74HC573：高速度CMOS八路D型透明锁存器详解

74HC573是一种高性能、高速度的CMOS八路D型透明锁存器，属于74HC系列（High-speed CMOS）逻辑器件。它广泛应用于各种数字系统中，特别是在需要数据锁存、地址/数据总线隔离以及I/O扩展等场景中。其核心功能是在使能信号有效时，将输入数据传输到输出端；当使能信号无效时，输出端保持锁存状态，从而实现数据的保持。

理解74HC573的关键在于其“透明”和“锁存”两种工作模式。当其锁存使能引脚（LE）为高电平（有效）时，器件处于透明模式，输入数据（Dn）会直接反映到相应的输出端（Qn）。这意味着输入的变化会实时地反映到输出。而当锁存使能引脚（LE）变为低电平（无效）时，器件则进入锁存模式，此时输出端会保持LE由高变低瞬间的数据状态，不再受输入端变化的影响，直到LE再次变为高电平。此外，74HC573还具有一个输出使能引脚（OE），用于控制输出端的启用或禁用，实现三态输出功能。

74HC573 引脚分布与功能

74HC573通常采用20引脚的DIP（双列直插式封装）或SOP（小外形封装）等形式。不同制造商的产品封装可能略有差异，但引脚功能定义是行业标准化的。以下是其典型引脚的详细介绍：

1. D0 - D7 (数据输入引脚)

• 引脚标识： D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7

• 功能描述： 这八个引脚是74HC573的数据输入端。它们对应八个独立的D型锁存器。当锁存使能（LE）为高电平（有效）时，这些引脚上的逻辑状态会被实时地传输到对应的输出引脚Q0-Q7上。例如，D0的数据会传输到Q0，D1的数据会传输到Q1，以此类推。这些输入引脚是CMOS电平兼容的，能够接收并处理标准TTL或CMOS逻辑电平的数字信号。在设计电路时，务必确保输入信号的电平在器件的工作电压范围内，以避免损坏器件或导致工作异常。这些输入通常具有一定的输入电阻和电容，在高速应用中需要考虑信号完整性。

2. Q0 - Q7 (数据输出引脚)

• 引脚标识： Q0, Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7

• 功能描述： 这八个引脚是74HC573的数据输出端。它们与D0-D7输入引脚一一对应。这些输出是三态（Tristate）输出。三态输出意味着它们可以处于三种状态：高电平（High）、低电平（Low）和高阻态（High-impedance）。

• 当输出使能（OE）为低电平（有效）且锁存使能（LE）为高电平时，输出Qn会实时反映输入Dn的状态。

• 当输出使能（OE）为低电平（有效）且锁存使能（LE）由高变低时，输出Qn会保持锁存瞬间的数据。

• 当**输出使能（OE）为高电平（无效）**时，无论LE和Dn的状态如何，所有Q0-Q7输出引脚都将进入高阻态。在高阻态下，输出引脚呈现出非常高的阻抗，类似于断开连接，这样可以方便地将多个三态器件挂载到同一条总线上，通过控制各自的OE信号来选择哪个器件驱动总线，从而避免总线冲突。这种特性在多路复用和总线驱动应用中至关重要。

3. LE (锁存使能引脚 / Latch Enable)

• 引脚标识： LE 或 G (通常用G表示使能)

• 功能描述： 这是74HC573的核心控制引脚之一。它决定了锁存器的工作模式。

• 当LE为高电平时，74HC573处于“透明”模式。此时，输入引脚D0-D7上的数据会实时地、不加延迟地（考虑器件传播延迟）传输到对应的输出引脚Q0-Q7上。这意味着输入端的变化会立即反映在输出端，如同一个直通的缓冲器。

• 当LE从高电平变为低电平（高到低沿）时，74HC573进入“锁存”模式。在LE由高变低的瞬间，输入引脚D0-D7上的数据状态会被锁存器捕获并存储下来。此后，即使输入引脚D0-D7上的数据发生变化，输出引脚Q0-Q7的状态也会保持LE下降沿捕获到的值，直到LE再次变为高电平。因此，LE引脚通常与时钟信号或控制信号连接，以精确控制数据的捕获时机。

4. OE (输出使能引脚 / Output Enable)

• 引脚标识： OE 或 OE (通常带横线表示低电平有效)

