8 路數(shù)據(jù)輸入端，讀者有時(shí)會(huì)看到標(biāo)記為 A、B、C、D、、、、等，也有寫(xiě)作 D0、D1、D2…D7，具體取決于不同廠商手冊(cè)。

3. V_E（G，/E）（引腳10）：使能輸入，該引腳有效時(shí)（通常為低電平使能），74151 在內(nèi)部根據(jù)地址輸入將對(duì)應(yīng)的某一路數(shù)據(jù)反相或非反相輸出到 Y* 或 Y；當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，輸出端 Y（和 Y*）處于禁用狀態(tài)，多數(shù)實(shí)現(xiàn)為高電平或三態(tài)（取決于型號(hào)）。

4. A2（S2）、A1（S1）、A0（S0）（引腳11、12、13）：地址輸入端，用于選擇要輸出的那一路數(shù)據(jù)，通過(guò)三條控制線(xiàn)的組合狀態(tài)（000~111）確定輸出端對(duì)應(yīng)信號(hào)。

5. Y（主輸出）（引腳14）：主輸出端，當(dāng) G 使能且地址選擇對(duì)應(yīng)某路時(shí)，該路的信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部緩沖后出現(xiàn)在 Y 上，且該輸出與 Y* 相反（Y* 是反相輸出）。

6. GND（接地）（引腳7 或引腳8，具體因封裝略有差異，需查看具體型號(hào)手冊(cè)）：TTL 系列芯片的地線(xiàn)，必須接系統(tǒng)地電位。

7. V_CC（電源）**（引腳16）：+5V 電源輸入，為芯片內(nèi)部邏輯電路供電。
   引腳排列在 DIP16 封裝上通常如下（從芯片正面觀察，凹口朝上，左側(cè)從上到下 18；右側(cè)從下到上 916，每個(gè)具體封裝可參考各廠家原理圖）：

        ——————————————  
 1  Y* |               | 16 V_CC  
 2   D0 |             | 15 D7  
 3   D1 |             | 14 Y   
 4   D2 |             | 13 A0  
 5   D3 |             | 12 A1  
 6   D4 |             | 11 A2  
 7   D5 |             | 10 G  
 8   D6 |             | 9   D7  
       ——————————————  

通過(guò)上圖可以看出，各個(gè)引腳功能一目了然，我們可在實(shí)際使用時(shí)根據(jù)對(duì)應(yīng)功能將其與其他電路進(jìn)行接口連接。

74151 真值表
理解 74151 核心功能的關(guān)鍵在于其真值表。下表列出在使能 G＝0（有效低）時(shí)，當(dāng)?shù)刂份斎?A2、A1、A0 取不同組合時(shí)，主輸出 Y 會(huì)對(duì)應(yīng)哪一路數(shù)據(jù)輸入，且 Y* 始終為 Y 的反相。

在 74 系列芯片中，74151 的內(nèi)部架構(gòu)主要由若干個(gè) TTL 反相器、NAND 門(mén)、以及傳輸門(mén)（Transmission Gate）等基本單元組成。其核心邏輯是：將地址輸入 A2、A1、A0 經(jīng)過(guò)譯碼電路生成 8 路選通信號(hào)，再與 8 路數(shù)據(jù)輸入相結(jié)合，最后經(jīng)過(guò)輸出緩沖器將所選輸入信號(hào)傳輸?shù)街鬏敵?Y，同時(shí)再經(jīng)過(guò)一個(gè)反向器產(chǎn)生反相輸出 Y*。

1. 地址譯碼電路

• 地址輸入 A2、A1、A0 首先經(jīng)過(guò)反相器、電平比較等邏輯，形成八個(gè)互斥的譯碼使能信號(hào)（D0_EN、D1_EN…D7_EN），其中每一路譯碼使能信號(hào)僅在對(duì)應(yīng)地址組合成立時(shí)為高電平，其余均為低。

