74LS147 优先编码器：引脚图、功能详解与应用

74LS147 是一款在数字逻辑电路中广泛应用的优先编码器芯片。作为德州仪器（Texas Instruments）等公司生产的 74LS 系列低功耗肖特基 TTL（Transistor-Transistor Logic）器件之一，它以其高效的编码能力和可靠性，在各种数字系统中扮演着重要角色。优先编码器是一种特殊的编码器，它能够根据多个输入信号中具有最高优先级的那个信号，输出对应的二进制编码。这种特性使得 74LS147 在键盘扫描、数据选择、中断请求处理等场景中表现出色。

1. 芯片概述与基本功能

74LS147 是一款 9 输入到 4 输出的优先编码器。它的主要功能是将 9 个独立的输入线（标号为 1 到 9，但实际芯片引脚上通常用 1-9 的数字表示不同的输入线）中的活动信号（低电平有效）转换成一个 4 位的 BCD（Binary-Coded Decimal）编码输出。这里需要特别强调“优先”二字。这意味着，如果同时有多个输入线处于活动状态（即为低电平），74LS147 不会简单地叠加它们的影响，而是会识别并只对具有最高优先级的那个输入进行编码。在 74LS147 中，输入 9 具有最高优先级，其次是 8，依此类推，直到输入 1 具有最低优先级。

其输出是采用低电平有效（Active-LOW）的 BCD 码。这意味着，当某个输入被选中并编码时，对应的输出位将变为低电平。这种低电平有效的特性在许多数字系统中非常常见，并能与其他低电平有效的逻辑器件直接接口。

2. 74LS147 引脚图与引脚功能详解

理解任何集成电路的关键在于掌握其引脚图和每个引脚的功能。74LS147 通常采用 16 引脚的双列直插封装（DIP-16）。下面详细介绍每个引脚的名称、编号以及功能。

2.1 74LS147 引脚图

（由于我无法直接绘制图形，这里将以文本形式描述典型的 74LS147 DIP-16 封装的引脚排列。请注意，当您实际使用芯片时，务必参考芯片数据手册以确认精确的引脚图，因为不同的制造商或封装类型可能存在细微差异，尽管 74LS 系列的标准引脚功能是通用的。）

      +---/---+
  14 -> |1   16| <- VCC
  15 -> |2   15| <- 1
  13 -> |3   14| <- 2
  12 -> |4   13| <- 3
  11 -> |5   12| <- 4
   9 -> |6   11| <- 5
   8 -> |7   10| <- 6
 GND -> |8    9| <- 7
      +--------+

上述简化图示中：

• VCC：电源正极。

• GND：接地。

• 数字 1-15 旁边带箭头的表示引脚号和对应的输入/输出。

• 引脚 16 是 VCC，引脚 8 是 GND。

• 其他引脚代表输入或输出。

2.2 详细引脚功能描述

以下是对 74LS147 各引脚的详细功能解释：

• VCC (引脚 16)：

• 功能：电源输入引脚。为芯片提供正向工作电压。对于 74LS 系列芯片，标准工作电压通常为 +5V。稳定的电源供应是芯片正常工作的基本前提。任何电压波动或噪声都可能影响芯片的性能和输出的准确性。因此，在实际电路设计中，通常会在 VCC 引脚附近放置一个去耦电容（例如 0.1μF），以滤除电源噪声，确保电源的纯净。

• GND (引脚 8)：

• 功能：接地引脚。为芯片提供公共参考地电位。所有信号电平都相对于这个地电位进行测量。正确接地对于防止噪声干扰和确保电路的稳定性至关重要。

• A0 (引脚 14)：

• 功能：BCD 编码输出的最低有效位（LSB）。当某个输入被优先编码时，其二进制编码的 A0 位将通过此引脚输出。与其他输出引脚一样，A0 是低电平有效输出，意味着当该位为逻辑“1”时，引脚输出高电平；当该位为逻辑“0”时，引脚输出低电平。

• A1 (引脚 13)：

• 功能：BCD 编码输出的次低有效位。

• A2 (引脚 12)：

• 功能：BCD 编码输出的次高有效位。

• A3 (引脚 11)：

• 功能：BCD 编码输出的最高有效位（MSB）。与 A0、A1 和 A2 共同构成 4 位 BCD 编码输出。

• I9 (引脚 1)：

• 功能：输入 9。这是所有输入中优先级最高的输入。如果 I9 为低电平，无论其他任何输入是什么状态，芯片都将输出对应 9 的 BCD 编码。I9 的高优先级确保了在多输入同时激活时，它能被优先处理。

