引言

在數(shù)字電子領(lǐng)域，74LS595（低功耗肖特基TTL）和74HC595（高速CMOS）是兩款廣泛應(yīng)用的8位串行輸入/并行輸出移位寄存器，它們在許多需要擴展微控制器GPIO的應(yīng)用中扮演著核心角色。這兩種芯片的功能相同，但在電源電壓范圍、功耗和速度特性上有所不同，使其適用于不同的設(shè)計場景。它們的主要作用是將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，從而允許微控制器使用少量的引腳控制大量的LED、數(shù)碼管、LCD顯示器或其他并行設(shè)備。這種串并轉(zhuǎn)換的能力極大地簡化了硬件設(shè)計，降低了布線復(fù)雜性，并有效節(jié)省了微控制器的寶貴引腳資源。理解其引腳功能和工作原理對于高效地利用這些芯片至關(guān)重要。

芯片概述

74LS595和74HC595芯片內(nèi)部集成了兩個主要的8位寄存器：一個8位移位寄存器（Shift Register）和一個8位存儲寄存器（Storage Register，也稱為鎖存器）。數(shù)據(jù)首先通過串行數(shù)據(jù)輸入引腳（DS）逐位移入移位寄存器。一旦8位數(shù)據(jù)全部移入，用戶可以通過一個脈沖將移位寄存器中的數(shù)據(jù)并行地傳輸?shù)酱鎯拇嫫?。存儲寄存器的?shù)據(jù)隨后通過8個并行輸出引腳（Q0-Q7）輸出，這些輸出引腳通常是三態(tài)的，可以通過一個輸出使能引腳（OE）進行控制。此外，芯片還提供一個串行數(shù)據(jù)輸出引腳（Q7'或QH'），允許將多個74595芯片級聯(lián)，以擴展輸出能力。這種串行輸入、并行輸出的設(shè)計使其成為微控制器與外部并行設(shè)備之間理想的接口橋梁，特別適用于那些對I/O端口需求旺盛，而微控制器自身I/O資源有限的場合。

74LS595/74HC595 芯片引腳圖

     ___ ___
DS  1|   U   |16 VCC
Q1  2|       |15 Q0
Q2  3|       |14 DS (SER) - 有時也標(biāo)為SER
Q3  4|       |13 GND
Q4  5|       |12 RCLK (STCP) - 存儲寄存器時鐘，有時也標(biāo)為STCP
Q5  6|       |11 SRCLK (SHCP) - 移位寄存器時鐘，有時也標(biāo)為SHCP
Q6  7|       |10 OE (GND) - 輸出使能，有時也標(biāo)為GND（使能時連接到GND）
Q7  8|_______| 9 Q7' (QH') - 串行數(shù)據(jù)輸出，有時也標(biāo)為QH'

重要說明： 盡管引腳圖上可能標(biāo)示為Q0-Q7，但在實際的PCB設(shè)計和芯片手冊中，為避免混淆，并行輸出引腳通常會明確標(biāo)記為Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7。某些數(shù)據(jù)手冊中，RCLK可能標(biāo)為STCP（Storage Register Clock），SRCLK可能標(biāo)為SHCP（Shift Register Clock），DS可能標(biāo)為SER（Serial Data Input），OE可能標(biāo)示為$overline{ ext{OE}}$或GND，Q7'可能標(biāo)示為QH'（Cascading Serial Output）。這些都是同一功能引腳的不同命名方式，理解其功能比記住具體名稱更為重要。

引腳功能詳細(xì)解釋

1. VCC (引腳 16): 電源正極

• 功能描述: VCC是芯片的電源輸入引腳，用于為內(nèi)部邏輯電路提供工作電壓。對于74LS595系列芯片，其典型工作電壓為5V。而對于74HC595系列芯片，它具有更寬的電源電壓范圍，通常在2V到6V之間。選擇合適的電源電壓對于芯片的穩(wěn)定工作至關(guān)重要。過高或過低的電壓都可能導(dǎo)致芯片損壞或功能異常。在實際應(yīng)用中，VCC引腳通常連接到微控制器或其他電路的VCC電源線上，并建議在VCC和GND之間放置一個0.1$mu$F的去耦電容，以濾除電源噪聲，確保芯片供電的穩(wěn)定性。去耦電容應(yīng)盡可能靠近芯片的VCC引腳放置。

2. GND (引腳 8 或 13): 接地

• 功能描述: GND是芯片的接地引腳，為所有內(nèi)部電路提供公共的參考電位。所有信號的電壓都是相對于GND來測量的。GND引腳必須牢固地連接到電路的公共地線上。與VCC引腳類似，GND的連接質(zhì)量直接影響芯片的抗干擾能力和工作穩(wěn)定性。

