74HC573：CMOS 八路D型透明锁存器详解

74HC573是一款广泛应用于数字电路设计中的八路D型透明锁存器，属于高速CMOS逻辑系列。它以其数据锁存能力、高扇出能力以及与TTL兼容的输入电平特性，成为微控制器、处理器接口、数据显示以及各种数字系统中不可或缺的组成部分。理解其引脚功能、工作原理以及典型应用场景，对于任何数字电路设计者来说都至关重要。

芯片概述

74HC573，通常被称作“八路D型透明锁存器”或“八进制D型锁存器”，在数字系统中扮演着数据缓冲和存储的关键角色。它能够将输入数据在特定条件下“透明”地传输到输出端，并在另一特定条件下“锁存”数据，保持输出状态不变。这种透明和锁存的双重特性，使得它在多种时序要求严格的应用中表现出色。

该芯片隶属于74HC（High-speed CMOS）系列，这意味着它结合了CMOS技术的低功耗优势和LSTTL（Low-power Schottky TTL）的传输速度。这使得74HC573在功耗敏感且对速度有一定要求的应用中成为理想选择。其输入兼容TTL电平，也方便了它与各种逻辑家族的器件进行互联。

在数字电路设计中，我们经常需要将并行数据在总线上进行隔离、缓冲或者暂时存储，以确保数据传输的稳定性和时序的正确性。74HC573正是为此目的而生。例如，当一个微控制器需要向多个外设发送数据，但这些外设处理数据的速度不同时，可以使用74HC573作为缓冲器，在微控制器将数据发送到锁存器后，微控制器可以立即执行其他任务，而外设则可以从锁存器中读取数据。

此外，在显示驱动、地址译码、I/O扩展等领域，74HC573也展现出其独特的价值。它能够将瞬时的数据信号转换为稳定的输出，为后续电路提供可靠的数据源。其八路并行结构，也使得它能够一次性处理一个字节的数据，极大地简化了电路设计。

引脚图及详细功能

74HC573芯片通常采用20引脚的DIP（双列直插封装）或SOIC（小外形集成电路）封装。以下是其主要引脚的详细功能介绍：

• 引脚1 (OE - Output Enable)：输出使能端

• 这个引脚是74HC573的三态输出控制引脚。当OE为低电平（L）时，芯片的八个输出引脚（Q0-Q7）处于正常工作状态，即根据内部锁存器的数据输出相应的逻辑电平。

• 当OE为高电平（H）时，芯片的八个输出引脚（Q0-Q7）将进入高阻态。在高阻态下，输出引脚呈现出非常高的阻抗，如同断开了与后续电路的连接，既不输出高电平也不输出低电平。这使得多个74HC573的输出可以连接到同一总线上，通过控制各自的OE引脚来决定哪个芯片的输出当前有效，从而实现总线共享。在总线型应用中，这一特性至关重要，它避免了不同芯片在同一时间争夺总线控制权而导致的冲突。

• 引脚2 (D0) - 引脚6 (D4) & 引脚13 (D5) - 引脚17 (D7)：数据输入端

• 这些引脚是74HC573的并行数据输入引脚。D0到D7分别对应八个独立的D型锁存器的数据输入端。

• 当锁存器处于“透明”模式时（由LE引脚控制），这些引脚上的逻辑电平会直接反映到相应的输出引脚（Q0-Q7）上。

• 当锁存器处于“锁存”模式时，输入引脚上的数据变化不会再影响输出，输出将保持锁存之前的数据。在设计电路时，必须确保在数据锁存前，D0-D7上的数据已经稳定有效。

• 引脚7 (LE - Latch Enable)：锁存使能端

• LE引脚是74HC573的核心控制引脚，它决定了芯片的工作模式：透明模式或锁存模式。

• 当LE为高电平（H）时，芯片处于透明模式。此时，数据输入端D0-D7上的任何变化都会立即、实时地反映到对应的输出端Q0-Q7上。就好像数据可以直接“穿透”芯片一样，因此得名“透明锁存器”。

