74LS279：四路SR鎖存器功能與原理詳解

74LS279是一款廣泛應(yīng)用于數(shù)字邏輯電路中的集成電路，其核心功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和狀態(tài)保持。它屬于TTL（Transistor-Transistor Logic，晶體管-晶體管邏輯）家族的低功耗肖特基（LS）系列，以其較低的功耗和相對較快的開關(guān)速度而受到青睞。這款芯片內(nèi)部集成了四個獨(dú)立的SR鎖存器（Set-Reset Latch），每個鎖存器都可以獨(dú)立工作，從而為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計提供了靈活性。

1. SR鎖存器的基本概念

要理解74LS279的功能，首先需要掌握SR鎖存器的基本原理。SR鎖存器是最基本的一種時序邏輯電路，它能夠存儲一位二進(jìn)制信息。它有兩個主要輸入端：置位端（Set，通常標(biāo)記為S或$overline{S}）和復(fù)位端（Reset，通常標(biāo)記為R或overline{R}$），以及兩個輸出端：主輸出端（Q）和補(bǔ)碼輸出端（Q）。Q端的狀態(tài)代表了鎖存器當(dāng)前存儲的二進(jìn)制值。

SR鎖存器之所以被稱為“鎖存器”，是因為它能夠“鎖住”或保持其輸出狀態(tài)，直到有新的輸入信號改變它。與組合邏輯電路不同，時序邏輯電路的輸出不僅取決于當(dāng)前的輸入，還取決于電路之前的狀態(tài)。SR鎖存器正是這種特性最直觀的體現(xiàn)。

2. SR鎖存器的工作原理

74LS279中的SR鎖存器通常是**非門（NAND門）或或非門（NOR門）**交叉耦合構(gòu)成的。以由兩個或非門構(gòu)成的SR鎖存器為例，其工作原理如下：

• S=0, R=0 (保持狀態(tài))：當(dāng)S和R都為低電平時，鎖存器的輸出狀態(tài)保持不變。這是因為或非門的特性是當(dāng)輸入全為0時輸出為1，而當(dāng)任意一個輸入為1時輸出為0。在這種情況下，兩個或非門會相互維持對方的輸出，從而保持了Q和$overline{Q}$的穩(wěn)定狀態(tài)。

• S=1, R=0 (置位)：當(dāng)S為高電平，R為低電平時，鎖存器被“置位”。S端的高電平會使與其相連的或非門的輸出（Q）變?yōu)楦唠娖剑ㄈ绻笆堑碗娖剑?，同時這個高電平會反饋到另一個或非門的輸入端，強(qiáng)制其輸出（Q）變?yōu)榈碗娖?。最終，Q=1，Q=0。

• S=0, R=1 (復(fù)位)：當(dāng)S為低電平，R為高電平時，鎖存器被“復(fù)位”。R端的高電平會使與其相連的或非門的輸出（Q）變?yōu)楦唠娖剑瑫r這個高電平會反饋到另一個或非門的輸入端，強(qiáng)制其輸出（Q）變?yōu)榈碗娖?。最終，Q=0，Q=1。

• S=1, R=1 (禁止?fàn)顟B(tài))：當(dāng)S和R都為高電平時，這是一個無效或禁止?fàn)顟B(tài)。在這種情況下，兩個或非門的輸出都會被強(qiáng)制為低電平，導(dǎo)致Q和$overline{Q}都為0。這違反了Q和overline{Q}$互補(bǔ)的原則。在實際應(yīng)用中應(yīng)避免出現(xiàn)這種狀態(tài)，因為它會導(dǎo)致不確定的行為，并且當(dāng)S和R同時變?yōu)?時，鎖存器的最終狀態(tài)是不可預(yù)測的。

74LS279內(nèi)部的SR鎖存器通常采用低電平有效的置位/復(fù)位輸入，這意味著S或R輸入為低電平時會觸發(fā)相應(yīng)的操作。這種設(shè)計是為了便于與TTL邏輯電路的其他部分接口。