3. DS / SER (引腳 14): 串行數(shù)據(jù)輸入

• 功能描述: DS（Data Serial）或SER（Serial Data Input）是74595芯片的串行數(shù)據(jù)輸入引腳。所有要移入移位寄存器的數(shù)據(jù)都通過這個引腳逐位輸入。數(shù)據(jù)的輸入是同步的，即每當(dāng)移位寄存器時鐘（SRCLK/SHCP）引腳接收到一個上升沿時，DS引腳上的電平（高電平或低電平）就會被移入移位寄存器的最低位（Q0）。因此，在SRCLK/SHCP的每個上升沿到來之前，DS引腳上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定。為了確保正確的位移，微控制器通常會在發(fā)送每個數(shù)據(jù)位之前，將DS引腳設(shè)置為相應(yīng)的高低電平，然后發(fā)送一個SRCLK/SHCP脈沖。

4. SRCLK / SHCP (引腳 11): 移位寄存器時鐘

• 功能描述: SRCLK（Shift Register Clock）或SHCP（Shift Clock Pulse）是移位寄存器時鐘輸入引腳。這個引腳控制著串行數(shù)據(jù)在移位寄存器內(nèi)部的移動。當(dāng)SRCLK/SHCP引腳從低電平變?yōu)楦唠娖剑ㄉ仙兀r，DS引腳上的當(dāng)前數(shù)據(jù)位被移入移位寄存器的Q0位，同時移位寄存器中原有的數(shù)據(jù)向高位移動一位（Q0移到Q1，Q1移到Q2，以此類推，Q7的數(shù)據(jù)被移出）。要將一個完整的8位字節(jié)移入74595，需要向SRCLK/SHCP引腳發(fā)送8個上升沿時鐘脈沖，并且在每個脈沖的上升沿到來之前，DS引腳上必須準(zhǔn)備好相應(yīng)的位數(shù)據(jù)。

5. RCLK / STCP (引腳 12): 存儲寄存器時鐘/鎖存時鐘

• 功能描述: RCLK（Register Clock）或STCP（Storage Clock Pulse）是存儲寄存器時鐘輸入引腳，也常被稱為鎖存時鐘。它的作用是將移位寄存器中的8位數(shù)據(jù)并行地傳輸（鎖存）到存儲寄存器中。與SRCLK不同，RCLK/STCP通常只需要一個上升沿脈沖。當(dāng)RCLK/STCP引腳從低電平變?yōu)楦唠娖剑ㄉ仙兀r，當(dāng)前移位寄存器中的全部8位數(shù)據(jù)將被同步復(fù)制到存儲寄存器。一旦數(shù)據(jù)被鎖存到存儲寄存器中，即使移位寄存器中的數(shù)據(jù)繼續(xù)發(fā)生變化（例如，移入新的數(shù)據(jù)），并行輸出引腳（Q0-Q7）上的數(shù)據(jù)也會保持穩(wěn)定，直到下一次RCLK/STCP的上升沿到來。這對于避免輸出數(shù)據(jù)的瞬時抖動非常重要，尤其是在驅(qū)動顯示器等對數(shù)據(jù)穩(wěn)定性有要求的設(shè)備時。

6. OE / overlinetextOE (引腳 10): 輸出使能

• 功能描述: OE（Output Enable）或$overline{ ext{OE}}$（Output Enable Bar，表示低電平有效）是并行輸出引腳（Q0-Q7）的使能控制引腳。這個引腳通常是一個低電平有效的輸入引腳，即當(dāng)OE引腳為低電平（0V）時，并行輸出引腳（Q0-Q7）被使能，它們的輸出狀態(tài)與存儲寄存器中的數(shù)據(jù)一致（高電平或低電平）。當(dāng)OE引腳為高電平（VCC）時，并行輸出引腳進入高阻態(tài)（High-Impedance State）。在高阻態(tài)下，這些引腳相當(dāng)于斷開連接，不輸出高電平也不輸出低電平，可以有效避免與其他設(shè)備之間的信號沖突。這個功能在多路復(fù)用或需要動態(tài)控制輸出的場合非常有用，例如在LED點陣顯示中，可以利用OE快速地開關(guān)LED的顯示，實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)或掃描顯示。在不需要輸出高阻態(tài)的情況下，OE引腳通常直接接地以始終使能輸出。

7. MR / overlinetextMR (引腳 10, 與OE共用一個引腳號，但在不同的芯片型號或數(shù)據(jù)手冊中，這個引腳可能被標(biāo)記為$overline{ ext{MR}}$或CLEAR): 主復(fù)位/清零

• 功能描述: 有些版本的74595芯片，特別是某些變體，會將引腳10設(shè)計為主復(fù)位（Master Reset，overlinetextMR）功能，而不是輸出使能。然而，更常見的74LS595和74HC595版本中，引腳10通常是OE。如果引腳10被設(shè)計為$overline{ ext{MR}}，則它是一個低電平有效的異步清零引腳。當(dāng)overline{ ext{MR}}引腳被拉低（0V）時，移位寄存器和存儲寄存器中的所有數(shù)據(jù)位都會被異步清零為0。這意味著無論時鐘信號如何，只要overline{ ext{MR}}為低，芯片的輸出就會被強制清零。這個功能在系統(tǒng)初始化或需要快速重置芯片狀態(tài)時非常有用。??需要強調(diào)的是，對于大多數(shù)市面上常見的74LS595和74HC595芯片，引腳10是OE而不是overline{ ext{MR}}$。** 在使用時務(wù)必查閱具體芯片的數(shù)據(jù)手冊以確認(rèn)其功能。