• 当LE从高电平变为低电平（H→L）时，芯片会锁存在LE下降沿瞬间D0-D7上的数据。一旦数据被锁存，即使D0-D7上的数据发生变化，Q0-Q7的输出状态也会保持不变，直到LE再次变为高电平。这使得74HC573非常适合在特定时刻捕获并保持数据。

• 引脚8 (GND)：地

• GND引脚是芯片的电源地连接，必须连接到电路的公共地参考点。这是所有数字电路正常工作的基础，提供电流回流路径。

• 引脚9 (Q0) - 引脚12 (Q3) & 引脚14 (Q4) - 引脚18 (Q7)：数据输出端

• 这些引脚是74HC573的并行数据输出引脚，分别对应D0到D7的输入。

• 这些输出是三态的，由OE引脚控制。当OE为低电平且LE为高电平时，Q0-Q7会实时输出D0-D7的数据。当OE为低电平且LE为低电平时，Q0-Q7会输出被锁存的数据。当OE为高电平时，Q0-Q7会进入高阻态。

• 这些输出通常具有较强的驱动能力，可以直接驱动LED、TTL负载或其他CMOS器件。

• 引脚19 (NC)：空脚/不连接

• NC表示“Not Connected”，即此引脚在芯片内部没有连接，外部通常不需要连接任何信号。虽然通常不连接，但在某些特定应用或为了机械稳定性，有时也会连接到地或VCC，但这取决于具体的应用和芯片手册的建议。

• 引脚20 (VCC)：电源

• VCC引脚是芯片的正电源连接。74HC系列芯片通常工作在2V至6V的电源电压范围。为确保芯片的稳定工作，VCC引脚必须连接到符合芯片规格的电源电压，并且通常需要在VCC和GND之间并联一个0.1μF的去耦电容，以滤除电源噪声。

内部结构与工作原理

74HC573的内部结构由八个独立的D型锁存器（Latches）以及一个控制逻辑组成，这些锁存器共享一个**锁存使能（LE）输入和一个输出使能（OE）**输入。每个D型锁存器都包含一个数据输入（D）、一个锁存控制输入（通常与LE相连）和一个数据输出（Q）。

D型锁存器是同步时序逻辑电路的基本组成单元。与D型触发器不同，D型锁存器是电平触发的。这意味着当控制输入（在这里是LE）处于有效电平（高电平）时，输入数据会直接传输到输出端。当控制输入变为无效电平（低电平）时，输出端会保持在控制输入变为无效电平之前的最后数据状态。

74HC573的工作原理可以总结为以下两种主要模式：

1. 透明模式（Transparent Mode）：

• 当**LE引脚为高电平（H）**时，74HC573进入透明模式。

• 在此模式下，每个D型锁存器的输入D（D0-D7）上的数据会实时、直接地传递到其对应的输出Q（Q0-Q7）。这意味着输入数据的任何变化都会立即体现在输出端。这就像一个“透明的”通道，数据可以直接穿过而无需任何延迟或存储。

• 此时，如果OE引脚为高电平，输出Q0-Q7将处于高阻态，即便LE为高电平，数据也不会输出。只有当OE为低电平时，数据才能从Q0-Q7输出。

2. 锁存模式（Latched Mode）：

• 当LE引脚从高电平变为低电平（H→L）的下降沿时，74HC573会捕获并锁存住此时刻D0-D7输入端的数据。

• 一旦数据被锁存，即使D0-D7上的数据随后发生变化，Q0-Q7的输出状态也会保持不变，直到LE引脚再次变为高电平，或者电源被切断。

• 在此模式下，如果OE引脚为低电平，则锁存的数据会稳定地输出到Q0-Q7。如果OE引脚为高电平，Q0-Q7将进入高阻态，但内部数据仍然被锁存。

三态输出功能

74HC573的三态输出功能是其非常重要的特性，通过**OE（Output Enable）**引脚控制。

• 当OE为低电平（L）时，输出Q0-Q7处于正常逻辑电平状态，即它们会输出高电平或低电平，根据内部锁存器的数据决定。

• 当OE为高电平（H）时，输出Q0-Q7进入高阻态（High-impedance state）。在这种状态下，输出引脚呈现出非常高的阻抗，就如同断开连接了一样。它们既不输出高电平，也不输出低电平，因此不会对连接到同一总线上的其他器件产生干扰。