• I8 (引脚 2)：

• 功能：输入 8。优先级次于 I9，高于所有其他输入。

• I7 (引脚 3)：

• 功能：输入 7。优先级次于 I8。

• I6 (引脚 4)：

• 功能：输入 6。优先级次于 I7。

• I5 (引脚 5)：

• 功能：输入 5。优先级次于 I6。

• I4 (引脚 6)：

• 功能：输入 4。优先级次于 I5。

• I3 (引脚 7)：

• 功能：输入 3。优先级次于 I4。

• I2 (引脚 9)：

• 功能：输入 2。优先级次于 I3。

• I1 (引脚 10)：

• 功能：输入 1。这是所有输入中优先级最低的输入。只有当所有其他优先级更高的输入（I2 到 I9）都为高电平（非活动状态）时，I1 的状态才会被考虑。

所有输入引脚（I1-I9）都是低电平有效。这意味着当对应的物理按键被按下或传感器检测到事件时，会将该引脚拉低（逻辑 0）。当引脚处于高电平（逻辑 1）时，表示该输入是非活动状态。

3. 74LS147 功能描述与真值表

74LS147 的核心功能在于其优先编码逻辑。当多个输入同时为低电平时，只有优先级最高的那个输入会被编码。如果所有输入都为高电平，则表示没有任何输入被激活，此时编码器会输出特定的默认状态。

3.1 逻辑功能描述

74LS147 的逻辑行为可以用以下规则概括：

1. 优先级原则：输入 I9 具有最高优先级，I8 次之，依此类推，I1 具有最低优先级。

2. 低电平有效输入：任何一个输入（I1-I9）只要变为低电平（逻辑 0），就被视为“激活”。

3. 高电平有效输出：如果所有输入都为高电平（逻辑 1），表示没有输入被激活。此时，74LS147 的所有输出（A3、A2、A1、A0）都将为高电平（逻辑 1），这通常表示编码器处于“无输入”或“空闲”状态。

4. 编码输出：当且仅当一个输入（或优先级最高的那个输入）为低电平，而所有更高优先级的输入都为高电平时，该输入的编号将被编码成 4 位的 BCD 码，并通过 A3、A2、A1、A0 引脚以低电平有效的方式输出。例如，如果 I5 是唯一或优先级最高的低电平输入，则输出将是 5 的 BCD 码（0101），但由于是低电平有效，实际输出将是 1010。

理解低电平有效输出至关重要。一个数字的 BCD 码是其二进制表示。例如，数字 5 的 BCD 码是 0101。如果 74LS147 输出 5，那么：

• A3 对应 BCD 码的最高位 0，由于是低电平有效，A3 将输出高电平。

• A2 对应 BCD 码的次高位 1，由于是低电平有效，A2 将输出低电平。

• A1 对应 BCD 码的次低位 0，由于是低电平有效，A1 将输出高电平。

• A0 对应 BCD 码的最低位 1，由于是低电平有效，A0 将输出低电平。 所以，实际输出为：A3=H, A2=L, A1=H, A0=L。 这与我们直观理解的 0101 是相反的，因为它是一个“反向”或“非门”输出。

3.2 74LS147 真值表

下表详细列出了 74LS147 在不同输入组合下的输出状态。输入 (I1-I9) 均为低电平有效，输出 (A3-A0) 也为低电平有效。 在表中，'H' 表示高电平（逻辑 1），'L' 表示低电平（逻辑 0），'X' 表示不关心（可以是高电平或低电平）。

真值表解读：

• 第一行显示，当所有输入都是高电平（未激活）时，所有输出也都是高电平。

• 当 I9 为低电平（激活）时，无论 I8 到 I1 是什么状态（X 代表不关心），输出都将是对应数字 9 的反向 BCD 码。原始 BCD 码 1001 经过反向后变为 0110，因此 A3=L, A2=H, A1=H, A0=L。

• 类似地，当 I8 为低电平，且 I9 为高电平时，输出是 8 的反向 BCD 码。

• 这个优先级编码的特性是 74LS147 的核心优势。它简化了电路设计，避免了需要额外逻辑来解决多输入冲突的问题。

4. 内部逻辑与工作原理

74LS147 的内部是由复杂的门电路组成的。虽然我们通常不需要深入到每个门的连接细节，但了解其大致的工作原理有助于更好地使用它。

4.1 编码机制

74LS147 的内部逻辑可以被概念化为一系列嵌套的或门和非门组合，以实现优先选择。当一个输入引脚被拉低时，它会触发内部的逻辑电路。由于其优先级的设定，优先级高的输入会“抑制”或“阻塞”优先级低的输入对输出的影响。