8. Q0 - Q7 (引腳 15, 2, 3, 4, 5, 6, 7): 并行數(shù)據(jù)輸出

• 功能描述: Q0到Q7是74595芯片的8個并行數(shù)據(jù)輸出引腳。這些引腳直接連接到內(nèi)部的存儲寄存器，并受OE引腳的控制。當(dāng)OE引腳使能（通常為低電平）時，Q0-Q7引腳的輸出電平將反映存儲寄存器中對應(yīng)的8位數(shù)據(jù)。Q0是最低有效位（LSB），Q7是最高有效位（MSB）。這些引腳可以直接驅(qū)動LED、繼電器或其他TTL/CMOS兼容的數(shù)字輸入。在設(shè)計電路時，需要考慮這些輸出引腳的驅(qū)動能力（灌電流和拉電流），以確保它們能夠滿足所連接負(fù)載的需求。例如，驅(qū)動高亮LED時可能需要外部限流電阻。

9. Q7' / QH' (引腳 9): 串行數(shù)據(jù)輸出（級聯(lián)輸出）

• 功能描述: Q7'（Q seven prime）或QH'（Q High-bit serial output）是74595芯片的串行數(shù)據(jù)輸出引腳。這個引腳輸出的是移位寄存器中最高位（Q7）的數(shù)據(jù)。它的主要作用是用于將多個74595芯片進行級聯(lián)。當(dāng)一個芯片的Q7'引腳連接到下一個芯片的DS引腳時，可以實現(xiàn)對更多并行輸出的擴展。每當(dāng)一個SRCLK/SHCP脈沖到來時，移位寄存器中的數(shù)據(jù)向高位移動，Q7的數(shù)據(jù)被“推出”并通過Q7'引腳輸出。因此，通過這種級聯(lián)方式，我們可以使用微控制器的三個引腳（DS、SRCLK、RCLK）控制任意數(shù)量的74595芯片，從而控制更多的輸出設(shè)備。例如，連接兩個74595芯片可以提供16個并行輸出，連接三個可以提供24個，以此類推。這種級聯(lián)特性使得74595成為I/O擴展的理想選擇。

74595 芯片工作原理

理解74595的工作原理對于正確使用它至關(guān)重要。其核心在于兩個8位寄存器：移位寄存器和存儲寄存器，以及它們之間的協(xié)調(diào)工作。

1. 串行數(shù)據(jù)輸入與移位寄存器

數(shù)據(jù)通過DS引腳串行地進入芯片。每當(dāng)SRCLK（移位寄存器時鐘）引腳接收到一個上升沿時，DS引腳上的當(dāng)前邏輯狀態(tài)（高電平或低電平）就被讀入到移位寄存器的最低位（Q0）。同時，移位寄存器中原有的所有數(shù)據(jù)位都會向高位移動一位。例如，原本在Q0的數(shù)據(jù)會移到Q1，Q1的數(shù)據(jù)移到Q2，以此類推，直到Q6的數(shù)據(jù)移到Q7。而原來在Q7的數(shù)據(jù)則會通過Q7'（QH'）引腳被移出芯片。

這個過程就像一列火車，每一節(jié)車廂代表一個數(shù)據(jù)位。DS是入口，SRCLK是推動火車前進的動力。當(dāng)車廂進入入口時，整列火車就向前移動一節(jié)。為了將一個完整的8位字節(jié)數(shù)據(jù)移入，微控制器需要執(zhí)行8次這樣的操作：

• 設(shè)置DS引腳為當(dāng)前位的數(shù)據(jù)。

• 發(fā)送一個SRCLK上升沿脈沖。

• 重復(fù)以上兩步8次，從最高位（MSB）或最低位（LSB）開始發(fā)送，取決于你的數(shù)據(jù)組織方式，但通常是MSB在前。

例如，如果要發(fā)送數(shù)據(jù)0b10110010 (二進制表示)：

1. 將DS設(shè)置為1（MSB）。發(fā)送SRCLK上升沿。

2. 將DS設(shè)置為0。發(fā)送SRCLK上升沿。

3. 將DS設(shè)置為1。發(fā)送SRCLK上升沿。 ...

