74LS138引腳圖及其應用詳解

74LS138是一款集成電路芯片，屬于TTL（Transistor-Transistor Logic，晶體管-晶體管邏輯）家族，常被稱作3線-8線譯碼器/多路分解器。它在數(shù)字電路設計中扮演著至關重要的角色，尤其在地址譯碼、數(shù)據(jù)分配、存儲器擴展以及各種邏輯控制系統(tǒng)中有著廣泛的應用。理解其引腳功能、工作原理以及典型應用場景，對于電子工程師和愛好者而言是基礎且必要的知識。

74LS138引腳圖

74LS138通常采用16引腳的雙列直插封裝（DIP-16）。以下是其詳細的引腳排列及其功能說明：

引腳功能詳細解析：

• 地址輸入（A0, A1, A2）： 這三個引腳是74LS138的譯碼輸入端，用于選擇8個輸出中的哪一個將被激活。它們構成一個3位的二進制地址，A0是最低有效位（LSB），A2是最高有效位（MSB）。當使能端有效時，這3位二進制地址的組合將唯一確定一個輸出為低電平（0），而其余7個輸出保持高電平（1）。這種編碼方式使得通過簡單的二進制輸入就能控制復雜的多路選擇功能。

• 使能輸入（G1, G2A, G2B）： 74LS138具有三個使能輸入端，用于控制芯片的整體工作狀態(tài)。

• G1 (高電平有效使能)： 當G1為高電平（邏輯1）時，芯片才可能正常工作。如果G1為低電平（邏輯0），無論地址輸入是什么，所有輸出都將被強制置為高電平，即芯片被禁用。

• G2A (低電平有效使能)： 當G2A為低電平（邏輯0）時，芯片才可能正常工作。如果G2A為高電平（邏輯1），所有輸出都將被強制置為高電平。

• G2B (低電平有效使能)： 與G2A功能相同，當G2B為低電平（邏輯0）時，芯片才可能正常工作。如果G2B為高電平（邏輯1），所有輸出都將被強制置為高電平。 為了使74LS138正常譯碼，必須同時滿足G1為高電平，G2A和G2B為低電平的條件。這種多重使能設計提供了極大的靈活性，允許將多個譯碼器級聯(lián)或進行更復雜的控制，例如在更大的地址空間中進行分塊譯碼。

• 譯碼輸出（Y0-Y7）： 這8個引腳是74LS138的譯碼輸出端。當芯片被使能且地址輸入有效時，根據(jù)地址輸入的二進制值，對應的一個輸出引腳會被驅動到低電平（邏輯0），而其他所有輸出引腳將保持在高電平（邏輯1）。例如，如果地址輸入是A2A1A0 = 000，則Y0輸出低電平；如果地址輸入是A2A1A0 = 111，則Y7輸出低電平。這種“低電平有效”的輸出特性在許多應用中都非常方便，例如驅動LED、使能其他芯片或作為選通信號。

• 電源（VCC, GND）： VCC是芯片的正電源輸入端，通常連接到+5V直流電源。GND是接地端，連接到電路的公共地。穩(wěn)定的電源供應是芯片正常工作的基本保障。

74LS138的工作原理

74LS138的本質是一個3線-8線譯碼器。其核心功能是將3位的二進制輸入地址（A2A1A0）轉換為8個獨立的輸出線（Y0-Y7）中的某一條的激活信號。當芯片使能條件（G1=1, G2A=0, G2B=0）滿足時，譯碼器根據(jù)A2A1A0的組合來選擇一個輸出。

真值表：

為了更直觀地理解其工作原理，我們可以通過真值表來表示74LS138的輸入與輸出關系。

注：

• H 代表高電平（邏輯1）。

• L 代表低電平（邏輯0）。

• X 代表任意狀態(tài)（高電平或低電平，不影響結果）。

從真值表中可以看出，只有當使能輸入滿足特定條件時，74LS138才根據(jù)A2A1A0的組合將對應的輸出置為低電平。這種特性使其非常適合用于地址譯碼，將處理器發(fā)出的地址信號轉換成具體的芯片選擇信號。

74LS138的主要特性

• 高速性能： 作為LS系列的器件，74LS138具有較快的傳播延遲時間，適用于對速度有一定要求的數(shù)字系統(tǒng)。

• 低功耗： 相比于早期的TTL器件，LS系列在功耗方面有所優(yōu)化，盡管與CMOS器件相比仍較高。

• 多路使能輸入： 提供了三個獨立的使能輸入（一個高電平有效，兩個低電平有效），極大地增強了芯片的靈活性和可級聯(lián)性。

• 低電平有效輸出： 8個譯碼輸出為低電平有效，這意味著當對應的輸出被選中時，其電平為低。這在許多數(shù)字系統(tǒng)中非常常見，例如驅動“片選”（Chip Select, CS）信號。