例如，如果 I9 被拉低，它会激活一个内部路径，该路径会强制输出变为 9 的反向 BCD 码，同时阻断所有其他输入（I1-I8）的任何潜在影响。只有当 I9 为高电平（未激活）时，内部逻辑才会检查 I8。如果 I8 被拉低，它将激活其对应的路径并输出 8 的反向 BCD 码，并同时阻断 I1-I7 的影响。这个过程层层递进，直到优先级最低的 I1。

4.2 TTL 逻辑特性

作为 74LS 系列芯片，74LS147 基于 TTL 逻辑。

• 输入特性：TTL 输入在空闲状态下通常通过内部上拉电阻保持在高电平。当外部设备将其拉低时，输入才变为低电平。这使得它们可以直接与按钮、开关或其他 TTL/CMOS 器件连接。

• 输出特性：74LS147 的输出是典型的 TTL 推挽（Totem-Pole）输出。这意味着它既可以吸入电流（当输出为低电平时），也可以源出电流（当输出为高电平时）。这种输出结构提供了良好的驱动能力，可以连接到其他逻辑门或 LED 等负载。然而，在使用低电平有效输出时，连接到 LED 时通常需要将 LED 的阳极连接到 VCC，阴极通过限流电阻连接到 74LS147 的输出引脚，这样当输出为低电平时 LED 才会亮起。

• 电源要求：TTL 器件通常需要 +5V 的电源。它们对电源噪声比较敏感，因此去耦电容是推荐的。

• 功耗：74LS 系列是低功耗肖特基 TTL，相比于早期的 74 系列标准 TTL，它在保持较高速度的同时显著降低了功耗。

5. 典型应用场景

74LS147 优先编码器因其独特的优先级选择功能，在多种数字电路设计中都有广泛应用。

5.1 键盘编码器

这是 74LS147 最经典和直观的应用之一。在需要处理多个按键输入的系统中，例如数字键盘、计算器或游戏控制器，74LS147 可以高效地将按键的物理位置转换为机器可读的二进制代码。

• 应用原理：将键盘上的 9 个按键（例如数字 1-9）分别连接到 74LS147 的 I1 到 I9 输入端。当用户按下某个键时，对应的输入引脚被拉低。由于 74LS147 的优先编码特性，即使同时按下多个键，它也会只识别并编码优先级最高的那个键。

• 优势：极大地简化了键盘接口的设计。如果没有优先编码器，设计师需要额外的逻辑电路来判断哪个键被按下，尤其是在多键同时按下的情况下。74LS147 直接提供了这个功能。

• 输出连接：74LS147 的 4 位 BCD 输出可以直接连接到微控制器、数字显示驱动器（如 7 段译码器 74LS47/74LS247）或其他需要数字输入的电路。由于输出是低电平有效，可能需要额外的反相器（如 74LS04）将其转换为高电平有效，以便与某些需要高电平输入的器件兼容，或者直接与支持低电平有效输入的器件连接。

5.2 中断请求系统

在微处理器或微控制器系统中，经常需要处理来自不同外部设备的中断请求。当多个设备同时请求中断时，系统需要一个机制来决定哪个请求应该优先处理。

• 应用原理：将不同设备的的中断请求信号连接到 74LS147 的输入端，优先级高的设备连接到优先级高的输入（如 I9）。当设备发出中断请求（通常是拉低一个信号线）时，74LS147 会根据优先级输出相应的二进制编码，指示是哪个设备发出了中断。

• 优势：微处理器可以通过读取 74LS147 的输出，快速确定中断源，从而跳转到相应的服务程序。这比轮询每个设备的中断状态要高效得多。

5.3 数据选择器/多路复用器控制

在一些数据路由或多路复用应用中，可能需要根据一个优先级的输入来选择特定的数据通道。

• 应用原理：74LS147 的输出可以作为数据选择器（例如 74LS151/74LS153 等）的地址选择输入。当 74LS147 的某个输入被激活时，它会输出一个对应的编码，这个编码可以用来选择数据选择器上的一个特定输入通道，从而将该通道的数据路由到输出端。

• 优势：实现基于优先级的通道选择，使得系统能够响应优先级最高的数据源。

5.4 状态编码与警报系统

在监控系统或工业控制中，可能存在多个传感器或状态信号，需要将最重要的报警或状态优先编码。

• 应用原理：将不同危险等级的传感器输出连接到 74LS147 的输入端，危险等级最高的传感器连接到优先级最高的输入。当某个传感器检测到异常并拉低其对应的输入线时，74LS147 将输出一个编码，指示发生了哪个级别的报警。