• 功能描述： 这是另一个关键的控制引脚，用于控制输出端的激活或禁用，实现三态功能。

• 当OE为低电平时（低电平有效），输出引脚Q0-Q7处于活动状态，它们会根据LE和Dn的状态输出高电平或低电平。这是器件正常工作时输出数据所需的条件。

• 当OE为高电平时，所有的输出引脚Q0-Q7都将进入高阻态。在高阻态下，输出引脚的电气特性类似于一个开路，它既不输出高电平也不输出低电平，从而允许其他器件驱动连接到这些输出引脚的总线，避免信号冲突。这种特性使得74HC573非常适合在共享总线系统中使用，例如微处理器系统中的地址或数据总线，可以通过控制OE来选择哪一个外设与CPU通信。

5. VCC (正电源引脚)

• 引脚标识： VCC

• 功能描述： VCC是器件的正电源输入引脚。74HC系列器件通常支持较宽的电源电压范围，例如2V至6V。在连接电源时，需要根据实际应用选择合适的电压，并确保电源的稳定性和去耦。通常会在VCC和GND之间并联一个0.1uF的陶瓷电容，以滤除高频噪声，提供稳定的电源。

6. GND (地引脚)

• 引脚标识： GND

• 功能描述： GND是器件的公共接地引脚，即电源的负极。在电路设计中，所有器件的GND引脚都应连接到系统的公共地线。良好的接地可以有效减少噪声干扰，确保器件的稳定工作。

74HC573 工作原理与时序

了解了引脚功能后，我们可以更深入地探讨74HC573的工作原理和关键时序。

透明与锁存模式的转换

74HC573作为透明锁存器，其核心在于LE引脚对数据传输的控制。

• 透明模式 (LE = 高电平)： 当LE为高电平期间，D输入端的任何变化都会几乎同步地反映到Q输出端（考虑器件的传播延迟）。这就像一个透明的窗户，你可以直接看到输入端的数据。这种模式适用于需要实时数据更新的场景，例如在某些数据流处理中。

• 锁存模式 (LE = 低电平)： 当LE从高电平变为低电平的那个瞬间，D输入端的数据被“拍照”并存储在内部的D型触发器中。一旦LE变为低电平，即使D输入端的数据发生变化，Q输出端也会保持住之前捕获到的数据，直到LE再次变为高电平。这种模式是数据保持的核心功能，广泛应用于数据总线的存储。

三态输出控制

OE引脚则进一步增强了74HC573在总线应用中的灵活性。

• 输出激活 (OE = 低电平)： 这是正常工作模式，Q输出端根据LE和D输入的状态输出高或低电平。

• 输出禁用 (OE = 高电平)： Q输出端进入高阻态。这意味着它们不再驱动总线，而是呈现出非常高的阻抗，允许其他器件驱动同一条总线。这对于多路复用总线系统至关重要，避免了不同器件同时驱动总线造成的电流冲突和逻辑错误。

关键时序参数

在实际应用中，了解74HC573的关键时序参数非常重要，尤其是在高速数字系统中。这些参数通常在数据手册中给出，包括：

• 传播延迟 (tPD)： 数据从输入端（D或LE）变化到输出端（Q）稳定所需的时间。例如，tPLH（低到高传播延迟）和tPHL（高到低传播延迟）。较小的传播延迟意味着更快的响应速度。

• 建立时间 (tSU)： 在LE的有效沿到来之前，D输入数据必须保持稳定的最短时间。如果D数据在建立时间之前发生变化，可能导致锁存错误。

• 保持时间 (tH)： 在LE的有效沿到来之后，D输入数据必须保持稳定的最短时间。如果D数据在保持时间之内发生变化，也可能导致锁存错误。

• 输出使能/禁用延迟 (tPZH, tPZL, tPHZ, tPLZ)： OE引脚从有效到无效或无效到有效时，输出从高阻态到有效状态或从有效状态到高阻态所需的时间。这些参数对于总线仲裁和避免总线冲突至关重要。

• 最小脉冲宽度： LE引脚需要保持高电平或低电平的最短时间，以确保正确的操作。

74HC573 主要特性与优势

74HC573之所以在数字电路设计中如此受欢迎，得益于其一系列优良的特性：

1. 高速度CMOS技术

• 低功耗： 74HC系列采用CMOS（互补金属氧化物半导体）技术制造，与早期的TTL（晶体管-晶体管逻辑）系列相比，其静态功耗极低。这使得74HC573非常适合电池供电或对功耗有严格要求的应用。

• 高速度： 虽然功耗低，但74HC系列在速度上也取得了显著提升，其传播延迟可以与部分低功耗TTL器件相媲美，甚至更优。这使得它能够满足大多数中低速数字系统的需求。