4. 將DS設(shè)置為0（LSB）。發(fā)送SRCLK上升沿。

在8個SRCLK脈沖之后，整個8位數(shù)據(jù)就會完全存儲在移位寄存器中。

2. 數(shù)據(jù)鎖存與存儲寄存器

僅僅將數(shù)據(jù)移入移位寄存器是不夠的，因為移位寄存器中的數(shù)據(jù)在后續(xù)的SRCLK脈沖中會不斷移動。為了使并行輸出穩(wěn)定，需要將移位寄存器中的數(shù)據(jù)“鎖存”到存儲寄存器中。

這個操作由RCLK（存儲寄存器時鐘）引腳控制。當(dāng)RCLK引腳接收到一個上升沿時，移位寄存器中的所有8位數(shù)據(jù)會同步、并行地復(fù)制到存儲寄存器中。一旦數(shù)據(jù)被鎖存，存儲寄存器中的數(shù)據(jù)將保持不變，直到下一次RCLK的上升沿到來，即使移位寄存器中的數(shù)據(jù)在此期間因為新的SRCLK脈沖而發(fā)生了變化。

這種兩級寄存器（移位寄存器和存儲寄存器）的設(shè)計是74595的關(guān)鍵優(yōu)勢之一。它允許在后臺準(zhǔn)備新的輸出數(shù)據(jù)（通過DS和SRCLK），而當(dāng)前顯示的輸出（通過存儲寄存器）仍然保持穩(wěn)定。只有當(dāng)所有新數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒并需要更新時，才發(fā)送一個RCLK脈沖進行更新，從而避免了輸出抖動，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3. 并行輸出與輸出使能

存儲寄存器中的數(shù)據(jù)通過Q0-Q7引腳并行輸出。這些輸出引腳是三態(tài)的，其工作狀態(tài)受OE（輸出使能）引腳的控制。

• 當(dāng)OE引腳為低電平時，Q0-Q7引腳正常輸出存儲寄存器中的數(shù)據(jù)。

• 當(dāng)OE引腳為高電平時，Q0-Q7引腳進入高阻態(tài)。在高阻態(tài)下，這些引腳表現(xiàn)為斷路，不吸收電流也不提供電流，這對于在總線上連接多個設(shè)備或需要動態(tài)開關(guān)輸出的應(yīng)用非常有用。

在大多數(shù)簡單的應(yīng)用中，為了持續(xù)顯示輸出，OE引腳通常直接連接到GND。

4. 級聯(lián)工作

74595的Q7'（QH'）引腳是移位寄存器的串行輸出，它輸出移位寄存器中Q7位的數(shù)據(jù)。這個引腳使得多個74595芯片可以方便地進行級聯(lián)，以擴展并行輸出的數(shù)量。

當(dāng)多個74595級聯(lián)時，第一個芯片的Q7'引腳連接到第二個芯片的DS引腳，第二個芯片的Q7'連接到第三個芯片的DS引引腳，以此類推。所有級聯(lián)芯片的SRCLK和RCLK引腳通常都連接到同一個時鐘源（例如微控制器的相應(yīng)引腳）。OE引腳可以單獨控制每個芯片，也可以共同控制。

通過這種方式，微控制器只需要三個引腳（一個DS、一個SRCLK、一個RCLK）就可以控制任意數(shù)量的74595芯片，從而實現(xiàn)數(shù)十個甚至上百個并行輸出的控制，這對于驅(qū)動大型LED陣列、點陣顯示屏或多個數(shù)碼管顯示器等應(yīng)用場合非常有優(yōu)勢。

74LS595 與 74HC595 的區(qū)別

雖然74LS595和74HC595在功能引腳上完全兼容，但它們屬于不同的邏輯家族，因此在電氣特性上存在顯著差異。了解這些差異對于選擇合適的芯片至關(guān)重要。

1. 邏輯家族

• 74LS595: 屬于低功耗肖特基TTL（Transistor-Transistor Logic） 系列。TTL邏輯器件使用雙極性晶體管制造，其特點是速度相對較快，但功耗相對較高，且輸入輸出電平與CMOS不完全兼容，通常工作在5V電源。

• 74HC595: 屬于高速CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor） 系列。CMOS邏輯器件使用MOSFET晶體管制造，其特點是功耗極低（尤其是在靜態(tài)時），輸入輸出阻抗高，且具有較寬的電源電壓范圍。

2. 電源電壓范圍

• 74LS595: 典型工作電壓為 5V（標(biāo)準(zhǔn)范圍可能在4.75V至5.25V）。對電源電壓要求相對嚴(yán)格。

• 74HC595: 具有更寬的電源電壓范圍，通常為 2V至6V。這使得它在電池供電或需要與不同電壓等級設(shè)備連接的場合更具靈活性。

3. 功耗

• 74LS595: 相對而言，功耗較高，尤其是在動態(tài)工作時。這主要是因為TTL器件在輸出高電平時仍然會有一定的靜態(tài)電流，并且在開關(guān)過程中會有較大的瞬態(tài)電流。