三态输出在总线型系统中发挥着关键作用。例如，在微处理器系统中，多个外设可能需要共享同一组数据总线。通过使用74HC573作为总线缓冲器，并在适当的时候使能（OE=L）或禁用（OE=H）其输出，可以有效地控制哪个器件能够向总线提供数据，从而避免数据冲突，实现总线仲裁和数据隔离。当OE处于高阻态时，可以安全地将该芯片的输出与其他芯片的输出并联，而不会发生电流倒灌或信号冲突。

典型应用场景

74HC573因其独特的功能和灵活性，在各种数字电路应用中都扮演着重要的角色。

1. 数据锁存和缓冲：

• 这是74HC573最基本也是最常用的功能。在微控制器或DSP系统中，经常需要将处理后的数据输出到外部设备，但这些外部设备可能无法以处理器的高速率接收数据。74HC573可以作为一个数据缓冲器，处理器将数据写入74HC573后可以立即进行其他任务，而外部设备则可以从74HC573中以其自身的速率读取数据。

• 例如，在数据采集系统中，模拟到数字转换器（ADC）可能以某一速率输出数字数据，但后续的存储或处理单元可能需要将数据在特定时刻进行捕获。74HC573可以在ADC数据稳定后，通过LE信号将数据锁存，然后传输给后续电路。

2. 微控制器/处理器接口扩展：

• 微控制器通常具有有限的I/O引脚。当需要控制更多的外部设备或扩展输出端口时，74HC573可以作为并行输出扩展器。微控制器将数据通过其并行端口发送给74HC573的D输入端，然后通过控制LE和OE信号，将数据锁存并输出到更多的负载上。这在驱动多个LED、继电器阵列或连接到其他逻辑芯片时非常有用。

• 例如，一个8位微控制器可以控制多个7段数码管。使用74HC573，微控制器只需一次性发送8位数据（代表一个字符的段码），然后锁存，就可以驱动一个7段数码管。通过多个74HC573的组合，可以实现多位动态显示，同时减轻微控制器的I/O负担。

3. 地址锁存：

• 在许多微处理器和微控制器系统中，地址线和数据线是复用的（即分时共享同一组物理引脚）。例如，在某些8位微处理器中，较低位的地址线和数据线会在不同的时钟周期内分时使用。

• 为了在地址周期内捕获地址信息并在数据周期内使用数据，就需要一个地址锁存器。74HC573非常适合此应用。在地址总线周期，处理器将地址信号放在复用线上，通过ALE（Address Latch Enable）信号（连接到74HC573的LE）将地址锁存到74HC573中。一旦地址被锁存，即使复用线在后续的数据周期变为数据，74HC573的输出仍然保持着稳定的地址信号，供存储器或外设解码使用。

4. 显示驱动：

• 在LED矩阵显示、LCD显示模块或7段数码管显示应用中，74HC573常被用作数据锁存器。微控制器将要显示的数据发送给74HC573，锁存器保持输出，从而驱动显示屏显示特定字符或图像。

• 例如，在一个带有多个7段数码管的计时器中，微控制器需要频繁更新显示内容。使用74HC573可以避免微控制器持续占用I/O口来驱动显示，只需在数据更新时短暂地使能LE即可。

5. 总线隔离和电平转换：

• 虽然74HC573的主要功能是锁存，但其三态输出特性也使其在总线隔离方面有所应用。当一个模块需要与总线断开连接时，可以通过使能OE来将该模块的输出置于高阻态，从而将其从总线上“隔离”出来。

• 此外，由于74HC系列芯片的输入兼容TTL电平，并且输出具有CMOS电平，因此在某些情况下，74HC573也可以在不同逻辑家族之间进行电平转换，尽管这不是其主要设计目的。

电气特性与操作条件

了解74HC573的电气特性对于正确设计和保证电路的可靠性至关重要。

• 电源电压（VCC）： 74HC573通常可在2V至6V的宽电压范围内工作。然而，最佳性能和兼容性通常在其指定的工作电压范围（如5V±10%）内实现。确保电源稳定且纹波小，是芯片正常工作的前提。

