74HC157引脚图及功能详解

74HC157是一款高性能硅栅CMOS器件，属于74HC系列集成电路，广泛应用于数字电路设计中，尤其在数据选择、多路复用以及逻辑功能实现方面表现出色。它是一个四路2选1数据选择器/多路复用器，能够根据一个共同的选择输入端（S）的状态，从两个数据输入端（A或B）中选择一路数据输出。这种特性使其在各种数字系统中扮演着至关重要的角色，例如数据路由、存储器地址译码、波形生成以及算术逻辑单元等。

引脚图

理解74HC157的功能，首先需要掌握其引脚布局。74HC157通常采用标准的16引脚双列直插封装（DIP）或更小尺寸的表面贴装封装（SOP/SSOP）。以下是其常见的引脚排列及其对应的功能：

引脚功能详解

以下将对74HC157的各个引脚功能进行详细阐述，以便更好地理解其工作原理。

电源引脚：VCC和GND

VCC (引脚16)： VCC是74HC157的正电源输入引脚。它为集成电路内部的CMOS逻辑门提供工作所需的电压。对于74HC系列器件，VCC的工作电压范围通常较宽，一般为2V至6V。在使用时，需要确保提供的电压稳定且在规定范围内，以保证器件的正常工作和性能。电压过低可能导致逻辑电平不稳定或无法正常驱动负载；电压过高则可能损坏器件。在实际应用中，通常会在VCC引脚附近并联一个去耦电容（例如0.1μF），以滤除电源线上的高频噪声，提供稳定的电源，防止电源波动对器件工作造成干扰。

GND (引脚7)： GND是74HC157的接地引脚，也是电路的公共参考点。所有内部电路和外部连接的信号都以GND为基准。正确连接GND对于电路的稳定性和噪声抑制至关重要。在多层PCB设计中，通常会将GND层设计成一个大面积的平面，以提供低阻抗的电流回流路径，从而减少地线噪声和提高信号完整性。

数据输入引脚：Ax和Bx (A1-A4, B1-B4)

74HC157是四路数据选择器，因此它拥有四组独立的A和B数据输入端。

Ax (A1、A2、A3、A4)： 这些是第一组数据输入端。当选择控制端S为低电平（逻辑0）时，相应的Ax输入信号将被选择并输出到其对应的Yx输出端。例如，当S=0时，1A的数据会输出到1Y，2A的数据会输出到2Y，以此类推。这些输入端可以连接到任何数字逻辑信号，如传感器数据、微控制器端口输出、其他逻辑门输出等。

Bx (B1、B2、B3、B4)： 这些是第二组数据输入端。当选择控制端S为高电平（逻辑1）时，相应的Bx输入信号将被选择并输出到其对应的Yx输出端。例如，当S=1时，1B的数据会输出到1Y，2B的数据会输出到2Y，以此类推。与Ax输入端类似，Bx输入端也能够连接各种数字信号。

每组Ax和Bx输入端都是独立的，这意味着它们可以接收不同的数据信号。这种独立的输入设计使得74HC157能够同时对四组数据进行选择，极大地提高了电路的集成度和灵活性。例如，在一个系统中，可以利用一个74HC157来选择四路不同的传感器数据，或者选择四路不同的控制信号。

数据输出引脚：Yx (Y1-Y4)

Yx (Y1、Y2、Y3、Y4)： 这些是74HC157的四路数据输出端。每个Yx输出端对应于一组Ax和Bx输入。Yx的输出状态由选择控制端S和使能端$overline{ ext{E}}$共同决定。

工作原理：

• 当使能端$overline{ ext{E}}$为低电平（逻辑0）时：

• 如果选择控制端S为低电平（逻辑0），则Yx输出端将输出其对应的Ax输入端的数据。

• 如果选择控制端S为高电平（逻辑1），则Yx输出端将输出其对应的Bx输入端的数据。 这种选择功能正是多路复用器的核心所在，它允许根据控制信号动态地切换数据源。

• 当使能端$overline{ ext{E}}$为高电平（逻辑1）时：

• 无论选择控制端S处于何种状态（高电平或低电平），所有Yx输出端都将被置于低电平（逻辑0）。 使能端提供了一个全局控制功能，可以在需要时完全禁用数据选择器，使输出处于已知状态。这对于系统初始化、故障排除或在某些条件下需要强制输出为低电平的应用非常有用。

