74LS151 8選1數(shù)據(jù)選擇器/多路復(fù)用器

74LS151是一款高性能的TTL（晶體管-晶體管邏輯）集成電路，它是一個(gè)8選1數(shù)據(jù)選擇器（Data Selector）或多路復(fù)用器（Multiplexer）。這款芯片能夠根據(jù)三位二進(jìn)制選擇輸入（Select Inputs）的狀態(tài)，從八個(gè)數(shù)據(jù)輸入（Data Inputs）中選擇一個(gè)，并將其傳送到輸出端。由于其廣泛的應(yīng)用范圍，從數(shù)據(jù)路由到邏輯函數(shù)生成，74LS151在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中扮演著重要的角色。

1. 74LS151 引腳圖

74LS151通常采用標(biāo)準(zhǔn)的16引腳雙列直插式封裝（DIP）。以下是其引腳的詳細(xì)說(shuō)明：

• 引腳1 (Vcc)： 電源正極。通常連接到+5V直流電源。

• 引腳2 (Y)： 數(shù)據(jù)輸出端。這是經(jīng)過(guò)選擇器處理后的最終輸出，它將根據(jù)選擇輸入的狀態(tài)，輸出所選數(shù)據(jù)輸入端的邏輯電平。

• 引腳3 (overlineY / W)： 反相數(shù)據(jù)輸出端。這個(gè)輸出是引腳Y的非門輸出，即當(dāng)Y為高電平時(shí)，overlineY 為低電平，反之亦然。在某些文獻(xiàn)中，這個(gè)引腳也被標(biāo)記為W。

• 引腳4 (overlineG / Strobe)： 使能輸入端（低電平有效）。這個(gè)引腳是整個(gè)芯片的使能控制端。只有當(dāng) overlineG 為低電平（邏輯0）時(shí)，芯片才處于工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)選擇器才能正常工作并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵龆恕Ｈ绻?overlineG 為高電平（邏輯1），則無(wú)論選擇輸入和數(shù)據(jù)輸入是什么狀態(tài)，輸出Y都將處于低電平，而 overlineY 將處于高電平（或者說(shuō)輸出被禁用，保持特定狀態(tài)）。

