74LS47芯片：BCD到七段譯碼驅(qū)動器詳解

74LS47是一款低功耗肖特基（Low Power Schottky）TTL集成電路，其主要功能是將二-十進(jìn)制（BCD）代碼轉(zhuǎn)換為七段數(shù)碼管的顯示代碼，并驅(qū)動七段數(shù)碼管進(jìn)行顯示。在數(shù)字電路和嵌入式系統(tǒng)中，它被廣泛應(yīng)用于各種需要數(shù)字顯示的場合，如計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)字儀表、電子鐘表以及各種顯示設(shè)備。理解74LS47的工作原理和應(yīng)用對于數(shù)字電路設(shè)計(jì)者和愛好者來說至關(guān)重要。

1. 74LS47芯片概述

74LS47屬于74系列集成電路家族中的一員，其“LS”前綴表示它采用了低功耗肖特基工藝，這使得芯片在保持較高工作速度的同時(shí)，顯著降低了功耗。該芯片內(nèi)部集成了復(fù)雜的邏輯門電路，能夠高效地完成BCD到七段碼的轉(zhuǎn)換。它通常用于驅(qū)動共陽極七段數(shù)碼管，這意味著數(shù)碼管的公共端連接到電源正極，而各個(gè)段的引腳則通過74LS47的輸出連接到地。當(dāng)74LS47的某個(gè)輸出為低電平（邏輯0）時(shí)，相應(yīng)的數(shù)碼管段被點(diǎn)亮。

2. 74LS47引腳圖及功能

了解74LS47的引腳排列和功能是正確使用它的前提。74LS47通常采用16引腳雙列直插式（DIP-16）封裝。

74LS47引腳圖

     +---+--+---+
   BI/RBO|1  +--+ 16|VCC
     RBI |2       15|g
       LT|3       14|f
        A|4       13|e
        B|5       12|d
        C|6       11|c
        D|7       10|b
      GND|8        9|a
     +----------+

引腳功能詳細(xì)說明

• VCC (引腳16): 電源正極輸入。通常連接到+5V直流電源。這是芯片正常工作所需的電源電壓。

• GND (引腳8): 接地端。連接到電路的公共地。

• A, B, C, D (引腳4, 5, 6, 7): BCD碼輸入端。這四個(gè)引腳接收待譯碼的四位BCD碼。A是最低有效位（LSB），D是最高有效位（MSB）。這些輸入通常連接到BCD計(jì)數(shù)器或其他數(shù)字邏輯電路的輸出端。

• a, b, c, d, e, f, g (引腳9, 10, 11, 12, 13, 14, 15): 七段輸出端。這些是驅(qū)動七段數(shù)碼管各個(gè)段的輸出。當(dāng)相應(yīng)的輸出為低電平（邏輯0）時(shí)，對應(yīng)的數(shù)碼管段被點(diǎn)亮。例如，當(dāng)引腳9（a）為低電平時(shí)，數(shù)碼管的“a”段亮。

• LT (Lamp Test - 引腳3): 燈測試輸入端。這是一個(gè)低電平有效（即接地時(shí)有效）的輸入。當(dāng)LT引腳接地時(shí)，無論BCD輸入是什么，所有七個(gè)輸出（a到g）都將被強(qiáng)制置為低電平，從而點(diǎn)亮七段數(shù)碼管的所有段。這常用于測試數(shù)碼管是否正常工作，或者檢查段是否有損壞。

• RBI (Ripple Blanking Input - 引腳2): 紋波消隱輸入端。這是一個(gè)低電平有效（即接地時(shí)有效）的輸入。RBI主要用于多位數(shù)字顯示中的前導(dǎo)零消隱。當(dāng)RBI為低電平且BCD輸入為0000（數(shù)字0）時(shí)，所有七段輸出（a到g）都將被強(qiáng)制置為高電平，從而熄滅數(shù)碼管顯示。這允許我們在顯示多位數(shù)字時(shí)，不顯示最高位前面的不必要的零（例如，將“007”顯示為“7”）。

• BI/RBO (Blanking Input/Ripple Blanking Output - 引腳1): 消隱輸入/紋波消隱輸出。這是一個(gè)復(fù)合功能的引腳。

• BI（Blanking Input）功能： 當(dāng)BI/RBO引腳為低電平時(shí)（作為輸入），無論BCD輸入如何，所有七段輸出（a到g）都將被強(qiáng)制置為高電平，從而熄滅數(shù)碼管顯示。這可用于控制整個(gè)顯示器的開/關(guān)，或者在特定條件下禁止顯示。

• RBO（Ripple Blanking Output）功能： 當(dāng)BI/RBO引腳作為輸出時(shí)，它與RBI輸入一起工作，實(shí)現(xiàn)多位顯示中的零消隱。如果當(dāng)前位的BCD輸入是0000（數(shù)字0），并且RBI輸入是低電平，則BI/RBO輸出也變?yōu)榈碗娖?。這個(gè)低電平的RBO可以作為下一級（更高位）74LS47的RBI輸入，從而實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)搅阆[。例如，對于數(shù)字“007”，第一個(gè)“0”的RBO輸出會驅(qū)動第二個(gè)“0”的RBI，進(jìn)而使第二個(gè)“0”的RBO輸出驅(qū)動“7”的RBI，最終只有“7”被顯示出來。如果某一位的BCD輸入不為0000，或者RBI為高電平，那么BI/RBO將保持高電平。