每个Yx输出端都具有CMOS特性，能够提供较高的驱动能力，可以直接驱动其他CMOS或TTL逻辑门。然而，在驱动大电容负载或长传输线时，仍需考虑信号完整性和扇出能力。

控制引脚：S和$overline{ ext{E}}$

这两个引脚是74HC157实现其核心功能——数据选择和使能控制的关键。

S (引脚9)： S是74HC157的选择控制输入引脚。它决定了哪一路数据输入（A或B）将被传递到输出端。

• 当S为低电平（逻辑0）时： 选择A输入。此时，1A的数据被路由到1Y，2A的数据到2Y，以此类推，直到4A到4Y。可以理解为在S=0时，器件处于“A通道”模式。

• 当S为高电平（逻辑1）时： 选择B输入。此时，1B的数据被路由到1Y，2B的数据到2Y，以此类推，直到4B到4Y。可以理解为在S=1时，器件处于“B通道”模式。

S引脚的电平变化可以直接控制数据流的切换，响应速度快，通常用于高速数据通路的选择。例如，在内存系统中，S引脚可以用于选择不同的存储器bank；在CPU中，可以用于选择不同的数据源进行处理。

E (引脚8)： $overline{ ext{E}}$是74HC157的使能输入引脚，其上方有一条横线，表示它是一个低电平有效的引脚。

• 当$overline{ ext{E}}$为低电平（逻辑0）时： 74HC157处于使能（Enabled）状态。此时，多路复用器正常工作，数据输出Yx的状态由S引脚的逻辑电平以及相应的A或B输入数据决定。这是器件进行数据选择的正常工作模式。

• 当$overline{ ext{E}}$为高电平（逻辑1）时： 74HC157处于禁用（Disabled）状态。此时，无论S引脚的逻辑电平如何，所有的Yx输出端都将被强制置为低电平（逻辑0）。这使得74HC157能够方便地与三态输出器件配合使用，或者在不需要输出时将其禁用，以节省功耗或避免总线冲突。例如，在总线仲裁系统中，当某个设备不拥有总线控制权时，其输出可以通过$overline{ ext{E}}$引脚被禁用，从而防止数据冲突。

使能端的设计提供了对整个芯片的全局控制能力，是许多数字逻辑器件的常见特性，对于系统级的控制和管理具有重要意义。

工作原理与逻辑功能

74HC157的核心功能是实现四路2选1数据选择器/多路复用器。它的工作原理基于基本的CMOS逻辑门，通过控制逻辑电路实现对输入信号的切换。

真值表

为了更直观地理解74HC157的工作方式，我们可以列出其真值表。由于它是四路独立的2选1选择器，每一路的真值表都是相同的。以下以其中一路（例如1A、1B、1Y）为例进行说明：

注：

• H表示高电平（逻辑1）

• L表示低电平（逻辑0）

• X表示任意状态（Don't care）

从真值表中可以看出，使能端$overline{ ext{E}}具有最高的优先级。当overline{ ext{E}}为高电平（禁用）时，无论S、Ax和Bx的状态如何，输出Yx都为低电平。只有当overline{ ext{E}}$为低电平（使能）时，S引脚才能发挥其选择功能，根据S的电平将Ax或Bx的数据传递到Yx。

逻辑表达式

74HC157的逻辑功能可以用布尔代数表达式来描述。对于每一路输出Yx，其逻辑表达式为：

Yx=(E⋅S⋅Ax)+(E⋅S⋅Bx)

或者更简洁地表示为：

Yx=E⋅((S⋅Ax)+(S⋅Bx))