• 引腳5 (C)： 選擇輸入C（最高有效位）。與B和A共同決定哪個(gè)數(shù)據(jù)輸入被選中。

• 引腳6 (B)： 選擇輸入B。與C和A共同決定哪個(gè)數(shù)據(jù)輸入被選中。

• 引腳7 (A)： 選擇輸入A（最低有效位）。與C和B共同決定哪個(gè)數(shù)據(jù)輸入被選中。

• 引腳8 (GND)： 接地端。連接到電路的公共地。

• 引腳9 (D7)： 數(shù)據(jù)輸入7。當(dāng)選擇輸入CBA為111時(shí)，D7的數(shù)據(jù)將被傳送到輸出端。

• 引腳10 (D6)： 數(shù)據(jù)輸入6。當(dāng)選擇輸入CBA為110時(shí)，D6的數(shù)據(jù)將被傳送到輸出端。

• 引腳11 (D5)： 數(shù)據(jù)輸入5。當(dāng)選擇輸入CBA為101時(shí)，D5的數(shù)據(jù)將被傳送到輸出端。

• 引腳12 (D4)： 數(shù)據(jù)輸入4。當(dāng)選擇輸入CBA為100時(shí)，D4的數(shù)據(jù)將被傳送到輸出端。

• 引腳13 (D3)： 數(shù)據(jù)輸入3。當(dāng)選擇輸入CBA為011時(shí)，D3的數(shù)據(jù)將被傳送到輸出端。

• 引腳14 (D2)： 數(shù)據(jù)輸入2。當(dāng)選擇輸入CBA為010時(shí)，D2的數(shù)據(jù)將被傳送到輸出端。

• 引腳15 (D1)： 數(shù)據(jù)輸入1。當(dāng)選擇輸入CBA為001時(shí)，D1的數(shù)據(jù)將被傳送到輸出端。

• 引腳16 (D0)： 數(shù)據(jù)輸入0。當(dāng)選擇輸入CBA為000時(shí)，D0的數(shù)據(jù)將被傳送到輸出端。

（圖片來(lái)源：維基百科，僅為示意，實(shí)際應(yīng)用請(qǐng)參考具體數(shù)據(jù)手冊(cè)）

2. 74LS151 功能表

功能表詳細(xì)說(shuō)明了74LS151芯片在不同輸入組合下的輸出狀態(tài)。它清晰地展示了選擇輸入如何控制數(shù)據(jù)輸入到輸出端的路徑，以及使能端的作用。

功能表說(shuō)明：

• H： 高電平（邏輯1）

• L： 低電平（邏輯0）

• X： 任意狀態(tài)（無(wú)關(guān)）

• D0-D7： 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸入端的邏輯電平

• overlineD0-overlineD7： 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸入端的反相邏輯電平

從功能表可以看出：

• 當(dāng)使能端 overlineG 為高電平（H）時(shí)，芯片處于禁用狀態(tài)，無(wú)論選擇輸入CBA為何值，輸出Y都保持低電平（L），而反相輸出 overlineY 保持高電平（H）。這通常用于控制數(shù)據(jù)流或在不使用芯片時(shí)使其處于靜默狀態(tài)。

• 當(dāng)使能端 overlineG 為低電平（L）時(shí)，芯片處于使能狀態(tài)，數(shù)據(jù)選擇功能正常工作。此時(shí)，選擇輸入C、B、A的組合決定了哪個(gè)數(shù)據(jù)輸入（D0到D7）被選中并傳輸?shù)捷敵鯵。例如，當(dāng)CBA為000時(shí)，D0的數(shù)據(jù)被輸出到Y(jié)；當(dāng)CBA為111時(shí)，D7的數(shù)據(jù)被輸出到Y(jié)。反相輸出 overlineY 則始終是Y的反相。

3. 74LS151 工作原理

74LS151的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由一個(gè)8輸入的數(shù)據(jù)選擇邏輯電路和一個(gè)使能門組成。其核心原理是根據(jù)選擇輸入端的二進(jìn)制值，通過(guò)內(nèi)部的與門和或門邏輯組合，實(shí)現(xiàn)“一對(duì)多”的數(shù)據(jù)通路選擇。

當(dāng)使能端 overlineG 為低電平時(shí)，芯片內(nèi)部的門電路被激活。三位選擇輸入（CBA）形成一個(gè)3位的二進(jìn)制地址，這個(gè)地址對(duì)應(yīng)著8個(gè)數(shù)據(jù)輸入中的一個(gè)。例如，如果CBA是“000”，則內(nèi)部邏輯電路會(huì)使得D0通路打開，D0的邏輯電平直接傳遞到輸出Y。其他數(shù)據(jù)輸入（D1到D7）的通路則被關(guān)閉。

這可以理解為，對(duì)于每一個(gè)數(shù)據(jù)輸入Di，都有一個(gè)與門將其與對(duì)應(yīng)的選擇輸入組合的非門輸出相“與”，然后再將所有這些與門的輸出相“或”，最終得到Y(jié)的輸出。

例如，輸出Y的邏輯表達(dá)式可以簡(jiǎn)化為：Y=overlineGcdot((overlineCcdotoverlineBcdotoverlineAcdotD_0)+(overlineCcdotoverlineBcdotAcdotD_1)+dots+(CcdotBcdotAcdotD_7))

其中，當(dāng) overlineG 為高電平時(shí)，整個(gè)表達(dá)式都為0，因此Y輸出低電平。當(dāng) overlineG 為低電平時(shí)，其影響被消除，只剩下后面括號(hào)中的邏輯，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)選擇。