• 如 A2A1A0 = 1 0 1 時(shí)，僅有 D5_EN 為高，其它 Dn_EN = 0。

2. 數(shù)據(jù)選擇電路

• 每一路數(shù)據(jù)輸入 Dn 與對(duì)應(yīng)的譯碼使能信號(hào) Dn_EN 相與，當(dāng) Dn_EN 為高時(shí)，該一路數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸門(mén)或者類(lèi)似開(kāi)關(guān)元件連接到輸出匯合點(diǎn)。

• 這樣，無(wú)論其他 Dm（m≠n） 如何變化，都不會(huì)影響被選中的 Dn，由于其他傳輸通道都被禁止，只有 Dn 傳輸?shù)捷敵鼍彌_。

3. 輸出緩沖與反向輸出

• 匯合到達(dá)的信號(hào)先進(jìn)入一個(gè) TTL 緩沖器，將信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)以適應(yīng)外部負(fù)載。緩沖器輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)進(jìn)一步的非門(mén)（反向器）生成 Y*。

• 使能 G 可看作在輸出階段插入的一個(gè)“全局開(kāi)關(guān)”：當(dāng) G＝0（有效低），上述譯碼與傳輸邏輯正常工作；當(dāng) G＝1 時(shí)，輸出緩沖被關(guān)斷，主輸出 Y 處于高電平或高阻狀態(tài)。與此同時(shí)，反相器失去輸入或者輸入為高電平，也會(huì)導(dǎo)致 Y* 輸出為低或高電平（依版本而定）。
  內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如下：

• 地址輸入（A2、A1、A0） → 譯碼電路 → 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù) Dn 的傳輸門(mén)信號(hào)

• 數(shù)據(jù)輸入 D0~D7 → 對(duì)應(yīng)的傳輸門(mén) → 匯合于輸出節(jié)點(diǎn) → 緩沖輸出到 Y → 反相后輸出到 Y*
  上述流程表明，74151 在功能上屬于組合邏輯器件，內(nèi)部無(wú)需寄存器或者時(shí)鐘信號(hào)，即刻時(shí)隨輸入變化產(chǎn)生輸出。理解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有助于我們深入掌握它在不同溫度、電壓和負(fù)載條件下的時(shí)序和電氣特性。

電氣特性
74151 作為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯芯片，其電氣特性主要包含以下幾個(gè)方面：邏輯電平、電源電壓、電流消耗、輸出驅(qū)動(dòng)能力、輸入漏電流等。以下以 SN74LS151 為例給出典型參數(shù)（具體參數(shù)請(qǐng)參考各廠商數(shù)據(jù)手冊(cè)）：

1. 工作電源與電流消耗

• 工作電源：V_CC = +5V ±5%。

• 靜態(tài)電流消耗（I_CC）：典型值約為 30mA 左右（G＝0 時(shí)，地址輸入、數(shù)據(jù)輸入都在 TTL 邏輯狀態(tài)）。當(dāng) G＝1（禁用）時(shí)，I_CC 會(huì)有略微下降。實(shí)際應(yīng)用時(shí)需根據(jù)芯片數(shù)量累加總電流，保證電源設(shè)計(jì)能提供足夠電流，并避免電源電壓下降過(guò)大影響邏輯狀態(tài)。

2. 邏輯輸入電平

• 邏輯“低”電平 (V_IL)：最大為 0.8V，即輸入電壓低于 0.8V 可被識(shí)別為邏輯“0”。

• 邏輯“高”電平 (V_IH)：最小為 2.0V，即輸入電壓高于 2.0V 可被識(shí)別為邏輯“1”。

• 輸入漏電流 (I_IK 或 I_IL)：當(dāng)輸入為高或低時(shí)，流入/流出的漏電電流非常小，一般典型值在幾十微安以下。

3. 邏輯輸出電平與驅(qū)動(dòng)能力

• 邏輯“低”電平 (V_OL)：最大約為 0.4V（當(dāng)輸出端輸出低電流 I_OL=8mA 時(shí)）。

• 邏輯“高”電平 (V_OH)：最小約為 2.4V（當(dāng)輸出端輸出高電流 I_OH=?0.4mA 時(shí)）。

• 輸出短路電流 (I_OSC)：當(dāng)輸出與地或 V_CC 短路時(shí)限制輸出電流，一般 TTL 有內(nèi)部限流設(shè)計(jì)。

• 驅(qū)動(dòng)能力：TTL 74 系列輸出可向下一級(jí)輸入提供 8mA 的下拉能力（當(dāng)輸出低時(shí)）或?0.4mA 的上拉能力（當(dāng)輸出高時(shí)），可以驅(qū)動(dòng)約 10 片 TTL 輸入端。實(shí)際驅(qū)動(dòng)能力要看所連接的芯片種類(lèi)（TTL 還是 CMOS，以及對(duì)應(yīng)的輸入電流）。

