74LS138引腳圖及其應(yīng)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(chēng)作3線-8線譯碼器/多路分解器。它在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中扮演著至關(guān)重要的角色，尤其在地址譯碼、數(shù)據(jù)分配、存儲(chǔ)器擴(kuò)展以及各種邏輯控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。理解其引腳功能、工作原理以及典型應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)于電子工程師和愛(ài)好者而言是基礎(chǔ)且必要的知識(shí)。

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(xì)的引腳排列及其功能說(shuō)明：

引腳功能詳細(xì)解析：

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

• 使能輸入（G1, G2A, G2B）： 74LS138具有三個(gè)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(dāng)G1為高電平（邏輯1）時(shí)，芯片才可能正常工作。如果G1為低電平（邏輯0），無(wú)論地址輸入是什么，所有輸出都將被強(qiáng)制置為高電平，即芯片被禁用。

• G2A (低電平有效使能)： 當(dāng)G2A為低電平（邏輯0）時(shí)，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(qiáng)制置為高電平。

• G2B (低電平有效使能)： 與G2A功能相同，當(dāng)G2B為低電平（邏輯0）時(shí)，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(qiáng)制置為高電平。 為了使74LS138正常譯碼，必須同時(shí)滿足G1為高電平，G2A和G2B為低電平的條件。這種多重使能設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性，允許將多個(gè)譯碼器級(jí)聯(lián)或進(jìn)行更復(fù)雜的控制，例如在更大的地址空間中進(jìn)行分塊譯碼。

• 譯碼輸出（Y0-Y7）： 這8個(gè)引腳是74LS138的譯碼輸出端。當(dāng)芯片被使能且地址輸入有效時(shí)，根據(jù)地址輸入的二進(jìn)制值，對(duì)應(yīng)的一個(gè)輸出引腳會(huì)被驅(qū)動(dòng)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(yīng)用中都非常方便，例如驅(qū)動(dòng)LED、使能其他芯片或作為選通信號(hào)。

• 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(yīng)是芯片正常工作的基本保障。

74LS138的工作原理

74LS138的本質(zhì)是一個(gè)3線-8線譯碼器。其核心功能是將3位的二進(jìn)制輸入地址（A2A1A0）轉(zhuǎn)換為8個(gè)獨(dú)立的輸出線（Y0-Y7）中的某一條的激活信號(hào)。當(dāng)芯片使能條件（G1=1, G2A=0, G2B=0）滿足時(shí)，譯碼器根據(jù)A2A1A0的組合來(lái)選擇一個(gè)輸出。

真值表：

為了更直觀地理解其工作原理，我們可以通過(guò)真值表來(lái)表示74LS138的輸入與輸出關(guān)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(jié)果）。

從真值表中可以看出，只有當(dāng)使能輸入滿足特定條件時(shí)，74LS138才根據(jù)A2A1A0的組合將對(duì)應(yīng)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(hào)轉(zhuǎn)換成具體的芯片選擇信號(hào)。

74LS138的主要特性

• 高速性能： 作為L(zhǎng)S系列的器件，74LS138具有較快的傳播延遲時(shí)間，適用于對(duì)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(gè)獨(dú)立的使能輸入（一個(gè)高電平有效，兩個(gè)低電平有效），極大地增強(qiáng)了芯片的靈活性和可級(jí)聯(lián)性。

• 低電平有效輸出： 8個(gè)譯碼輸出為低電平有效，這意味著當(dāng)對(duì)應(yīng)的輸出被選中時(shí)，其電平為低。這在許多數(shù)字系統(tǒng)中非常常見(jiàn)，例如驅(qū)動(dòng)“片選”（Chip Select, CS）信號(hào)。

• 寬工作電壓范圍： 標(biāo)準(zhǔn)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(qū)動(dòng)多個(gè)相同系列的邏輯門(mén)，滿足一般數(shù)字電路的驅(qū)動(dòng)需求。

74LS138的典型應(yīng)用

74LS138作為多功能譯碼器，在數(shù)字電子領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。以下列舉幾個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景：

1. 地址譯碼器

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

應(yīng)用場(chǎng)景舉例：

假設(shè)一個(gè)微處理器具有16根地址線（A0-A15），需要連接多片8KB的存儲(chǔ)器。8KB存儲(chǔ)器需要13根地址線（213=8192）。那么，A0-A12可以直接連接到存儲(chǔ)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(guò)74LS138產(chǎn)生不同的片選信號(hào)，分別連接到不同的8KB存儲(chǔ)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(shè)計(jì)）。

• 74LS138的輸出Y0-Y7分別連接到8片8KB存儲(chǔ)器的CS引腳。

• 處理器的讀寫(xiě)控制信號(hào)（如$overline{RD}、overline{WR}$）以及其他相關(guān)的地址線可以與74LS138的使能端G1、G2A、G2B配合，確保在正確的時(shí)間和地址范圍內(nèi)激活對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器。

