74HC151 多路選擇器：原理、邏輯圖與真值表詳解

在數(shù)字邏輯電路中，多路選擇器（Multiplexer，簡稱 MUX）是一種非常重要的組合邏輯器件，它能夠根據(jù)選擇輸入（select inputs）的組合，從多個數(shù)據(jù)輸入中選擇其中一個，并將其輸出到唯一的輸出端。74HC151 是一款常用的 8 選 1 多路選擇器，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)路由、數(shù)據(jù)選擇、并行到串行轉(zhuǎn)換等場景。本文將對 74HC151 的工作原理、內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)、引腳功能以及詳細(xì)的真值表進(jìn)行深入探討，旨在提供一個全面且詳細(xì)的理解。

多路選擇器概述

多路選擇器可以被形象地比喻為一個數(shù)據(jù)開關(guān)。想象一下，你有多條信息流（數(shù)據(jù)輸入），但只有一個出口（輸出端）。多路選擇器的作用就是決定哪條信息流能夠通過這個出口。這個決定過程是由控制信號（選擇輸入）來完成的。一個 N 選 1 多路選擇器通常有 N 個數(shù)據(jù)輸入端，log2N 個選擇輸入端，以及一個輸出端。

多路選擇器在數(shù)字系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。例如，在計算機架構(gòu)中，它們用于從存儲器中選擇特定的數(shù)據(jù)字，或者在微處理器中選擇要執(zhí)行的指令。在通信系統(tǒng)中，它們可以將多個低速數(shù)據(jù)流匯聚成一個高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸。此外，多路選擇器還可以用于實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)，因為它本質(zhì)上是一個通用的邏輯門。

74HC151 簡介

74HC151 是一款高速 CMOS 8 選 1 多路選擇器。它屬于 74HC 系列，該系列器件以其低功耗、高抗噪性和寬工作電壓范圍而聞名。74HC151 具有 8 個數(shù)據(jù)輸入（D0 到 D7），3 個二進(jìn)制選擇輸入（A, B, C），一個選通（使能）輸入（G），以及一個數(shù)據(jù)輸出（Y）和一個反相數(shù)據(jù)輸出（Y）。其 CMOS 技術(shù)使得它能夠與 TTL 和 CMOS 器件兼容，具有較高的扇出能力。

74HC151 的工作原理相對簡單直觀。通過改變選擇輸入 A,B,C 的狀態(tài)，可以選中 8 個數(shù)據(jù)輸入中的任意一個，并將其電平傳遞到輸出端 Y。當(dāng)使能輸入 G 為低電平（0）時，74HC151 處于工作狀態(tài)，允許數(shù)據(jù)通過。當(dāng) G 為高電平（1）時，無論數(shù)據(jù)輸入和選擇輸入為何種狀態(tài)，輸出 Y 都將被強制為低電平（0），而 Y 將被強制為高電平（1），此時多路選擇器被禁用。這種使能功能非常有用，它允許在需要時控制數(shù)據(jù)的流動，或者在多個多路選擇器之間進(jìn)行級聯(lián)以構(gòu)建更大的多路選擇器。

74HC151 引腳功能

理解 74HC151 的引腳功能是正確使用它的前提。以下是 74HC151 的主要引腳及其功能描述：

• D0 - D7 (數(shù)據(jù)輸入)：這 8 個引腳是多路選擇器的數(shù)據(jù)輸入端。每個引腳代表一個獨立的數(shù)據(jù)通道。根據(jù)選擇輸入 A,B,C 的組合，其中一個數(shù)據(jù)輸入將被路由到輸出端。這些數(shù)據(jù)輸入可以是高電平（邏輯 1）或低電平（邏輯 0），代表不同的數(shù)據(jù)信號。

• A,B,C (選擇輸入)：這 3 個引腳是二進(jìn)制選擇控制輸入。它們共同決定了 8 個數(shù)據(jù)輸入中的哪一個將被選中并輸出。這些選擇輸入通常被視為一個三位二進(jìn)制數(shù)，其值對應(yīng)于被選中的數(shù)據(jù)輸入 Di 的下標(biāo) i。例如，如果 A=0,B=0,C=0，則 D0 被選中；如果 A=1,B=1,C=1，則 D7 被選中。