4. 溫渡與功耗

• 絕對(duì)最高額定結(jié)溫：一般在 125℃ 左右，使用時(shí)需在環(huán)境溫度和功耗的共同作用下保證器件結(jié)溫不超過(guò)額定值。

• 功耗 (P_d)：P_d = V_CC × I_CC，一片 74LS151 工作時(shí)典型功耗約為 150mW 左右，多個(gè)并聯(lián)使用時(shí)需注意散熱及 PCB 布線(xiàn)。
  這些電氣特性參數(shù)幫助我們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，合理配置電源網(wǎng)絡(luò)、確定總線(xiàn)負(fù)載能力以及保證系統(tǒng)在各工作條件下的穩(wěn)定性。

時(shí)序特性
74151 的時(shí)序關(guān)系主要體現(xiàn)為輸入變化到輸出變化之間的傳播延遲、建立時(shí)間和保持時(shí)間等。下述為典型的時(shí)序參數(shù)（以 SN74LS151 為例，@V_CC=5V, T_A=25℃）：

• 傳輸延遲時(shí)間 (t_PLH, t_PHL)

• 當(dāng)?shù)刂份斎敫淖儠r(shí)，從任一路地址輸入變化到主輸出 Y 或反相輸出 Y* 達(dá)到最終穩(wěn)定態(tài)之間的最大延遲時(shí)間約為 25ns~30ns 左右。

• 當(dāng)使能 G 由高變低（使能器件）時(shí)，選定數(shù)據(jù)從輸入到輸出的傳輸延遲約為 30ns 左右。

• 當(dāng)使能 G 由低變高（禁用器件）時(shí)，使輸出進(jìn)入禁用態(tài)的延遲約為 25ns~30ns 左右。

• 建立時(shí)間與保持時(shí)間

• 在某些應(yīng)用場(chǎng)合，我們可能需要在使能 G 邊沿到來(lái)之前，對(duì)地址輸入進(jìn)行穩(wěn)定設(shè)置，稱(chēng)為地址輸入的建立時(shí)間 (t_s)。典型值為 20ns 左右，即地址輸入在 G 邊沿到來(lái)前至少穩(wěn)定 20ns。

• 地址輸入在 G 邊沿到來(lái)之后需繼續(xù)保持一段時(shí)間稱(chēng)為保持時(shí)間 (t_h)，典型值為 0ns 到若干 ns，具體視不同廠商數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)略有差異。

• 輸出有效時(shí)間

• 從地址或使能輸入信號(hào)穩(wěn)定后開(kāi)始計(jì)時(shí)，在 t_PLH 或 t_PHL 之后，主輸出 Y 和反相輸出 Y* 才進(jìn)入有效狀態(tài)。

• 切換損耗

• 由于 TTL 在開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電流，若頻繁切換，可能在 PCB 上引起電壓突降或電磁輻射干擾，需在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)加入去耦電容（典型值 0.01μF~0.1μF）靠近電源引腳，確保電壓穩(wěn)定。
  時(shí)序特性關(guān)系到系統(tǒng)中信號(hào)同步、總線(xiàn)切換沖突、以及數(shù)據(jù)有效窗口的保障。在高速數(shù)字設(shè)計(jì)中，必須根據(jù)時(shí)序參數(shù)合理布置地址與使能信號(hào)的時(shí)序，避免競(jìng)態(tài)或時(shí)序恢復(fù)錯(cuò)誤。