• 宽电源电压范围： 74HC573通常支持2V至6V的宽电源电压范围，这为设计者提供了更大的灵活性，可以与不同电压标准的其他器件兼容。

2. 八路D型锁存器

• 并行数据处理： 八路设计意味着它可以同时处理8位并行数据。这对于处理字节（Byte）数据或并行数据总线非常方便，减少了所需的芯片数量和电路复杂度。

• 数据保持： 其锁存功能使得数据可以在特定时间点被捕获并保持，即使输入数据随后发生变化。这是构建各种时序逻辑电路的基础，例如存储寄存器、数据缓存等。

3. 三态输出功能

• 总线驱动能力： 三态输出是74HC573的一大亮点。它允许多个74HC573或其他三态器件共享同一条数据或地址总线。通过控制每个器件的OE引脚，可以精确地选择哪个器件驱动总线，从而避免信号冲突和数据损坏。

• 简化系统设计： 在微处理器系统中，经常需要将CPU与多个外设（如存储器、I/O端口）连接。利用三态输出，可以大大简化总线结构，减少所需的译码器和多路选择器，从而降低系统成本和复杂度。

4. 良好驱动能力

• 74HC573的输出引脚通常具有较高的驱动电流能力，可以直接驱动多个CMOS或低功耗TTL负载，简化了接口设计。

5. 广泛应用

• 由于其通用性和实用性，74HC573被广泛应用于各种数字逻辑电路中，例如微控制器系统、数据采集系统、工业控制、通信设备、显示驱动电路等。

74HC573 典型应用场景

74HC573的灵活性使其在多种数字电路设计中发挥关键作用。以下是一些典型的应用场景：

1. 数据总线锁存器

这是74HC573最经典和最广泛的应用。在微处理器或微控制器系统中，CPU通常通过共享的地址总线和数据总线与各种存储器（RAM、ROM）和外设（I/O端口）进行通信。

• 地址锁存： 当CPU需要访问外部存储器或I/O端口时，它会首先将地址信息放到地址总线上。由于许多存储器和外设在地址总线上需要一个稳定的地址信号，而CPU的地址总线在不同的时钟周期可能会复用或者需要保持一段时间，因此通常会使用74HC573来锁存地址信息。CPU发出地址后，通过一个控制信号（连接到LE）将地址锁存到74HC573中，然后74HC573的Q输出端提供稳定的地址信号给存储器或外设。同时，利用OE功能，可以确保在不需要时地址总线处于高阻态，避免干扰。

• 数据总线缓存/隔离： 在某些情况下，可能需要将数据总线上的数据暂时存储或隔离，例如，当CPU从一个慢速外设读取数据时，可以将数据先锁存到74HC573中，CPU再从锁存器中读取数据，以避免等待慢速外设。或者在总线需要隔离不同电压域时，也可以使用带锁存功能的总线收发器（例如74HC245，虽然不是纯粹的锁存器，但概念类似）。

2. I/O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LED、继电器或其他外设时，可以使用74HC573作为输出口扩展器。

• 输出驱动： 微控制器通过8个数据线（D0-D7）将数据写入74HC573。当需要更新输出状态时，微控制器将目标数据放到数据线上，然后通过一个I/O口（连接到LE）发出一个高电平脉冲，将数据锁存到74HC573中。74HC573的Q输出端随后驱动连接的LED或其他负载。这样，微控制器只需要三个I/O引脚（8个数据线、1个LE、1个OE），就可以控制8个独立的输出。如果需要更多的输出，可以级联多个74HC573。

3. 显示驱动电路

在驱动LCD或LED点阵显示屏时，通常需要并行数据来控制大量的段或像素。74HC573可以用于缓存和驱动这些显示数据。

• 数据缓存： 例如，在一个16x2的字符型LCD模块中，MCU需要发送字符数据和控制命令。可以使用74HC573来缓存发送给LCD的数据，并通过OE控制LCD的使能引脚。对于大型点阵LED显示屏，可以通过多片74HC573锁存行或列的数据，然后进行扫描显示。

4. 数据选择与多路复用

虽然74HC573本身不是多路选择器，但结合其他逻辑门，它的三态输出可以实现数据选择的功能。

• 总线复用： 在一个系统中，可能有多个数据源需要共享同一组输入到某个处理单元。可以通过连接多个74HC573的输出到同一条总线，然后通过独立的OE信号来选择哪个74HC573的数据被输出到总线上。例如，来自不同传感器的8位数据可以通过8个74HC573锁存，然后选择性地输出到主控器的输入端口。