• G (選通/使能輸入)：這是一個低電平有效的使能輸入。當(dāng) G 為低電平（邏輯 0）時，74HC151 正常工作，根據(jù)選擇輸入將相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入路由到輸出。當(dāng) G 為高電平（邏輯 1）時，74HC151 被禁用，輸出 Y 將被強制為低電平，而 Y 將被強制為高電平，無論其他輸入的狀態(tài)如何。這個引腳對于控制數(shù)據(jù)流的開關(guān)和級聯(lián)多個多路選擇器非常重要。

• Y (數(shù)據(jù)輸出)：這是多路選擇器的主要輸出端。當(dāng)使能時，它會輸出由選擇輸入 A,B,C 選擇的數(shù)據(jù)輸入 Di 的邏輯狀態(tài)。例如，如果 D3 被選中，并且 D3 為高電平，則 Y 也將是高電平。

• Y (反相數(shù)據(jù)輸出)：這是多路選擇器的反相輸出端。它的邏輯狀態(tài)總是與 Y 相反。也就是說，如果 Y 為高電平，則 Y 為低電平；如果 Y 為低電平，則 Y 為高電平。這個引腳在某些應(yīng)用中非常有用，可以省去額外的反相器。

• VCC (電源)：電源正極連接。通常連接到 +5V。

• GND (地)：接地引腳。通常連接到 0V。

這些引腳的正確連接和配置對于 74HC151 的正常功能至關(guān)重要。任何錯誤的連接都可能導(dǎo)致器件無法正常工作或損壞。

74HC151 邏輯圖解析

74HC151 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)可以通過其邏輯圖來理解。雖然具體的實現(xiàn)可能因制造商而異，但其核心功能都是基于 AND 門、OR 門和非門（反相器）的組合來實現(xiàn)的。

一個 8 選 1 多路選擇器通常由 8 個三輸入 AND 門、一個八輸入 OR 門以及一些反相器組成。每個 AND 門對應(yīng)一個數(shù)據(jù)輸入通道。AND 門的其中一個輸入連接到相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入 Di，另外兩個輸入連接到經(jīng)過適當(dāng)反相的選擇輸入 A,B,C。

具體來說，對于 D0 通道，其 AND 門的輸入將是 D0, C, B, A。這意味著只有當(dāng) A,B,C 都為 0 時（即 A=0,B=0,C=0），并且 G 為 0 時，這個 AND 門才會被激活，允許 D0 的值通過。

對于 D1 通道，其 AND 門的輸入將是 D1, C, B, A。這意味著只有當(dāng) A=1,B=0,C=0 時，這個 AND 門才會被激活，允許 D1 的值通過。

依此類推，對于每一個 Di 通道，其對應(yīng)的 AND 門的控制輸入都將是 A,B,C 的特定組合，以形成 Di 的二進(jìn)制編碼。

所有這 8 個 AND 門的輸出都連接到一個八輸入 OR 門。這個 OR 門的輸出就是多路選擇器的最終輸出 Y。由于在任何給定時間點，只有且只有一個 AND 門會被激活（假設(shè)使能輸入 G 為低電平），因此 OR 門的輸出將反映被激活的 AND 門所傳遞的數(shù)據(jù)輸入的值。

此外，使能輸入 G 通常會作為一個公共的控制信號，連接到所有 AND 門的額外輸入端。這意味著只有當(dāng) G 為低電平（0）時，所有 AND 門才能被激活。如果 G 為高電平（1），它將禁用所有 AND 門，無論選擇輸入和數(shù)據(jù)輸入如何，都將導(dǎo)致所有 AND 門的輸出為 0。因此，OR 門的輸出 Y 將為 0。

