74LS248：BCD到七段譯碼器/驅(qū)動器詳解

74LS248是一款廣泛應(yīng)用于數(shù)字顯示領(lǐng)域的集成電路，它主要功能是將二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制（BCD）輸入信號轉(zhuǎn)換為七段顯示器所需的驅(qū)動信號。作為TTL（晶體管-晶體管邏輯）家族的一員，74LS248以其穩(wěn)定可靠的性能和易于集成的特性，在各種數(shù)字顯示應(yīng)用中占據(jù)重要地位，例如數(shù)字時鐘、計數(shù)器、儀表顯示等。理解74LS248的工作原理和特性，對于數(shù)字電路設(shè)計者和愛好者來說至關(guān)重要。

1. 概述與基本功能

74LS248是一款低功耗肖特基TTL器件，其核心功能是將4位BCD碼（Binary-Coded Decimal）輸入轉(zhuǎn)換為七段顯示器所需的七個段選信號以及一個小數(shù)點(diǎn)（DP）驅(qū)動信號。它內(nèi)部集成了復(fù)雜的邏輯電路，能夠識別BCD碼并生成相應(yīng)的七段碼輸出，從而點(diǎn)亮七段顯示器上對應(yīng)的數(shù)字。該芯片通常與共陰極七段顯示器配合使用，因為其輸出為高電平有效，可以直接驅(qū)動共陰極顯示器的LED段。

74LS248的命名中，“74”代表它是標(biāo)準(zhǔn)的TTL系列集成電路，“LS”表示其采用低功耗肖特基（Low-power Schottky）工藝，這使得它在保持較高速度的同時，顯著降低了功耗。“248”則是該芯片特有的型號編碼，指明了其具體的邏輯功能。

2. 主要特性與優(yōu)勢

74LS248之所以在數(shù)字顯示領(lǐng)域廣受歡迎，得益于其一系列顯著的特性和優(yōu)勢：

• BCD到七段譯碼功能： 這是其最核心的功能，能夠?qū)?位BCD輸入（0000-1001，對應(yīng)十進(jìn)制0-9）準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為七段顯示器的驅(qū)動信號。對于非法的BCD輸入（即1010-1111），74LS248通常會輸出一個特殊的模式，例如空白或者其他非數(shù)字字符，這在調(diào)試和故障排除時非常有用。

• 高輸出電流能力： 74LS248的輸出引腳能夠提供足夠的電流來直接驅(qū)動七段顯示器的LED段，通常無需額外的驅(qū)動電路，簡化了電路設(shè)計。

• 內(nèi)置消隱輸入（RBI）和燈測試輸入（LT）：

• 消隱輸入（RBI - Ripple Blanking Input）： 這個引腳通常用于實現(xiàn)前導(dǎo)零消隱功能。在多位數(shù)字顯示中，如果高位的數(shù)字是零，通過RBI可以將其顯示消隱，避免顯示“007”這樣的前導(dǎo)零，而是顯示“7”，使顯示更美觀。當(dāng)RBI為低電平且BCD輸入為0000時，所有段輸出將關(guān)閉（高電平），從而實現(xiàn)消隱。

• 燈測試輸入（LT - Lamp Test）： LT引腳用于測試七段顯示器是否正常工作。當(dāng)LT為低電平（活動低電平）時，無論BCD輸入是什么，所有七段輸出都會被激活（變?yōu)榈碗娖剑瑥亩c(diǎn)亮七段顯示器的所有段，方便檢查顯示器是否有損壞的段。

• 上電消隱功能： 74LS248通常在上電時會自動將顯示清零或消隱，避免上電時出現(xiàn)隨機(jī)的顯示字符。

• 寬工作電壓范圍： 作為TTL器件，74LS248通常在+5V的電源電壓下工作，但其工作電壓范圍相對較寬，對電源波動具有一定的容忍度。

• 低功耗： 采用LS（低功耗肖特基）工藝，使其在保證速度的同時，功耗遠(yuǎn)低于早期的標(biāo)準(zhǔn)TTL器件，這對于電池供電或?qū)拿舾械膽?yīng)用來說是一個重要優(yōu)勢。

• 易于使用和集成： 74LS248采用標(biāo)準(zhǔn)的DIP（雙列直插式封裝）或其他封裝，易于在電路板上進(jìn)行安裝和焊接。其明確的引腳功能和邏輯特性使得設(shè)計師能夠快速將其集成到各種數(shù)字系統(tǒng)中。

3. 引腳配置與功能

74LS248通常采用16引腳DIP封裝。理解每個引腳的功能是正確使用該芯片的基礎(chǔ)。

重要說明：

• 輸入引腳（A, B, C, D）： 接收4位BCD碼，對應(yīng)十進(jìn)制數(shù)字0-9。

• 輸出引腳（a, b, c, d, e, f, g）： 驅(qū)動七段顯示器的各個段。由于74LS248是為共陰極顯示器設(shè)計的，當(dāng)對應(yīng)的段需要點(diǎn)亮?xí)r，輸出引腳會變?yōu)楦唠娖健?/span>

