74LS138引脚图及其应用详解

74LS138是一款集成电路芯片，属于TTL（Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑）家族，常被称作3线-8线译码器/多路分解器。它在数字电路设计中扮演着至关重要的角色，尤其在地址译码、数据分配、存储器扩展以及各种逻辑控制系统中有着广泛的应用。理解其引脚功能、工作原理以及典型应用场景，对于电子工程师和爱好者而言是基础且必要的知识。

74LS138引脚图

74LS138通常采用16引脚的双列直插封装（DIP-16）。以下是其详细的引脚排列及其功能说明：

引脚功能详细解析：

• 地址输入（A0, A1, A2）： 这三个引脚是74LS138的译码输入端，用于选择8个输出中的哪一个将被激活。它们构成一个3位的二进制地址，A0是最低有效位（LSB），A2是最高有效位（MSB）。当使能端有效时，这3位二进制地址的组合将唯一确定一个输出为低电平（0），而其余7个输出保持高电平（1）。这种编码方式使得通过简单的二进制输入就能控制复杂的多路选择功能。

• 使能输入（G1, G2A, G2B）： 74LS138具有三个使能输入端，用于控制芯片的整体工作状态。

• G1 (高电平有效使能)： 当G1为高电平（逻辑1）时，芯片才可能正常工作。如果G1为低电平（逻辑0），无论地址输入是什么，所有输出都将被强制置为高电平，即芯片被禁用。

• G2A (低电平有效使能)： 当G2A为低电平（逻辑0）时，芯片才可能正常工作。如果G2A为高电平（逻辑1），所有输出都将被强制置为高电平。

• G2B (低电平有效使能)： 与G2A功能相同，当G2B为低电平（逻辑0）时，芯片才可能正常工作。如果G2B为高电平（逻辑1），所有输出都将被强制置为高电平。 为了使74LS138正常译码，必须同时满足G1为高电平，G2A和G2B为低电平的条件。这种多重使能设计提供了极大的灵活性，允许将多个译码器级联或进行更复杂的控制，例如在更大的地址空间中进行分块译码。

• 译码输出（Y0-Y7）： 这8个引脚是74LS138的译码输出端。当芯片被使能且地址输入有效时，根据地址输入的二进制值，对应的一个输出引脚会被驱动到低电平（逻辑0），而其他所有输出引脚将保持在高电平（逻辑1）。例如，如果地址输入是A2A1A0 = 000，则Y0输出低电平；如果地址输入是A2A1A0 = 111，则Y7输出低电平。这种“低电平有效”的输出特性在许多应用中都非常方便，例如驱动LED、使能其他芯片或作为选通信号。

• 电源（VCC, GND）： VCC是芯片的正电源输入端，通常连接到+5V直流电源。GND是接地端，连接到电路的公共地。稳定的电源供应是芯片正常工作的基本保障。

74LS138的工作原理

74LS138的本质是一个3线-8线译码器。其核心功能是将3位的二进制输入地址（A2A1A0）转换为8个独立的输出线（Y0-Y7）中的某一条的激活信号。当芯片使能条件（G1=1, G2A=0, G2B=0）满足时，译码器根据A2A1A0的组合来选择一个输出。

真值表：

为了更直观地理解其工作原理，我们可以通过真值表来表示74LS138的输入与输出关系。

注：

• H 代表高电平（逻辑1）。

• L 代表低电平（逻辑0）。

• X 代表任意状态（高电平或低电平，不影响结果）。

从真值表中可以看出，只有当使能输入满足特定条件时，74LS138才根据A2A1A0的组合将对应的输出置为低电平。这种特性使其非常适合用于地址译码，将处理器发出的地址信号转换成具体的芯片选择信号。

74LS138的主要特性

• 高速性能： 作为LS系列的器件，74LS138具有较快的传播延迟时间，适用于对速度有一定要求的数字系统。

• 低功耗： 相比于早期的TTL器件，LS系列在功耗方面有所优化，尽管与CMOS器件相比仍较高。

• 多路使能输入： 提供了三个独立的使能输入（一个高电平有效，两个低电平有效），极大地增强了芯片的灵活性和可级联性。

• 低电平有效输出： 8个译码输出为低电平有效，这意味着当对应的输出被选中时，其电平为低。这在许多数字系统中非常常见，例如驱动“片选”（Chip Select, CS）信号。

