74LS138譯碼器：功能、原理與應(yīng)用深度解析

74LS138是一款廣泛應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)中的三線-八線譯碼器/多路分解器（3-to-8 Line Decoder/Demultiplexer），屬于TTL（Transistor-Transistor Logic）家族的低功耗肖特基（Low Power Schottky）系列。它以其高效的譯碼能力、較快的開關(guān)速度和良好的兼容性，在微處理器系統(tǒng)、存儲器地址譯碼、數(shù)據(jù)分配以及各種數(shù)字邏輯控制電路中扮演著至關(guān)重要的角色。理解74LS138的工作原理，對于掌握數(shù)字邏輯設(shè)計和實際電路應(yīng)用具有重要的意義。

1. 74LS138的引腳與基本功能

74LS138通常采用16引腳DIP（Dual In-line Package）封裝，其引腳排列和功能定義是理解其工作的基礎(chǔ)。

• 地址輸入（Address Inputs）：

• A0, A1, A2： 這三個引腳是譯碼器的二進(jìn)制地址輸入端。A0是最低有效位（LSB），A2是最高有效位（MSB）。通過這三位地址，可以形成23=8種不同的二進(jìn)制組合，對應(yīng)著八個不同的輸出通道。

• 使能輸入（Enable Inputs）：

• G1 (或 G1)： 有效低電平使能端。當(dāng)此引腳為低電平（L）時，譯碼器才可能被使能。

• G2A, G2B： 有效高電平使能端。這兩個引腳必須同時為高電平（H）時，譯碼器才可能被使能。

• 使能邏輯： 74LS138的使能條件是$overline{G1}$為L，并且G2A和G2B同時為H。只有當(dāng)所有使能條件都滿足時，譯碼器才能正常工作，其輸出會根據(jù)地址輸入發(fā)生變化；否則，所有輸出將處于不活動狀態(tài)（通常為高電平）。這種多使能端的設(shè)置提供了更大的靈活性，便于在復(fù)雜的系統(tǒng)中進(jìn)行級聯(lián)或進(jìn)行更精細(xì)的控制。

• 輸出（Outputs）：

• Y0 到 Y7： 這八個引腳是譯碼器的輸出端，它們是低電平有效的。這意味著當(dāng)某個輸出被選中時，其對應(yīng)的引腳會變?yōu)榈碗娖剑↙），而其他未被選中的引腳則保持高電平（H）。這種低電平有效的輸出特性在連接到其他數(shù)字集成電路時非常方便，特別是對于需要驅(qū)動LED或CMOS輸入等場景。

2. 74LS138的工作原理詳解

74LS138的核心功能是將3位二進(jìn)制地址輸入轉(zhuǎn)換為8個獨立的低電平有效輸出中的一個。其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)可以被視為一個由與非門（NAND gates）組成的陣列。

2.1 譯碼過程

當(dāng)所有的使能輸入都處于其有效狀態(tài)時（即$overline{G1}$=L, G2A=H, G2B=H），74LS138開始進(jìn)行譯碼操作。 例如：

• 當(dāng)?shù)刂份斎階2A1A0為000時，輸出$overline{Y0}變?yōu)榈碗娖?，而overline{Y1}到overline{Y7}$保持高電平。

• 當(dāng)?shù)刂份斎階2A1A0為001時，輸出$overline{Y1}變?yōu)榈碗娖?，而overline{Y0}$, $overline{Y2}到overline{Y7}$保持高電平。 以此類推，對于每一種三位地址輸入組合，只有一個對應(yīng)的輸出引腳會變?yōu)榈碗娖健?/span>

這種一對一的映射關(guān)系是譯碼器的基本特性，它允許我們通過簡單的二進(jìn)制地址來選擇特定的輸出通道，從而實現(xiàn)對外部設(shè)備或電路的控制。

2.2 使能邏輯的重要性

74LS138的使能輸入提供了對譯碼器操作的外部控制。

• 多路分解： 當(dāng)74LS138用作多路分解器時，使能輸入可以被用作數(shù)據(jù)輸入端。例如，將一個數(shù)據(jù)信號連接到其中一個使能端，然后通過地址輸入來選擇哪個輸出引腳接收這個數(shù)據(jù)信號。這在需要將一個數(shù)據(jù)源分發(fā)到多個目的地時非常有用。

• 級聯(lián)擴(kuò)展： 多使能端的設(shè)計使得多個74LS138芯片可以方便地進(jìn)行級聯(lián)，以構(gòu)建更大規(guī)模的譯碼器。例如，通過將一個高位地址信號連接到其中一個74LS138的使能端，另一個高位地址信號連接到另一個74LS138的使能端，可以實現(xiàn)4線-16線甚至更大規(guī)模的譯碼。這極大地擴(kuò)展了74LS138的應(yīng)用范圍。