• 寬工作電壓范圍： 標準TTL工作電壓為5V，但LS系列通常能在4.75V到5.25V之間穩(wěn)定工作。

• 高扇出能力： 能夠驅動多個相同系列的邏輯門，滿足一般數(shù)字電路的驅動需求。

74LS138的典型應用

74LS138作為多功能譯碼器，在數(shù)字電子領域有著極其廣泛的應用。以下列舉幾個典型的應用場景：

1. 地址譯碼器

這是74LS138最經(jīng)典也是最廣泛的應用之一。在微處理器或微控制器系統(tǒng)中，當CPU需要訪問外部存儲器（RAM、ROM）或外設時，它會發(fā)出一個地址信號。然而，CPU的地址線數(shù)量往往遠多于單個存儲芯片所需的地址線。此時，就需要地址譯碼器將CPU發(fā)出的高位地址信號“翻譯”成特定存儲芯片的片選信號。

應用場景舉例：

假設一個微處理器具有16根地址線（A0-A15），需要連接多片8KB的存儲器。8KB存儲器需要13根地址線（213=8192）。那么，A0-A12可以直接連接到存儲器的地址輸入端。剩下的地址線A13、A14、A15就可以作為譯碼器的輸入，通過74LS138產(chǎn)生不同的片選信號，分別連接到不同的8KB存儲器的CS（片選）引腳。

• 連接方式：

• 處理器的A13、A14、A15連接到74LS138的A0、A1、A2（或者A0、A1、A2連接到處理器的低位地址線，高位地址線用于譯碼，具體取決于設計）。

• 74LS138的輸出Y0-Y7分別連接到8片8KB存儲器的CS引腳。

• 處理器的讀寫控制信號（如$overline{RD}、overline{WR}$）以及其他相關的地址線可以與74LS138的使能端G1、G2A、G2B配合，確保在正確的時間和地址范圍內激活對應的存儲器。

通過這種方式，當處理器發(fā)出某個地址時，74LS138能夠選擇性地使能對應地址范圍內的存儲芯片，從而實現(xiàn)對不同存儲區(qū)域的訪問。例如，當處理器地址在0x0000-0x1FFF（對應譯碼器輸出Y0）時，第一片存儲器被選中；當?shù)刂吩?x2000-0x3FFF（對應譯碼器輸出Y1）時，第二片存儲器被選中，以此類推。這種結構有效地擴展了微處理器的存儲空間。

2. 數(shù)據(jù)分配器/多路分解器 (Demultiplexer)

74LS138也可以用作數(shù)據(jù)分配器，將一路數(shù)據(jù)輸入分配到多路輸出中的一路。雖然它本身沒有數(shù)據(jù)輸入引腳，但可以通過將使能輸入與數(shù)據(jù)信號結合來實現(xiàn)這個功能。

實現(xiàn)原理：

將一路數(shù)據(jù)信號連接到74LS138的某個使能端（通常是G2A或G2B，因為它們是低電平有效），然后將高電平有效的使能端G1連接到常高電平。地址輸入（A0-A2）用于選擇目標輸出。當數(shù)據(jù)信號為低電平（有效）時，被選中的輸出才會被激活；當數(shù)據(jù)信號為高電平（無效）時，所有輸出都將處于高阻態(tài)或高電平。

應用場景舉例：

假設需要將一路串行數(shù)據(jù)或一個控制信號分配到八個不同的執(zhí)行單元。

• 連接方式：

• 將待分配的數(shù)據(jù)信號連接到74LS138的G2A（或G2B）引腳。

• 將G1連接到VCC（高電平）。

• 將GND連接到G2B（或G2A）。

• 將選擇哪一路輸出的控制信號（3位二進制）連接到A0-A2。

• 74LS138的輸出Y0-Y7連接到八個不同的執(zhí)行單元的使能端或控制端。

當數(shù)據(jù)信號為低電平時，根據(jù)A2A1A0的組合，對應的一個輸出Yx變?yōu)榈碗娖?，從而使能對應的?zhí)行單元。當數(shù)據(jù)信號為高電平時，無論A2A1A0如何，所有輸出都保持高電平，所有執(zhí)行單元都被禁用。這使得數(shù)據(jù)可以在不同時間被“導向”到不同的目標，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)多路分解的功能。