反相輸出 Y 通常通過在 Y 的輸出端連接一個簡單的非門（反相器）來實現(xiàn)。

總結(jié)一下，74HC151 的邏輯結(jié)構(gòu)可以概括為：

1. 數(shù)據(jù)輸入門控：8 個 AND 門，每個門負(fù)責(zé)控制一個數(shù)據(jù)輸入 Di 是否能通過。每個 AND 門的一個輸入是對應(yīng)的數(shù)據(jù) Di，另外三個輸入是經(jīng)過適當(dāng)反相或不反相的選擇輸入 A,B,C。此外，使能輸入 G 通常也作為這些 AND 門的共同輸入，以實現(xiàn)整體的使能控制。

2. 選擇邏輯：通過對選擇輸入 A,B,C 進(jìn)行組合，確保在任何給定時間只有一個 AND 門的使能輸入條件得到滿足（當(dāng) G 為低電平且 A,B,C 的組合與 Di 的下標(biāo)匹配時）。

3. 輸出匯聚：所有 8 個 AND 門的輸出都匯聚到一個 OR 門。OR 門的輸出 Y 就是被選中的數(shù)據(jù)輸入的值。

4. 反相輸出：一個非門連接在 Y 的輸出端，提供反相輸出 Y。

這種組合邏輯結(jié)構(gòu)確保了 74HC151 能夠根據(jù)選擇輸入的二進(jìn)制編碼，準(zhǔn)確地將指定的數(shù)據(jù)輸入路由到輸出端。

74HC151 真值表

真值表是描述數(shù)字邏輯電路功能的最直接和最完整的方式。它列出了所有可能的輸入組合以及它們對應(yīng)的輸出狀態(tài)。對于 74HC151 來說，輸入包括使能輸入 G、選擇輸入 C,B,A 以及數(shù)據(jù)輸入 D0 到 D7。輸出是 Y 和 Y。

由于數(shù)據(jù)輸入 D0 到 D7 有 8 個，每個可以是 0 或 1，理論上會有非常多的組合。為了簡化真值表，我們通常只關(guān)注選擇輸入和使能輸入如何影響輸出，而將選中的數(shù)據(jù)輸入表示為 Di。

真值表解釋：

• 行 1 (使能禁用)：當(dāng)使能輸入 G 為高電平（H）時，無論選擇輸入 C,B,A 或數(shù)據(jù)輸入 Di 是什么狀態(tài)（“X”表示不關(guān)心），多路選擇器都被禁用。此時，輸出 Y 總是強制為低電平（L），而反相輸出 Y 總是強制為高電平（H）。這表示多路選擇器處于非工作狀態(tài)，不傳遞任何數(shù)據(jù)。

• 行 2-9 (使能啟用)：當(dāng)使能輸入 G 為低電平（L）時，多路選擇器被啟用，并根據(jù)選擇輸入 C,B,A 的二進(jìn)制組合來選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入 Di。

• C,B,A=L,L,L (000)：選擇 D0。此時，輸出 Y 的狀態(tài)與 D0 的狀態(tài)相同，Y 的狀態(tài)與 D0 的狀態(tài)相反。

• C,B,A=L,L,H (001)：選擇 D1。此時，輸出 Y 的狀態(tài)與 D1 的狀態(tài)相同，Y 的狀態(tài)與 D1 的狀態(tài)相反。

• C,B,A=L,H,L (010)：選擇 D2。此時，輸出 Y 的狀態(tài)與 D2 的狀態(tài)相同，Y 的狀態(tài)與 D2 的狀態(tài)相反。

• C,B,A=L,H,H (011)：選擇 D3。此時，輸出 Y 的狀態(tài)與 D3 的狀態(tài)相同，Y 的狀態(tài)與 D3 的狀態(tài)相反。

• C,B,A=H,L,L (100)：選擇 D4。此時，輸出 Y 的狀態(tài)與 D4 的狀態(tài)相同，Y 的狀態(tài)與 D4 的狀態(tài)相反。

• C,B,A=H,L,H (101)：選擇 D5。此時，輸出 Y 的狀態(tài)與 D5 的狀態(tài)相同，Y 的狀態(tài)與 D5 的狀態(tài)相反。

• C,B,A=H,H,L (110)：選擇 D6。此時，輸出 Y 的狀態(tài)與 D6 的狀態(tài)相同，Y 的狀態(tài)與 D6 的狀態(tài)相反。

