引言
74151 是一種廣泛應用于數字電路中的多路數據選擇器/多路復用器芯片，它能夠將多路輸入信號按照控制選通信號的組合，通過一個共同的輸出端口進行切換與傳輸。由于其簡單高效的設計和靈活的功能，74151 在各種數字系統設計中得到廣泛應用。因此，深入了解 74151 的基本原理、引腳功能、電氣特性以及應用場景，對于電子設計工程師和數字電路愛好者來說具有重要意義。本文將從多路復用器的基本原理入手，結合 74151 的內部結構與時序特性，詳細闡述其引腳定義、真值表、使用方法、典型應用以及在系統設計中的注意事項，幫助讀者全面系統地掌握 74151 的基礎知識。

多路復用器的基本原理
多路復用器（Multiplexer，簡稱 MUX）是一種能夠將多路輸入信號按特定選擇信號進行切換，將其中一條數據傳輸到輸出端口的邏輯器件。本質上，多路復用器就像一個“交通轉換站”，通過控制信號來決定哪一路輸入信號可以通過輸出。以 8 路多路復用器為例，輸入端口有 8 路數據（通常標記為 D0、D1、…、D7），選擇端口有 3 個控制線（S0、S1、S2），這三條控制線可以組合出 23=8 種狀態，從而對應選擇其中一路輸入；當控制信號組合為 000 時，將 D0 連接到輸出；組合為 001 時，將 D1 連接到輸出；以此類推，組合為 111 時，將 D7 連接到輸出。
多路復用器的優勢在于：

• 通過較少的控制線，就能在較多條數據線中進行快速切換。

• 能夠實現信號的集中共享，降低硬件接口資源的占用。

• 在數字系統設計中，能通過邏輯組合減少冗余電路，提高系統集成度。
  74151 作為典型的 8 路多路復用器／數據選擇器，將上述原理和功能整合于一塊芯片內部，并為我們提供了額外的芯片使能（Enable）引腳，增強了其在復雜系統中的可控性。了解它的內部設計和工作方式，將有助于我們快速、準確地將其應用到具體的工程項目中。

74151 概述
74151 屬于標準 TTL（Transistor-Transistor Logic）邏輯系列中的 74 系列芯片，全稱通常寫作 “74LS151” 或 “SN74151”，由于市場和不同廠商的命名習慣，在名稱上可能略有差異，但核心功能完全相同。74151 主要功能是將 8 路數據輸入（標記為 A、B、C、D、E、F、G、H 或 D0~D7）在一個公共輸出 Y（主輸出）或者 Y*（反相輸出）之間進行切換；控制邏輯由三個地址輸入（A2、A1、A0 或 S2、S1、S0）決定；此外還有一個使能引腳 G（或 E），當 G 處于禁止狀態時，輸出端保持禁用狀態（通常輸出為高阻或固定電平）。74151 芯片包封形式一般為 16 引腳的 DIP 封裝，也常見 SOP 等表面貼裝封裝。以下我們將結合引腳功能圖進行詳細說明。

74151 引腳功能
在標準的 16 引腳 DIP 封裝（如 SN74LS151N）中，各引腳的編號和功能定義如下：

1. Y*（引腳1）：反相輸出（主輸出的反相形式），當 Y 輸出為高電平時，Y* 輸出為低電平。

2. A/B/C/D/E/F/G/H（D0~D7 輸入）（引腳2~引腳9）：分別對應 8 路數據輸入端，讀者有時會看到標記為 A、B、C、D、、、、等，也有寫作 D0、D1、D2…D7，具體取決于不同廠商手冊。

3. V_E（G，/E）（引腳10）：使能輸入，該引腳有效時（通常為低電平使能），74151 在內部根據地址輸入將對應的某一路數據反相或非反相輸出到 Y* 或 Y；當該引腳為高電平時，輸出端 Y（和 Y*）處于禁用狀態，多數實現為高電平或三態（取決于型號）。