5. 状态寄存器

在某些控制系统中，需要捕获并保持一些状态信号，以供后续逻辑判断或处理器读取。74HC573可以作为简单的状态寄存器。

• 事件捕获： 当某个事件发生时，其对应的状态信号（例如传感器的输出）可以通过LE信号锁存到74HC573中，即使事件瞬时消失，状态也能被保持，供处理器在空闲时读取和处理。

74HC573 在电路设计中的注意事项

为了确保74HC573在实际电路中稳定可靠地工作，有几个重要的设计考虑因素：

1. 电源去耦

• 重要性： 任何高速数字电路都需要良好的电源去耦。当器件进行逻辑状态切换时，会产生瞬态电流尖峰，这些尖峰如果不能被及时抑制，会导致电源电压波动，从而影响器件的正常工作，甚至引起毛刺或误动作。

• 实践： 通常在VCC和GND引脚附近放置一个0.1uF的陶瓷电容（也称为去耦电容或旁路电容）。这个电容应该尽可能靠近器件的电源引脚，以最短的引线连接到VCC和GND。对于需要更高稳定性的电路，可能还需要在PCB板的电源入口处放置一个较大的电解电容（如10uF或100uF）来滤除低频噪声。

2. 未使用引脚处理

• CMOS器件特性： CMOS器件的输入引脚如果悬空（不连接任何信号），可能会因为静电感应或噪声而导致输入电平不定，从而使器件进入不确定的工作状态，甚至引起额外的功耗。

• 处理方法：

• 未使用输入引脚： 必须连接到VCC或GND。对于74HC573，如果D0-D7中的某些输入引脚没有使用，应该将它们连接到GND。

• 未使用输出引脚： 可以悬空，因为它们是输出端，不会影响器件的输入状态。但如果它们是三态输出，且没有连接到任何地方，通常是安全的。

• 未使用控制引脚（如LE或OE）： 如果不使用其控制功能，必须将其连接到合适的逻辑电平以确保器件处于所需状态。例如，如果想让输出始终有效且始终透明（不锁存），可以将LE连接到VCC，OE连接到GND。但这通常违背了使用锁存器的目的，因此这些引脚一般都会被使用。

3. 输入/输出信号完整性

• 高速信号： 尽管74HC573不算超高速器件，但在某些应用中，特别是总线连接较长或工作频率较高时，信号完整性仍是一个重要考量。

• 考虑因素：

• 阻抗匹配： 对于高速信号线，需要考虑传输线的阻抗匹配，以减少信号反射。

• 串扰： 相邻信号线之间的电磁耦合可能导致串扰，需要合理布局布线。

• 终端匹配： 在长信号线上，可能需要添加终端电阻来吸收反射能量。

• 布线： 避免过长的信号线，尽量使信号线短而直。时钟和数据线应尽量避免并行走线过长。

4. 扇出（Fan-out）能力

• 定义： 扇出是指一个逻辑门的输出能够可靠驱动的相同类型逻辑门的输入数量。

• 74HC系列特点： 74HC系列的输出驱动能力通常较强，可以驱动多个CMOS输入。然而，在驱动较多负载或驱动TTL负载时，需要查阅数据手册确认其最大驱动电流，避免过载导致输出电平异常或器件损坏。当驱动的负载过多时，可能需要添加额外的缓冲器或驱动器。

5. 摆动和噪声容限

• 输入电平： 确保输入信号的逻辑高电平（VIH）和逻辑低电平（VIL）满足74HC573的最小/最大要求。通常，CMOS输入具有较高的噪声容限。

• 输出电平： 74HC573的输出高电平（VOH）和输出低电平（VOL）也应能可靠驱动下游器件的输入。

6. 上电顺序

• 在某些复杂的系统中，上电顺序可能很重要。通常，数字逻辑器件的电源应在信号输入之前稳定。对于74HC573而言，通常只需要确保VCC稳定后再输入信号即可。

7. 静电放电（ESD）保护

• CMOS敏感性： CMOS器件对静电放电比较敏感。在操作和安装过程中应采取适当的ESD防护措施，例如佩戴防静电手环、使用防静电包装等，以防止静电损坏器件。

74HC573 与其他相关器件的对比

在数字逻辑器件的大家族中，74HC573并不是唯一的选择。了解它与其他常见器件的异同，有助于在设计中做出更合适的选择。

1. 与74HC373的对比

• 功能： 74HC573和74HC373在功能上几乎是完全相同的八路D型透明锁存器，都具有三态输出功能。它们都包含八个独立的D型触发器，由一个共同的锁存使能（LE或G）和一个输出使能（OE）控制。