• 防止競爭冒險： 在一些復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)中，使用使能端可以有效地控制譯碼器的輸出，避免在地址輸入變化時可能出現(xiàn)的瞬態(tài)錯誤（即競爭冒險），從而確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

2.3 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)（概念性）

雖然我們通常不需要深入了解74LS138內(nèi)部的門級電路，但理解其是由與非門構(gòu)成的有助于理解其低電平有效輸出的特性。 每一路輸出（例如$overline{Y0}）都是由一個與非門驅(qū)動的，該與非門的輸入連接到地址輸入和使能輸入的適當(dāng)組合。例如，overline{Y0}的與非門輸入可能包括overline{A2}$, $overline{A1}$, $overline{A0}$, $overline{G1}$, G2A, G2B。只有當(dāng)所有這些輸入都滿足其特定條件時（即$overline{A2}$, A1, $overline{A0}$為高電平，對應(yīng)A2A1A0=000；$overline{G1}$為低電平；G2A, G2B為高電平），與非門的輸出（即$overline{Y0}$）才會變?yōu)榈碗娖?。這種設(shè)計自然地產(chǎn)生了低電平有效的輸出。

3. 74LS138的應(yīng)用場景

74LS138憑借其靈活的功能，在多種數(shù)字電路設(shè)計中都有廣泛應(yīng)用。

3.1 存儲器地址譯碼

這是74LS138最經(jīng)典和重要的應(yīng)用之一。在微處理器系統(tǒng)中，存儲器（RAM、ROM）通常由多個獨立的芯片組成。微處理器發(fā)出的地址線數(shù)量往往多于單個存儲芯片所需的地址線數(shù)量。這時，74LS138就可以用來將高位地址線譯碼，生成片選信號（Chip Select, CS）來選擇特定的存儲器芯片。

例如，一個具有16根地址線的微處理器（A0-A15）要訪問多塊8KB（2^13字節(jié)）的存儲器。A0-A12可以直接連接到存儲器的地址線。而A13-A15這三根高位地址線可以作為74LS138的輸入A0-A2（或者A2-A0，取決于連接方式），74LS138的八個輸出$overline{Y0}?overline{Y7}$則分別連接到八塊8KB存儲器的片選端。這樣，通過改變A13-A15的組合，微處理器就可以選擇訪問八塊存儲器中的任意一塊。

3.2 I/O端口擴(kuò)展

在單片機或微控制器系統(tǒng)中，可用的I/O端口資源往往有限。當(dāng)需要控制多個外部設(shè)備或外設(shè)模塊時，可以使用74LS138進(jìn)行I/O端口的擴(kuò)展。通過將部分地址線連接到74LS138的地址輸入，其輸出就可以作為片選信號來啟用不同的I/O設(shè)備。

例如，一個單片機有三個地址線用于控制I/O設(shè)備?？梢詫⑦@三根地址線連接到74LS138的A0-A2，然后74LS138的八個輸出分別連接到八個不同的外設(shè)（如LED驅(qū)動器、繼電器、傳感器接口等）的使能端或片選端。這樣，單片機只需要通過改變?nèi)刂肪€的狀態(tài)，就能選擇并控制八個外設(shè)中的任意一個。

3.3 數(shù)據(jù)多路分解

雖然74LS138主要被稱作譯碼器，但它也可以用作多路分解器（Demultiplexer）。多路分解器是將一路輸入數(shù)據(jù)按照地址選擇分發(fā)到多路輸出中的一路。

要將74LS138配置為多路分解器，可以將一個數(shù)據(jù)信號連接到其一個使能輸入端（例如，G2A或G2B，前提是其他使能端設(shè)置為有效狀態(tài)），然后通過A0-A2選擇哪一個輸出通道會接收到這個數(shù)據(jù)信號。 例如，如果將數(shù)據(jù)信號連接到G2A，并將G2B和$overline{G1}分別連接到高電平和低電平以使能芯片。那么，當(dāng)A2A1A0選擇overline{Y0}時，如果G2A為高電平，則overline{Y0}變?yōu)榈碗娖?；如果G2A為低電平，則overline{Y0}$保持高電平。這樣，G2A上的數(shù)據(jù)就被“分解”到了被選中的輸出端上。