• LT（Lamp Test）： 將此引腳拉低（0V）時，所有七段輸出（a-g）都將變?yōu)楦唠娖剑瑥亩c(diǎn)亮七段顯示器的所有段，用于測試顯示器功能。

• RBI（Ripple Blanking Input）： 當(dāng)RBI為低電平且BCD輸入為0000（十進(jìn)制0）時，所有七段輸出都會被消隱（變?yōu)榈碗娖?，即熄滅）。這用于抑制前導(dǎo)零。

• BI/RBO（Blanking Input/Ripple Blanking Output）： 這個引腳是一個雙向功能引腳。

• 作為BI（Blanking Input）：當(dāng)此引腳作為輸入，且為低電平時，無論BCD輸入為何，所有七段輸出都將被消隱。這提供了一種強(qiáng)制消隱顯示的方法。

• 作為RBO（Ripple Blanking Output）：當(dāng)RBI為低電平且BCD輸入為0000時，BI/RBO引腳會變?yōu)榈碗娖?。這個低電平輸出可以連接到下一個74LS248的RBI引腳，實現(xiàn)多位顯示器中的漣波消隱，即從左到右依次消隱前導(dǎo)零。例如，如果一個三位顯示器顯示“007”，通過這種鏈?zhǔn)竭B接，可以自動顯示為“7”。

4. 工作原理與內(nèi)部邏輯

74LS248的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜的組合邏輯電路，其核心是一個BCD到七段譯碼器。它接收4位BCD輸入，通過一系列邏輯門（如AND、OR、NOT門）的組合，生成七段顯示器所需的七個輸出信號。

真值表（部分）示例：

注：

• H 表示高電平（邏輯1），L 表示低電平（邏輯0）。

• X 表示無關(guān)（可以是高電平或低電平）。

• 七段輸出是針對共陰極顯示器的。當(dāng)輸出為“L”時，對應(yīng)的段被點(diǎn)亮；當(dāng)輸出為“H”時，對應(yīng)的段熄滅。

• 上述真值表為簡化示例，實際數(shù)據(jù)手冊中會包含所有輸入組合和輸出狀態(tài)。

譯碼邏輯：

譯碼邏輯是根據(jù)BCD輸入的特定組合來激活相應(yīng)的七段輸出。例如，要顯示數(shù)字“0”，段a、b、c、d、e、f需要點(diǎn)亮，而段g需要熄滅。因此，當(dāng)BCD輸入為0000時，內(nèi)部邏輯會確保a, b, c, d, e, f的輸出為高電平（點(diǎn)亮共陰極顯示器），而g的輸出為低電平（熄滅）。類似地，對于其他數(shù)字（1-9），芯片內(nèi)部都有對應(yīng)的組合邏輯來實現(xiàn)正確的段驅(qū)動。

消隱和燈測試邏輯：

• 燈測試（LT）邏輯： LT引腳通過一個或門（或類似電路）控制所有段輸出。當(dāng)LT為低電平，無論BCD輸入如何，所有的段輸出都被強(qiáng)制為低電平（如果輸出是反相的）或高電平（如果輸出是同相的，如74LS248），確保所有LED段都被點(diǎn)亮。

• 消隱（RBI/BI/RBO）邏輯： 消隱功能通常涉及一個AND門或NAND門，當(dāng)RBI為低電平且BCD輸入為0000時，它會觸發(fā)消隱，使得所有段輸出都被禁用（即熄滅）。BI/RBO的漣波功能則通過一個級聯(lián)的邏輯來實現(xiàn)，其中一個芯片的RBO輸出連接到下一個芯片的RBI輸入。

5. 應(yīng)用場景

74LS248因其簡單易用和功能全面性，被廣泛應(yīng)用于各種需要數(shù)字顯示的場合：

• 數(shù)字時鐘： 74LS248是數(shù)字時鐘電路中常見的組成部分，用于驅(qū)動小時、分鐘和秒的七段顯示器。

• 計數(shù)器： 在各種數(shù)字計數(shù)器中，如產(chǎn)品計數(shù)器、頻率計數(shù)器等，74LS248用于將計數(shù)結(jié)果顯示出來。

• 數(shù)字電壓表/電流表： 模擬量通過ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，再通過74LS248驅(qū)動顯示。

• 數(shù)字溫度計： 傳感器獲取的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，通過74LS248顯示出來。