• 74HC595: 功耗極低，尤其是在靜態(tài)（沒有信號切換）時。CMOS器件的功耗主要來源于動態(tài)功耗，即在輸入信號切換時對內(nèi)部電容的充放電。在大多數(shù)應(yīng)用中，74HC595的功耗遠(yuǎn)低于74LS595，這對于電池供電系統(tǒng)或?qū)拿舾械膽?yīng)用至關(guān)重要。

4. 速度特性

• 74LS595: 速度相對較快，但與現(xiàn)代CMOS高速芯片相比，其最大時鐘頻率和傳播延遲可能略遜一籌。

• 74HC595: 盡管是CMOS，但它屬于高速CMOS系列，因此其開關(guān)速度和時鐘頻率可以與LS系列相媲美，甚至在某些情況下更快。其傳播延遲通常較短，允許在更高的頻率下工作。

5. 輸入/輸出電平

• 74LS595:

• 輸入高電平閾值 (textV_textIH) 較高，通常要求輸入電壓至少達(dá)到2V才被識別為高電平。

• 輸入低電平閾值 (textV_textIL) 較低，通常要求輸入電壓不高于0.8V才被識別為低電平。

• 輸出高電平 (textV_textOH) 典型值在2.7V以上。

• 輸出低電平 (textV_textOL) 典型值在0.5V以下。

• 輸出驅(qū)動電流（特別是灌電流，sink current）較大，能夠驅(qū)動多個TTL輸入。

• 74HC595:

• 輸入高電平閾值 (textV_textIH) 通常是VCC的70%左右，例如在5V供電下，約為3.5V。

• 輸入低電平閾值 (textV_textIL) 通常是VCC的30%左右，例如在5V供電下，約為1.5V。

• 輸出高電平 (textV_textOH) 接近VCC，通常在VCC-0.1V以內(nèi)。

• 輸出低電平 (textV_textOL) 接近GND，通常在GND+0.1V以內(nèi)。

• 輸出驅(qū)動電流相對較弱，但足以驅(qū)動大多數(shù)CMOS輸入或中小功率負(fù)載。對于驅(qū)動LED等負(fù)載，通常需要額外的限流電阻。

6. 抗干擾能力

• 74LS595: TTL器件在輸入端通常需要上拉電阻，對噪聲敏感度中等。

• 74HC595: CMOS器件具有高輸入阻抗，因此對輸入噪聲的敏感度較低，抗干擾能力較強。

7. 應(yīng)用場景建議

• 選擇74LS595:

• 當(dāng)你的系統(tǒng)主要采用5V TTL邏輯，且對功耗不敏感時。

• 需要較高的輸出灌電流來驅(qū)動某些特定TTL負(fù)載時。

• 對成本非常敏感時，有時LS系列會更便宜。

• 選擇74HC595:

• 當(dāng)你的系統(tǒng)采用3.3V或5V的CMOS邏輯，例如使用STM32、ESP32等微控制器時。

• 對功耗有嚴(yán)格要求，例如電池供電應(yīng)用。

• 需要寬電源電壓范圍的應(yīng)用。

• 對噪聲容限和抗干擾能力有較高要求時。

總結(jié)： 盡管兩者功能相同，但74HC595通常是更現(xiàn)代、更通用、功耗更低的選擇，尤其是在與微控制器（通常是CMOS器件）接口時，其電平兼容性更好。74LS595則在一些遺留系統(tǒng)或特定TTL驅(qū)動需求下仍有應(yīng)用。

74595 芯片的典型應(yīng)用

74595芯片因其獨特的串行輸入/并行輸出特性，在許多電子設(shè)計中都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。以下是一些典型的應(yīng)用場景：

1. 驅(qū)動多個LED

這是74595最常見也最直觀的應(yīng)用之一。微控制器通常只有有限的GPIO引腳，如果直接驅(qū)動大量的LED（例如8個、16個、甚至更多），會迅速耗盡微控制器的引腳資源。通過使用74595，微控制器只需要3個引腳（DS、SRCLK、RCLK）就可以控制8個LED。通過級聯(lián)多個74595，可以輕松控制數(shù)十個甚至上百個LED，這在LED指示燈陣列、燈光效果、簡易跑馬燈等應(yīng)用中非常普遍。

• 應(yīng)用原理： 將每個74595的Q0-Q7輸出引腳通過限流電阻連接到LED的陽極（共陰連接）或陰極（共陽連接）。微控制器將待點亮的LED狀態(tài)（1表示亮，0表示滅）打包成一個字節(jié)，并通過DS和SRCLK串行發(fā)送到74595的移位寄存器。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，發(fā)送一個RCLK脈沖將數(shù)據(jù)鎖存到存儲寄存器，從而點亮或熄滅相應(yīng)的LED。

2. 驅(qū)動數(shù)碼管顯示器（七段數(shù)碼管或點陣數(shù)碼管）

數(shù)碼管是另一種典型的并行驅(qū)動設(shè)備。一個七段數(shù)碼管通常需要7個段（a-g）和一個小數(shù)點（dp）共8個引腳來控制。如果直接用微控制器驅(qū)動，每個數(shù)碼管就需要8個引腳。使用74595，一個芯片可以驅(qū)動一個數(shù)碼管的所有段，極大地節(jié)省了微控制器的I/O。