74151 外部應(yīng)用與典型電路
74151 在實(shí)際電路中主要作為數(shù)據(jù)選擇器或多路復(fù)用器，常見(jiàn)應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：

• 數(shù)字信號(hào)路由與共享總線(xiàn)
  在復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)中，可能需要將多路數(shù)字信號(hào)匯聚到同一數(shù)據(jù)總線(xiàn)上，再通過(guò)地址選擇某一路進(jìn)行后續(xù)處理。例如，在 CPU 數(shù)據(jù)總線(xiàn)與外設(shè)之間切換時(shí)，可通過(guò) 74151 將不同外設(shè)數(shù)據(jù)信號(hào)按需送入 CPU；或者在多路傳感器采集系統(tǒng)中，通過(guò)地址控制 74151 選擇不同傳感器數(shù)據(jù)并輸出到 A/D 轉(zhuǎn)換模塊。

• 邏輯函數(shù)實(shí)現(xiàn)
  使用多路復(fù)用器能夠用較少的邏輯門(mén)就實(shí)現(xiàn)任意邏輯函數(shù)。例如，一個(gè) 3 輸入邏輯函數(shù) F(A, B, C) 可以經(jīng)過(guò)真值表映射到 74151 的 8 路輸入端 (D0~D7)，通過(guò)地址信號(hào)分別對(duì)應(yīng) A、B、C 的組合；使能 G 始終有效，這樣輸出端 Y 就直接輸出邏輯函數(shù) F 的計(jì)算結(jié)果，無(wú)需額外門(mén)電路。

• 模擬信號(hào)的多路切換（限于 TTL 兼容的數(shù)字化信號(hào)）
  雖然 74151 本質(zhì)是數(shù)字電路，但在一些 TTL 電平范圍內(nèi)的傳感器或數(shù)字式模擬開(kāi)關(guān)電路中，也可用作多路開(kāi)關(guān)。在要求不是很苛刻的數(shù)字化控制場(chǎng)合，這種方法比專(zhuān)用模擬 MUX 更為經(jīng)濟(jì)。

• 微控制器 I/O 口擴(kuò)展
  當(dāng)單片機(jī) GPIO 口有限時(shí)，使用 74151 可將多路外部開(kāi)關(guān)、按鍵或傳感器輸入通道匯聚到少量 I/O 口。通過(guò)三個(gè)地址口（連接到 MCU 的三個(gè) GPIO）以及一個(gè)使能腳控制，單片機(jī)就能讀取 8 路開(kāi)關(guān)狀態(tài)。例如，將 D0~D7 接到 8 個(gè)開(kāi)關(guān)上，地址口由單片機(jī)動(dòng)態(tài)掃描，讀取 Y 信號(hào)即可判斷對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)是否閉合，有效節(jié)約單片機(jī)引腳資源并實(shí)現(xiàn)快速掃描。

典型連接示例
下圖示例描述如何使用 SN74LS151 將 8 路按鈕輸入接入單片機(jī)：

1. 硬件連接

• D0D7（引腳29）分別連接到 8 個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)的輸出端（通過(guò)上拉電阻/內(nèi)部上拉連接到 +5V，按鈕閉合接地）。

• A2、A1、A0（引腳11、12、13）連接到單片機(jī)的三個(gè) GPIO，用于控制掃描。

• G（引腳10）接地，保持有效低，使能 74151 始終工作。

• Y（引腳14）連接到單片機(jī)的另一個(gè) GPIO，用于讀取當(dāng)前被選中按鈕的狀態(tài)。

• V_CC（引腳16）接 +5V，GND（引腳7）接地。

2. 掃描流程

• 單片機(jī)將地址線(xiàn) A2、A1、A0 設(shè)置為 000，并讀取 Y。如果 Y＝0（低電平），則說(shuō)明 D0 對(duì)應(yīng)的按鈕閉合；否則為高電平，按鈕未閉合。

• 將地址變化為 001，讀取 Y，即可得知 D1 對(duì)應(yīng)按鈕狀態(tài)；以此類(lèi)推，循環(huán)掃描即可讀取 8 個(gè)按鈕的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