• 萬用表： 許多老式和部分現(xiàn)代數(shù)字萬用表使用七段顯示器，74LS248在此類設(shè)備中扮演譯碼驅(qū)動的角色。

• 工業(yè)控制面板： 在各種工業(yè)設(shè)備和機(jī)器的控制面板上，用于顯示各種參數(shù)和數(shù)值。

• 教育實驗套件： 由于其教學(xué)價值和易于理解的特性，74LS248常被用于電子學(xué)實驗和教學(xué)套件中。

6. 與七段顯示器的連接

74LS248通常與共陰極七段顯示器配合使用。共陰極顯示器意味著所有LED段的陰極都連接在一起，并接地（0V）。為了點(diǎn)亮某個段，需要向其陽極施加高電平。

典型連接圖：

           VCC (+5V)
             |
             |
             +---+
             |   |
         [74LS248]
         |       |
         |       |
   A ----|       |---- a (接七段顯示器段a的陽極)
   B ----|       |---- b (接七段顯示器段b的陽極)
   C ----|       |---- c (接七段顯示器段c的陽極)
   D ----|       |---- d (接七段顯示器段d的陽極)
         |       |---- e (接七段顯示器段e的陽極)
         |       |---- f (接七段顯示器段f的陽極)
         |       |---- g (接七段顯示器段g的陽極)
   LT ----|       |
   RBI ----|       |
   BI/RBO--|       |
         |       |
         +-------+
             |
            GND

                         +-------+
                       |       |
                       |       |---- a
                       |       |---- b
                       |       |---- c
    共陰極七段顯示器   |       |---- d
                       |       |---- e
                       |       |---- f
                       |       |---- g
                       |       |
                       |       |
                       +-------+
                           |
                          GND (所有陰極連接在一起)

限流電阻：

在實際應(yīng)用中，每個七段顯示器的LED段都需要串聯(lián)一個限流電阻。這是為了保護(hù)LED不被過大的電流燒壞，并控制LED的亮度。電阻值通常根據(jù)LED的正向電壓、所需電流和電源電壓來計算。常見的電阻值范圍在150Ω到330Ω之間，具體取決于顯示器的型號和所需亮度。

計算公式：R=(V_CC?V_LED_forward)/I_LED

其中：

• R 為限流電阻值。

• V_CC 為電源電壓（通常為5V）。

• V_LED_forward 為LED的正向壓降（通常為1.8V-2.2V，具體取決于LED顏色）。

• I_LED 為流過LED的電流（通常為5mA-20mA）。

7. 常見問題與替代方案

常見問題：

• 顯示不正常： 可能是電源電壓不穩(wěn)定、輸入BCD碼錯誤、七段顯示器損壞、限流電阻值不正確或74LS248芯片本身損壞。

• 亮度不均勻： 可能是不同段的限流電阻值不一致，或者顯示器本身的問題。

• 無法消隱： 檢查RBI和BI/RBO引腳的連接和邏輯狀態(tài)是否正確。

• 功耗過大： 確保使用LS系列芯片，并檢查是否有輸出短路等問題。

替代方案：

盡管74LS248是一款經(jīng)典的芯片，但在現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計中，有時也會考慮其他替代方案：

• 微控制器（MCU）： 現(xiàn)代的微控制器（如Arduino、ESP32、STM32等）內(nèi)部通常集成了GPIO口，可以直接通過編程來控制七段顯示器，甚至可以驅(qū)動多位顯示器，并實現(xiàn)更復(fù)雜的顯示模式，如動態(tài)掃描。這省去了專門的譯碼芯片，但增加了軟件開發(fā)的復(fù)雜度。

• 專用顯示驅(qū)動芯片： 除了74LS248之外，還有其他更高級的七段顯示驅(qū)動芯片，例如MAX7219或TM1637，它們通常集成了串行接口、段驅(qū)動和位驅(qū)動，可以更方便地驅(qū)動多位LED顯示器，減少引腳數(shù)量。

• FPGA/CPLD： 對于需要高度定制化或高性能的顯示控制，可編程邏輯器件（如FPGA或CPLD）可以實現(xiàn)自定義的BCD到七段譯碼邏輯，并與其他數(shù)字邏輯集成。

8. 總結(jié)

74LS248作為一款經(jīng)典的BCD到七段譯碼器/驅(qū)動器，在數(shù)字顯示領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。它簡化了數(shù)字信號到可視顯示的轉(zhuǎn)換過程，使得數(shù)字電路設(shè)計更加便捷。盡管隨著技術(shù)的發(fā)展，微控制器和其他更集成化的顯示驅(qū)動芯片提供了更多的靈活性和功能，但74LS248仍然因其穩(wěn)定、可靠、易于使用的特點(diǎn)，在許多傳統(tǒng)和教學(xué)應(yīng)用中保持著其獨(dú)特的價值。理解其工作原理、引腳功能和應(yīng)用方法，對于任何學(xué)習(xí)或從事數(shù)字電子領(lǐng)域的人來說，都是一項寶貴的知識。