通過(guò)這種方式，當(dāng)處理器發(fā)出某個(gè)地址時(shí)，74LS138能夠選擇性地使能對(duì)應(yīng)地址范圍內(nèi)的存儲(chǔ)芯片，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同存儲(chǔ)區(qū)域的訪問(wèn)。例如，當(dāng)處理器地址在0x0000-0x1FFF（對(duì)應(yīng)譯碼器輸出Y0）時(shí)，第一片存儲(chǔ)器被選中；當(dāng)?shù)刂吩?x2000-0x3FFF（對(duì)應(yīng)譯碼器輸出Y1）時(shí)，第二片存儲(chǔ)器被選中，以此類(lèi)推。這種結(jié)構(gòu)有效地?cái)U(kuò)展了微處理器的存儲(chǔ)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(méi)有數(shù)據(jù)輸入引腳，但可以通過(guò)將使能輸入與數(shù)據(jù)信號(hào)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

實(shí)現(xiàn)原理：

將一路數(shù)據(jù)信號(hào)連接到74LS138的某個(gè)使能端（通常是G2A或G2B，因?yàn)樗鼈兪堑碗娖接行В缓髮⒏唠娖接行У氖鼓芏薌1連接到常高電平。地址輸入（A0-A2）用于選擇目標(biāo)輸出。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)為低電平（有效）時(shí)，被選中的輸出才會(huì)被激活；當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)為高電平（無(wú)效）時(shí)，所有輸出都將處于高阻態(tài)或高電平。

應(yīng)用場(chǎng)景舉例：

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

• 連接方式：

• 將待分配的數(shù)據(jù)信號(hào)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(hào)（3位二進(jìn)制）連接到A0-A2。

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

當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)為低電平時(shí)，根據(jù)A2A1A0的組合，對(duì)應(yīng)的一個(gè)輸出Yx變?yōu)榈碗娖剑瑥亩鼓軐?duì)應(yīng)的執(zhí)行單元。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)為高電平時(shí)，無(wú)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(shí)間被“導(dǎo)向”到不同的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)多路分解的功能。

3. 存儲(chǔ)器擴(kuò)展

在設(shè)計(jì)較大的存儲(chǔ)器系統(tǒng)時(shí)，例如需要48KB的存儲(chǔ)空間，而手頭只有8KB的RAM芯片?？梢酝ㄟ^(guò)多片8KB的RAM芯片配合74LS138進(jìn)行擴(kuò)展。

應(yīng)用場(chǎng)景舉例：

假設(shè)要構(gòu)建一個(gè)48KB的存儲(chǔ)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?yàn)橹恍枰?個(gè)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(xiě)控制信號(hào)和高位地址線進(jìn)行邏輯組合，以確保只有在地址落在48KB范圍內(nèi)且讀寫(xiě)操作有效時(shí)才使能74LS138。例如，可以設(shè)定一個(gè)特定的高位地址范圍來(lái)激活這48KB的存儲(chǔ)器塊，此時(shí)該地址范圍內(nèi)的某個(gè)高位地址線可以連接到74LS138的使能端。

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

4. I/O口擴(kuò)展

微控制器或微處理器的I/O端口數(shù)量有限，當(dāng)需要控制的外部設(shè)備數(shù)量較多時(shí)，可以利用74LS138進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。

應(yīng)用場(chǎng)景舉例：

假設(shè)一個(gè)微控制器只有少量的I/O端口，但需要控制8個(gè)獨(dú)立的LED燈或其他小型設(shè)備。

• 連接方式：

• 微控制器的3個(gè)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(gè)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(hào)。

• 74LS138的輸出Y0-Y7分別連接到8個(gè)LED燈（通過(guò)限流電阻）。

通過(guò)改變微控制器A0-A2的輸出狀態(tài)，可以選擇點(diǎn)亮哪一個(gè)LED。同時(shí)，通過(guò)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(lái)控制8個(gè)LED更加節(jié)省端口資源。

5. 脈沖序列發(fā)生器

結(jié)合計(jì)數(shù)器，74LS138可以用于生成時(shí)序脈沖序列。

應(yīng)用場(chǎng)景舉例：

需要按順序激活8個(gè)不同的事件或設(shè)備。

• 連接方式：

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

• 計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入連接到外部時(shí)鐘源。

• 74LS138的使能端保持有效。

• 74LS138的輸出Y0-Y7分別連接到8個(gè)事件的觸發(fā)輸入。

每當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值改變時(shí)，74LS138就會(huì)激活不同的輸出。例如，當(dāng)計(jì)數(shù)器從000變?yōu)?01時(shí)，Y0變?yōu)楦唠娖剑ㄈ缓蠡氐礁唠娖剑琘1變?yōu)榈碗娖?，從而按順序觸發(fā)事件1、事件2...直到事件8，然后循環(huán)。這在控制自動(dòng)化流程或按順序啟動(dòng)不同模塊時(shí)非常有用。

6. 組合邏輯實(shí)現(xiàn)

雖然74LS138主要是一個(gè)譯碼器，但它也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些復(fù)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(guò)74LS138實(shí)現(xiàn)，只需將需要的輸出引腳連接起來(lái)即可。