• 應(yīng)用原理： 74595的Q0-Q7輸出引腳分別連接到數(shù)碼管的a-g和dp段。微控制器發(fā)送代表數(shù)字或字符段碼的字節(jié)到74595，然后鎖存，即可顯示對應(yīng)的數(shù)字。在多位數(shù)碼管顯示中，通常會采用多路復(fù)用（Multiplexing）技術(shù)，即用多個74595分別驅(qū)動每個數(shù)碼管的段，同時用微控制器的另外引腳（或另一個74595）控制每個數(shù)碼管的公共端（共陽極或共陰極），并通過快速輪流刷新實現(xiàn)多位顯示。

3. 驅(qū)動LCD顯示器（特別是字符型LCD，如1602 LCD）

許多字符型LCD顯示模塊，如常用的1602或2004 LCD，通常有8位并行數(shù)據(jù)接口（D0-D7）。直接連接需要占用微控制器8個GPIO口，加上RS、RW、E等控制線，總共需要11個引腳。通過74595，可以將8位數(shù)據(jù)線簡化為串行輸入，從而大幅減少微控制器與LCD連接的引腳數(shù)量。

• 應(yīng)用原理： 74595的Q0-Q7連接到LCD的D0-D7數(shù)據(jù)線。RS、RW、E線可以直接由微控制器控制，或者也可以通過額外的74595引腳來控制，但通常為了時序的精確控制，RS和E會直接連接到微控制器。通過這種方式，微控制器可以用串行方式向74595發(fā)送LCD指令或數(shù)據(jù)，再由74595并行輸出給LCD。

4. 鍵盤掃描（小型矩陣鍵盤）

在一些小型矩陣鍵盤（如4x4鍵盤）中，74595可以用于掃描鍵盤的行或列。通過驅(qū)動74595的輸出引腳，逐行或逐列地驅(qū)動鍵盤，然后讀取微控制器的輸入引腳，從而判斷按鍵狀態(tài)。

• 應(yīng)用原理： 將74595的Q0-Q7連接到鍵盤的行線或列線。通過每次只驅(qū)動一個輸出引腳為高電平（或其他邏輯），然后讀取另一組輸入引腳的電平，來判斷哪個按鍵被按下。例如，將74595的輸出連接到4x4矩陣鍵盤的4列，然后將4行連接到微控制器的4個輸入引腳，通過掃描每列來檢測行輸入。

5. 級聯(lián)擴展 I/O 口

這是74595最強大的功能之一。通過Q7'（QH'）引腳，可以將多個74595芯片串聯(lián)起來，形成一個更長的移位寄存器，從而實現(xiàn)無限量的I/O擴展（理論上無限，實際上受限于時序和信號完整性）。

• 應(yīng)用原理： 第一個74595的Q7'連接到第二個74595的DS，第二個的Q7'連接到第三個的DS，依此類推。所有芯片的SRCLK和RCLK都并聯(lián)到微控制器相應(yīng)的引腳上。微控制器一次性發(fā)送N個字節(jié)（N為芯片數(shù)量）的數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)會依次經(jīng)過所有芯片的移位寄存器，直到所有數(shù)據(jù)到位。最后，一個RCLK脈沖將所有芯片的數(shù)據(jù)同步鎖存到各自的存儲寄存器，實現(xiàn)同時更新所有輸出。這種方法在控制大量獨立輸出（如LED陣列、繼電器陣列）時非常有效。

6. 并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與存儲

在某些需要將串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，并保持輸出一段時間的場合，74595也很有用。例如，從串行通信接口（SPI、UART等）接收到的數(shù)據(jù)需要并行輸出給其他設(shè)備。

• 應(yīng)用原理： 微控制器或?qū)Ｓ么薪涌趯?shù)據(jù)串行發(fā)送到74595，然后74595將其轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，供后端設(shè)備使用。鎖存功能確保了并行數(shù)據(jù)在整個操作周期中的穩(wěn)定性。

7. 數(shù)字信號多路分配

雖然不是其主要設(shè)計用途，但在某些情況下，74595也可以用于將一個串行輸入信號，通過移位和鎖存，并行地分配到不同的輸出線上。例如，將一個配置字通過串行方式寫入，然后將其不同位用于控制不同功能。

總結(jié)： 74595芯片以其簡單高效的串并轉(zhuǎn)換能力，成為微控制器擴展I/O的“瑞士軍刀”。無論是簡單的LED驅(qū)動，還是復(fù)雜的顯示控制，甚至是大規(guī)模的I/O擴展，它都提供了一個成本效益高、易于實現(xiàn)的解決方案。