3. 軟件示例（偽代碼）

   for i in 0..7:  
       let addr2 = (i >> 2) & 1  
       let addr1 = (i >> 1) & 1  
       let addr0 = i & 1  
       MCU_GPIO_WRITE(A2_PIN, addr2)  
       MCU_GPIO_WRITE(A1_PIN, addr1)  
       MCU_GPIO_WRITE(A0_PIN, addr0)  
       delay一些短時(shí)間，等待信號(hào)穩(wěn)定  
       let key_state = MCU_GPIO_READ(Y_PIN)  // 0 表示按鈕閉合  
       if key_state == 0:  
           記錄第 i 路按鈕按下  
   

該示例展示了如何用極少的 GPIO 口讀取多路開(kāi)關(guān)，并且利用 74151 的高速切換和低功耗特性，實(shí)現(xiàn)多路輸入集中管理。

74151 與其他多路復(fù)用器的比較
在市場(chǎng)上，還有許多其他型號(hào)的多路復(fù)用器可與 74151 相比擬，例如 74HC151、CD4051、74LS153、74HC4067 等。但它們之間在技術(shù)實(shí)現(xiàn)、電氣特性以及應(yīng)用場(chǎng)景上存在明顯差異：

• 74HC151 Vs. 74LS151（VHC 系列 Vs. LS 系列）

• 74HC151 屬于 CMOS 高速邏輯系列，工作電流更低（典型靜態(tài)電流在微安級(jí)），但對(duì)輸入電平要求高，需要兼容 CMOS 電平（V_IH≥ 3.5V，V_IL≤ 1.5V）。

• 74LS151 屬于低功耗 TTL 系列，工作電流較大（幾十 mA），但能直接與傳統(tǒng) TTL 電路兼容，且輸出具有更強(qiáng)的下拉能力，適合在需要驅(qū)動(dòng)多個(gè) TTL 輸入的場(chǎng)合。

• CD4051（CMOS 多路開(kāi)關(guān)）

• CD4051 是 8 路模擬多路開(kāi)關(guān)，具有對(duì)模擬信號(hào)處理能力，可通斷電阻較低（幾十歐姆），能開(kāi)關(guān) ±V_CC 范圍內(nèi)的信號(hào)，非常適合于模擬信號(hào)的測(cè)量切換場(chǎng)合。

• 74 系列多路復(fù)用器多以數(shù)字信號(hào)為主，不適合寬帶模擬應(yīng)用。

• 74LS153（雙 4 路多路復(fù)用器）

• 74LS153 實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)獨(dú)立的 4 路多路復(fù)用器，每個(gè)有兩個(gè)數(shù)據(jù)選擇輸入，以及一個(gè)使能腳。相較于 74151 的 1×8 功能，如果需要獨(dú)立控制兩路 4 路多路復(fù)用，74LS153 更為適合。

• 74151 在需要對(duì)單一路 8 路進(jìn)行選擇時(shí)更為簡(jiǎn)潔。

• 74HC4067（4 位地址的 16 路多路復(fù)用器）

• 提供 16 路輸入，地址引腳達(dá)到 4 位，可選擇更大規(guī)模的輸入，但地址線(xiàn)更多；同樣屬于 CMOS 邏輯系列，適用于低功耗場(chǎng)合。

• 相較于 74151 的 8 路應(yīng)用，可提供更豐富的通道，但對(duì)電平兼容性需注意。
  總結(jié)來(lái)說(shuō)，74151 在傳統(tǒng) TTL 數(shù)字電路中以其成熟穩(wěn)定、成本低廉、速度適中而受到廣泛青睞；但若針對(duì)現(xiàn)代低功耗或模擬信號(hào)應(yīng)用，則可以根據(jù)需求選擇更合適的 HC、HCT、CD4051 等芯片，以達(dá)到更好的性能匹配。

使用 74151 設(shè)計(jì)邏輯函數(shù)
除了多路開(kāi)關(guān)功能外，74151 還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)任意三輸入邏輯函數(shù)。利用其 8 路數(shù)據(jù)輸入，我們可以將真值表中各個(gè)輸入組合下的函數(shù)值預(yù)先寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的 Dn。具體步驟如下：