4. A2（S2）、A1（S1）、A0（S0）（引腳11、12、13）：地址輸入端，用于選擇要輸出的那一路數據，通過三條控制線的組合狀態（000~111）確定輸出端對應信號。

5. Y（主輸出）（引腳14）：主輸出端，當 G 使能且地址選擇對應某路時，該路的信號經過內部緩沖后出現在 Y 上，且該輸出與 Y* 相反（Y* 是反相輸出）。

6. GND（接地）（引腳7 或引腳8，具體因封裝略有差異，需查看具體型號手冊）：TTL 系列芯片的地線，必須接系統地電位。

7. V_CC（電源）**（引腳16）：+5V 電源輸入，為芯片內部邏輯電路供電。
   引腳排列在 DIP16 封裝上通常如下（從芯片正面觀察，凹口朝上，左側從上到下 18；右側從下到上 916，每個具體封裝可參考各廠家原理圖）：

        ——————————————  
 1  Y* |               | 16 V_CC  
 2   D0 |             | 15 D7  
 3   D1 |             | 14 Y   
 4   D2 |             | 13 A0  
 5   D3 |             | 12 A1  
 6   D4 |             | 11 A2  
 7   D5 |             | 10 G  
 8   D6 |             | 9   D7  
       ——————————————  

通過上圖可以看出，各個引腳功能一目了然，我們可在實際使用時根據對應功能將其與其他電路進行接口連接。

74151 真值表
理解 74151 核心功能的關鍵在于其真值表。下表列出在使能 G＝0（有效低）時，當地址輸入 A2、A1、A0 取不同組合時，主輸出 Y 會對應哪一路數據輸入，且 Y* 始終為 Y 的反相。

在 74 系列芯片中，74151 的內部架構主要由若干個 TTL 反相器、NAND 門、以及傳輸門（Transmission Gate）等基本單元組成。其核心邏輯是：將地址輸入 A2、A1、A0 經過譯碼電路生成 8 路選通信號，再與 8 路數據輸入相結合，最后經過輸出緩沖器將所選輸入信號傳輸到主輸出 Y，同時再經過一個反向器產生反相輸出 Y*。

1. 地址譯碼電路

• 地址輸入 A2、A1、A0 首先經過反相器、電平比較等邏輯，形成八個互斥的譯碼使能信號（D0_EN、D1_EN…D7_EN），其中每一路譯碼使能信號僅在對應地址組合成立時為高電平，其余均為低。

• 如 A2A1A0 = 1 0 1 時，僅有 D5_EN 為高，其它 Dn_EN = 0。

2. 數據選擇電路

• 每一路數據輸入 Dn 與對應的譯碼使能信號 Dn_EN 相與，當 Dn_EN 為高時，該一路數據通過傳輸門或者類似開關元件連接到輸出匯合點。

• 這樣，無論其他 Dm（m≠n） 如何變化，都不會影響被選中的 Dn，由于其他傳輸通道都被禁止，只有 Dn 傳輸到輸出緩沖。

3. 輸出緩沖與反向輸出

• 匯合到達的信號先進入一個 TTL 緩沖器，將信號驅動能力增強以適應外部負載。緩沖器輸出經過一個進一步的非門（反向器）生成 Y*。

• 使能 G 可看作在輸出階段插入的一個“全局開關”：當 G＝0（有效低），上述譯碼與傳輸邏輯正常工作；當 G＝1 時，輸出緩沖被關斷，主輸出 Y 處于高電平或高阻狀態。與此同時，反相器失去輸入或者輸入為高電平，也會導致 Y* 輸出為低或高電平（依版本而定）。
  內部結構示意如下：

• 地址輸入（A2、A1、A0） → 譯碼電路 → 對應數據 Dn 的傳輸門信號

• 數據輸入 D0~D7 → 對應的傳輸門 → 匯合于輸出節點 → 緩沖輸出到 Y → 反相后輸出到 Y*
  上述流程表明，74151 在功能上屬于組合邏輯器件，內部無需寄存器或者時鐘信號，即刻時隨輸入變化產生輸出。理解其內部結構有助于我們深入掌握它在不同溫度、電壓和負載條件下的時序和電氣特性。

電氣特性
74151 作為標準 TTL 邏輯芯片，其電氣特性主要包含以下幾個方面：邏輯電平、電源電壓、電流消耗、輸出驅動能力、輸入漏電流等。以下以 SN74LS151 為例給出典型參數（具體參數請參考各廠商數據手冊）：

