74LS151：8選1數(shù)據(jù)選擇器詳解

74LS151 是一種非常常見且廣泛使用的數(shù)字集成電路，屬于TTL（晶體管-晶體管邏輯）家族的低功耗肖特基（LS）系列。它主要功能是作為8選1數(shù)據(jù)選擇器，或者更常見的稱呼是多路復(fù)用器（Multiplexer, MUX）。在數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)選擇器是一種組合邏輯電路，它能夠從多個輸入數(shù)據(jù)線中選擇其中一路數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)轿ㄒ坏妮敵龆??？梢园褦?shù)據(jù)選擇器形象地理解為一個擁有多個輸入通道的“開關(guān)”，根據(jù)控制信號的不同，將其中一個通道的信號連接到輸出端。

1. 74LS151 的基本概念和功能

74LS151 的核心功能是根據(jù)三位二進(jìn)制選擇輸入（也稱為地址輸入或控制輸入）來決定將八個數(shù)據(jù)輸入中的哪一個傳遞到其輸出端。它有八個數(shù)據(jù)輸入端（D0到D7），三個選擇輸入端（A、B、C），一個選通/使能輸入端（Strobe, G），以及兩個互補(bǔ)的輸出端（Y和W）。其中，Y是正常輸出，W是Y的非（反相）輸出。

主要功能點：

• 多路數(shù)據(jù)選擇： 從8個不同的數(shù)據(jù)源中選擇一個。

• 地址控制： 通過三位地址輸入（A、B、C）來指定要選擇的數(shù)據(jù)源。

• 使能控制： 通過選通輸入（G）來控制整個芯片的使能狀態(tài)。當(dāng)G為低電平（邏輯0）時，芯片正常工作；當(dāng)G為高電平（邏輯1）時，芯片被禁用，輸出Y為低電平，W為高電平（或根據(jù)具體手冊有所不同，通常Y為低電平，W為高電平，但也有輸出高阻的變種，LS系列通常是固定輸出）。

• 互補(bǔ)輸出： 提供正向和反向兩種輸出，方便電路設(shè)計。

2. 74LS151 的引腳配置和描述

了解74LS151的引腳圖是正確使用它的前提。標(biāo)準(zhǔn)的74LS151通常采用16引腳的雙列直插封裝（DIP）。

引腳描述詳解：

• 數(shù)據(jù)輸入 (D0-D7): 這八個引腳是輸入數(shù)據(jù)的地方。根據(jù)選擇輸入A、B、C的組合，其中一個引腳上的邏輯狀態(tài)會被傳遞到輸出端Y。

• 選擇輸入 (A, B, C): 這三個引腳是控制74LS151選擇哪個數(shù)據(jù)輸入的重要引腳。它們構(gòu)成一個三位二進(jìn)制數(shù)，其值對應(yīng)要選擇的數(shù)據(jù)輸入（例如，000對應(yīng)D0，001對應(yīng)D1，依此類推，直到111對應(yīng)D7）。通常A是最低有效位（LSB），C是最高有效位（MSB）。

• 使能輸入 (G / Strobe): 這是一個低電平有效的使能引腳。當(dāng)G為邏輯0（低電平）時，74LS151正常工作，根據(jù)A、B、C選擇數(shù)據(jù)并輸出。當(dāng)G為邏輯1（高電平）時，74LS151被禁用，輸出Y被強(qiáng)制為邏輯0，輸出W被強(qiáng)制為邏輯1，而不受數(shù)據(jù)輸入和選擇輸入的影響。這對于多個多路復(fù)用器的級聯(lián)或?qū)崿F(xiàn)時分復(fù)用非常有用。

• 輸出 (Y, W): Y是正常的輸出端，其邏輯狀態(tài)與被選擇的數(shù)據(jù)輸入相同。W是Y的反相輸出端，其邏輯狀態(tài)與Y相反。這種互補(bǔ)輸出在某些應(yīng)用中可以簡化電路設(shè)計，例如驅(qū)動推挽式輸出或需要反相信號的場合。

• 電源 (VCC, GND): VCC接+5V電源，GND接地。這是TTL系列芯片的標(biāo)準(zhǔn)電源連接。

3. 74LS151 的工作原理和真值表

74LS151 的工作原理基于布爾邏輯和組合邏輯電路。它內(nèi)部由一系列AND門、OR門和反相器組成，共同實現(xiàn)數(shù)據(jù)選擇功能。

真值表是理解其工作原理的關(guān)鍵：

真值表解釋：

• 當(dāng)使能輸入G為高電平（H）時，無論選擇輸入A、B、C（X表示任意狀態(tài)，即無關(guān)緊要）是什么，輸出Y都將被強(qiáng)制為低電平（L），輸出W被強(qiáng)制為高電平（H）。這表示芯片處于禁用狀態(tài)，數(shù)據(jù)輸入無法通過。