1. 確定邏輯函數(shù)的真值表
   例如，我們要實(shí)現(xiàn)三輸入函數(shù) F(A,B,C) = Σ m(1,3,4,6)，即當(dāng) (A,B,C) = (0,0,1)、(0,1,1)、(1,0,0)、(1,1,0) 時(shí)，F(xiàn) 輸出為 1，其余輸出為 0。

2. 將真值表映射到多路復(fù)用數(shù)據(jù)輸入
   制作真值表：

   A	B	C	十進(jìn)制編號(hào)	F(A,B,C)
   0	0	0	0	0
   0	0	1	1	1
   0	1	0	2	0
   0	1	1	3	1
   1	0	0	4	1
   1	0	1	5	0
   1	1	0	6	1
   1	1	1	7	0

   將真值表中的 F(A,B,C) 值賦予 74151 的 8 路輸入 D0~D7

• D0 = 0

• D1 = 1

• D2 = 0

• D3 = 1

• D4 = 1

• D5 = 0

• D6 = 1

• D7 = 0

3. 將 A、B、C 分別連接到 74151 的地址輸入 A2、A1、A0（需根據(jù)編號(hào)區(qū)分高低位）

• 若 A 為最高位（A2），B 為次位（A1），C 為最低位（A0），則地址信號(hào)自然對(duì)應(yīng)輸入編號(hào)。

4. 使能 G 始終置低，使 74151 持續(xù)選通

5. 輸出 F(A,B,C) 直接取自 Y（主輸出）
   這樣，當(dāng) A、B、C 的組合確定后，多路復(fù)用器會(huì)自動(dòng)根據(jù)地址映射選中對(duì)應(yīng)的 Dn 值，將其輸出到 Y，實(shí)現(xiàn)了邏輯函數(shù)的直接硬件映射。相較于使用若干個(gè)與、或、非門(mén)級(jí)聯(lián)的方式，利用 74151 芯片能夠大幅減少門(mén)電路數(shù)量、降低延遲并提高可靠性。

注意事項(xiàng)與設(shè)計(jì)要點(diǎn)
在實(shí)際使用 74151 時(shí)，需要注意以下幾個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，以保證電路穩(wěn)定性與可靠性：

1. 地址與使能信號(hào)的滯后與抖動(dòng)
   在許多微處理器或高頻開(kāi)關(guān)電路中，地址線(xiàn)可能發(fā)生抖動(dòng)或競(jìng)態(tài)毛刺，導(dǎo)致在切換過(guò)程中短暫選中錯(cuò)誤的輸入。為減少此類(lèi)問(wèn)題，可在地址線(xiàn)或使能線(xiàn)上加入適當(dāng)?shù)娜ザ峨娐?、施加小?RC 濾波，或者在地址改變后延時(shí)若干納秒再讀取輸出，確保輸出采樣時(shí)地址信號(hào)穩(wěn)定。

2. 去耦與電源完整性
   由于 TTL 芯片在切換時(shí)瞬時(shí)電流較大，若電源旁未及時(shí)補(bǔ)償電容（0.01μF0.1μF），可能出現(xiàn)瞬間電壓下降引發(fā)邏輯誤觸發(fā)。建議在每一片 74151 的 V_CC 與 GND 之間緊貼一個(gè)陶瓷去耦電容，并在整體電源線(xiàn)上使用更大容量（10μF100μF）的電解電容保持電源平穩(wěn)。

3. 輸出短路與負(fù)載能力
   74151 輸出驅(qū)動(dòng)能力有限，若要將輸出同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè) TTL 或 CMOS 輸入，需注意輸出低電平的下拉能力（約 8mA）與輸出高電平的上拉能力（約 ?0.4mA），確保外部總線(xiàn)不會(huì)超過(guò)該負(fù)載。若負(fù)載較大，可在輸出端加一個(gè)三態(tài)緩沖驅(qū)動(dòng)芯片（如 74LS244、74HC245 等）。