4. 74LS151 主要特性

• 8選1數(shù)據(jù)選擇功能： 能夠從8個(gè)數(shù)據(jù)輸入中選擇一個(gè)輸出。

• 并行數(shù)據(jù)輸入： 8個(gè)數(shù)據(jù)輸入端可以并行接收數(shù)據(jù)。

• 三位二進(jìn)制選擇輸入： 通過(guò)3個(gè)控制引腳選擇數(shù)據(jù)源。

• 低電平有效使能端： 提供方便的芯片使能控制。

• 互補(bǔ)輸出： 同時(shí)提供正相（Y）和反相（overlineY）輸出，方便不同電路需求。

• TTL兼容： 輸出電壓和輸入閾值符合TTL標(biāo)準(zhǔn)，可與其他TTL系列芯片直接接口。

• 典型傳播延遲： 相對(duì)較快的信號(hào)傳播速度，適用于中高速數(shù)字系統(tǒng)。

• 低功耗： LS系列芯片通常具有較低的功耗特性。

5. 74LS151 應(yīng)用

74LS151作為一款通用的數(shù)字集成電路，在各種數(shù)字系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用。其核心功能是數(shù)據(jù)路由和邏輯功能生成，具體應(yīng)用包括但不限于：

5.1 數(shù)據(jù)選擇與路由

這是多路復(fù)用器最直接的應(yīng)用。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或通信系統(tǒng)中，可能需要從多個(gè)數(shù)據(jù)源中選擇一個(gè)進(jìn)行處理或傳輸。例如：

• 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)： 從多個(gè)傳感器或數(shù)據(jù)通道中選擇一個(gè)進(jìn)行讀取。

• 內(nèi)存地址解碼： 在復(fù)雜的存儲(chǔ)器系統(tǒng)中，用于選擇不同的存儲(chǔ)塊。

• 總線數(shù)據(jù)管理： 控制數(shù)據(jù)在不同總線段之間的流動(dòng)。

• 通信系統(tǒng)中的信道選擇： 在時(shí)分復(fù)用（TDM）系統(tǒng)中，用于將多個(gè)低速信號(hào)復(fù)用到一個(gè)高速信道上。

5.2 邏輯函數(shù)生成

多路復(fù)用器的一個(gè)非常強(qiáng)大的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)任意布爾函數(shù)。由于一個(gè)n輸入的多路復(fù)用器可以通過(guò)適當(dāng)?shù)妮斎脒B接來(lái)生成2^n個(gè)變量的任意函數(shù)，因此74LS151（8選1）可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)任意4個(gè)變量的布爾函數(shù)。

實(shí)現(xiàn)原理：假設(shè)要實(shí)現(xiàn)一個(gè)4變量的布爾函數(shù) F(A,B,C,D)。

1. 將函數(shù)的前三位變量（例如A, B, C）作為選擇輸入端。

2. 構(gòu)建函數(shù)的真值表。

3. 對(duì)于真值表的每一行，根據(jù)A, B, C的組合，確定D的真值，并將D0-D7連接到常數(shù)0、1、D或$overline{D}$。

舉例：如果要實(shí)現(xiàn)一個(gè)三變量布爾函數(shù) F(A,B,C)=Sigmam(1,3,5,6) （最小項(xiàng)1, 3, 5, 6），可以將A, B, C作為選擇輸入。

• 當(dāng)CBA=000時(shí)，輸出是D0，我們希望輸出是0。所以D0接GND。

• 當(dāng)CBA=001時(shí)，輸出是D1，我們希望輸出是1。所以D1接Vcc。

• 當(dāng)CBA=010時(shí)，輸出是D2，我們希望輸出是0。所以D2接GND。

• 當(dāng)CBA=011時(shí)，輸出是D3，我們希望輸出是1。所以D3接Vcc。

• 當(dāng)CBA=100時(shí)，輸出是D4，我們希望輸出是0。所以D4接GND。

• 當(dāng)CBA=101時(shí)，輸出是D5，我們希望輸出是1。所以D5接Vcc。

• 當(dāng)CBA=110時(shí)，輸出是D6，我們希望輸出是1。所以D6接Vcc。

• 當(dāng)CBA=111時(shí)，輸出是D7，我們希望輸出是0。所以D7接GND。

通過(guò)這種方式，任何三變量的布爾函數(shù)都可以用一個(gè)74LS151來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)引入第四個(gè)變量作為數(shù)據(jù)輸入（D或其非），甚至可以實(shí)現(xiàn)四變量布爾函數(shù)。