这个表达式清晰地表明了输出Yx的状态取决于使能端$overline{ ext{E}}$、选择控制端S以及对应的A或B输入数据。

• 当$overline{ ext{E}}为高电平（逻辑1）时，overline{ ext{E}}$为低电平（逻辑0），因此整个表达式为0，Yx输出低电平。

• 当$overline{ ext{E}}为低电平（逻辑0）时，overline{ ext{E}}$为高电平（逻辑1），此时输出Yx由后面的部分决定：

• 如果S为低电平（逻辑0），则$overline{S}$为高电平（逻辑1），表达式变为 (1⋅Ax)+(0⋅Bx)=Ax，即Yx = Ax。

• 如果S为高电平（逻辑1），则$overline{S}$为低电平（逻辑0），表达式变为 (0⋅Ax)+(1⋅Bx)=Bx，即Yx = Bx。

这个逻辑表达式精确地描述了74HC157的数据选择和使能功能。

内部电路结构概述

尽管我们不需要深入到晶体管级别的细节，但了解74HC157的内部构成有助于理解其工作方式。74HC157主要由CMOS与非门、非门以及传输门构成。

• 选择逻辑： S引脚的电平通过非门产生$overline{S}。S和overline{S}$信号与A和B输入信号通过一系列与非门和非门的组合，形成一个或门（OR gate）的结构。这个结构确保在S选择A时，A信号能够通过，而在S选择B时，B信号能够通过。

• 使能逻辑： 使能端$overline{ ext{E}}通常与输出级的AND门相连。当overline{ ext{E}}为高电平（禁用）时，它会强制所有输出AND门的输出为低电平，从而使Yx输出为低。当overline{ ext{E}}$为低电平（使能）时，AND门处于正常工作状态，允许经过选择的A或B数据通过。

• 传输门： 在一些CMOS多路复用器设计中，可能会采用CMOS传输门来实现输入信号的选择。传输门具有非常低的导通电阻和高截止电阻，可以在不引入显著损耗的情况下快速切换信号路径。当选择信号（S或$overline{S}$）开启一个传输门时，相应的输入信号（A或B）就会被传递到输出端。

通过这些逻辑门的巧妙组合，74HC157实现了高效、低功耗的数据选择功能。CMOS技术的使用也使得其具有较高的噪声容限和较宽的工作电压范围。

主要特性

74HC157作为一款经典的CMOS逻辑器件，具有一系列优异的特性，使其在数字电路设计中备受青睐。

高速CMOS技术

高速（High Speed）： 74HC系列是在标准CMOS逻辑的基础上，通过优化工艺和电路设计，显著提高了工作速度。与早期的CD4000系列CMOS器件相比，74HC157的传播延迟时间大大缩短，接近甚至可以与低功耗肖特基TTL（LS-TTL）系列器件相媲美。这使得它能够应用于对速度有一定要求的数字系统中，例如微控制器外设接口、高速数据采集系统等。其典型传播延迟时间通常在几十纳秒到几纳秒之间，具体取决于VCC电压和负载情况。

CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）： CMOS技术是数字集成电路的主流技术之一。它的主要优点是极低的静态功耗。当CMOS门处于稳态（输入不发生变化）时，由于P沟道和N沟道MOSFET总是有一个处于截止状态，因此几乎没有直流电流通过，功耗极小。只有在逻辑状态翻转时，由于电容充放电才会产生动态功耗。这一特性使得74HC157非常适合电池供电的便携式设备以及对功耗敏感的应用。此外，CMOS器件还具有高输入阻抗，这意味着它对前级电路的负载效应非常小，可以驱动多个CMOS门。

宽工作电压范围

74HC157通常可以在2V至6V的电源电压下稳定工作。这个宽泛的电压范围为设计者提供了极大的灵活性。

• 在低电压应用中（如2V、3.3V），74HC157可以直接与低电压微控制器或传感器接口，无需额外的电平转换电路，简化了设计并降低了成本。

• 在传统5V TTL逻辑系统兼容性方面，它也能良好地工作，方便了新旧系统的集成。

这种宽电压兼容性使得74HC157能够适应各种不同的电源系统，提高了其通用性。

低功耗

如前所述，CMOS技术的本质决定了74HC157具有极低的静态功耗。其静态电流通常在微安（μA）级别，甚至更低。即使在动态工作时，其功耗也远低于同等功能的TTL器件。这种低功耗特性在以下场景中尤为重要：