• 當(dāng)使能輸入G為低電平（L）時，芯片處于使能狀態(tài)，正常工作。此時，輸出Y的值將等于由A、B、C選擇的數(shù)據(jù)輸入的值。

• 例如，如果A=L, B=L, C=L (即二進(jìn)制000)，那么輸出Y將等于數(shù)據(jù)輸入D0的值。

• 如果A=H, B=L, C=H (即二進(jìn)制101)，那么輸出Y將等于數(shù)據(jù)輸入D5的值。

• 輸出W始終是Y的反相，即如果Y是高電平，W就是低電平；如果Y是低電平，W就是高電平。

4. 74LS151 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)（簡化）

雖然不需要深入到每個門電路的層面，但了解其大致的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)有助于理解其工作原理。74LS151 的內(nèi)部邏輯可以抽象地看作是由8個三輸入與門、一個8輸入或門以及一個反相器構(gòu)成。

• 選擇輸入解碼器： 實際上，A、B、C輸入并不是直接控制8個與門的。在內(nèi)部，會有一個3線-8線譯碼器（decoder），根據(jù)A、B、C的組合，激活八條輸出線中的一條。例如，當(dāng)CBA=000時，只有譯碼器連接到D0的輸出線被激活。

• AND門陣列： 每個數(shù)據(jù)輸入（D0-D7）都連接到一個AND門的一個輸入端。這個AND門的另一個輸入端連接到由選擇輸入解碼器激活的對應(yīng)線。因此，只有當(dāng)特定的數(shù)據(jù)輸入被選擇且其值有效時，其對應(yīng)的AND門才會被激活。

• OR門： 所有八個AND門的輸出都連接到一個八輸入或門。由于在任何給定時間只有一個AND門的輸出是活動的（因為只有一個數(shù)據(jù)輸入被選中），所以或門的輸出將是當(dāng)前被選中的數(shù)據(jù)輸入的值。

• 反相器： 或門的輸出直接連接到Y(jié)輸出，同時也通過一個反相器連接到W輸出。

這種結(jié)構(gòu)確保了當(dāng)一個特定的數(shù)據(jù)輸入被選擇時，它的邏輯狀態(tài)能夠正確地傳遞到輸出Y。

5. 74LS151 的應(yīng)用場景

74LS151 作為一種通用的數(shù)據(jù)選擇器，在數(shù)字電路和系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。

• 數(shù)據(jù)選擇和路由： 這是最直接的應(yīng)用。在需要從多個數(shù)據(jù)源中選擇一路數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或傳輸時，74LS151 是理想的選擇。例如，在一個微控制器系統(tǒng)中，可能需要從不同的傳感器中讀取數(shù)據(jù)，74LS151 可以作為通道選擇器。

• 并行到串行轉(zhuǎn)換： 可以將并行的8位數(shù)據(jù)通過時序控制依次輸出，實現(xiàn)并行到串行的轉(zhuǎn)換。通過將選擇輸入A、B、C連接到計數(shù)器的輸出，并以一定的時鐘頻率驅(qū)動計數(shù)器，可以順序地將D0到D7的數(shù)據(jù)一位一位地輸出到Y(jié)端。

• 實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)： 74LS151 可以用來實現(xiàn)任意三輸入、四輸入甚至更多輸入（通過級聯(lián)）的組合邏輯函數(shù)。通過將數(shù)據(jù)輸入D0-D7連接到所需的邏輯常數(shù)（高電平或低電平）或變量，可以將邏輯函數(shù)的真值表直接映射到芯片的輸入上，從而實現(xiàn)該函數(shù)。

• 波形發(fā)生器： 通過將不同的波形片段或預(yù)設(shè)值連接到數(shù)據(jù)輸入端，并通過選擇輸入進(jìn)行切換，可以生成復(fù)雜的波形。

• 數(shù)據(jù)分配器/解復(fù)用器（Demultiplexer）的擴(kuò)展： 雖然74LS151本身是多路復(fù)用器，但通過一些外部邏輯和巧妙連接，也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)分配的功能。例如，一個數(shù)據(jù)輸入連接到所有的D端，然后通過使能信號和選擇輸入來控制哪個輸出被激活。

• 存儲器地址譯碼： 在一些簡單的存儲器系統(tǒng)中，74LS151 可以用于地址譯碼，根據(jù)地址總線上的某些位來選擇特定的存儲單元或存儲芯片。

• 測試和測量設(shè)備： 在各種測試和測量設(shè)備中，74LS151 可以用于選擇不同的測試信號或數(shù)據(jù)通道。

• 擴(kuò)展多路復(fù)用器： 當(dāng)需要選擇的數(shù)據(jù)輸入超過8路時，可以通過級聯(lián)多個74LS151來實現(xiàn)。例如，兩個74LS151可以組成一個16選1數(shù)據(jù)選擇器，通過使用額外的選擇位來選擇哪個74LS151被使能。