• C,B,A=H,H,H (111)：選擇 D7。此時，輸出 Y 的狀態(tài)與 D7 的狀態(tài)相同，Y 的狀態(tài)與 D7 的狀態(tài)相反。

這個真值表清晰地展示了 74HC151 在不同輸入條件下的行為模式，是理解其功能的核心。

應(yīng)用示例

74HC151 多路選擇器在各種數(shù)字電路設(shè)計中都有廣泛的應(yīng)用。以下是一些典型的應(yīng)用場景：

• 數(shù)據(jù)路由/選擇：這是多路選擇器最基本也是最常見的應(yīng)用。例如，在一個系統(tǒng)中，可能有多個傳感器的數(shù)據(jù)需要被同一個處理器處理，74HC151 可以用來選擇當(dāng)前需要處理的傳感器數(shù)據(jù)。

• 并行到串行轉(zhuǎn)換：74HC151 可以將 8 路并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。通過將 8 個并行數(shù)據(jù)位連接到 D0 到 D7，并使用一個計數(shù)器生成循環(huán)的選擇信號 C,B,A，可以按順序地將每個數(shù)據(jù)位輸出到 Y 端，從而實現(xiàn)并行到串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。這在數(shù)據(jù)傳輸或存儲需要串行格式的場合非常有用。

• 組合邏輯函數(shù)實現(xiàn)：任何 n 變量的布爾函數(shù)都可以通過一個 2n 選 1 多路選擇器來實現(xiàn)。對于 74HC151 來說，它可以實現(xiàn)任何 3 個輸入變量的布爾函數(shù)，或者在某些情況下，通過巧妙的布線和額外的輸入，實現(xiàn)更多輸入變量的函數(shù)。要實現(xiàn)一個布爾函數(shù)，只需將函數(shù)的輸入變量連接到多路選擇器的選擇輸入 A,B,C，然后根據(jù)真值表將相應(yīng)的邏輯 0 或邏輯 1 連接到數(shù)據(jù)輸入 Di。例如，如果一個布爾函數(shù)在 A=0,B=0,C=1 時輸出為 1，那么就將 D1 連接到邏輯高電平。這種方法可以大大簡化復(fù)雜組合邏輯電路的設(shè)計。

• 數(shù)據(jù)多路復(fù)用：在通信系統(tǒng)中，多路選擇器可以將多個獨立的低速數(shù)據(jù)信道復(fù)用到一個高速共享信道上。在發(fā)送端使用多路選擇器將數(shù)據(jù)組合起來，在接收端使用解多路選擇器（Demultiplexer）將數(shù)據(jù)分離出來。

• 測試與測量系統(tǒng)：在自動測試設(shè)備（ATE）中，74HC151 可以用于選擇待測設(shè)備的特定信號線，將其連接到測量儀器，從而實現(xiàn)自動化測試和診斷。

• 控制系統(tǒng)：在各種控制系統(tǒng)中，多路選擇器可以用于根據(jù)不同的控制模式或條件，選擇不同的控制信號或反饋信號。

這些應(yīng)用僅僅是 74HC151 多樣化用途的冰山一角。其靈活性和通用性使其成為數(shù)字設(shè)計工具箱中不可或缺的一部分。

總結(jié)

74HC151 8 選 1 多路選擇器作為數(shù)字邏輯電路中的基本構(gòu)建塊，其原理、邏輯圖和真值表清晰地展示了其功能。通過理解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部行為，工程師和學(xué)生可以有效地將其應(yīng)用于各種數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中。從數(shù)據(jù)路由到組合邏輯函數(shù)實現(xiàn)，74HC151 的通用性使其在現(xiàn)代電子技術(shù)中占據(jù)著重要的地位。掌握多路選擇器的工作原理不僅有助于理解 74HC151，更能為學(xué)習(xí)更復(fù)雜的數(shù)字電路奠定堅實的基礎(chǔ)。在未來的數(shù)字設(shè)計中，多路選擇器將繼續(xù)發(fā)揮其不可替代的作用，幫助我們構(gòu)建更加高效和智能的電子系統(tǒng)。