• 优势：在复杂系统中，可以快速识别并处理最紧急的事件，提供了一种高效的状态管理方式。

6. 与其他编码器的比较

在数字电路中，除了优先编码器，还有其他类型的编码器，例如简单的二进制编码器。了解它们之间的区别有助于选择合适的芯片。

6.1 简单编码器与优先编码器

• 简单编码器：例如 74LS148（也是优先编码器，但功能略有不同，通常是 8 线到 3 线）。简单编码器要求在任何给定时间只有一个输入是活动的。如果多个输入同时激活，它的输出可能是不可预测的或不正确的。

• 优先编码器（如 74LS147）：这是它们之间的根本区别。优先编码器内部有额外的逻辑，确保在多个输入同时激活时，它只响应优先级最高的那个输入。这使得它们在现实世界的应用中更加鲁棒和实用，因为多输入同时激活的情况很常见（例如，键盘上的“鬼键”或多个中断同时发生）。

6.2 74LS147 与 74LS148

• 74LS147 (9-to-4 优先编码器)：

• 输入：9 个输入（通常用于 1-9 的数字编码）。

• 输出：4 位 BCD 码（低电平有效）。

• 主要用于十进制到 BCD 码的转换，尤其是在键盘应用中。

• 74LS148 (8-to-3 优先编码器)：

• 输入：8 个输入。

• 输出：3 位二进制码。

• 通常用于编码 0-7 的八进制或一般二进制输入。它还有一个使能输入（Enable Input, EI）和一个使能输出（Enable Output, EO），使其可以级联以处理更多的输入。

两者都是优先编码器，但输入/输出的数量和编码方式不同，使其适用于不同的场景。74LS147 更侧重于十进制数字键的编码，而 74LS148 更通用，可以用于任意 8 个输入中的优先级选择。

7. 设计考虑与注意事项

在使用 74LS147 进行电路设计时，有一些重要的考虑事项和最佳实践可以帮助确保其正确和稳定地工作。

7.1 电源去耦

如前所述，在 74LS147 的 VCC 和 GND 引脚之间放置一个 0.1μF 的陶瓷去耦电容是标准实践。这个电容应尽可能靠近芯片引脚放置，以有效地滤除高频噪声和电源瞬态，确保芯片获得稳定的电源。

7.2 未使用输入的处理

如果 74LS147 的某些输入引脚没有被使用（例如，只需要编码 1-5 而 I6-I9 未使用），这些未使用的输入引脚必须连接到高电平（VCC）。这是 TTL 逻辑的典型要求，因为悬空的 TTL 输入可能会漂移到不确定的逻辑状态，从而导致不可预测的芯片行为。通过将它们连接到 VCC，可以确保它们处于非激活状态，不会干扰优先编码器的正常工作。

7.3 输出驱动能力

74LS147 的输出具有有限的驱动能力。虽然它可以驱动几个标准 TTL 门输入或小电流 LED（通过适当的限流电阻），但在驱动高电流负载或连接到大量其他门的输入时，可能需要额外的缓冲器或驱动电路。查阅芯片数据手册以获取具体的输出电流规格（I_OL 和 I_OH）。

7.4 信号完整性

在高速数字电路中，布线长度、阻抗匹配和交叉干扰都可能影响信号完整性。虽然 74LS147 属于相对低速的逻辑器件，但在关键应用中，仍然建议遵循良好的 PCB 布局实践，例如保持信号线短而直，避免锐角，以及为数字信号提供适当的参考平面。

7.5 与其他逻辑族的接口

• 与 CMOS 接口：74LS 系列可以与 CMOS 逻辑器件接口，但需要注意电压兼容性。5V CMOS 逻辑通常可以直接与 74LS 接口。对于 3.3V CMOS 或其他电压，可能需要电压转换器或电平移位器。

• 低电平有效输出：由于 74LS147 的输出是低电平有效，当需要连接到需要高电平有效输入的器件时，通常需要使用反相器（如 74LS04 或 74LS240 等缓冲反相器）来转换信号。

8. 总结

74LS147 是一款功能强大且应用广泛的 9-线到 4-线优先编码器。其核心优势在于能够根据输入信号的优先级进行编码，从而简化了多输入事件的处理。通过详细了解其引脚功能、真值表、内部工作原理以及典型应用场景，工程师和爱好者可以有效地将其集成到各种数字电路设计中，无论是简单的键盘接口，还是复杂的微控制器中断系统。正确地理解并遵循其设计规范，如电源去耦和未使用引脚的处理，将确保 74LS147 在您的电路中稳定可靠地运行。

尽管数字电路领域不断发展，新的可编程逻辑器件（如 FPGA、CPLD）和微控制器提供了更高的集成度和灵活性，但像 74LS147 这样的经典逻辑芯片仍然因其成本效益、简单性和在特定任务中的高效性而保持着其在教学、原型开发和一些专业应用中的重要地位。