74595 芯片使用注意事項與編程思路

正確使用74595芯片不僅需要理解其引腳功能，還需要掌握相應(yīng)的編程時序和一些電路設(shè)計上的注意事項。

1. 時序圖與控制順序

理解74595的時序圖是編程的關(guān)鍵。雖然不同型號的數(shù)據(jù)手冊可能略有差異，但核心原理是一致的：

• 步驟一：準(zhǔn)備數(shù)據(jù)

• 在每次SRCLK上升沿到來之前，將DS引腳設(shè)置為待發(fā)送的當(dāng)前數(shù)據(jù)位（高電平或低電平）。數(shù)據(jù)位的順序通常從最高位（MSB）開始發(fā)送，但也可以從最低位（LSB）開始，只要保證微控制器和74595的解析順序一致即可。

• 步驟二：移入數(shù)據(jù)

• 發(fā)送一個SRCLK脈沖：將SRCLK引腳從低電平拉高（上升沿），然后拉低。這個上升沿會將DS引腳上的數(shù)據(jù)移入移位寄存器。

• 重復(fù)步驟一和步驟二共8次（對于8位數(shù)據(jù)）。完成8次操作后，8位數(shù)據(jù)就全部進入了移位寄存器。

• 步驟三：鎖存數(shù)據(jù)

• 發(fā)送一個RCLK脈沖：將RCLK引腳從低電平拉高（上升沿），然后拉低。這個上升沿會將移位寄存器中的數(shù)據(jù)并行地傳輸?shù)酱鎯拇嫫?，并更新Q0-Q7輸出。

• 步驟四：控制輸出使能（可選）

• 如果需要控制輸出的開啟/關(guān)閉，在數(shù)據(jù)傳輸完成后，根據(jù)需要設(shè)置OE引腳的電平。通常OE引腳接GND，則無需額外控制。如果用于動態(tài)使能或多路復(fù)用，則根據(jù)需求進行高低電平切換。

典型編程偽代碼示例 (C語言，基于Arduino/STM32等微控制器):

// 假設(shè)微控制器引腳定義#define DS_PIN      PA0  // 對應(yīng) 74595 的 DS/SER#define SRCLK_PIN   PA1  
// 對應(yīng) 74595 的 SRCLK/SHCP#define RCLK_PIN    PA2  // 對應(yīng) 74595 的 RCLK/STCP#define OE_PIN      PA3  
// 對應(yīng) 74595 的 OE (如果需要控制)// 假設(shè)已經(jīng)初始化了GPIO引腳為輸出模式void write_595_byte(uint8_t data) { 
// 確保時鐘線初始為低電平
    digitalWrite(RCLK_PIN, LOW);
    digitalWrite(SRCLK_PIN, LOW);    // 循環(huán)發(fā)送8位數(shù)據(jù)
    for (int i = 0; i < 8; i++) {        // 從最高位 (MSB) 開始發(fā)送
        // 將當(dāng)前位數(shù)據(jù)發(fā)送到DS引腳
        digitalWrite(DS_PIN, (data & 0x80) ? HIGH : LOW); // 0x80 = 10000000b

        // 發(fā)送SRCLK上升沿
        digitalWrite(SRCLK_PIN, HIGH);        // 小延時確保時序穩(wěn)定，通常不需要顯式延時，
        除非MCU速度非?？?br/>        // delayMicroseconds(1); 
        digitalWrite(SRCLK_PIN, LOW);        // 移位到下一位
        data <<= 1; // 左移一位，將下一位移到MSB位置
    }    // 鎖存數(shù)據(jù)到存儲寄存器
    digitalWrite(RCLK_PIN, HIGH);    // 小延時
    // delayMicroseconds(1);
    digitalWrite(RCLK_PIN, LOW);    // 可選：如果OE不是直接接地，可以在這里控制
    // digitalWrite(OE_PIN, LOW); // 使能輸出}// 示例用法：點亮Q0和Q7// write_595_byte(0b10000001); 
    // 對應(yīng)十進制 129// 級聯(lián)兩個74595的例子 (發(fā)送兩個字節(jié))void write_595_bytes_cascaded(uint8_t data1, 
    uint8_t data2) {    // 確保時鐘線初始為低電平
    digitalWrite(RCLK_PIN, LOW);
    digitalWrite(SRCLK_PIN, LOW);    // 先發(fā)送給第二個芯片的數(shù)據(jù)，它會先通過第一個芯片
    // 循環(huán)發(fā)送第二個字節(jié)
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        digitalWrite(DS_PIN, (data2 & 0x80) ? HIGH : LOW);
        digitalWrite(SRCLK_PIN, HIGH);
        digitalWrite(SRCLK_PIN, LOW);
        data2 <<= 1;
    }    // 再發(fā)送給第一個芯片的數(shù)據(jù)
    // 循環(huán)發(fā)送第一個字節(jié)
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        digitalWrite(DS_PIN, (data1 & 0x80) ? HIGH : LOW);
        digitalWrite(SRCLK_PIN, HIGH);
        digitalWrite(SRCLK_PIN, LOW);
        data1 <<= 1;
    }    // 鎖存所有芯片的數(shù)據(jù)
    digitalWrite(RCLK_PIN, HIGH);
    digitalWrite(RCLK_PIN, LOW);
}