3. 74LS279的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

74LS279芯片內(nèi)部包含四個獨(dú)立的SR鎖存器，但并非所有的SR鎖存器都完全相同。具體來說，它包含：

• 兩個具有雙復(fù)位輸入的SR鎖存器：這兩個鎖存器通常具有兩個獨(dú)立的復(fù)位輸入端（例如，$overline{R1}$和$overline{R2}$）。這意味著只有當(dāng)兩個復(fù)位輸入都為高電平（或在低電平有效的情況下，都為低電平）時，復(fù)位操作才會被阻止。這種設(shè)計在需要多條件復(fù)位的場景下非常有用。

• 兩個具有單復(fù)位輸入的SR鎖存器：這兩個鎖存器只有一個復(fù)位輸入端，功能相對簡單直接。

所有四個鎖存器都具有獨(dú)立的置位輸入（S）和輸出（Q和$overline{Q}$）。這種獨(dú)立性允許設(shè)計者靈活地使用芯片的各個部分來滿足不同的邏輯需求。芯片的引腳排列通常會清晰地標(biāo)示出每個鎖存器的輸入和輸出引腳。

4. 74LS279的應(yīng)用場景

由于其能夠存儲一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的特性，74LS279在數(shù)字電路中有廣泛的應(yīng)用，例如：

• 數(shù)據(jù)存儲：最直接的應(yīng)用是作為一位數(shù)據(jù)的存儲單元。例如，在需要暫時保存某個信號狀態(tài)的情況下，SR鎖存器可以派上用場。

• 消除機(jī)械開關(guān)抖動：機(jī)械開關(guān)在按下或釋放時，觸點會發(fā)生多次彈跳，產(chǎn)生一系列快速的高低電平跳變，這就是“抖動”。SR鎖存器可以有效地消除這種抖動。通過巧妙地連接開關(guān)的兩個觸點到SR鎖存器的S和R輸入端，首次觸點閉合會使鎖存器置位或復(fù)位，而后續(xù)的抖動則不會改變鎖存器的狀態(tài)，從而輸出一個干凈的、無抖動的電平信號。

• 狀態(tài)標(biāo)志位：在復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)中，SR鎖存器可以作為狀態(tài)標(biāo)志位，用來指示某個事件是否發(fā)生或某個條件是否滿足。例如，當(dāng)某個傳感器檢測到特定事件時，可以置位一個SR鎖存器，其Q輸出可以作為后續(xù)邏輯電路的輸入，以觸發(fā)相應(yīng)的操作。

• 簡單的記憶單元：雖然不如D觸發(fā)器或JK觸發(fā)器復(fù)雜，但SR鎖存器在一些簡單的控制邏輯中可以作為記憶單元，記住某個特定的操作或條件。

• 電平轉(zhuǎn)換：在某些情況下，SR鎖存器也可以用于將瞬時脈沖信號轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電平信號。例如，一個短暫的低電平脈沖可以置位一個SR鎖存器，使其Q輸出保持高電平，直到被明確地復(fù)位。

5. 與其他觸發(fā)器的比較

理解74LS279的優(yōu)勢和局限性，有助于更好地選擇合適的邏輯器件。

• 與D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器相比：SR鎖存器是電平觸發(fā)的，這意味著只要S或R的輸入電平發(fā)生變化，輸出就會立即響應(yīng)。而D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器通常是邊沿觸發(fā)的，它們只在時鐘信號的上升沿或下降沿處改變狀態(tài)，這使得它們在同步時序電路中更為穩(wěn)定和可靠，可以避免“競爭”和“冒險”現(xiàn)象。SR鎖存器存在禁止?fàn)顟B(tài)（S=1, R=1），而D觸發(fā)器通過內(nèi)部設(shè)計消除了這種不確定性。JK觸發(fā)器則通過其固有的“翻轉(zhuǎn)”功能提供了更強(qiáng)大的狀態(tài)控制能力。

