74ls175的功能及原理

74LS175 是一款经典的4D 触发器（带公共清零端）集成电路芯片，属于 TTL 逻辑系列（74LS 系列）。以下是它的核心功能和原理：

一、功能概述

核心功能： 集成了4个独立的边沿触发 D 型触发器在一个芯片内。
数据锁存： 每个触发器在时钟信号（CLK） 的上升沿（从低电平跳变到高电平的瞬间）捕获其数据输入端（D） 的值，并将该值锁存到其输出端（Q）。
公共清零： 具有一个公共低电平有效清零端（CLR̅）。当CLR̅引脚被拉低（逻辑0）时，无论时钟的状态如何，所有 4 个触发器的输出 Q 都会被强制清零（复位）为逻辑0，同时其互补输出端 Q̅ 变为逻辑1。这个操作是异步的（立即生效，不需要时钟边沿）。
输出端： 每个触发器提供一对互补输出：
- Q：正常输出。
- Q̅：反相输出（Q̅ = NOT Q）。
触发方式： 上升沿触发。仅当CLK信号从低电平(0)跳变到高电平(1)时，输入端D的数据才会被采样并锁存到输出端Q。在CLK为高电平、低电平或下降沿（高电平到低电平）时，D端数据的变化不会影响输出。

二、工作原理

其内部每个 D 触发器的核心工作原理基于主从结构（Master-Slave）或等效的传输门结构。以下是关键点：

D 触发器基本操作：
- 在CLK为低电平时：主触发器是开放的，其状态会跟随D输入端的数据变化而更新。从触发器是锁住的，保持之前的状态不变，因此输出Q也不变。
- 在CLK的上升沿（低->高跳变）：主触发器瞬间被“锁存”，冻结此时D端的数据。几乎同时，从触发器被“打开”，将刚刚锁存在主触发器里的数据传递到从触发器。
- 在CLK保持高电平期间：主触发器保持锁存状态，D端新的数据变化不影响它。从触发器也锁定接收到的数据，输出Q保持稳定。D端的数据变化被屏蔽。
- 在CLK为高电平或下降沿时：输出Q也保持不变。
- 关键：数据传递只在CLK上升沿那一刻发生。
公共清零（CLR̅）的工作原理：
- 清零电路直接作用于每个触发器内部的主锁存器和从锁存器（或等效结构）。
- 当CLR̅ = 0（低电平有效）时：
  - 它会强行覆盖或切断主/从锁存器的反馈路径。
  - 同时将主和从锁存器的状态强制置为0。
  - 这个操作通过直接的逻辑门（通常是或非门或类似结构）实现，不经过时钟控制路径。
- 因此清零操作是异步且优先的。只要CLR̅有效，输出Q就是0（Q̅就是1），完全无视CLK和D端的状态。只有在CLR̅恢复为高电平(1)后，触发器才能重新响应时钟上升沿。

三、功能表（真值表）

`CLR̅`	`CLK`	`D`	`Q` (次态)	`Q̅` (次态)	说明
0	X	X	0	1	异步清零（所有输出）
1	↑	0	0	1	上升沿锁存数据 `0`
1	↑	1	1	0	上升沿锁存数据 `1`
1	L/H	X	Q₀	Q̅₀	保持原状态 (无变化)
1	↓	X	Q₀	Q̅₀	保持原状态 (无变化)

↑: CLK 上升沿 (低->高跳变)。
↓: CLK 下降沿 (高->低跳变)。
H: CLK 为高电平。
L: CLK 为低电平。
X: 无关（电平可以是0或1，输出不受影响）。
Q₀ / Q̅₀: 触发器的原状态（锁存的数值）。
关键点： 只有在CLR̅ = 1且CLK出现上升沿时，输入D才会决定下一时刻的输出状态。

四、主要用途

数据寄存器： 用于临时存储多位二进制数据（如处理器中的通用寄存器）。
数据总线缓冲/锁存： 锁存来自微处理器或总线的数据，使其在总线释放后数据依然稳定可用。
控制寄存器： 存储系统状态或控制信号。
移位寄存器： 与其他逻辑门配合，可实现移位功能。
状态机： 实现有限状态机的状态存储单元。
计数器： 作为计数器内部的基本存储单元（通常需要组合逻辑反馈）。
脉冲同步与整形： 同步异步输入信号。

总结

74LS175 的核心是一个包含4个带公共异步清零功能的边沿触发D触发器。它在时钟CLK的上升沿将输入D端的数据锁存到输出Q端。其公共清零端CLR̅（低电平有效）允许用户异步地、强制地将所有4个触发器的输出Q复位为0（Q̅置1），且该操作具有最高优先级，不受时钟控制。这种特性使其在需要存储、锁存和多路并行数据控制的数字系统中非常常用。其 CMOS 版本（如 74HC175、74HCT175）工作原理类似，但功耗、速度、电压特性不同。