3. 74LS47功能表

功能表詳細(xì)說明了在不同輸入條件下，74LS47的輸出狀態(tài)。這里的輸出狀態(tài)指的是七段數(shù)碼管的各個(gè)段（a到g）是亮（低電平）還是滅（高電平）。

注：

• H 表示高電平（邏輯1），L 表示低電平（邏輯0）。

• X 表示任意狀態(tài)（高電平或低電平，或不關(guān)心）。

• 在“輸出”列中，“L”表示相應(yīng)的段被點(diǎn)亮，“H”表示相應(yīng)的段被熄滅。

• 對于非法BCD輸入（1010到1111），74LS47的輸出通常是高電平，使得數(shù)碼管顯示為空白，或者顯示一些不規(guī)則的圖案，具體取決于芯片內(nèi)部的設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)避免輸入非法BCD碼。

4. 74LS47工作原理深入探討

74LS47的核心在于其內(nèi)部的組合邏輯電路，這些電路負(fù)責(zé)將四位BCD輸入信號轉(zhuǎn)換為七個(gè)獨(dú)立的輸出信號，以控制七段數(shù)碼管的各個(gè)段。其設(shè)計(jì)遵循了共陽極七段數(shù)碼管的驅(qū)動要求，即輸出低電平點(diǎn)亮相應(yīng)段。

譯碼過程當(dāng)BCD輸入信號進(jìn)入74LS47時(shí)，內(nèi)部的邏輯門會根據(jù)預(yù)設(shè)的真值表進(jìn)行邏輯運(yùn)算。例如，當(dāng)BCD輸入為0001（十進(jìn)制1）時(shí)，內(nèi)部邏輯會確保只有b段和c段的輸出為低電平，而其他段（a, d, e, f, g）的輸出為高電平。這樣，數(shù)碼管就會顯示數(shù)字“1”。這個(gè)過程是純組合邏輯的，意味著輸出狀態(tài)只取決于當(dāng)前的輸入狀態(tài)，沒有記憶功能。

燈測試（LT）功能LT引腳提供了一個(gè)非常實(shí)用的測試功能。當(dāng)LT接地時(shí)，它會覆蓋所有其他輸入，強(qiáng)制所有七段輸出為低電平。這在電路調(diào)試和故障排除時(shí)非常有用，可以快速檢查數(shù)碼管本身是否正常，以及連接線是否存在開路。

零消隱（RBI和BI/RBO）功能零消隱是74LS47的一個(gè)高級特性，尤其適用于多位數(shù)字顯示。想象一個(gè)三位數(shù)字顯示器，如果顯示“007”，我們通常希望只顯示“7”，而不是“007”。這就是零消隱的作用。

• 前導(dǎo)零消隱： 當(dāng)一個(gè)74LS47驅(qū)動的位顯示為0，并且這個(gè)0是前導(dǎo)零（即它前面沒有非零數(shù)字），我們希望它熄滅。RBI就是用來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的。如果一個(gè)位的BCD輸入是0000，并且它的RBI引腳被接地，那么該位的七段輸出將全部熄滅。

• 鏈?zhǔn)搅阆[： 在多位顯示中，零消隱需要級聯(lián)。BI/RBO引腳作為輸出時(shí)，可以傳遞零消隱信號。

• 最高位的74LS47的RBI通常直接接地，或者通過一個(gè)開關(guān)控制。

• 如果最高位是0，其BI/RBO輸出變?yōu)榈碗娖?，這個(gè)低電平信號被送到次高位的74LS47的RBI輸入。

• 如果次高位也是0，并且它的RBI是低電平，那么它的BI/RBO輸出也會變?yōu)榈碗娖?，并傳遞給下一位。

• 這個(gè)過程一直持續(xù)到遇到一個(gè)非零數(shù)字。當(dāng)遇到非零數(shù)字時(shí)，該74LS47的BI/RBO輸出將保持高電平，從而中斷零消隱鏈，使得該位及其后面的位正常顯示。

• 例如，顯示“007”時(shí)，最左邊的74LS47（最高位，顯示“0”）的RBI接地，其BI/RBO輸出低電平。這個(gè)低電平信號作為中間74LS47（顯示“0”）的RBI輸入，使其也熄滅，其BI/RBO輸出也低電平。這個(gè)低電平信號作為最右邊74LS47（顯示“7”）的RBI輸入。由于最右邊是“7”（非零），它的BI/RBO輸出變?yōu)楦唠娖?，但它自己會正常顯示“7”。最終效果就是“7”。

強(qiáng)制消隱（BI）功能BI/RBO引腳的BI功能允許我們強(qiáng)制熄滅整個(gè)數(shù)碼管顯示。當(dāng)BI/RBO引腳作為輸入被接地時(shí)，無論BCD輸入是什么，所有七段輸出都將變?yōu)楦唠娖?，從而熄滅?shù)碼管。這在需要暫時(shí)關(guān)閉顯示或者在某些錯(cuò)誤條件下清空顯示時(shí)非常有用。