實(shí)現(xiàn)原理：

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

應(yīng)用場(chǎng)景舉例：

實(shí)現(xiàn)一個(gè)任意的3輸入布爾函數(shù)。

• 連接方式：

• 三個(gè)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(duì)應(yīng)的Y輸出連接到所需的輸出端，或者通過(guò)一個(gè)或門(mén)將多個(gè)Y輸出組合起來(lái)形成最終的函數(shù)輸出。

例如，如果需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)AND門(mén)的功能（A&B&C），理論上當(dāng)A2A1A0=111時(shí)，Y7輸出低電平。如果需要一個(gè)高電平有效的AND門(mén)，則需要再接一個(gè)非門(mén)，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(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的、非標(biāo)準(zhǔn)的邏輯功能，但對(duì)于簡(jiǎn)單的邏輯門(mén)，直接使用邏輯門(mén)芯片會(huì)更簡(jiǎn)潔。

使用74LS138時(shí)的注意事項(xiàng)

• 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(guò)大。不穩(wěn)定的電源可能導(dǎo)致芯片工作異?；驌p壞。

• 輸入信號(hào)： 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(hào)應(yīng)避免懸空，以防止不確定狀態(tài)。未使用的輸入引腳應(yīng)連接到VCC（對(duì)于高電平有效輸入）或GND（對(duì)于低電平有效輸入），或通過(guò)電阻連接。

• 輸出負(fù)載： 74LS138的輸出具有一定的驅(qū)動(dòng)能力（扇出系數(shù)），但不能無(wú)限驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。如果需要驅(qū)動(dòng)大電流設(shè)備（如繼電器、大功率LED），應(yīng)通過(guò)緩沖器或驅(qū)動(dòng)器電路進(jìn)行隔離和放大。

• 使能條件： 務(wù)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(gè)使能條件不滿足，所有輸出都將被強(qiáng)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(shí)間，確保與系統(tǒng)時(shí)序要求相匹配。LS系列相對(duì)于HC/HCT系列來(lái)說(shuō)速度較慢。

• 布線： 在PCB設(shè)計(jì)中，應(yīng)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(hào)線也應(yīng)避免過(guò)長(zhǎng)，以減少信號(hào)完整性問(wèn)題。

• 靜電防護(hù)： TTL芯片對(duì)靜電敏感，在操作和焊接時(shí)應(yīng)注意采取靜電防護(hù)措施，例如佩戴防靜電腕帶。

74LS138與現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計(jì)的比較

盡管74LS138在過(guò)去和現(xiàn)在仍然廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字電路中，但隨著技術(shù)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(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）和復(fù)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(yǔ)言，如Verilog或VHDL）可以輕松實(shí)現(xiàn)包括譯碼器在內(nèi)的任何復(fù)雜邏輯功能，而且可以根據(jù)需求靈活配置引腳，無(wú)需考慮具體的芯片型號(hào)。這在原型開(kāi)發(fā)、小批量生產(chǎn)和需要快速迭代的設(shè)計(jì)中非常具有優(yōu)勢(shì)。

• 微控制器內(nèi)置外設(shè)： 許多現(xiàn)代微控制器集成了大量的片內(nèi)外設(shè)，包括多個(gè)I/O端口，可以直接控制更多的設(shè)備，減少了對(duì)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(qū)動(dòng)8個(gè)LED，而無(wú)需額外的譯碼器。

• 專(zhuān)用ASIC芯片： 對(duì)于大批量生產(chǎn)的特定應(yīng)用，定制的專(zhuān)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(fù)雜的微處理器系統(tǒng)中，可能會(huì)使用更高級(jí)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(yīng)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

• 成本效益： 74LS138芯片價(jià)格低廉，對(duì)于簡(jiǎn)單的譯碼需求，其成本遠(yuǎn)低于FPGA或CPLD。

• 簡(jiǎn)單易用： 對(duì)于初學(xué)者和簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)，74LS138易于理解和使用，無(wú)需復(fù)雜的編程工具和學(xué)習(xí)曲線。

• 經(jīng)典可靠： 作為一款成熟的、經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，74LS138是理想的選擇，可以快速驗(yàn)證邏輯功能。

因此，74LS138并不會(huì)完全被淘汰。在許多成本敏感、對(duì)集成度要求不高或教育領(lǐng)域的應(yīng)用中，它仍然是不可或缺的組件。

結(jié)論

74LS138是一款功能強(qiáng)大且應(yīng)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(chǔ)器擴(kuò)展、I/O口擴(kuò)展、數(shù)據(jù)分配以及其他組合邏輯功能中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。深入理解其引腳功能、工作原理和應(yīng)用技巧，對(duì)于數(shù)字電路設(shè)計(jì)人員和學(xué)習(xí)者來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。盡管面臨著現(xiàn)代可編程邏輯器件的競(jìng)爭(zhēng)，74LS138憑借其成本效益、簡(jiǎn)單性和可靠性，在特定的應(yīng)用場(chǎng)景中仍然保持著不可替代的地位，是數(shù)字電子領(lǐng)域的一顆“常青樹(shù)”。無(wú)論是入門(mén)學(xué)習(xí)還是實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，74LS138都以其獨(dú)特的魅力和實(shí)用性，持續(xù)為電子工程師們提供便利。