• 输入高/低电平电压（VIH/VIL）： 这些参数定义了芯片识别逻辑高电平（VIH）和逻辑低电平（VIL）所需的最小和最大电压。对于74HC系列，它们通常接近VCC和GND。例如，对于5V供电，VIH可能为3.5V，VIL可能为1.5V。确保输入信号的电平满足这些要求，以避免错误的逻辑识别。

• 输出高/低电平电压（VOH/VOL）： 这些参数定义了芯片输出高电平（VOH）和低电平（VOL）时的电压。74HC系列芯片通常具有轨到轨的输出能力，这意味着VOH接近VCC，VOL接近GND，这提供了良好的噪声容限和驱动能力。

• 输入/输出电流（IIN/IOUT）： 输入电流非常小，因为CMOS器件的输入阻抗很高。输出电流则指示了芯片能够驱动外部负载的能力。74HC573通常能提供几十毫安的输出电流，足以驱动标准TTL负载或多个CMOS输入。

• 传播延迟时间（tPD）： 这是从输入信号变化到输出信号响应变化所需的时间。对于74HC573，这个时间通常在几十纳秒的范围内，反映了芯片的响应速度。更低的传播延迟意味着更快的操作速度，这在高速数字系统中是关键因素。

• 建立时间（tSU）和保持时间（tH）： 这些是与LE锁存信号相关的时序参数。建立时间是指在LE的下降沿到来之前，数据输入必须保持稳定的最短时间。保持时间是指在LE的下降沿之后，数据输入必须保持稳定的最短时间。违反这些时序要求可能导致数据锁存错误。

• 功耗（ICC）： CMOS器件的静态功耗非常低，主要功耗发生在开关转换时。74HC573的低功耗特性使其在电池供电或功耗受限的应用中具有优势。

• 工作温度范围： 大多数商用级74HC573芯片的工作温度范围是-40°C到+85°C。工业级芯片可能具有更宽的温度范围。

在实际应用中，工程师需要查阅具体芯片型号的数据手册（Datasheet），以获取精确的电气特性参数。数据手册是设计电路时最权威的参考资料，它包含了所有关于芯片操作、限制和性能的详细信息。

设计考量与注意事项

在使用74HC573时，需要注意以下几个设计考量，以确保电路的稳定性和可靠性：

1. 电源去耦： 在74HC573的VCC和GND引脚之间，应尽可能靠近芯片引脚处放置一个0.1μF（或0.01μF）的陶瓷去耦电容。这个电容能够有效地滤除电源线上的高频噪声，并为芯片在瞬态开关时提供瞬时电流，从而防止电源波动对芯片正常工作造成影响。对于多个芯片，每个芯片都应有独立的去耦电容。

2. 输入信号完整性： 确保输入到74HC573（D0-D7, LE, OE）的信号具有良好的波形，没有过冲、欠冲或毛刺。不稳定的输入信号可能导致错误的锁存或不期望的输出。在高速设计中，可能需要考虑信号线上的端接电阻以匹配阻抗，减少反射。

3. 时序约束： 严格遵守数据手册中规定的建立时间（tSU）和保持时间（tH）。在LE下降沿到来之前，输入数据必须稳定足够长的建立时间，并在下降沿之后保持稳定足够长的保持时间。违反这些时序可能导致数据锁存失败或锁存到错误的数据。在微控制器编程中，通常需要加入适当的延迟来满足这些时序要求。

4. 输出负载： 确保74HC573的输出驱动能力（IOUT）能够满足所连接负载的需求。如果驱动的负载电流过大，可能会导致输出电压降低，甚至损坏芯片。当需要驱动大电流负载时（如多个高亮度LED），应使用额外的缓冲器、晶体管阵列或专用的驱动芯片。

5. 不使用的输入引脚处理： 对于未使用的输入引脚（如D输入端），应将其连接到VCC或GND。浮空的CMOS输入引脚容易受到噪声干扰，导致不确定的逻辑状态和可能的功耗增加。输出引脚则可以浮空。