4. 溫度與封裝差異
   在高溫環(huán)境或長(zhǎng)時(shí)間大電流工作下，74LS 系列的邏輯電平參數(shù)可能發(fā)生漂移；若工作溫度超過(guò) 70℃ 或者供電電壓波動(dòng)較大，可考慮使用 74HCT 系列（兼容 TTL 電平但功耗更低）或者 74HC 系列芯片，以獲得更好的溫度穩(wěn)定性與更低功耗。

5. 布局與走線(xiàn)
   在 PCB 布局時(shí)，盡量將地址和使能線(xiàn)拉得更短，與驅(qū)動(dòng)器件保持較近距離以減少寄生電容和串?dāng)_。同時(shí)，去耦電容要放置在距離 IC 電源引腳最近的地方，走線(xiàn)應(yīng)避免長(zhǎng)直的并行線(xiàn)，否則容易產(chǎn)生干擾信號(hào)。

6. 測(cè)試驗(yàn)證
   在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)示波器觀察地址信號(hào)、使能信號(hào)與輸出信號(hào)的時(shí)序關(guān)系；應(yīng)確保在地址信號(hào)切換后，經(jīng)過(guò) t_PLH 或 t_PHL 延遲時(shí)間后再采樣輸出，并確認(rèn)輸出電平滿(mǎn)足所需的邏輯門(mén)限要求。

應(yīng)用擴(kuò)展與衍生芯片
74151 不僅自身功能強(qiáng)大，也衍生出很多系列，比如 74LS151、74HC151、74HCT151、CD151 等不同版本：

• 74LS151（低功耗 TTL）：適合傳統(tǒng) TTL 系統(tǒng)，價(jià)格低廉、成熟可靠。

• 74HC151（高速 CMOS）：功耗極低、工作電流僅微安級(jí)，適合對(duì)功耗敏感的便攜設(shè)備。注意其對(duì)輸入電平要求較高，兼容 TTL 時(shí)需保證輸入電壓滿(mǎn)足 CMOS 門(mén)限。

• 74HCT151（高速 CMOS 兼容 TTL）：結(jié)合了 HC 低功耗特性和 TTL 輸入兼容性，易于在混合邏輯系統(tǒng)中使用。

• CD151（CD4000 系列）：其不同子型號(hào)在電源電壓范圍、最大輸入頻率、傳輸阻抗方面有所差異，可以處理更寬范圍的信號(hào)電壓（±V_CC），適用于模擬或數(shù)字混合切換。

• 片上系統(tǒng)（SoC）內(nèi)部相似功能：隨著 FPGA 和 CPLD 的普及，硬件設(shè)計(jì)者往往可以在 FPGA 內(nèi)部通過(guò)查找表（LUT）直接實(shí)現(xiàn)任意多路復(fù)用功能，但若考慮到外部接口的標(biāo)準(zhǔn)化和芯片資源利用率，外置 74151 仍具有其成本與便利優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)
74151 作為一種經(jīng)典、通用且成熟的 8 路多路復(fù)用器／數(shù)據(jù)選擇器，在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中扮演著重要角色。本文從多路復(fù)用器原理出發(fā)，結(jié)合 74151 的引腳定義、真值表與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，深入探討了其電氣特性與時(shí)序特性，并通過(guò)典型應(yīng)用示例展示了如何在單片機(jī)接口、邏輯函數(shù)實(shí)現(xiàn)、總線(xiàn)切換等場(chǎng)景中靈活運(yùn)用。同時(shí)，本文也對(duì)比了 74151 與其他同類(lèi)芯片的異同，為讀者在不同技術(shù)需求和工程約束下的方案選擇提供參考。此外，文中詳細(xì)列舉了在布局布線(xiàn)、電源去耦、時(shí)序驗(yàn)證等方面的注意事項(xiàng)，旨在幫助工程師在應(yīng)用 74151 時(shí)規(guī)避常見(jiàn)陷阱，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與高效性。對(duì)于數(shù)字電子設(shè)計(jì)人員，掌握這些基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將更好地發(fā)揮 74151 的優(yōu)勢(shì)，為項(xiàng)目帶來(lái)更高的性能和更低的成本。