• 电池供电的设备： 延长电池寿命，减少充电频率。

• 便携式电子产品： 如智能手表、可穿戴设备等。

• 大型数字系统： 降低整个系统的散热需求和运行成本。

• 分布式传感器网络： 节点通常需要长时间低功耗运行。

高噪声抗扰度

CMOS器件通常具有较高的噪声容限。噪声容限是指输入信号可以在不引起错误输出的情况下偏离其理想逻辑电平的最大值。74HC157的噪声容限通常为VCC的30%至40%，远高于TTL器件。

• 轨到轨（Rail-to-Rail）输出： CMOS输出级可以输出接近电源电压（VCC）和接地电压（GND）的逻辑高和逻辑低电平，这使得它能够更好地抑制噪声，因为逻辑电平之间的摆幅更大。

• 低输入电流： 高输入阻抗意味着输入电流非常小，减少了在输入线上感应噪声的可能性。

高噪声抗扰度使得74HC157在工业控制、汽车电子等噪声环境较恶劣的应用中表现可靠。

高输出驱动能力

尽管74HC157的输入阻抗很高，但其输出级通常具有较强的电流驱动能力。这意味着它可以直接驱动多个同系列CMOS逻辑门（高扇出），或者驱动一些低功耗的TTL逻辑门。具体驱动能力取决于VCC电压和负载类型，但通常足以满足大多数数字电路设计的需求。例如，它通常可以提供几毫安的灌电流和拉电流，足以点亮LED或驱动继电器等小负载（需配合适当的限流电阻）。

应用场景

74HC157作为一款多功能集成电路，在各种数字系统中都有广泛的应用。其核心的数据选择和多路复用功能使其成为许多电路设计中不可或缺的组成部分。

数据选择器/多路复用器

这是74HC157最直接和主要的应用。在许多情况下，我们需要从多个数据源中选择一个并将其发送到单个输出端。

• CPU数据通路： 在微处理器或微控制器内部，常常需要选择不同寄存器或内存位置的数据作为ALU（算术逻辑单元）的输入。74HC157可以用于构建这样的数据选择器。

• 外设接口： 当多个外设共享同一组数据线时，可以使用74HC157来选择当前需要通信的外设数据。例如，在嵌入式系统中，可能需要从多个传感器中读取数据，74HC157可以根据控制信号选择特定的传感器数据。

• 信号路由： 在复杂的数字系统中，需要将来自不同模块的信号路由到目标模块，74HC157可以作为信号开关，实现灵活的信号路径配置。

并行到串行转换（数据选择）

虽然74HC157本质上是并行的输入输出，但通过与计数器配合，可以实现简单的并行到串行转换。

• 将并行数据连接到A或B输入端。

• 使用一个计数器（例如74HC161或74HC163）的输出作为S引脚的控制信号，并且使计数器依次递增。

• 在每个时钟周期，74HC157会选择不同的输入通道，从而将并行数据逐位地输出到Y端，实现准串行输出。

这种方法在数据传输需要节省引脚或进行简单的时分复用时非常有用，例如在早期微处理器系统中用于多路按键扫描或LED显示。

波形生成器

通过将不同的固定逻辑电平或周期性信号连接到A和B输入端，74HC157可以根据S引脚的控制来选择性地输出这些信号，从而生成复杂的波形。

• 可编程时钟发生器： 可以将多个不同频率的时钟信号连接到A/B输入，通过改变S引脚的状态来选择输出不同的时钟频率。

• 数字波形合成： 将不同的数字模式连接到输入端，并快速切换S引脚，可以在输出端合成出阶梯波、方波序列等复杂的数字波形。

逻辑功能实现

74HC157本身是一个数据选择器，但它也可以通过巧妙的连接来实现各种基本的逻辑门功能，如AND、OR、NOT、XOR等。这是因为任何布尔函数都可以用数据选择器来实现。