• 宽工作电压范围： 标准TTL工作电压为5V，但LS系列通常能在4.75V到5.25V之间稳定工作。

• 高扇出能力： 能够驱动多个相同系列的逻辑门，满足一般数字电路的驱动需求。

74LS138的典型应用

74LS138作为多功能译码器，在数字电子领域有着极其广泛的应用。以下列举几个典型的应用场景：

1. 地址译码器

这是74LS138最经典也是最广泛的应用之一。在微处理器或微控制器系统中，当CPU需要访问外部存储器（RAM、ROM）或外设时，它会发出一个地址信号。然而，CPU的地址线数量往往远多于单个存储芯片所需的地址线。此时，就需要地址译码器将CPU发出的高位地址信号“翻译”成特定存储芯片的片选信号。

应用场景举例：

假设一个微处理器具有16根地址线（A0-A15），需要连接多片8KB的存储器。8KB存储器需要13根地址线（213=8192）。那么，A0-A12可以直接连接到存储器的地址输入端。剩下的地址线A13、A14、A15就可以作为译码器的输入，通过74LS138产生不同的片选信号，分别连接到不同的8KB存储器的CS（片选）引脚。

• 连接方式：

• 处理器的A13、A14、A15连接到74LS138的A0、A1、A2（或者A0、A1、A2连接到处理器的低位地址线，高位地址线用于译码，具体取决于设计）。

• 74LS138的输出Y0-Y7分别连接到8片8KB存储器的CS引脚。

• 处理器的读写控制信号（如$overline{RD}、overline{WR}$）以及其他相关的地址线可以与74LS138的使能端G1、G2A、G2B配合，确保在正确的时间和地址范围内激活对应的存储器。

通过这种方式，当处理器发出某个地址时，74LS138能够选择性地使能对应地址范围内的存储芯片，从而实现对不同存储区域的访问。例如，当处理器地址在0x0000-0x1FFF（对应译码器输出Y0）时，第一片存储器被选中；当地址在0x2000-0x3FFF（对应译码器输出Y1）时，第二片存储器被选中，以此类推。这种结构有效地扩展了微处理器的存储空间。

2. 数据分配器/多路分解器 (Demultiplexer)

74LS138也可以用作数据分配器，将一路数据输入分配到多路输出中的一路。虽然它本身没有数据输入引脚，但可以通过将使能输入与数据信号结合来实现这个功能。

实现原理：

将一路数据信号连接到74LS138的某个使能端（通常是G2A或G2B，因为它们是低电平有效），然后将高电平有效的使能端G1连接到常高电平。地址输入（A0-A2）用于选择目标输出。当数据信号为低电平（有效）时，被选中的输出才会被激活；当数据信号为高电平（无效）时，所有输出都将处于高阻态或高电平。

应用场景举例：

假设需要将一路串行数据或一个控制信号分配到八个不同的执行单元。

• 连接方式：

• 将待分配的数据信号连接到74LS138的G2A（或G2B）引脚。

• 将G1连接到VCC（高电平）。

• 将GND连接到G2B（或G2A）。

• 将选择哪一路输出的控制信号（3位二进制）连接到A0-A2。

• 74LS138的输出Y0-Y7连接到八个不同的执行单元的使能端或控制端。

当数据信号为低电平时，根据A2A1A0的组合，对应的一个输出Yx变为低电平，从而使能对应的执行单元。当数据信号为高电平时，无论A2A1A0如何，所有输出都保持高电平，所有执行单元都被禁用。这使得数据可以在不同时间被“导向”到不同的目标，实现了数据多路分解的功能。