5. 74LS47應(yīng)用電路示例

一個(gè)典型的74LS47應(yīng)用電路包括：

• 74LS47芯片本身。

• 共陽極七段數(shù)碼管： 選擇與74LS47兼容的共陽極數(shù)碼管。

• 限流電阻： 每個(gè)七段輸出（a到g）都需要串聯(lián)一個(gè)限流電阻，以保護(hù)數(shù)碼管的LED段不被過大電流燒壞。電阻值通常在220歐姆到1千歐姆之間，具體取決于數(shù)碼管的類型和工作電壓。

• BCD輸入源： 例如，一個(gè)74LS90或74LS160/161/163系列BCD計(jì)數(shù)器，或者其他提供BCD碼的邏輯電路。

• 電源： 通常為+5V直流電源。

基本連接

1. 將74LS47的VCC連接到+5V，GND連接到地。

2. 將BCD輸入（A, B, C, D）連接到相應(yīng)的信號源。

3. 將七段輸出（a-g）通過限流電阻連接到七段數(shù)碼管的相應(yīng)段。

4. 根據(jù)需要，將LT、RBI、BI/RBO引腳連接到高電平、低電平或與其他74LS47級聯(lián)。如果不需要燈測試或零消隱功能，LT、RBI通常連接到VCC（高電平），BI/RBO也連接到VCC（作為輸入時(shí)）。

6. 74LS47的優(yōu)點(diǎn)與局限性

優(yōu)點(diǎn)：

• 簡單易用： 直接將BCD碼轉(zhuǎn)換為七段碼，簡化了電路設(shè)計(jì)。

• 成本效益： 相對便宜，適合大規(guī)模應(yīng)用。

• 低功耗肖特基工藝： 功耗相對較低，工作速度較快。

• 集成度高： 將譯碼和驅(qū)動功能集成在一個(gè)芯片中，減少了外部元件數(shù)量。

• 具有特殊功能： 燈測試、零消隱和強(qiáng)制消隱功能增加了芯片的靈活性和實(shí)用性。

局限性：

• 只能驅(qū)動共陽極數(shù)碼管： 無法直接驅(qū)動共陰極數(shù)碼管。若要驅(qū)動共陰極數(shù)碼管，需要使用74LS48或額外的反相器。

• 無法驅(qū)動大功率數(shù)碼管： 74LS47的輸出電流有限，對于需要較高電流才能點(diǎn)亮的大型數(shù)碼管可能力不從心，此時(shí)需要外接功率驅(qū)動晶體管。

• 不適用于多功能顯示： 僅限于數(shù)字0-9的顯示，無法顯示字母或特殊符號。

• 過時(shí)技術(shù)： 隨著微控制器和FPGA的普及，許多顯示功能現(xiàn)在可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，使得專用譯碼器芯片的使用頻率有所下降。然而，在教育、簡單數(shù)字顯示和一些特定嵌入式應(yīng)用中，它仍然具有重要的價(jià)值。

7. 維護(hù)與故障排除

在使用74LS47時(shí)，可能會遇到一些問題。以下是一些常見的維護(hù)和故障排除技巧：

• 顯示不亮或部分段不亮：

• 檢查電源連接（VCC和GND）是否正確且穩(wěn)定。

• 檢查七段數(shù)碼管是否損壞。

• 檢查限流電阻是否正確連接且阻值合適。

• 檢查74LS47的輸出引腳與數(shù)碼管之間的連接是否牢固。

• 使用萬用表測量74LS47的輸出引腳，看是否有正確的低電平輸出。

• 嘗試接地LT引腳，看所有段是否點(diǎn)亮，以排除數(shù)碼管或連接問題。

• 顯示錯(cuò)誤數(shù)字：

• 檢查BCD輸入（A, B, C, D）是否正確。使用示波器或邏輯分析儀檢查輸入信號的時(shí)序和電平。

• 確保74LS47芯片本身沒有損壞。

• 零無法消隱：

• 檢查RBI引腳是否正確接地或連接到前一級的RBO輸出。

• 檢查BI/RBO引腳是否連接正確。

• 顯示一直熄滅：

• 檢查BI/RBO引腳是否意外接地（強(qiáng)制消隱）。

• 檢查LT引腳是否意外接地（強(qiáng)制全亮）。

8. 結(jié)語

74LS47作為一款經(jīng)典的BCD到七段譯碼驅(qū)動器，在數(shù)字電子領(lǐng)域扮演了重要的角色。它以其簡潔的功能和相對較低的成本，為各種數(shù)字顯示應(yīng)用提供了有效的解決方案。盡管現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展迅速，但理解和掌握74LS47的工作原理，對于學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯、了解TTL系列芯片以及進(jìn)行基本的數(shù)字電路設(shè)計(jì)仍然具有重要的教育和實(shí)踐意義。通過本文的詳細(xì)介紹，希望能幫助讀者全面理解74LS47的引腳功能、工作方式以及在實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)，從而更好地利用這一經(jīng)典芯片。