74LS138 數字電路虛擬與實際相結合電路設計研究

張 杰 蒲 鑫* 付世龍 呂 鋮 畢瀛月

（長春工程學院,吉林 長春130012）

1 74LS138 譯碼器

74LS138 是一個中規模的集成電路,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。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,對應的相應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,對應的相應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A2 接通、A0,A1 斷開時,可觀察到Y0、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,我們特總結出真值表,如表1。當設定一個選通端（STA）為高電平,另外兩個選通端（STB）和（STC）設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,第15、14、13、12、11、10、9、7 分別接面板的的1～8 號開關,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 線下數電實驗箱接線前后對比圖

我們將第6 號開關（STA）連通,第4、5 號開關（STB）、（STC）斷開,然后驗證我們使用Multisim 仿真軟件做出電路圖的結論,當1、2、3（A0,A1,A2）號開關全部斷開時,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1 號開關（A0）接通,2、3 號開關（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3 號開關（A2）接通、1、2 號開關（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1、2 號開關（A0,A1）接通、3 號開關（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仿真實驗實現功能相同,二維仿真電路與硬件電路圖一一對應,驗證了74LS138 功能。

3 使用虛擬仿真實驗進行驗證74LS138 功能

特此,我們開發出了虛擬試驗系統,對系統進行整體的構思與設計,對此次所實驗涉及到的儀器設備及元器件進行圖片采集,分析了每個步驟的模塊構成等,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、發光二極管、數電模箱等）貼圖并渲染,將模型導入3D unity （注：模型導入一定為FBX 格式）進行交互功能的設計和編程,設計完成后可通過在3D unity 平臺發布,這樣我們就可以進行實驗驗證74LS138 譯碼器的功能。三維虛擬仿真結果如圖3 所示。

圖3 設計出的虛擬仿真結果模型

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

而后發現使用三維虛擬仿真做實驗有很多優點：

3.1 具有很強的真實性和可操作性。虛擬試驗臺的設計依據真實的數字電路試驗箱的設計,完整的再現了數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效果。

3.2 可驗證性和友好的提示功能。虛擬試驗臺的設計過程中結合實際數字電路在實驗結果的驗證方面的主要特點,根據數字電路的基本邏輯關系,可以通過數字電路的虛擬實驗現象實時的驗證數字電路邏輯關系,使學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向性。

3.3 協作教學的開展。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結合,在網絡上構建起一個基于操作存儲文件的交流、討論區域,通過社區中討論、征集以及幫助等板塊的設計,在社區中營造一個互幫互助、互相促進的學習環境,以促進教學活動的開展。

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

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

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

3.7 軟件提供智能導學功能,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（學生）完成實驗后,填寫實驗報告,管理員（老師）根據用戶（學生）提交的實驗報告,初步判斷用戶（學生）實驗的完成度。