74LS138 數(shù)字電路虛擬與實際相結(jié)合電路設(shè)計研究

張 杰 蒲 鑫* 付世龍 呂 鋮 畢瀛月

（長春工程學(xué)院,吉林 長春130012）

1 74LS138 譯碼器

74LS138 是一個中規(guī)模的集成電路,它的輸出表達式為F=A'B'C'+ABC=A⊙B⊙C,它的電路功能為：A、B、C 相同,F 輸出為1,譯碼器是輸出低電平有效,與非門在這里就是低電平的或非門。⊙為同或門的符號,就是異或非門,與異或門相反。它的工作原理十分簡單,根據(jù)輸出表達式,可以看出譯碼器74LS138 是一個完全譯碼器,涵蓋了所有的三變量輸入的最小項,這個特性就是它組成任意一個組合邏輯電路的基礎(chǔ)。74LS138 一共有16 個引腳,其中第1、2、3 個引腳為A0-A2,名為地址輸入端,第4、5、6 個引腳分別為STB、STC、STA,名為選通端,其中STB、STC 低電平有效,其中第15、14、13、12、11、10、9、7 個引腳為Y0-Y7,名為輸出端（低電平有效）,第8 個引腳為GND,接地,第16 個為VCC,接電源,A0-A2 以二進制形式輸入,然后換成十進制,對應(yīng)的相應(yīng)Y 的序號輸出低電平,其他均為高電平,在使能端STA（高有效）、STB、（低有效）、STC（低有效）同時有效的前提下,一個時刻只有一個輸出端為低電平,其余為高；使能端無效的話,輸出全為高電平。在使能端STA（高有效）、STB（低有效）、STC（低有效）同時有效的前提下,一個時刻只有一個輸出端為低電平,其它全為高電壓。

2 使用Multisim 二維仿真軟件進行74LS138 進行電路試驗

為了更好的理解,我們特使用Multisim 二維仿真軟件對74LS138 進行電路試驗,并對該箱進行試驗,我們只使用了一個74LS138 譯碼器。如圖1,其中16 引腳接+5V 電源,8 引腳接地,15、14、13、12、11、10、9、7 引腳接Y0～Y7,這些引腳為輸出端,1、2、3引腳接A0、A1、A2,這些引腳為地址輸入端,A0-A2 以二進制形式輸入,然后換成十進制,對應(yīng)的相應(yīng)Y 的序號輸出低電平,其他均為高電平,4、5 引腳接STB、STC、,6 引腳接STA,他們的功能是選通端,其中STB、STC 低電平有效,實驗開始,為了能看出高電壓與低電壓,更好地看出74LS138 的功能,我們固定選通端（STA）連接,即為高電平,另兩個選通端（STB）和（STC）斷開,即為低電平,當(dāng)A0,A1,A2 全被斷開時,Y1-Y7 燈皆亮,唯獨Y0 燈是滅的,即Y0 為低電平,Y1-Y7 為高電平,當(dāng)A0,A1,A2 全被接通時,則Y0-Y6 燈全是亮的,Y7 是滅的,即Y7 為低電平,Y0-Y6 為高電平,當(dāng)A0 接通、A1,A2 斷開時,Multisim 仿真電路圖中,Y0、Y2-Y7 燈全為亮燈,只有Y1 的燈沒有亮,所以Y0、Y2-Y7 為高電平,Y1 為低電平,當(dāng)A2 接通、A0,A1 斷開時,可觀察到Y(jié)0、Y1、Y3-Y7 的燈皆為亮燈,只有Y2 的燈不亮,即Y2 為低電平,其余皆為高電平,當(dāng)A0,A1接通、A2 斷開時,我們觀察到只有Y3 燈是滅的,其余全為亮燈,所以Y3 為低電平,其余都是高電平。為了更直觀的表達出來,我們特總結(jié)出真值表,如表1。當(dāng)設(shè)定一個選通端（STA）為高電平,另外兩個選通端（STB）和（STC）設(shè)定為低電平的情況時：

圖1 Multisim 仿真電路圖

表1 Multisim 仿真電路圖中總結(jié)出的真值表

我們又來到了電子實驗室進行實際操作,74LS138 和我們使用Multisim仿真軟件做的相同。

我們將74ls138 的16 號引腳接+5v電源,8 號引腳接地線,第1、2、3、4、5、6 號引腳分別接第1～6 號開關(guān),第15、14、13、12、11、10、9、7 分別接面板的的1～8 號開關(guān),這樣,我們74LS138 簡單電路圖就連接完成,接通電源。接通電路如圖2：

圖2 線下數(shù)電實驗箱接線前后對比圖

我們將第6 號開關(guān)（STA）連通,第4、5 號開關(guān)（STB）、（STC）斷開,然后驗證我們使用Multisim 仿真軟件做出電路圖的結(jié)論,當(dāng)1、2、3（A0,A1,A2）號開關(guān)全部斷開時,Y1-Y7 燈皆亮,唯獨Y0 燈是滅的,即Y0 為低電平,Y1-Y7 為高電平。

