74LS273：八路D型触发器

74LS273是一款高性能的八路D型触发器，属于TTL（Transistor-Transistor Logic）家族中的LS（Low-power Schottky）系列。它在数字电路设计中扮演着重要的角色，常用于数据存储、移位寄存器、计数器以及各种时序逻辑应用。其核心功能在于能够同步地存储八位二进制数据，并在时钟脉冲的上升沿进行更新。本文将深入探讨74LS273的引脚图、各个引脚的功能、内部工作原理，并结合其时序特性和典型应用场景进行详细阐述，旨在为读者提供一个全面且深入的了解。

1. 74LS273 概述

74LS273是一种集成了八个独立的D型触发器的单一集成电路。每个D型触发器都具有一个数据输入（D）、一个时钟输入（CLK）、一个清零输入（CLR）和一个输出（Q）。这款芯片的独特之处在于，所有八个触发器共享同一个时钟输入和清零输入，这意味着它们能够同步地进行操作。这种同步特性使得74LS273在需要同时处理多位数据的应用中表现出色。

其“LS”后缀表明它采用了低功耗肖特基技术，这使得它在保持较高开关速度的同时，显著降低了功耗。与早期的TTL器件相比，74LS273在速度和功耗之间取得了更好的平衡，使其成为许多数字系统设计的理想选择。

触发器作为数字电路的基本存储单元，能够存储一位二进制信息（0或1）。D型触发器（也称为数据锁存器）是最常用的一种触发器，其特点是输出Q的状态在时钟的特定边沿（通常是上升沿）跟随输入D的状态，并在时钟边沿之后保持该状态，直到下一个有效的时钟边沿到来。74LS273将八个这样的D型触发器集成在一起，极大地简化了多位数据存储和处理的电路设计。

2. 74LS273 引脚图

74LS273通常采用16引脚的双列直插式封装（DIP）。理解每个引脚的功能对于正确使用该芯片至关重要。

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    Q0 |1                16| VCC
    Q1 |2                15| CLR
    Q2 |3                14| CLK
    Q3 |4                13| D7
    D0 |5                12| D6
    D1 |6                11| D5
    D2 |7                10| D4
   GND |8                 9| D3
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2.1 引脚功能详细说明

以下是74LS273各个引脚的详细功能描述：

• VCC (引脚 16)：电源正极这是芯片的电源输入引脚，通常需要连接到 +5V 直流电源。确保电源电压稳定且在芯片的额定工作范围内，以保证其正常运行和可靠性。电源的质量直接影响芯片的性能和寿命。

• GND (引脚 8)：接地这是芯片的电源负极，需要连接到电路的公共地线。与VCC一样，良好的接地对于芯片的稳定工作至关重要。

• CLK (引脚 14)：时钟输入所有八个D型触发器共享同一个时钟输入。74LS273是上升沿触发的。这意味着当CLK引脚上的电压从低电平（L）转换为高电平（H）时，数据输入D上的值将被锁存到相应的Q输出端。在CLK保持高电平、低电平或下降沿时，Q输出的状态不会改变，除非CLR引脚被激活。时钟信号的质量（如上升/下降时间、占空比、频率稳定性）会直接影响触发器的性能。

• CLR (引脚 15)：异步清零输入这是一个低电平有效的异步清零输入。当CLR引脚被拉低（逻辑0）时，无论CLK和D的状态如何，所有八个Q输出都将被强制设置为低电平（逻辑0）。这个清零操作是异步的，这意味着它不依赖于时钟信号的边沿。当CLR引脚为高电平（逻辑1）时，清零功能被禁用，触发器正常工作。在许多应用中，CLR引脚会连接到复位电路，以确保系统在上电时处于已知状态。

• D0 - D7 (引脚 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13)：数据输入这八个引脚是D型触发器的数据输入端。每个D引脚对应一个Q输出（D0对应Q0，D1对应Q1，依此类推）。在时钟上升沿到来时，D输入端的值会被传输到相应的Q输出端。这些输入引脚需要连接到提供待存储数据的逻辑电路。

• Q0 - Q7 (引脚 1, 2, 3, 4, 13, 12, 11, 10，这里引脚号写错了，应为1, 2, 3, 4, 6, 7, 9, 10)：数据输出这八个引脚是D型触发器的输出端。Qn输出端反映了在最近的时钟上升沿时Dn输入端的状态。这些输出可以连接到后续的逻辑电路，作为存储的数据使用。注意，引脚图中Q3是引脚4，Q2是引脚3，Q1是引脚2，Q0是引脚1。引脚13是D7，引脚12是D6，引脚11是D5，引脚10是D4，引脚9是D3，引脚7是D2，引脚6是D1，引脚5是D0。