3. 存储器扩展

在设计较大的存储器系统时，例如需要48KB的存储空间，而手头只有8KB的RAM芯片。可以通过多片8KB的RAM芯片配合74LS138进行扩展。

应用场景举例：

假设要构建一个48KB的存储器系统，使用6片8KB的RAM芯片。每片8KB RAM需要13根地址线（A0-A12）。

• 连接方式：

• CPU的低13位地址线（A0-A12）直接连接到所有6片RAM芯片的A0-A12引脚。

• CPU的地址线A13、A14、A15连接到74LS138的A0、A1、A2引脚。

• 74LS138的Y0-Y5（因为只需要6个输出）分别连接到6片RAM芯片的$overline{CS}$（片选）引脚。

• 74LS138的使能引脚（G1、G2A、G2B）根据系统的读写控制信号和高位地址线进行逻辑组合，以确保只有在地址落在48KB范围内且读写操作有效时才使能74LS138。例如，可以设定一个特定的高位地址范围来激活这48KB的存储器块，此时该地址范围内的某个高位地址线可以连接到74LS138的使能端。

当CPU访问地址时，低13位地址直接寻址到RAM内部的单元，而高位地址通过74LS138译码来选择是哪一片RAM芯片被选中。例如，当CPU地址是0x0000-0x1FFF时，Y0被激活，第一片RAM被选中；当地址是0x2000-0x3FFF时，Y1被激活，第二片RAM被选中，以此类推。通过这种方式，6片8KB的RAM可以无缝地组成一个48KB的连续存储空间。

4. I/O口扩展

微控制器或微处理器的I/O端口数量有限，当需要控制的外部设备数量较多时，可以利用74LS138进行I/O口的扩展。

应用场景举例：

假设一个微控制器只有少量的I/O端口，但需要控制8个独立的LED灯或其他小型设备。

• 连接方式：

• 微控制器的3个I/O引脚配置为输出，连接到74LS138的地址输入A0-A2。

• 微控制器的另一个I/O引脚配置为输出，用于控制74LS138的使能端（例如G2A），作为数据或控制信号。

• 74LS138的输出Y0-Y7分别连接到8个LED灯（通过限流电阻）。

通过改变微控制器A0-A2的输出状态，可以选择点亮哪一个LED。同时，通过控制使能引脚，可以控制所有LED的整体亮灭。这种方法比直接使用微控制器更多的I/O端口来控制8个LED更加节省端口资源。

5. 脉冲序列发生器

结合计数器，74LS138可以用于生成时序脉冲序列。

应用场景举例：

需要按顺序激活8个不同的事件或设备。

• 连接方式：

• 一个3位二进制计数器（如74LS163）的输出连接到74LS138的地址输入A0-A2。

• 计数器的时钟输入连接到外部时钟源。

• 74LS138的使能端保持有效。

• 74LS138的输出Y0-Y7分别连接到8个事件的触发输入。

每当计数器计数值改变时，74LS138就会激活不同的输出。例如，当计数器从000变为001时，Y0变为高电平（然后回到高电平），Y1变为低电平，从而按顺序触发事件1、事件2...直到事件8，然后循环。这在控制自动化流程或按顺序启动不同模块时非常有用。

6. 组合逻辑实现

虽然74LS138主要是一个译码器，但它也可以用来实现一些复杂的组合逻辑功能。任何3输入8输出的逻辑功能都可以通过74LS138实现，只需将需要的输出引脚连接起来即可。

实现原理：

通过巧妙地设置使能端和地址输入，可以将其视为一个查找表（LUT）。例如，如果需要一个特定的逻辑函数，可以将其真值表转换为74LS138的输出模式。

应用场景举例：

实现一个任意的3输入布尔函数。

• 连接方式：

• 三个输入变量连接到A0-A2。

• 使能端保持有效。

• 根据布尔函数的真值表，将对应的Y输出连接到所需的输出端，或者通过一个或门将多个Y输出组合起来形成最终的函数输出。

例如，如果需要实现一个AND门的功能（A&B&C），理论上当A2A1A0=111时，Y7输出低电平。如果需要一个高电平有效的AND门，则需要再接一个非门，或者利用74LS138的低电平有效特性配合后续的逻辑。这种方法通常用于实现更复杂的、非标准的逻辑功能，但对于简单的逻辑门，直接使用逻辑门芯片会更简洁。

