74LS138 数字电路虚拟与实际相结合电路设计研究

张 杰 蒲 鑫* 付世龙 吕 铖 毕瀛月

（长春工程学院,吉林 长春130012）

1 74LS138 译码器

74LS138 是一个中规模的集成电路,它的输出表达式为F=A'B'C'+ABC=A⊙B⊙C,它的电路功能为：A、B、C 相同,F 输出为1,译码器是输出低电平有效,与非门在这里就是低电平的或非门。⊙为同或门的符号,就是异或非门,与异或门相反。它的工作原理十分简单,根据输出表达式,可以看出译码器74LS138 是一个完全译码器,涵盖了所有的三变量输入的最小项,这个特性就是它组成任意一个组合逻辑电路的基础。74LS138 一共有16 个引脚,其中第1、2、3 个引脚为A0-A2,名为地址输入端,第4、5、6 个引脚分别为STB、STC、STA,名为选通端,其中STB、STC 低电平有效,其中第15、14、13、12、11、10、9、7 个引脚为Y0-Y7,名为输出端（低电平有效）,第8 个引脚为GND,接地,第16 个为VCC,接电源,A0-A2 以二进制形式输入,然后换成十进制,对应的相应Y 的序号输出低电平,其他均为高电平,在使能端STA（高有效）、STB、（低有效）、STC（低有效）同时有效的前提下,一个时刻只有一个输出端为低电平,其余为高；使能端无效的话,输出全为高电平。在使能端STA（高有效）、STB（低有效）、STC（低有效）同时有效的前提下,一个时刻只有一个输出端为低电平,其它全为高电压。

2 使用Multisim 二维仿真软件进行74LS138 进行电路试验

为了更好的理解,我们特使用Multisim 二维仿真软件对74LS138 进行电路试验,并对该箱进行试验,我们只使用了一个74LS138 译码器。如图1,其中16 引脚接+5V 电源,8 引脚接地,15、14、13、12、11、10、9、7 引脚接Y0～Y7,这些引脚为输出端,1、2、3引脚接A0、A1、A2,这些引脚为地址输入端,A0-A2 以二进制形式输入,然后换成十进制,对应的相应Y 的序号输出低电平,其他均为高电平,4、5 引脚接STB、STC、,6 引脚接STA,他们的功能是选通端,其中STB、STC 低电平有效,实验开始,为了能看出高电压与低电压,更好地看出74LS138 的功能,我们固定选通端（STA）连接,即为高电平,另两个选通端（STB）和（STC）断开,即为低电平,当A0,A1,A2 全被断开时,Y1-Y7 灯皆亮,唯独Y0 灯是灭的,即Y0 为低电平,Y1-Y7 为高电平,当A0,A1,A2 全被接通时,则Y0-Y6 灯全是亮的,Y7 是灭的,即Y7 为低电平,Y0-Y6 为高电平,当A0 接通、A1,A2 断开时,Multisim 仿真电路图中,Y0、Y2-Y7 灯全为亮灯,只有Y1 的灯没有亮,所以Y0、Y2-Y7 为高电平,Y1 为低电平,当A2 接通、A0,A1 断开时,可观察到Y0、Y1、Y3-Y7 的灯皆为亮灯,只有Y2 的灯不亮,即Y2 为低电平,其余皆为高电平,当A0,A1接通、A2 断开时,我们观察到只有Y3 灯是灭的,其余全为亮灯,所以Y3 为低电平,其余都是高电平。为了更直观的表达出来,我们特总结出真值表,如表1。当设定一个选通端（STA）为高电平,另外两个选通端（STB）和（STC）设定为低电平的情况时：

图1 Multisim 仿真电路图

表1 Multisim 仿真电路图中总结出的真值表

我们又来到了电子实验室进行实际操作,74LS138 和我们使用Multisim仿真软件做的相同。

我们将74ls138 的16 号引脚接+5v电源,8 号引脚接地线,第1、2、3、4、5、6 号引脚分别接第1～6 号开关,第15、14、13、12、11、10、9、7 分别接面板的的1～8 号开关,这样,我们74LS138 简单电路图就连接完成,接通电源。接通电路如图2：