3. 74LS273 工作原理

74LS273的核心是八个独立的D型触发器，它们共享同一个时钟和清零输入。理解单个D型触发器的工作原理是理解74LS273整体功能的关键。

3.1 D型触发器的基本原理

一个D型触发器通常由两个或更多的锁存器组成，以实现边沿触发的功能。最常见的实现方式是主从触发器结构。

• 主从触发器： 在主从结构中，主锁存器在时钟的一个半周期内（例如，时钟高电平期间）对输入数据进行采样，而从锁存器在时钟的另一个半周期内（例如，时钟低电平期间或边沿）将主锁存器的数据传输到输出。上升沿触发的D型触发器会在时钟的上升沿时将输入D的值锁存到输出Q。这意味着在CLK从0到1的转换瞬间，D上的逻辑状态被“捕获”并出现在Q上。一旦数据被锁存，即使D输入在时钟高电平期间发生变化，Q输出也不会立即改变，它会保持当前状态直到下一个时钟上升沿。这种特性使得D型触发器成为理想的同步数据存储单元，因为它们能够防止由于输入数据在时钟周期内发生变化而导致的竞争冒险（race conditions）。

3.2 74LS273的同步与异步操作

• 同步操作（通过CLK）：当CLR引脚为高电平（非激活状态）时，74LS273的所有操作都与CLK引脚同步。在每个时钟上升沿，每个D输入端的数据都被同步地传输到相应的Q输出端。这意味着八位数据可以作为一个整体在同一个时钟周期内进行更新。这种同步特性是74LS273在并行数据处理中非常有用的原因。例如，在一个8位总线上，所有8位数据可以同时被加载到74LS273中。

• 异步操作（通过CLR）：CLR引脚提供了一个异步清零功能。当CLR引脚被拉低时，它会立即强制所有Q输出变为低电平，而无需等待时钟信号的任何变化。这个功能常用于系统复位，确保在启动或发生故障时，所有存储的数据都被清零，使系统处于一个已知的初始状态。需要注意的是，当CLR激活时，D输入和CLK输入都会被忽略。只有当CLR恢复到高电平后，触发器才能响应时钟和数据输入。

3.3 真值表

下表概括了74LS273中单个触发器的功能：

• ↑ 表示时钟的上升沿（从低到高）。

• H 表示高电平（逻辑1）。

• L 表示低电平（逻辑0）。

• X 表示任意状态（高或低，或正在变化）。

• Q (当前状态) 表示Q输出保持在触发器触发之前的状态。

从真值表中可以看出，CLR引脚具有最高的优先级。当CLR为L时，无论CLK和D如何，Q始终为L。只有当CLR为H时，CLK和D的组合才会影响Q的状态。

4. 74LS273 的时序特性

理解74LS273的时序参数对于设计可靠的数字电路至关重要。这些参数定义了输入信号和输出信号之间的时间关系，以及芯片能够正常工作的最小和最大时间要求。

4.1 建立时间 (Setup Time, t_setup)

建立时间是指在时钟上升沿到来之前，数据输入D必须保持稳定状态的最小时间。如果D输入在建立时间要求内发生变化，数据可能无法正确地被锁存，导致输出Q出现不确定状态。对于74LS273，典型的建立时间通常在20ns左右（具体数值需参考数据手册）。这意味着在CLK上升沿的前20ns内，D输入必须是稳定的。

4.2 保持时间 (Hold Time, t_hold)

保持时间是指在时钟上升沿之后，数据输入D必须保持稳定状态的最小时间。与建立时间类似，如果D输入在保持时间要求内发生变化，也可能导致数据锁存失败。对于74LS273，典型的保持时间通常为0ns或非常小的值（具体数值需参考数据手册），这意味着数据在时钟上升沿之后可以立即改变，但这并不意味着可以忽略，尤其是在高速设计中。

4.3 传输延迟时间 (Propagation Delay Time, t_PLH / t_PHL)

传输延迟时间是指从输入信号（CLK或CLR）发生变化到输出Q相应地发生变化所需的时间。

• t_PLH： 从输入（如CLK或CLR）从低到高变化，导致输出Q从低到高变化的时间。

• t_PHL： 从输入（如CLK或CLR）从高到低变化，导致输出Q从高到低变化的时间。

对于74LS273，传输延迟时间通常在10ns到30ns之间，具体取决于负载、温度和电源电压。例如，CLK到Q的延迟（t_PLH(CLK-Q) 或 t_PHL(CLK-Q)）表示时钟上升沿触发后，Q输出稳定所需的时间。CLR到Q的延迟（t_PLH(CLR-Q) 或 t_PHL(CLR-Q)）表示清零信号激活后，Q输出变为低电平所需的时间。在设计高速系统时，这些延迟时间必须被考虑在内，以避免时序冲突。