6. 防止闩锁效应（Latch-up）： CMOS器件在特定条件下（如输入电压超过VCC或低于GND）可能会发生闩锁效应，导致芯片内部寄生SCR导通，从而引起大电流并可能永久损坏芯片。虽然74HC系列设计时考虑了抗闩锁能力，但在设计时仍应避免输入信号超出电源轨的情况。可以使用限流电阻或肖特基二极管进行输入保护。

7. ESD保护： 74HC573芯片对静电放电（ESD）敏感。在处理芯片时，应采取适当的防静电措施，如佩戴防静电手环、使用防静电工作台等，以防止静电损坏芯片。

8. 封装与散热： 芯片的封装形式（DIP、SOIC、TSSOP等）会影响其在PCB上的布局和散热性能。在大批量生产或高密度设计中，选择合适的封装至关重要。虽然74HC573的功耗相对较低，但在高温环境下或驱动较大负载时，仍需考虑散热问题。

发展与替代

74HC573作为经典的逻辑芯片，其基本功能在数字电路中仍然有广泛的应用。然而，随着技术的发展，也出现了一些替代方案或更集成的解决方案：

• FPGA/CPLD： 对于更复杂的数据处理和逻辑控制需求，**现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）**提供了更高的灵活性和集成度。它们可以通过编程实现任意的逻辑功能，包括D型锁存器、移位寄存器、计数器等，并且可以根据需要配置I/O数量和逻辑深度。这使得在单个可编程芯片中实现整个系统成为可能，减少了分立器件的数量，简化了PCB设计。

• 微控制器内部寄存器： 现代微控制器通常内置了大量的通用输入/输出（GPIO）端口和内部寄存器。许多情况下，如果I/O数量允许，可以直接使用微控制器的端口来完成数据锁存和缓冲的功能，而无需外部逻辑芯片。这可以进一步简化硬件设计，降低成本。然而，当微控制器的I/O资源有限，或者需要非常高速的并行数据处理时，外部锁存器仍然是有效的选择。

• 专用I/O扩展芯片： 除了通用的锁存器，市面上还有许多专用的I/O扩展芯片，它们通常通过I2C、SPI等串行接口与微控制器通信，提供更多的并行I/O口。这些芯片往往集成了锁存功能，并且可以方便地进行软件配置，提供更智能的I/O管理。例如，PCF8574等I/O扩展器就是常见的选择。

• 更高性能的逻辑系列： 除了74HC系列，还有74AHC、74LVC等更高性能的CMOS逻辑系列。这些系列通常具有更低的传播延迟、更宽的工作电压范围和更好的驱动能力。在对速度和电源效率有更高要求的应用中，可以选择这些更先进的逻辑系列中的D型锁存器。例如，74LVC573通常在更低的电压下提供更快的速度。

尽管存在这些替代方案，74HC573因其简单、稳定、成本低廉且易于使用的特点，仍然在教育、原型开发、以及一些对速度要求不那么极致的传统数字电路设计中占据一席之地。对于许多初学者和小型项目来说，它仍然是理解和实现数据锁存功能的理想选择。其经典的地位和广泛的资料也使其成为学习数字逻辑的绝佳入门芯片。

总结

74HC573是一款经典的八路D型透明锁存器，在数字电路设计中具有举足轻重的地位。它通过**LE（锁存使能）引脚控制数据是“透明”地通过，还是“锁存”在输出端，并通过OE（输出使能）**引脚实现三态输出，使其能够在总线型系统中灵活应用。其低功耗、高速度以及与TTL兼容的特性，使其成为数据缓冲、地址锁存、I/O扩展和显示驱动等多种应用场景的理想选择。

理解74HC573的引脚功能、工作原理和电气特性是数字电路设计的基础。在实际应用中，工程师需要仔细查阅数据手册，并注意电源去耦、信号完整性、时序约束、负载匹配和静电防护等设计细节，以确保电路的稳定、可靠运行。尽管有更先进的替代方案，74HC573仍因其简单易用和成本效益高而继续活跃在众多数字系统中。它不仅是一个实用的元件，更是学习和理解数字时序逻辑的绝佳范例。通过深入掌握74HC573，可以为更复杂的数字系统设计打下坚实的基础。