2. 電源與去耦

• 電源穩(wěn)定性： 為74595提供穩(wěn)定的電源電壓至關(guān)重要。電源波動或噪聲可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤或芯片工作不穩(wěn)定。

• 去耦電容： 在74595的VCC和GND引腳之間，應(yīng)盡可能靠近芯片放置一個0.1$mu$F的陶瓷去耦電容。這個電容能夠濾除電源線上的高頻噪聲，并為芯片在瞬態(tài)開關(guān)時提供瞬時電流，從而確保芯片的穩(wěn)定工作。對于多個74595芯片，每個芯片都應(yīng)該有一個獨立的去耦電容。

3. 輸出限流電阻

• 當(dāng)74595的輸出引腳直接驅(qū)動LED時，必須在每個LED和74595輸出之間串聯(lián)一個限流電阻。這是為了限制流過LED的電流，防止LED燒毀，也防止74595的輸出引腳過載。電阻值根據(jù)LED的類型、正向電壓和所需電流以及電源電壓來計算。

• 計算公式：R=(textVCC?textV?textF)/textI?textF

• 其中，VCC是電源電壓，$ ext{V}{ ext{F}}是LED的正向電壓（通常為1.8V?3.5V）， ext{I}{ ext{F}}$是LED的正向電流（通常為5mA-20mA）。

4. 未使用引腳處理

• 對于不使用的輸入引腳（例如，如果OE始終接地），應(yīng)該將其連接到確定的邏輯電平（VCC或GND），而不是懸空。懸空的輸入引腳容易受到噪聲干擾，導(dǎo)致芯片行為異常。對于74595而言，如果OE引腳不需要動態(tài)控制，通常將其直接接地。

• 未使用的輸出引腳可以懸空，但如果設(shè)計中考慮到電磁兼容性（EMC）問題，有時也會連接到小電阻再接地，以避免成為天線，但這通常不是必須的。

5. 級聯(lián)時的時序考慮

• 在級聯(lián)多個74595時，所有芯片的SRCLK和RCLK引腳通常是并聯(lián)的，由微控制器統(tǒng)一控制。

• 數(shù)據(jù)發(fā)送順序：當(dāng)向多個級聯(lián)的74595發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要從最遠(yuǎn)端的74595（也就是數(shù)據(jù)最終會流到其Q7'，然后到下一個芯片DS的那個芯片）開始發(fā)送數(shù)據(jù)。例如，如果串聯(lián)了A、B、C三個芯片（微控制器->A->B->C），微控制器應(yīng)該先發(fā)送給C的數(shù)據(jù)，然后是B的數(shù)據(jù)，最后是A的數(shù)據(jù)。因為每次SRCLK脈沖，數(shù)據(jù)都會向前推進一位，所以最先發(fā)送的數(shù)據(jù)會“穿過”前面的芯片，最終到達(dá)最遠(yuǎn)端的芯片。

• 一旦所有數(shù)據(jù)位都被移入到所有級聯(lián)芯片的移位寄存器中，再發(fā)送一個RCLK脈沖，所有芯片的存儲寄存器會同時更新。

6. 功耗考慮

• 雖然74HC595的靜態(tài)功耗很低，但在高頻切換時，動態(tài)功耗會增加。

• 驅(qū)動大量LED或其他高電流負(fù)載時，應(yīng)確保電源能夠提供足夠的電流。單個74595的輸出驅(qū)動能力有限，如果每個輸出都要驅(qū)動較大的電流，總電流可能會超過芯片或電源的承載能力。必要時，可能需要外部驅(qū)動電路，如晶體管陣列（ULN2003等）或MOSFET來放大驅(qū)動能力。

7. 復(fù)位功能（如果可用）

• 如果您的74595芯片帶有$overline{ ext{MR}}（主復(fù)位）引腳（通常是引腳10，與OE共用），在系統(tǒng)上電初始化時，可以通過拉低overline{ ext{MR}}引腳來清空所有寄存器，確保芯片處于已知狀態(tài)。在正常工作時，應(yīng)將overline{ ext{MR}}拉高（連接到VCC）以避免誤觸發(fā)復(fù)位。??再次強調(diào)，對于大部分常見的74LS595/74HC595，引腳10是OE而不是overline{ ext{MR}}$。**

總結(jié)： 74595是一款非常實用的芯片，但它的使用也需要遵循一定的規(guī)范和時序。掌握其工作原理、引腳功能以及編程時序，結(jié)合電路設(shè)計中的注意事項，可以幫助開發(fā)者高效地利用它來擴展微控制器的I/O能力，從而實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制和顯示功能。通過串行通信和并行輸出的巧妙結(jié)合，74595極大地簡化了硬件連接，是數(shù)字電路設(shè)計中不可或缺的工具。