4.4 最大时钟频率 (Maximum Clock Frequency, f_max)

最大时钟频率是指74LS273能够稳定工作的最高时钟频率。如果时钟频率超过这个限制，芯片可能无法正确地锁存数据，导致系统错误。f_max取决于内部电路的延迟以及建立和保持时间。对于74LS273，典型的最大时钟频率可能在20MHz到30MHz之间，具体取决于制造商和工作条件。在实际应用中，通常会选择低于f_max的频率，以留出一定的裕量。

5. 74LS273 的典型应用

74LS273凭借其八位同步存储能力，在数字系统中有着广泛的应用。

5.1 并行数据存储/寄存器

这是74LS273最基本也是最常见的应用。它可以用于存储8位并行数据。例如，在一个微处理器系统中，74LS273可以作为输出端口，存储微处理器发送的8位数据，并将这些数据驱动到外设。当微处理器将数据写入74LS273时，通过提供一个时钟脉冲，数据就能被锁存并保持，直到下一次写入。这种应用对于需要将处理器总线上的瞬时数据转换为稳定输出信号的场合非常有用。

5.2 移位寄存器

通过将74LS273的Q输出连接到下一个D输入的适当方式，可以构建一个8位移位寄存器。例如，将Q0连接到D1，Q1连接到D2，依此类推。每次时钟脉冲到来时，数据就会向一个方向移动一位。这可以用于串行到并行转换，或者用于生成特定的位模式。虽然专用的移位寄存器芯片（如74LS164/165）更常见，但74LS273在某些特定配置下也可以实现简单的移位功能。

5.3 计数器

尽管74LS273本身不是计数器，但它可以与门逻辑（如与门、或门、非门）结合起来构建各种类型的计数器。通过将计数器的输出（经过组合逻辑处理后）反馈到D输入，并利用时钟脉冲进行同步更新，可以实现二进制计数器、BCD计数器等。例如，要构建一个模数计数器，可以通过适当的门逻辑生成下一个计数状态，并将其输入到D端，然后在时钟上升沿锁存。

5.4 数据总线缓冲器/锁存器

在需要将处理器总线上的数据临时存储并稳定输出到外设的系统中，74LS273可以作为8位数据总线缓冲器或锁存器。处理器可以将数据放置在总线上，然后通过发送一个时钟脉冲将数据加载到74LS273。这样，即使处理器总线上的数据发生变化，74LS273的输出仍然保持稳定，为连接的外设提供持续的有效数据。这对于消除总线上的竞争条件和提供稳定的数据接口至关重要。

5.5 分频器（非直接）

虽然不是其主要功能，但D型触发器可以通过连接Q非到D来构成一个T型触发器，从而实现二分频。将多个这样的T型触发器级联，可以实现更深度的分频。因此，通过巧妙的外部连接，74LS273也可以在某些分频应用中发挥作用。

6. 74LS273 与其他逻辑器件的比较

在数字电路设计中，有多种器件可以用于数据存储和处理。了解74LS273与其他常见逻辑器件的异同有助于更好地选择合适的芯片。

6.1 与锁存器 (Latches) 的区别

D型触发器和D型锁存器（如74LS373）都是存储单元，但它们的主要区别在于对时钟信号的响应方式。

• 锁存器（Latches）： 通常是电平触发的。这意味着当使能信号（例如，G或Enable引脚）为高电平期间，锁存器的输出会实时跟随输入的变化。只要使能信号有效，输入D的任何变化都会立即反映在输出Q上。当使能信号变为无效状态时，锁存器才保持最后的数据。

• 触发器（Flip-flops）： typically are edge-triggered. This means they only capture the input data at a specific edge of the clock signal (e.g., rising edge or falling edge). Once the data is captured, the output remains stable until the next valid clock edge, regardless of changes in the input data during the clock cycle.