1. 工作電源與電流消耗

• 工作電源：V_CC = +5V ±5%。

• 靜態電流消耗（I_CC）：典型值約為 30mA 左右（G＝0 時，地址輸入、數據輸入都在 TTL 邏輯狀態）。當 G＝1（禁用）時，I_CC 會有略微下降。實際應用時需根據芯片數量累加總電流，保證電源設計能提供足夠電流，并避免電源電壓下降過大影響邏輯狀態。

2. 邏輯輸入電平

• 邏輯“低”電平 (V_IL)：最大為 0.8V，即輸入電壓低于 0.8V 可被識別為邏輯“0”。

• 邏輯“高”電平 (V_IH)：最小為 2.0V，即輸入電壓高于 2.0V 可被識別為邏輯“1”。

• 輸入漏電流 (I_IK 或 I_IL)：當輸入為高或低時，流入/流出的漏電電流非常小，一般典型值在幾十微安以下。

3. 邏輯輸出電平與驅動能力

• 邏輯“低”電平 (V_OL)：最大約為 0.4V（當輸出端輸出低電流 I_OL=8mA 時）。

• 邏輯“高”電平 (V_OH)：最小約為 2.4V（當輸出端輸出高電流 I_OH=?0.4mA 時）。

• 輸出短路電流 (I_OSC)：當輸出與地或 V_CC 短路時限制輸出電流，一般 TTL 有內部限流設計。

• 驅動能力：TTL 74 系列輸出可向下一級輸入提供 8mA 的下拉能力（當輸出低時）或?0.4mA 的上拉能力（當輸出高時），可以驅動約 10 片 TTL 輸入端。實際驅動能力要看所連接的芯片種類（TTL 還是 CMOS，以及對應的輸入電流）。

4. 溫渡與功耗

• 絕對最高額定結溫：一般在 125℃ 左右，使用時需在環境溫度和功耗的共同作用下保證器件結溫不超過額定值。

• 功耗 (P_d)：P_d = V_CC × I_CC，一片 74LS151 工作時典型功耗約為 150mW 左右，多個并聯使用時需注意散熱及 PCB 布線。
  這些電氣特性參數幫助我們在系統設計時，合理配置電源網絡、確定總線負載能力以及保證系統在各工作條件下的穩定性。

時序特性
74151 的時序關系主要體現為輸入變化到輸出變化之間的傳播延遲、建立時間和保持時間等。下述為典型的時序參數（以 SN74LS151 為例，@V_CC=5V, T_A=25℃）：

• 傳輸延遲時間 (t_PLH, t_PHL)

• 當地址輸入改變時，從任一路地址輸入變化到主輸出 Y 或反相輸出 Y* 達到最終穩定態之間的最大延遲時間約為 25ns~30ns 左右。

• 當使能 G 由高變低（使能器件）時，選定數據從輸入到輸出的傳輸延遲約為 30ns 左右。

• 當使能 G 由低變高（禁用器件）時，使輸出進入禁用態的延遲約為 25ns~30ns 左右。

• 建立時間與保持時間

• 在某些應用場合，我們可能需要在使能 G 邊沿到來之前，對地址輸入進行穩定設置，稱為地址輸入的建立時間 (t_s)。典型值為 20ns 左右，即地址輸入在 G 邊沿到來前至少穩定 20ns。

• 地址輸入在 G 邊沿到來之后需繼續保持一段時間稱為保持時間 (t_h)，典型值為 0ns 到若干 ns，具體視不同廠商數據手冊會略有差異。

• 輸出有效時間

• 從地址或使能輸入信號穩定后開始計時，在 t_PLH 或 t_PHL 之后，主輸出 Y 和反相輸出 Y* 才進入有效狀態。

• 切換損耗

• 由于 TTL 在開關時會產生較大的瞬時電流，若頻繁切換，可能在 PCB 上引起電壓突降或電磁輻射干擾，需在關鍵節點加入去耦電容（典型值 0.01μF~0.1μF）靠近電源引腳，確保電壓穩定。
  時序特性關系到系統中信號同步、總線切換沖突、以及數據有效窗口的保障。在高速數字設計中，必須根據時序參數合理布置地址與使能信號的時序，避免競態或時序恢復錯誤。