• AND门： 假设要实现A AND B。将A输入连接到B0，GND连接到A0，S连接到B。当S为1时，选择B0（即A）；当S为0时，选择A0（即GND）。如果A=0，输出0；如果A=1且B=0，输出0；如果A=1且B=1，输出1。这并不是一个直接的AND门，但可以通过更复杂的连接实现。更直接地，可以将A连接到1A，B连接到1B，选择端S连接到1A或1B的一个输入，另一个输入连接到固定逻辑。或者，将A接到Ax，将1接到Bx，控制S为A，那么输出就是Ax AND 1，也就是Ax。

• 通用逻辑门： 更一般地，对于任何一个两输入布尔函数（例如异或门），可以构建一个真值表，然后将函数的输出值作为A和B输入，将输入变量作为S控制。例如，对于异或门（A⊕B），当A=0时，输出B；当A=1时，输出$overline{B}。我们可以将0作为S，将B连接到A_0$，将$overline{B}连接到B_0$，然后输出就是Y0。这种方法虽然可行，但在有专用逻辑门时，通常不推荐，因为它会消耗更多的芯片资源。但在芯片资源有限或需要高度可配置性的FPGA/CPLD中，通过复用多路选择器来实现逻辑功能是很常见的。

存储器地址译码

在微处理器系统中，当需要扩展存储器空间时，74HC157可以用于译码地址线，选择特定的存储器芯片。

• 例如，如果系统有两片ROM或RAM，它们共享数据总线，但地址空间不同。

• 可以将CPU的地址线高位连接到74HC157的S引脚，或者作为A/B输入。

• 74HC157的输出可以作为不同存储器芯片的片选（Chip Select, CS）信号。

• 当S引脚根据地址高位切换时，只有一片存储器被选中，从而避免地址冲突。

可编程逻辑阵列（PLAs）和可编程阵列逻辑（PALs）的构建块

在数字设计早期，多路复用器经常被用作构建更复杂的可编程逻辑器件的基本单元。通过级联和组合多个74HC157，可以实现任意复杂的布尔函数。虽然现在有更高级的FPGA和CPLD，但理解多路复用器作为通用逻辑构建块的概念对于理解数字逻辑设计的基础至关重要。

级联应用

74HC157的四路独立结构使得它非常适合级联使用，以构建更大规模的数据选择器。

• 扩展输入通道： 比如需要一个8选1数据选择器，可以使用两个74HC157。前一个74HC157用于选择前四路或后四路数据，其输出连接到第二个74HC157的输入。通过控制两个74HC157的S引脚和使能引脚，可以实现8选1甚至16选1的数据选择功能。例如，可以构建一个大型的32选1选择器，通过多层级联来实现。

• 多位数据选择： 74HC157的四路并行输出使其非常适合选择4位宽的数据总线。例如，在一个8位系统中，如果需要选择两组8位数据中的一组，可以使用两个74HC157，每个处理4位，共处理8位数据。这两个74HC157的S引脚和$overline{ ext{E}}$引脚可以连接到同一个控制信号，从而实现同时选择8位数据。

使用注意事项

在使用74HC157或其他任何CMOS集成电路时，为了确保其正常工作、稳定可靠并延长使用寿命，需要注意以下几点。

电源和接地

• VCC电压范围： 严格遵守74HC157的数据手册中规定的VCC工作电压范围（通常为2V至6V）。过高或过低的电压都会导致器件损坏或工作异常。

• 去耦电容： 在VCC和GND引脚之间靠近芯片放置一个0.1μF的陶瓷去耦电容。这个电容能够滤除电源线上的高频噪声，并在芯片快速开关时提供瞬时电流，从而防止电源波动对逻辑电平造成干扰，提高电路的稳定性。对于大型系统，可能还需要在电源入口处放置更大容量的电解电容。