5.3 并行-串行轉(zhuǎn)換

多路復(fù)用器可以將多路并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流。通過(guò)時(shí)序控制，依次選擇不同的數(shù)據(jù)輸入，并將其輸出到一個(gè)單一的串行數(shù)據(jù)線上。這在數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和處理中非常有用，可以節(jié)省傳輸線路。

5.4 波形發(fā)生器

通過(guò)將74LS151的數(shù)據(jù)輸入端連接到特定的邏輯電平（0或1），并不斷改變選擇輸入端的組合，可以在輸出端生成特定的數(shù)字波形。例如，結(jié)合計(jì)數(shù)器來(lái)周期性地改變選擇輸入，可以生成各種周期性的數(shù)字信號(hào)。

5.5 數(shù)據(jù)選擇器擴(kuò)展

當(dāng)需要選擇的數(shù)據(jù)輸入數(shù)量超過(guò)8個(gè)時(shí)，可以級(jí)聯(lián)多個(gè)74LS151芯片來(lái)擴(kuò)展選擇能力。例如，要實(shí)現(xiàn)16選1的數(shù)據(jù)選擇器，可以使用兩個(gè)74LS151，并使用一個(gè)額外的選擇位來(lái)控制哪個(gè)74LS151被使能。

5.6 組合邏輯電路設(shè)計(jì)

除了生成任意布爾函數(shù)外，74LS151還可以作為構(gòu)建更復(fù)雜組合邏輯電路的基本模塊，例如：

• 譯碼器： 結(jié)合適當(dāng)?shù)妮斎牒洼敵鲞B接，可以實(shí)現(xiàn)譯碼器的功能。

• 比較器： 通過(guò)巧妙地連接輸入和利用其選擇功能，可以構(gòu)建簡(jiǎn)單的比較器。

6. 使用注意事項(xiàng)

• 電源連接： 確保Vcc和GND正確連接，并提供穩(wěn)定的+5V電源。

• 使能端控制： 使能端 overlineG 的狀態(tài)對(duì)芯片工作至關(guān)重要。務(wù)必在需要芯片工作時(shí)將其置為低電平。

• 輸入浮空： TTL芯片的輸入端不建議浮空，應(yīng)連接到確定的邏輯電平（高電平或低電平），以避免不穩(wěn)定狀態(tài)和功耗增加。

• 扇出能力： 考慮74LS151輸出的扇出能力，確保其能驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路的輸入。

• 傳播延遲： 在高速應(yīng)用中，需要考慮信號(hào)通過(guò)芯片的傳播延遲，以避免時(shí)序問(wèn)題。

• ESDS（靜電放電敏感器件）： 74LS151是靜電敏感器件，操作時(shí)應(yīng)采取防靜電措施，如佩戴防靜電腕帶。

總而言之，74LS151是一款功能強(qiáng)大且用途廣泛的數(shù)字集成電路，其8選1數(shù)據(jù)選擇功能使其成為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可或缺的組件。理解其引腳圖、功能表和工作原理，對(duì)于正確應(yīng)用和設(shè)計(jì)基于該芯片的電路至關(guān)重要。通過(guò)靈活運(yùn)用其特性，可以解決各種數(shù)據(jù)路由、邏輯生成和信號(hào)處理方面的挑戰(zhàn)。

希望這份詳細(xì)的介紹能對(duì)您有所幫助。如果您對(duì)74LS151的某個(gè)特定方面有更深入的疑問(wèn)，或者想了解其在某個(gè)具體應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，請(qǐng)隨時(shí)提出。