74151 外部應用與典型電路
74151 在實際電路中主要作為數據選擇器或多路復用器，常見應用包括以下幾個方面：

• 數字信號路由與共享總線
  在復雜的數字系統中，可能需要將多路數字信號匯聚到同一數據總線上，再通過地址選擇某一路進行后續處理。例如，在 CPU 數據總線與外設之間切換時，可通過 74151 將不同外設數據信號按需送入 CPU；或者在多路傳感器采集系統中，通過地址控制 74151 選擇不同傳感器數據并輸出到 A/D 轉換模塊。

• 邏輯函數實現
  使用多路復用器能夠用較少的邏輯門就實現任意邏輯函數。例如，一個 3 輸入邏輯函數 F(A, B, C) 可以經過真值表映射到 74151 的 8 路輸入端 (D0~D7)，通過地址信號分別對應 A、B、C 的組合；使能 G 始終有效，這樣輸出端 Y 就直接輸出邏輯函數 F 的計算結果，無需額外門電路。

• 模擬信號的多路切換（限于 TTL 兼容的數字化信號）
  雖然 74151 本質是數字電路，但在一些 TTL 電平范圍內的傳感器或數字式模擬開關電路中，也可用作多路開關。在要求不是很苛刻的數字化控制場合，這種方法比專用模擬 MUX 更為經濟。

• 微控制器 I/O 口擴展
  當單片機 GPIO 口有限時，使用 74151 可將多路外部開關、按鍵或傳感器輸入通道匯聚到少量 I/O 口。通過三個地址口（連接到 MCU 的三個 GPIO）以及一個使能腳控制，單片機就能讀取 8 路開關狀態。例如，將 D0~D7 接到 8 個開關上，地址口由單片機動態掃描，讀取 Y 信號即可判斷對應開關是否閉合，有效節約單片機引腳資源并實現快速掃描。

典型連接示例
下圖示例描述如何使用 SN74LS151 將 8 路按鈕輸入接入單片機：

1. 硬件連接

• D0D7（引腳29）分別連接到 8 個按鈕開關的輸出端（通過上拉電阻/內部上拉連接到 +5V，按鈕閉合接地）。

• A2、A1、A0（引腳11、12、13）連接到單片機的三個 GPIO，用于控制掃描。

• G（引腳10）接地，保持有效低，使能 74151 始終工作。

• Y（引腳14）連接到單片機的另一個 GPIO，用于讀取當前被選中按鈕的狀態。

• V_CC（引腳16）接 +5V，GND（引腳7）接地。

2. 掃描流程

• 單片機將地址線 A2、A1、A0 設置為 000，并讀取 Y。如果 Y＝0（低電平），則說明 D0 對應的按鈕閉合；否則為高電平，按鈕未閉合。

• 將地址變化為 001，讀取 Y，即可得知 D1 對應按鈕狀態；以此類推，循環掃描即可讀取 8 個按鈕的開關狀態。

3. 軟件示例（偽代碼）

   for i in 0..7:  
       let addr2 = (i >> 2) & 1  
       let addr1 = (i >> 1) & 1  
       let addr0 = i & 1  
       MCU_GPIO_WRITE(A2_PIN, addr2)  
       MCU_GPIO_WRITE(A1_PIN, addr1)  
       MCU_GPIO_WRITE(A0_PIN, addr0)  
       delay一些短時間，等待信號穩定  
       let key_state = MCU_GPIO_READ(Y_PIN)  // 0 表示按鈕閉合  
       if key_state == 0:  
           記錄第 i 路按鈕按下  
   

該示例展示了如何用極少的 GPIO 口讀取多路開關，并且利用 74151 的高速切換和低功耗特性，實現多路輸入集中管理。

74151 與其他多路復用器的比較
在市場上，還有許多其他型號的多路復用器可與 74151 相比擬，例如 74HC151、CD4051、74LS153、74HC4067 等。但它們之間在技術實現、電氣特性以及應用場景上存在明顯差異：