• 良好接地： 确保GND引脚与系统的公共地线有低阻抗连接。在PCB设计中，使用地平面（Ground Plane）是最佳实践，它能提供优异的噪声抑制和信号完整性。

输入信号处理

• 输入保护： 74HC系列器件的输入端内部通常集成了ESD（静电放电）保护二极管。尽管如此，在操作时仍应注意防止静电损伤。佩戴防静电腕带，在防静电工作台操作，并避免在干燥环境中裸手触摸引脚。

• 未用输入端处理： 对于任何CMOS器件，未使用的输入端绝对不能浮空。浮空的输入端容易受到噪声干扰，导致逻辑状态不确定，甚至可能引起芯片内部逻辑门的高频振荡，增加功耗。未使用的输入端应该连接到固定的逻辑高电平（VCC）或逻辑低电平（GND）。对于74HC157，未使用的Ax/Bx输入端、S端和$overline{ ext{E}}$端都应妥善处理。通常，如果某些输入通道不使用，可以将其输入端连接到GND或VCC，并将对应的Y输出端置于不使用状态。

• 输入电平： 确保输入信号的电压电平符合74HC157的输入逻辑高/低电平阈值。对于CMOS器件，输入高电平应接近VCC，输入低电平应接近GND。如果输入信号来自不同逻辑家族（如TTL），可能需要使用电平转换芯片。

输出负载

• 输出电流限制： 尽管74HC157具有一定的驱动能力，但每个输出引脚都有其最大灌电流和拉电流限制。不要超过数据手册中规定的最大输出电流。长时间过载可能导致器件损坏或性能下降。

• 电容负载： 驱动大电容负载（例如长传输线或多个CMOS输入）会增加动态功耗，并可能导致信号上升/下降时间变慢。在必要时，可以考虑使用缓冲器或线路驱动器来增强驱动能力。

时序考虑

• 传播延迟： 74HC157在输入信号变化到输出信号变化之间存在一个传播延迟时间（Propagation Delay）。在高速设计中，需要将这些延迟时间纳入考虑，以确保时序正确。

• 建立时间/保持时间： 虽然74HC157是组合逻辑器件，没有严格的建立/保持时间要求，但在选择控制S和使能$overline{ ext{E}}$引脚的切换过程中，需要确保输入数据Ax/Bx在输出稳定之前已经稳定下来。

散热

在大多数低功耗应用中，74HC157的功耗非常低，通常不需要额外的散热措施。但如果在极端条件下（例如高温、高频率切换大电容负载），器件可能会产生少量热量。在这些情况下，应确保良好的通风。

抗干扰设计

• PCB布局： 遵循良好的PCB布局实践，如短走线、最小化环路面积、地线宽大、电源走线粗壮等，以减少电磁干扰（EMI）和提高信号完整性。

• 信号完整性： 在高速应用中，考虑传输线效应。对于长走线，可能需要进行阻抗匹配或使用终端电阻，以避免信号反射和振铃。

总结

74HC157是一款功能强大、应用广泛的四路2选1数据选择器/多路复用器。其高速CMOS技术、宽工作电压范围、低功耗、高噪声抗扰度以及高输出驱动能力等特点，使其在各种数字电路设计中都表现出色。

通过详细了解其引脚图、各个引脚的功能、工作原理、真值表和逻辑表达式，我们可以充分发挥其在数据选择、信号路由、波形生成、存储器译码等方面的潜力。同时，遵循正确的使用注意事项，如电源处理、输入信号处理、输出负载管理和抗干扰设计等，能够确保74HC157的稳定可靠运行，从而构建出高性能、低功耗的数字系统。

在当今快速发展的电子技术领域，虽然有更集成、更灵活的FPGA和微控制器，但像74HC157这样的通用逻辑芯片依然在许多中小规模、成本敏感或特定功能需求的数字电路中发挥着不可替代的作用。理解和掌握这些基本器件的原理和应用，是每一位电子工程师必备的基础知识。