图2 线下数电实验箱接线前后对比图

我们将第6 号开关（STA）连通,第4、5 号开关（STB）、（STC）断开,然后验证我们使用Multisim 仿真软件做出电路图的结论,当1、2、3（A0,A1,A2）号开关全部断开时,Y1-Y7 灯皆亮,唯独Y0 灯是灭的,即Y0 为低电平,Y1-Y7 为高电平。

当1、2、3（A0,A1,A2）全被接通时,则第1-7 号灯全是亮的,8号灯是灭的,即Y7 为低电平,Y0-Y6 为高电平,当1 号开关（A0）接通,2、3 号开关（A1,A2）断开时,实际电路图中,1、3-8 号灯全为亮灯,只有2 号的灯没有亮,所以Y0、Y2-Y7 为高电平,Y1 为低电平,当3 号开关（A2）接通、1、2 号开关（A0,A1）断开时,可观察到1、2、4-8 号的灯皆为亮灯,只有3 号的灯不亮,即Y2 为低电平,其余皆为高电平,当1、2 号开关（A0,A1）接通、3 号开关（A2）断开时,我们观察到只有4 号灯是灭的,其余全为亮灯,所以,Y3 为低电平,其余都是高电平。此实验与Multisim仿真实验实现功能相同,二维仿真电路与硬件电路图一一对应,验证了74LS138 功能。

3 使用虚拟仿真实验进行验证74LS138 功能

特此,我们开发出了虚拟试验系统,对系统进行整体的构思与设计,对此次所实验涉及到的仪器设备及元器件进行图片采集,分析了每个步骤的模块构成等,紧接着使用3dsMax对此次实验用到的仪器进行建模（如实验台、电路板、发光二极管、数电模箱等）贴图并渲染,将模型导入3D unity （注：模型导入一定为FBX 格式）进行交互功能的设计和编程,设计完成后可通过在3D unity 平台发布,这样我们就可以进行实验验证74LS138 译码器的功能。三维虚拟仿真结果如图3 所示。

图3 设计出的虚拟仿真结果模型

使用此系统,我们验证了74LS138 译码器的功能,和上述两项试验一致,证明结果成立。

而后发现使用三维虚拟仿真做实验有很多优点：

3.1 具有很强的真实性和可操作性。虚拟试验台的设计依据真实的数字电路试验箱的设计,完整的再现了数字电路虚拟试验箱的基本的操作功能以及操作的过程,使学生在虚拟实验操作过程中具有比较好的真实感,提高了虚拟试验台的教学效果。

3.2 可验证性和友好的提示功能。虚拟试验台的设计过程中结合实际数字电路在实验结果的验证方面的主要特点,根据数字电路的基本逻辑关系,可以通过数字电路的虚拟实验现象实时的验证数字电路逻辑关系,使学生在实验的过程中第一时间确认实验操作的正确与否；同时,分析数字电路实验过程中常见的问题,对于虚拟实验过程中常见的操作错误进行实时提示,使实验过程具有更强的导向性。

3.3 协作教学的开展。通过自己定义的文件存储和交互的格式,将虚拟操作台与虚拟社区结合,在网络上构建起一个基于操作存储文件的交流、讨论区域,通过社区中讨论、征集以及帮助等板块的设计,在社区中营造一个互帮互助、互相促进的学习环境,以促进教学活动的开展。

3.4 具有比较强的扩展性。在虚拟试验台的设计过程中,根据数字电路实验过程中的教学特点,在基本芯片设计上为用户提供了数字电路实验中常用的11 块基本芯片,能够满足数字电路实验的基本要求；同时软件还提供了数字电路芯片的拓展功能,用户可以根据芯片的逻辑关系进行其他实验芯片的设计,或者自行设计具有一定功能的逻辑芯片,这将使软件适应开放性实验的需求,同时还可以通过软件进行简单的逻辑电路的设计,通过扩展功能使软件具有更广阔的应用前景。

3.5 用户在三维虚拟仿真环境中,可以自行搭建任意电路,完成自己设计的实验或者验证疑惑的答案。

3.6 软件提供智能导学功能,用户在整个实验过程中,提示实验的下一步操作,用户根据需要选择是否安装提示操作。

3.7 软件提供智能导学功能,用户在整个实验过程中,提示实验的下一步操作,用户根据需要选择是否安装提示操作；软件提供实验报告功能,用户（学生）完成实验后,填写实验报告,管理员（老师）根据用户（学生）提交的实验报告,初步判断用户（学生）实验的完成度。