當(dāng)1、2、3（A0,A1,A2）全被接通時,則第1-7 號燈全是亮的,8號燈是滅的,即Y7 為低電平,Y0-Y6 為高電平,當(dāng)1 號開關(guān)（A0）接通,2、3 號開關(guān)（A1,A2）斷開時,實際電路圖中,1、3-8 號燈全為亮燈,只有2 號的燈沒有亮,所以Y0、Y2-Y7 為高電平,Y1 為低電平,當(dāng)3 號開關(guān)（A2）接通、1、2 號開關(guān)（A0,A1）斷開時,可觀察到1、2、4-8 號的燈皆為亮燈,只有3 號的燈不亮,即Y2 為低電平,其余皆為高電平,當(dāng)1、2 號開關(guān)（A0,A1）接通、3 號開關(guān)（A2）斷開時,我們觀察到只有4 號燈是滅的,其余全為亮燈,所以,Y3 為低電平,其余都是高電平。此實驗與Multisim仿真實驗實現(xiàn)功能相同,二維仿真電路與硬件電路圖一一對應(yīng),驗證了74LS138 功能。

3 使用虛擬仿真實驗進行驗證74LS138 功能

特此,我們開發(fā)出了虛擬試驗系統(tǒng),對系統(tǒng)進行整體的構(gòu)思與設(shè)計,對此次所實驗涉及到的儀器設(shè)備及元器件進行圖片采集,分析了每個步驟的模塊構(gòu)成等,緊接著使用3dsMax對此次實驗用到的儀器進行建模（如實驗臺、電路板、發(fā)光二極管、數(shù)電模箱等）貼圖并渲染,將模型導(dǎo)入3D unity （注：模型導(dǎo)入一定為FBX 格式）進行交互功能的設(shè)計和編程,設(shè)計完成后可通過在3D unity 平臺發(fā)布,這樣我們就可以進行實驗驗證74LS138 譯碼器的功能。三維虛擬仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 設(shè)計出的虛擬仿真結(jié)果模型

使用此系統(tǒng),我們驗證了74LS138 譯碼器的功能,和上述兩項試驗一致,證明結(jié)果成立。

而后發(fā)現(xiàn)使用三維虛擬仿真做實驗有很多優(yōu)點：

3.1 具有很強的真實性和可操作性。虛擬試驗臺的設(shè)計依據(jù)真實的數(shù)字電路試驗箱的設(shè)計,完整的再現(xiàn)了數(shù)字電路虛擬試驗箱的基本的操作功能以及操作的過程,使學(xué)生在虛擬實驗操作過程中具有比較好的真實感,提高了虛擬試驗臺的教學(xué)效果。

3.2 可驗證性和友好的提示功能。虛擬試驗臺的設(shè)計過程中結(jié)合實際數(shù)字電路在實驗結(jié)果的驗證方面的主要特點,根據(jù)數(shù)字電路的基本邏輯關(guān)系,可以通過數(shù)字電路的虛擬實驗現(xiàn)象實時的驗證數(shù)字電路邏輯關(guān)系,使學(xué)生在實驗的過程中第一時間確認實驗操作的正確與否；同時,分析數(shù)字電路實驗過程中常見的問題,對于虛擬實驗過程中常見的操作錯誤進行實時提示,使實驗過程具有更強的導(dǎo)向性。

3.3 協(xié)作教學(xué)的開展。通過自己定義的文件存儲和交互的格式,將虛擬操作臺與虛擬社區(qū)結(jié)合,在網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建起一個基于操作存儲文件的交流、討論區(qū)域,通過社區(qū)中討論、征集以及幫助等板塊的設(shè)計,在社區(qū)中營造一個互幫互助、互相促進的學(xué)習(xí)環(huán)境,以促進教學(xué)活動的開展。

3.4 具有比較強的擴展性。在虛擬試驗臺的設(shè)計過程中,根據(jù)數(shù)字電路實驗過程中的教學(xué)特點,在基本芯片設(shè)計上為用戶提供了數(shù)字電路實驗中常用的11 塊基本芯片,能夠滿足數(shù)字電路實驗的基本要求；同時軟件還提供了數(shù)字電路芯片的拓展功能,用戶可以根據(jù)芯片的邏輯關(guān)系進行其他實驗芯片的設(shè)計,或者自行設(shè)計具有一定功能的邏輯芯片,這將使軟件適應(yīng)開放性實驗的需求,同時還可以通過軟件進行簡單的邏輯電路的設(shè)計,通過擴展功能使軟件具有更廣闊的應(yīng)用前景。

3.5 用戶在三維虛擬仿真環(huán)境中,可以自行搭建任意電路,完成自己設(shè)計的實驗或者驗證疑惑的答案。

3.6 軟件提供智能導(dǎo)學(xué)功能,用戶在整個實驗過程中,提示實驗的下一步操作,用戶根據(jù)需要選擇是否安裝提示操作。

3.7 軟件提供智能導(dǎo)學(xué)功能,用戶在整個實驗過程中,提示實驗的下一步操作,用戶根據(jù)需要選擇是否安裝提示操作；軟件提供實驗報告功能,用戶（學(xué)生）完成實驗后,填寫實驗報告,管理員（老師）根據(jù)用戶（學(xué)生）提交的實驗報告,初步判斷用戶（學(xué)生）實驗的完成度。