3.4 組合邏輯電路設(shè)計

74LS138也可以用于實現(xiàn)任意的組合邏輯函數(shù)。由于其輸出是低電平有效的，可以通過連接其輸出到或門（OR gate）或或非門（NOR gate）的輸入，來生成特定的邏輯表達(dá)式。 例如，如果需要實現(xiàn)一個輸出F，當(dāng)輸入A2A1A0為001或101時F為低電平，其他情況為高電平?？梢詫?4LS138的$overline{Y1}和overline{Y5}$輸出連接到一個二輸入與非門，那么這個與非門的輸出就是A2A1A0為001或101時為低電平，實現(xiàn)了所需的邏輯功能。

3.5 顯示驅(qū)動

在一些簡單的顯示系統(tǒng)中，74LS138可以用于驅(qū)動LED數(shù)碼管或其他類型的顯示器。通過將數(shù)碼管的段選線連接到74LS138的輸出，并用地址輸入來選擇要點亮的段。例如，結(jié)合BCD（Binary Coded Decimal）到七段譯碼器，74LS138可以輔助選擇不同的數(shù)碼管顯示位。

4. 74LS138的特點與電氣參數(shù)

• 低功耗肖特基（LS）系列： 74LS138屬于LS系列，這意味著它在保持相對較快開關(guān)速度的同時，功耗相對較低。這使其在許多電池供電或功耗敏感的應(yīng)用中具有優(yōu)勢。

• TTL兼容： 74LS138是TTL器件，可以直接與TTL系列的其他集成電路連接，無需額外的電平轉(zhuǎn)換電路。其輸入和輸出電壓電平符合TTL標(biāo)準(zhǔn)。

• 輸入高電平電壓（VIH）： 最小2.0V

• 輸入低電平電壓（VIL）： 最大0.8V

• 輸出高電平電壓（VOH）： 最小2.7V（驅(qū)動指定負(fù)載時）

• 輸出低電平電壓（VOL）： 最大0.5V（驅(qū)動指定負(fù)載時）

• 傳播延遲： 74LS138的傳播延遲時間通常在幾十納秒的量級，這對于大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)來說是足夠快的。

• 扇出能力： 74LS138的輸出能夠驅(qū)動多個TTL標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載，這允許它連接到其他數(shù)字門電路或集成電路的輸入端。

• 電源電壓： 標(biāo)準(zhǔn)工作電源電壓為5V（±5%）。

5. 74LS138的局限性與替代方案

盡管74LS138是一款非常實用的芯片，但在某些現(xiàn)代設(shè)計中，它也存在一些局限性。

• 固定功能： 作為一款專用譯碼芯片，其功能是固定的三線-八線譯碼。對于需要更靈活或更高集成度的應(yīng)用，可能需要其他解決方案。

• 功耗： 盡管是低功耗肖特基系列，但與現(xiàn)代CMOS器件相比，TTL器件的靜態(tài)功耗仍然相對較高。

• 引腳數(shù)量： 16引腳的封裝在一些小型化設(shè)計中可能顯得不夠緊湊。

針對這些局限性，現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計中可能采用以下替代方案：

• 可編程邏輯器件（PLD/FPGA）： 對于復(fù)雜的譯碼需求或需要靈活配置的應(yīng)用，F(xiàn)PGA（Field-Programmable Gate Array）或CPLD（Complex Programmable Logic Device）提供了更高的集成度和靈活性。可以在這些器件中編程實現(xiàn)任意的譯碼邏輯，甚至可以集成多個譯碼器以及其他邏輯功能。

• 微控制器/微處理器： 在許多應(yīng)用中，微控制器可以直接通過軟件來控制多個I/O口，實現(xiàn)比硬件譯碼器更復(fù)雜的地址譯碼或數(shù)據(jù)分發(fā)功能。這通常適用于對速度要求不是極其苛刻，但需要高度靈活性的場合。

• 更現(xiàn)代的CMOS譯碼器： 例如74HC138（高速CMOS版本）或74HCT138（高速CMOS，TTL兼容輸入），它們提供更低的功耗和更高的速度，同時保持相同的功能。

6. 總結(jié)

74LS138作為一款經(jīng)典的三線-八線譯碼器/多路分解器，其簡單而強大的功能使其成為數(shù)字邏輯電路中的基石。無論是用于存儲器地址譯碼、I/O端口擴(kuò)展，還是作為組合邏輯電路的一部分，它都以其可靠性和易用性占據(jù)一席之地。深入理解其引腳功能、工作原理和使能邏輯，對于任何數(shù)字電路設(shè)計者來說都是基本功。盡管隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了更先進(jìn)的替代方案，但74LS138在許多傳統(tǒng)和教學(xué)應(yīng)用中仍然保持著重要的地位，是理解數(shù)字邏輯基礎(chǔ)原理的絕佳范例。