• 74HC151 Vs. 74LS151（VHC 系列 Vs. LS 系列）

• 74HC151 屬于 CMOS 高速邏輯系列，工作電流更低（典型靜態電流在微安級），但對輸入電平要求高，需要兼容 CMOS 電平（V_IH≥ 3.5V，V_IL≤ 1.5V）。

• 74LS151 屬于低功耗 TTL 系列，工作電流較大（幾十 mA），但能直接與傳統 TTL 電路兼容，且輸出具有更強的下拉能力，適合在需要驅動多個 TTL 輸入的場合。

• CD4051（CMOS 多路開關）

• CD4051 是 8 路模擬多路開關，具有對模擬信號處理能力，可通斷電阻較低（幾十歐姆），能開關 ±V_CC 范圍內的信號，非常適合于模擬信號的測量切換場合。

• 74 系列多路復用器多以數字信號為主，不適合寬帶模擬應用。

• 74LS153（雙 4 路多路復用器）

• 74LS153 實現了兩個獨立的 4 路多路復用器，每個有兩個數據選擇輸入，以及一個使能腳。相較于 74151 的 1×8 功能，如果需要獨立控制兩路 4 路多路復用，74LS153 更為適合。

• 74151 在需要對單一路 8 路進行選擇時更為簡潔。

• 74HC4067（4 位地址的 16 路多路復用器）

• 提供 16 路輸入，地址引腳達到 4 位，可選擇更大規模的輸入，但地址線更多；同樣屬于 CMOS 邏輯系列，適用于低功耗場合。

• 相較于 74151 的 8 路應用，可提供更豐富的通道，但對電平兼容性需注意。
  總結來說，74151 在傳統 TTL 數字電路中以其成熟穩定、成本低廉、速度適中而受到廣泛青睞；但若針對現代低功耗或模擬信號應用，則可以根據需求選擇更合適的 HC、HCT、CD4051 等芯片，以達到更好的性能匹配。

使用 74151 設計邏輯函數
除了多路開關功能外，74151 還可以用來實現任意三輸入邏輯函數。利用其 8 路數據輸入，我們可以將真值表中各個輸入組合下的函數值預先寫入對應的 Dn。具體步驟如下：

1. 確定邏輯函數的真值表
   例如，我們要實現三輸入函數 F(A,B,C) = Σ m(1,3,4,6)，即當 (A,B,C) = (0,0,1)、(0,1,1)、(1,0,0)、(1,1,0) 時，F 輸出為 1，其余輸出為 0。

2. 將真值表映射到多路復用數據輸入
   制作真值表：

   A	B	C	十進制編號	F(A,B,C)
   0	0	0	0	0
   0	0	1	1	1
   0	1	0	2	0
   0	1	1	3	1
   1	0	0	4	1
   1	0	1	5	0
   1	1	0	6	1
   1	1	1	7	0

   將真值表中的 F(A,B,C) 值賦予 74151 的 8 路輸入 D0~D7

• D0 = 0

• D1 = 1

• D2 = 0

• D3 = 1

• D4 = 1

• D5 = 0

• D6 = 1

• D7 = 0

3. 將 A、B、C 分別連接到 74151 的地址輸入 A2、A1、A0（需根據編號區分高低位）

• 若 A 為最高位（A2），B 為次位（A1），C 為最低位（A0），則地址信號自然對應輸入編號。

4. 使能 G 始終置低，使 74151 持續選通

5. 輸出 F(A,B,C) 直接取自 Y（主輸出）
   這樣，當 A、B、C 的組合確定后，多路復用器會自動根據地址映射選中對應的 Dn 值，將其輸出到 Y，實現了邏輯函數的直接硬件映射。相較于使用若干個與、或、非門級聯的方式，利用 74151 芯片能夠大幅減少門電路數量、降低延遲并提高可靠性。