6. 使用 74LS151 的注意事項和設(shè)計考慮

在使用74LS151時，需要注意以下幾點以確保電路的穩(wěn)定性和可靠性：

• 電源連接： 務(wù)必正確連接VCC和GND。VCC通常為+5V。電壓過高或過低都可能導(dǎo)致芯片損壞或無法正常工作。

• 輸入信號： 確保輸入信號的電壓電平符合TTL標(biāo)準(zhǔn)（低電平0-0.8V，高電平2.0-5V）。輸入端未連接或浮空可能導(dǎo)致不可預(yù)測的行為。未使用的輸入引腳應(yīng)連接到適當(dāng)?shù)倪壿嬰娖剑ɡ?，不用的?shù)據(jù)輸入可以接地或接高電平，未使用的選擇輸入也應(yīng)固定）。

• 使能引腳： G引腳的正確使用至關(guān)重要。如果不使用使能功能，應(yīng)將其接地以確保芯片始終處于工作狀態(tài)。

• 輸出負(fù)載： 74LS151 的輸出電流能力是有限的。不要驅(qū)動過大的負(fù)載，否則可能導(dǎo)致輸出電壓下降或芯片損壞。應(yīng)查閱數(shù)據(jù)手冊了解其最大輸出電流。

• 去耦電容： 在VCC和GND引腳之間靠近芯片放置一個0.1μF的去耦電容，以濾除電源噪聲，提高電路的穩(wěn)定性。這對于所有數(shù)字IC都是良好的設(shè)計實踐。

• 扇出能力： 了解其扇出能力，即一個輸出引腳能驅(qū)動多少個相同類型的輸入引腳。LS系列通常能驅(qū)動約10個標(biāo)準(zhǔn)LS系列輸入。

• 傳播延遲： 數(shù)據(jù)從輸入端到輸出端會有一定的延遲，這稱為傳播延遲。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，需要考慮這個延遲對時序的影響。

• 級聯(lián)： 當(dāng)需要實現(xiàn)更大規(guī)模的數(shù)據(jù)選擇器時，可以通過級聯(lián)多個74LS151來實現(xiàn)。例如，要實現(xiàn)16選1多路復(fù)用器，可以使用兩個74LS151作為8選1選擇器，然后用一個額外的選擇位來控制哪個8選1選擇器的輸出被送到最終輸出，或者使用另一個2選1多路復(fù)用器來選擇兩個8選1多路復(fù)用器的輸出。

7. 74LS151 與其他多路復(fù)用器芯片的比較

除了74LS151，還有許多其他類型的多路復(fù)用器芯片，它們在輸入數(shù)量、邏輯家族、速度、功耗和封裝等方面有所不同。

• 不同輸入數(shù)量： 例如，74LS153是雙4選1多路復(fù)用器，74LS157是四2選1多路復(fù)用器，而74LS150是16選1多路復(fù)用器。選擇哪種芯片取決于具體應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)輸入數(shù)量。

• 邏輯家族： 除了LS系列，還有HC（高速CMOS）、HCT（高速CMOS，TTL兼容輸入）、F（快速TTL）等。CMOS系列（如74HC151）通常具有更低的功耗和更高的抗噪聲能力，但在速度上可能略遜于LS系列（在特定電壓下）。選擇哪個邏輯家族取決于功耗、速度和兼容性要求。

• 封裝： 除了DIP封裝，還有SOP、SSOP、TSSOP等表面貼裝封裝，適用于更緊湊的設(shè)計。

8. 74LS151 在現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計中的地位

盡管現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計更多地傾向于使用可編程邏輯器件（如FPGA、CPLD）或微控制器/微處理器，但74LS151這類標(biāo)準(zhǔn)邏輯芯片在教育、原型開發(fā)、小規(guī)模定制電路以及一些成本敏感或?qū)λ俣扔刑囟ㄒ蟮膽?yīng)用中仍然扮演著重要角色。

• 教學(xué)工具： 它是數(shù)字邏輯課程中經(jīng)典的教學(xué)案例，幫助學(xué)生理解組合邏輯、數(shù)據(jù)選擇器和多路復(fù)用器的基本原理。

• 原型驗證： 在開發(fā)階段，使用分立的邏輯芯片進(jìn)行快速原型驗證比設(shè)計和編程FPGA可能更直接和迅速。

• 特定功能模塊： 在一些嵌入式系統(tǒng)中，如果只需要簡單的8選1功能，使用74LS151可能比集成到微控制器內(nèi)部或FPGA中更簡單、成本更低。

• 遺留系統(tǒng)維護(hù)： 許多老舊的數(shù)字系統(tǒng)仍在使用74LS系列芯片，了解它們有助于維護(hù)和升級這些系統(tǒng)。

總而言之，74LS151 是一款經(jīng)典且功能強(qiáng)大的數(shù)字集成電路，其作為8選1數(shù)據(jù)選擇器的核心功能使其在數(shù)字電路設(shè)計中具有廣泛的應(yīng)用價值。理解其工作原理、引腳配置和應(yīng)用場景，對于學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯和進(jìn)行實際電路設(shè)計都至關(guān)重要。