• 在時鐘同步系統(tǒng)中的局限性：由于SR鎖存器是電平觸發(fā)的，在需要嚴(yán)格時序控制的同步數(shù)字系統(tǒng)中，它們不如邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器實用。在復(fù)雜的同步系統(tǒng)中，使用電平觸發(fā)的鎖存器可能會導(dǎo)致不穩(wěn)定的狀態(tài)或競爭冒險。

6. 實際應(yīng)用中的注意事項

在使用74LS279或其他SR鎖存器時，需要注意以下幾點：

• 避免禁止?fàn)顟B(tài)：始終確保在設(shè)計中避免S和R輸入同時處于激活狀態(tài)，以防止產(chǎn)生不確定的輸出。

• 輸入信號的穩(wěn)定性：由于是電平觸發(fā)，輸入信號的毛刺或噪聲可能會導(dǎo)致輸出的意外翻轉(zhuǎn)。在關(guān)鍵應(yīng)用中，可能需要對輸入信號進(jìn)行去抖或濾波處理。

• 扇出和扇入：注意芯片的扇出能力（輸出可以驅(qū)動多少個門的輸入）和扇入要求（輸入端需要多少驅(qū)動電流），以確保電路的正常工作。

• 電源和地線：確保提供穩(wěn)定的電源電壓（VCC）和良好的接地（GND），以保證芯片的正常運(yùn)行和抗干擾能力。

• 溫度特性：了解芯片在不同溫度下的性能變化，尤其是在寬溫度范圍的應(yīng)用中。

7. 制造工藝與特性

74LS279屬于TTL家族的低功耗肖特基（LS）系列。

• TTL技術(shù)：TTL集成電路使用雙極性晶體管作為開關(guān)元件。它具有較好的驅(qū)動能力和抗噪聲能力，但功耗相對較高。

• 肖特基二極管：LS系列通過在晶體管基極和集電極之間引入肖特基二極管來加速晶體管的開關(guān)速度，并降低功耗。肖特基二極管的特殊結(jié)構(gòu)可以防止晶體管飽和，從而減少了關(guān)斷延遲時間。這使得LS系列芯片在速度和功耗之間取得了良好的平衡，使其成為當(dāng)時數(shù)字電路設(shè)計的流行選擇。

• 功耗：相比于標(biāo)準(zhǔn)的74系列TTL芯片，74LS系列顯著降低了功耗，這對于延長電池壽命或降低系統(tǒng)散熱需求至關(guān)重要。

• 傳播延遲：傳播延遲是指信號從輸入端到達(dá)輸出端所需的時間。74LS279的傳播延遲相對較短，這對于需要較高工作頻率的數(shù)字系統(tǒng)是有利的。

• 輸入/輸出特性：74LS279的輸入和輸出電平符合TTL標(biāo)準(zhǔn)，可以直接與其他TTL或兼容CMOS器件連接。輸入端通常需要一定的電流來驅(qū)動，而輸出端則能提供足夠的電流來驅(qū)動后續(xù)的邏輯門。

總結(jié)

74LS279作為一款經(jīng)典的四路SR鎖存器，在數(shù)字邏輯設(shè)計中扮演著基礎(chǔ)而重要的角色。它通過其內(nèi)部集成的SR鎖存器，實現(xiàn)了對一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的存儲和狀態(tài)保持功能。盡管在復(fù)雜的同步時序電路中，邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器（如D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器）更為常見和強(qiáng)大，但74LS279在去抖、簡單的狀態(tài)標(biāo)志、以及需要電平觸發(fā)的特定應(yīng)用中仍然具有不可替代的價值。理解其基本原理、工作方式以及在實際應(yīng)用中的注意事項，對于任何數(shù)字電路設(shè)計者來說都是至關(guān)重要的。

雖然74LS279是一款相對簡單的邏輯器件，但它體現(xiàn)了數(shù)字電路中數(shù)據(jù)存儲和狀態(tài)保持的核心思想，為更復(fù)雜的時序邏輯電路奠定了基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，新型的邏輯器件不斷涌現(xiàn)，但對74LS279這類基本元件的深入理解，仍然是掌握數(shù)字電子學(xué)不可或缺的一部分。