使用74LS138时的注意事项

• 电源稳定性： 确保VCC和GND连接正确且电源稳定，避免纹波过大。不稳定的电源可能导致芯片工作异常或损坏。

• 输入信号： 74LS138的输入引脚是TTL电平兼容的，需要提供正确的逻辑高电平（2V-5V）和逻辑低电平（0V-0.8V）。输入信号应避免悬空，以防止不确定状态。未使用的输入引脚应连接到VCC（对于高电平有效输入）或GND（对于低电平有效输入），或通过电阻连接。

• 输出负载： 74LS138的输出具有一定的驱动能力（扇出系数），但不能无限驱动大电流负载。如果需要驱动大电流设备（如继电器、大功率LED），应通过缓冲器或驱动器电路进行隔离和放大。

• 使能条件： 务必确保使能引脚（G1, G2A, G2B）处于正确的逻辑状态，芯片才能正常译码。任何一个使能条件不满足，所有输出都将被强制置为高电平。

• 速度匹配： 在高速系统中，需要考虑74LS138的传播延迟时间，确保与系统时序要求相匹配。LS系列相对于HC/HCT系列来说速度较慢。

• 布线： 在PCB设计中，应注意电源和地线的布线，尽量粗短，以减少噪声和电压降。输入输出信号线也应避免过长，以减少信号完整性问题。

• 静电防护： TTL芯片对静电敏感，在操作和焊接时应注意采取静电防护措施，例如佩戴防静电腕带。

74LS138与现代数字设计的比较

尽管74LS138在过去和现在仍然广泛应用于各种数字电路中，但随着技术的发展，一些现代的替代方案也逐渐兴起。

• 可编程逻辑器件 (PLD/FPGA)： 现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）提供了更高的集成度和灵活性。使用HDL（硬件描述语言，如Verilog或VHDL）可以轻松实现包括译码器在内的任何复杂逻辑功能，而且可以根据需求灵活配置引脚，无需考虑具体的芯片型号。这在原型开发、小批量生产和需要快速迭代的设计中非常具有优势。

• 微控制器内置外设： 许多现代微控制器集成了大量的片内外设，包括多个I/O端口，可以直接控制更多的设备，减少了对外部译码芯片的需求。例如，许多微控制器有足够的GPIO引脚，可以直接驱动8个LED，而无需额外的译码器。

• 专用ASIC芯片： 对于大批量生产的特定应用，定制的专用集成电路（ASIC）可以提供最优的性能、功耗和成本。

• 总线译码器： 在一些复杂的微处理器系统中，可能会使用更高级的地址译码芯片，它们可能集成了更多的使能逻辑和更大的译码能力，以适应更宽的地址总线。

然而，尽管有这些替代方案，74LS138仍然具有其独特的优势：

• 成本效益： 74LS138芯片价格低廉，对于简单的译码需求，其成本远低于FPGA或CPLD。

• 简单易用： 对于初学者和简单的电路设计，74LS138易于理解和使用，无需复杂的编程工具和学习曲线。

• 经典可靠： 作为一款成熟的、经过长期验证的芯片，74LS138具有良好的稳定性和可靠性。

• 快速原型： 在搭建小型数字电路原型或进行实验教学时，74LS138是理想的选择，可以快速验证逻辑功能。

因此，74LS138并不会完全被淘汰。在许多成本敏感、对集成度要求不高或教育领域的应用中，它仍然是不可或缺的组件。

结论

74LS138是一款功能强大且应用广泛的3线-8线译码器/多路分解器。其清晰的引脚定义、灵活的使能控制以及低电平有效的输出特性，使其在地址译码、存储器扩展、I/O口扩展、数据分配以及其他组合逻辑功能中发挥着关键作用。深入理解其引脚功能、工作原理和应用技巧，对于数字电路设计人员和学习者来说是至关重要的。尽管面临着现代可编程逻辑器件的竞争，74LS138凭借其成本效益、简单性和可靠性，在特定的应用场景中仍然保持着不可替代的地位，是数字电子领域的一颗“常青树”。无论是入门学习还是实际项目开发，74LS138都以其独特的魅力和实用性，持续为电子工程师们提供便利。