74LS273是边沿触发的D型触发器，因此它能够提供更可靠的同步操作，避免了锁存器在使能期间可能出现的竞争冒险问题。

6.2 与寄存器 (Registers) 的关系

寄存器通常是由多个触发器组成的电路，用于存储多位二进制数据。从这个意义上讲，74LS273本身就是一个八位寄存器。然而，一些更复杂的寄存器芯片（如74LS164/165移位寄存器，74LS174/175多功能寄存器）可能包含额外的功能，如串行输入/输出、并行加载、移位控制等。74LS273是这些更复杂寄存器模块的基础构建块，但它只提供了最基本的并行加载和存储功能。

6.3 与微控制器 (Microcontrollers) 的集成

在现代设计中，许多简单的存储和控制任务可以直接由微控制器的GPIO（通用输入/输出）引脚和内部寄存器完成。然而，当需要扩展IO能力、进行高速并行数据捕存或分担微控制器的IO负担时，74LS273等逻辑芯片仍然具有其价值。例如，如果微控制器需要同时驱动多个LED显示器，而其GPIO引脚不足，可以使用74LS273来扩展输出。此外，在对时序精度要求极高的场景中，硬件触发器通常比软件控制的GPIO更稳定可靠。

7. 设计考虑与注意事项

在使用74LS273或其他任何数字IC时，有一些关键的设计考虑和注意事项可以帮助确保电路的稳定性和可靠性。

7.1 电源去耦

在74LS273的VCC和GND引脚之间，靠近芯片放置一个0.1μF（104）的陶瓷去耦电容器是至关重要的。这个电容器能够滤除电源线上可能存在的瞬态噪声，并在芯片开关时提供瞬时电流，从而稳定VCC电压。由于TTL器件在开关时会产生较大的瞬态电流，因此去耦电容对于防止地弹和电源噪声至关重要。

7.2 未用输入端处理

对于TTL器件，未使用的输入端不能悬空。悬空的TTL输入端容易拾取噪声，导致不确定的逻辑状态，从而影响芯片的正常工作。

• 未使用的D输入： 如果某个D输入未使用，建议将其连接到GND，以将其对应的Q输出始终保持为0（在CLR为高且CLK上升沿触发后）。

• 未使用的CLR输入： 如果清零功能不需要，CLR引脚必须连接到VCC，使其保持高电平，从而禁用清零功能。

• 未使用的CLK输入： CLK输入通常不应该悬空，因为它需要一个稳定的时钟信号。如果某个74LS273的实例不被使用，通常将其所有输入都连接到GND或VCC，使其处于稳定状态。

7.3 输出负载能力

74LS273的输出（Q0-Q7）具有有限的驱动能力。在连接后续负载时，需要确保连接的器件（如LED、其他逻辑门等）的总电流不超过74LS273单个输出或总输出的额定电流。过大的负载可能导致输出电压下降，逻辑电平不稳定，甚至损坏芯片。查阅数据手册以获取详细的输出电流规格（IOL, IOH）。

7.4 时钟信号质量

时钟信号的质量对触发器的性能至关重要。

• 边沿速率： 时钟信号的上升沿和下降沿应足够快，以满足建立和保持时间的要求。缓慢的边沿可能导致触发器进入亚稳态，从而产生不确定的输出。

• 抖动 (Jitter)： 时钟信号的抖动（时钟周期内的随机变化）应尽可能小。过大的抖动会侵蚀建立和保持时间裕量，导致数据错误。

• 噪声： 时钟信号线上应避免噪声。任何噪声都可能导致错误的触发。在布线时，时钟线应尽可能短，并远离噪声源，必要时进行屏蔽。

7.5 温度和电源电压

74LS273的电气特性（如传输延迟、最大频率）会受到工作温度和电源电压的影响。在设计时，应考虑芯片在预期工作范围内的所有可能条件下的性能。查阅数据手册以获取芯片的推荐工作温度和电源电压范围。

8. 总结

74LS273作为一款经典的八路D型触发器，在数字电子领域拥有广泛的应用。其同步的八位数据存储能力、上升沿触发特性以及异步清零功能，使其成为构建寄存器、并行数据存储器、移位寄存器以及各种时序逻辑电路的理想选择。

通过本文的详细介绍，读者应该对74LS273的引脚图、各个引脚的功能、内部工作原理、重要的时序特性以及在实际应用中的考量有了全面的理解。无论是初学者还是有经验的工程师，掌握这款基础的数字逻辑器件都对于设计高效、可靠的数字系统至关重要。尽管现代FPGA和微控制器在许多方面提供了更高的集成度和灵活性，但像74LS273这样的通用逻辑IC在特定的性能要求、成本敏感应用以及教学实践中仍然发挥着不可替代的作用。理解这些基本器件的原理和应用，是深入掌握数字电路设计的基础。