3. 存儲器擴展

在設計較大的存儲器系統(tǒng)時，例如需要48KB的存儲空間，而手頭只有8KB的RAM芯片?？梢酝ㄟ^多片8KB的RAM芯片配合74LS138進行擴展。

應用場景舉例：

假設要構建一個48KB的存儲器系統(tǒng)，使用6片8KB的RAM芯片。每片8KB RAM需要13根地址線（A0-A12）。

• 連接方式：

• CPU的低13位地址線（A0-A12）直接連接到所有6片RAM芯片的A0-A12引腳。

• CPU的地址線A13、A14、A15連接到74LS138的A0、A1、A2引腳。

• 74LS138的Y0-Y5（因為只需要6個輸出）分別連接到6片RAM芯片的$overline{CS}$（片選）引腳。

• 74LS138的使能引腳（G1、G2A、G2B）根據(jù)系統(tǒng)的讀寫控制信號和高位地址線進行邏輯組合，以確保只有在地址落在48KB范圍內且讀寫操作有效時才使能74LS138。例如，可以設定一個特定的高位地址范圍來激活這48KB的存儲器塊，此時該地址范圍內的某個高位地址線可以連接到74LS138的使能端。

當CPU訪問地址時，低13位地址直接尋址到RAM內部的單元，而高位地址通過74LS138譯碼來選擇是哪一片RAM芯片被選中。例如，當CPU地址是0x0000-0x1FFF時，Y0被激活，第一片RAM被選中；當?shù)刂肥?x2000-0x3FFF時，Y1被激活，第二片RAM被選中，以此類推。通過這種方式，6片8KB的RAM可以無縫地組成一個48KB的連續(xù)存儲空間。

4. I/O口擴展

微控制器或微處理器的I/O端口數(shù)量有限，當需要控制的外部設備數(shù)量較多時，可以利用74LS138進行I/O口的擴展。

應用場景舉例：

假設一個微控制器只有少量的I/O端口，但需要控制8個獨立的LED燈或其他小型設備。

• 連接方式：

• 微控制器的3個I/O引腳配置為輸出，連接到74LS138的地址輸入A0-A2。

• 微控制器的另一個I/O引腳配置為輸出，用于控制74LS138的使能端（例如G2A），作為數(shù)據(jù)或控制信號。

• 74LS138的輸出Y0-Y7分別連接到8個LED燈（通過限流電阻）。

通過改變微控制器A0-A2的輸出狀態(tài)，可以選擇點亮哪一個LED。同時，通過控制使能引腳，可以控制所有LED的整體亮滅。這種方法比直接使用微控制器更多的I/O端口來控制8個LED更加節(jié)省端口資源。

5. 脈沖序列發(fā)生器

結合計數(shù)器，74LS138可以用于生成時序脈沖序列。

應用場景舉例：

需要按順序激活8個不同的事件或設備。

• 連接方式：

• 一個3位二進制計數(shù)器（如74LS163）的輸出連接到74LS138的地址輸入A0-A2。

• 計數(shù)器的時鐘輸入連接到外部時鐘源。

• 74LS138的使能端保持有效。

• 74LS138的輸出Y0-Y7分別連接到8個事件的觸發(fā)輸入。

每當計數(shù)器計數(shù)值改變時，74LS138就會激活不同的輸出。例如，當計數(shù)器從000變?yōu)?01時，Y0變?yōu)楦唠娖剑ㄈ缓蠡氐礁唠娖剑?，Y1變?yōu)榈碗娖剑瑥亩错樞蛴|發(fā)事件1、事件2...直到事件8，然后循環(huán)。這在控制自動化流程或按順序啟動不同模塊時非常有用。

6. 組合邏輯實現(xiàn)

雖然74LS138主要是一個譯碼器，但它也可以用來實現(xiàn)一些復雜的組合邏輯功能。任何3輸入8輸出的邏輯功能都可以通過74LS138實現(xiàn)，只需將需要的輸出引腳連接起來即可。

實現(xiàn)原理：

通過巧妙地設置使能端和地址輸入，可以將其視為一個查找表（LUT）。例如，如果需要一個特定的邏輯函數(shù)，可以將其真值表轉換為74LS138的輸出模式。

應用場景舉例：

實現(xiàn)一個任意的3輸入布爾函數(shù)。

• 連接方式：

• 三個輸入變量連接到A0-A2。

• 使能端保持有效。

• 根據(jù)布爾函數(shù)的真值表，將對應的Y輸出連接到所需的輸出端，或者通過一個或門將多個Y輸出組合起來形成最終的函數(shù)輸出。

例如，如果需要實現(xiàn)一個AND門的功能（A&B&C），理論上當A2A1A0=111時，Y7輸出低電平。如果需要一個高電平有效的AND門，則需要再接一個非門，或者利用74LS138的低電平有效特性配合后續(xù)的邏輯。這種方法通常用于實現(xiàn)更復雜的、非標準的邏輯功能，但對于簡單的邏輯門，直接使用邏輯門芯片會更簡潔。