注意事項與設計要點
在實際使用 74151 時，需要注意以下幾個設計細節，以保證電路穩定性與可靠性：

1. 地址與使能信號的滯后與抖動
   在許多微處理器或高頻開關電路中，地址線可能發生抖動或競態毛刺，導致在切換過程中短暫選中錯誤的輸入。為減少此類問題，可在地址線或使能線上加入適當的去抖電路、施加小的 RC 濾波，或者在地址改變后延時若干納秒再讀取輸出，確保輸出采樣時地址信號穩定。

2. 去耦與電源完整性
   由于 TTL 芯片在切換時瞬時電流較大，若電源旁未及時補償電容（0.01μF0.1μF），可能出現瞬間電壓下降引發邏輯誤觸發。建議在每一片 74151 的 V_CC 與 GND 之間緊貼一個陶瓷去耦電容，并在整體電源線上使用更大容量（10μF100μF）的電解電容保持電源平穩。

3. 輸出短路與負載能力
   74151 輸出驅動能力有限，若要將輸出同時驅動多個 TTL 或 CMOS 輸入，需注意輸出低電平的下拉能力（約 8mA）與輸出高電平的上拉能力（約 ?0.4mA），確保外部總線不會超過該負載。若負載較大，可在輸出端加一個三態緩沖驅動芯片（如 74LS244、74HC245 等）。

4. 溫度與封裝差異
   在高溫環境或長時間大電流工作下，74LS 系列的邏輯電平參數可能發生漂移；若工作溫度超過 70℃ 或者供電電壓波動較大，可考慮使用 74HCT 系列（兼容 TTL 電平但功耗更低）或者 74HC 系列芯片，以獲得更好的溫度穩定性與更低功耗。

5. 布局與走線
   在 PCB 布局時，盡量將地址和使能線拉得更短，與驅動器件保持較近距離以減少寄生電容和串擾。同時，去耦電容要放置在距離 IC 電源引腳最近的地方，走線應避免長直的并行線，否則容易產生干擾信號。

6. 測試驗證
   在設計階段，通過示波器觀察地址信號、使能信號與輸出信號的時序關系；應確保在地址信號切換后，經過 t_PLH 或 t_PHL 延遲時間后再采樣輸出，并確認輸出電平滿足所需的邏輯門限要求。

應用擴展與衍生芯片
74151 不僅自身功能強大，也衍生出很多系列，比如 74LS151、74HC151、74HCT151、CD151 等不同版本：

• 74LS151（低功耗 TTL）：適合傳統 TTL 系統，價格低廉、成熟可靠。

• 74HC151（高速 CMOS）：功耗極低、工作電流僅微安級，適合對功耗敏感的便攜設備。注意其對輸入電平要求較高，兼容 TTL 時需保證輸入電壓滿足 CMOS 門限。

• 74HCT151（高速 CMOS 兼容 TTL）：結合了 HC 低功耗特性和 TTL 輸入兼容性，易于在混合邏輯系統中使用。

• CD151（CD4000 系列）：其不同子型號在電源電壓范圍、最大輸入頻率、傳輸阻抗方面有所差異，可以處理更寬范圍的信號電壓（±V_CC），適用于模擬或數字混合切換。

• 片上系統（SoC）內部相似功能：隨著 FPGA 和 CPLD 的普及，硬件設計者往往可以在 FPGA 內部通過查找表（LUT）直接實現任意多路復用功能，但若考慮到外部接口的標準化和芯片資源利用率，外置 74151 仍具有其成本與便利優勢。

總結
74151 作為一種經典、通用且成熟的 8 路多路復用器／數據選擇器，在數字電路設計中扮演著重要角色。本文從多路復用器原理出發，結合 74151 的引腳定義、真值表與內部結構，深入探討了其電氣特性與時序特性，并通過典型應用示例展示了如何在單片機接口、邏輯函數實現、總線切換等場景中靈活運用。同時，本文也對比了 74151 與其他同類芯片的異同，為讀者在不同技術需求和工程約束下的方案選擇提供參考。此外，文中詳細列舉了在布局布線、電源去耦、時序驗證等方面的注意事項，旨在幫助工程師在應用 74151 時規避常見陷阱，保證系統的穩定性與高效性。對于數字電子設計人員，掌握這些基礎知識和實踐經驗，將更好地發揮 74151 的優勢，為項目帶來更高的性能和更低的成本。