• 引脚排布： 它们的主要区别在于引脚的排列。

• 74HC373： 通常引脚是“流式”排列，即输入D0-D7在一侧，输出Q0-Q7在另一侧。这种布局在某些PCB布线中可能更方便。

• 74HC573： 采取“旁路”或“直通”布局，即D0和Q0相邻，D1和Q1相邻，以此类推。这种布局在数据输入和输出在同一区域的场景下可能更具优势。

• 选择： 两种器件在电气特性和逻辑功能上没有本质区别，通常可以互换使用。选择哪一个主要取决于PCB布线的方便性。在大多数应用中，设计者可以根据个人偏好或现有库中可用的器件来选择。

2. 与74HC273的对比

• 功能： 74HC273是八路D型触发器（Flip-Flop），而不是锁存器（Latch）。

• 关键区别：

• 触发方式： 74HC273是边沿触发的，通常是上升沿触发。这意味着数据只在时钟（CLK）信号的上升沿被捕获和更新。一旦时钟沿过去，即使输入数据发生变化，输出也会保持不变，直到下一个时钟上升沿到来。

• 锁存方式： 74HC573是电平触发的透明锁存器。当LE为高电平时，它处于透明模式；当LE从高电平变为低电平的瞬间，它锁存数据。

• 应用场景：

• 74HC573 (锁存器)： 适用于需要“透明”模式（即输入实时反映到输出）并在特定时刻锁存数据的场景，例如地址锁存。

• 74HC273 (触发器)： 更适合于同步时序逻辑电路，其中所有数据都在同一时钟边沿进行更新，例如寄存器、计数器、移位寄存器等。触发器在设计复杂的时序逻辑时提供了更强的控制和可预测性。

• 三态输出： 74HC273通常不具备三态输出功能，而74HC573和74HC373都具备。这使得573/373在总线应用中更具优势。

3. 与74HC244/245等缓冲器/收发器的对比

• 74HC244 (八路三态缓冲器)： 是一种非反向的三态缓冲器。它不具备锁存功能，只是简单地在使能信号有效时将输入数据传递到输出，使能信号无效时进入高阻态。适用于数据缓冲和总线隔离，但不能保持数据。

• 74HC245 (八路三态总线收发器)： 是一种双向的三态缓冲器。它可以在两个方向上传输数据，并具有方向控制引脚（DIR）和输出使能引脚（OE）。它也不具备锁存功能。适用于双向数据总线隔离和驱动。

• 核心差异： 74HC573的核心是其“锁存”功能，即在控制信号作用下保持数据。而244/245主要用于“缓冲”和“隔离”，不具备数据保持的能力。如果需要数据保持，就必须选择74HC573或类似功能的锁存器/寄存器。

4. 74HC系列与74LS/74F/74LVC等系列

• 74LS系列 (低功耗肖特基TTL)： 早期广泛使用的TTL逻辑家族，速度快于标准TTL但功耗相对高。74HC系列在功耗和速度上通常优于74LS。

• 74F系列 (快速TTL)： 比LS系列更快，但功耗也更高。

• 74LVC系列 (低电压CMOS)： 最新一代的CMOS逻辑，支持更低的电源电压（如1.8V、3.3V）和更高的速度。在许多现代设计中，LVC系列因其极高的速度和低功耗而逐渐取代HC系列。

总结： 74HC573在数字逻辑设计中扮演着重要的角色，特别是在需要电平触发数据保持和三态总线驱动的场景中。它的简单、高效和广泛的兼容性使其成为工程师工具箱中不可或缺的组件。在选择器件时，设计师应充分理解不同逻辑系列的特性以及具体应用对时序、功耗和功能的需求，从而做出最优化选择。

结语

至此，我们已经详细探讨了74HC573这款经典的八路D型透明锁存器的引脚、功能、工作原理、关键特性以及典型应用。尽管在现代数字系统中，许多功能可以通过FPGA、CPLD或微控制器内部的I/O端口和寄存器实现，但对于特定的、对成本或功耗有严格要求的场合，或者作为理解数字逻辑基础的入门，像74HC573这样的通用逻辑IC仍然具有其独特的价值和广泛的应用空间。

通过深入理解其透明与锁存模式的转换，以及三态输出在总线系统中的作用，您将能更好地运用这款器件，为您的数字电路设计提供稳定可靠的数据处理能力。希望这份详细的介绍能对您有所帮助。