使用74LS138時的注意事項

• 電源穩(wěn)定性： 確保VCC和GND連接正確且電源穩(wěn)定，避免紋波過大。不穩(wěn)定的電源可能導致芯片工作異?；驌p壞。

• 輸入信號： 74LS138的輸入引腳是TTL電平兼容的，需要提供正確的邏輯高電平（2V-5V）和邏輯低電平（0V-0.8V）。輸入信號應避免懸空，以防止不確定狀態(tài)。未使用的輸入引腳應連接到VCC（對于高電平有效輸入）或GND（對于低電平有效輸入），或通過電阻連接。

• 輸出負載： 74LS138的輸出具有一定的驅動能力（扇出系數(shù)），但不能無限驅動大電流負載。如果需要驅動大電流設備（如繼電器、大功率LED），應通過緩沖器或驅動器電路進行隔離和放大。

• 使能條件： 務必確保使能引腳（G1, G2A, G2B）處于正確的邏輯狀態(tài)，芯片才能正常譯碼。任何一個使能條件不滿足，所有輸出都將被強制置為高電平。

• 速度匹配： 在高速系統(tǒng)中，需要考慮74LS138的傳播延遲時間，確保與系統(tǒng)時序要求相匹配。LS系列相對于HC/HCT系列來說速度較慢。

• 布線： 在PCB設計中，應注意電源和地線的布線，盡量粗短，以減少噪聲和電壓降。輸入輸出信號線也應避免過長，以減少信號完整性問題。

• 靜電防護： TTL芯片對靜電敏感，在操作和焊接時應注意采取靜電防護措施，例如佩戴防靜電腕帶。

74LS138與現(xiàn)代數(shù)字設計的比較

盡管74LS138在過去和現(xiàn)在仍然廣泛應用于各種數(shù)字電路中，但隨著技術的發(fā)展，一些現(xiàn)代的替代方案也逐漸興起。

• 可編程邏輯器件 (PLD/FPGA)： 現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和復雜可編程邏輯器件（CPLD）提供了更高的集成度和靈活性。使用HDL（硬件描述語言，如Verilog或VHDL）可以輕松實現(xiàn)包括譯碼器在內的任何復雜邏輯功能，而且可以根據(jù)需求靈活配置引腳，無需考慮具體的芯片型號。這在原型開發(fā)、小批量生產(chǎn)和需要快速迭代的設計中非常具有優(yōu)勢。

• 微控制器內置外設： 許多現(xiàn)代微控制器集成了大量的片內外設，包括多個I/O端口，可以直接控制更多的設備，減少了對外部譯碼芯片的需求。例如，許多微控制器有足夠的GPIO引腳，可以直接驅動8個LED，而無需額外的譯碼器。

• 專用ASIC芯片： 對于大批量生產(chǎn)的特定應用，定制的專用集成電路（ASIC）可以提供最優(yōu)的性能、功耗和成本。

• 總線譯碼器： 在一些復雜的微處理器系統(tǒng)中，可能會使用更高級的地址譯碼芯片，它們可能集成了更多的使能邏輯和更大的譯碼能力，以適應更寬的地址總線。

然而，盡管有這些替代方案，74LS138仍然具有其獨特的優(yōu)勢：

• 成本效益： 74LS138芯片價格低廉，對于簡單的譯碼需求，其成本遠低于FPGA或CPLD。

• 簡單易用： 對于初學者和簡單的電路設計，74LS138易于理解和使用，無需復雜的編程工具和學習曲線。

• 經(jīng)典可靠： 作為一款成熟的、經(jīng)過長期驗證的芯片，74LS138具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。

• 快速原型： 在搭建小型數(shù)字電路原型或進行實驗教學時，74LS138是理想的選擇，可以快速驗證邏輯功能。

因此，74LS138并不會完全被淘汰。在許多成本敏感、對集成度要求不高或教育領域的應用中，它仍然是不可或缺的組件。

結論

74LS138是一款功能強大且應用廣泛的3線-8線譯碼器/多路分解器。其清晰的引腳定義、靈活的使能控制以及低電平有效的輸出特性，使其在地址譯碼、存儲器擴展、I/O口擴展、數(shù)據(jù)分配以及其他組合邏輯功能中發(fā)揮著關鍵作用。深入理解其引腳功能、工作原理和應用技巧，對于數(shù)字電路設計人員和學習者來說是至關重要的。盡管面臨著現(xiàn)代可編程邏輯器件的競爭，74LS138憑借其成本效益、簡單性和可靠性，在特定的應用場景中仍然保持著不可替代的地位，是數(shù)字電子領域的一顆“常青樹”。無論是入門學習還是實際項目開發(fā)，74LS138都以其獨特的魅力和實用性，持續(xù)為電子工程師們提供便利。