深入解析74HC595移位寄存器的工作原理

深入解析74HC595移位寄存器的工作原理

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_72935001/article/details/140475227

74HC595是一种常见的8位串行输入并行输出（SIPO）移位寄存器，广泛应用于电子项目中，用于扩展微控制器的输出引脚。它可以通过串行数据输入，将数据转换为并行输出，从而控制多个LED、显示器或其他设备。本文将深入解析74HC595的工作原理及其级联使用方法。

什么是74HC595？

74HC595是一种串行输入并行输出（SIPO）移位寄存器。它通过三根线输入串行数据，并通过八根线输出并行数据。多个74HC595可以级联使用，从而实现16位、24位、32位等更高位数的并行输出，广泛应用于I/O口扩展。其中并行输出为三态输出（即高电平、低电平和高阻抗）。

什么是三态？

在数字电路中，通常有两种基本状态：高电平（逻辑1）和低电平（逻辑0）。三态（Tri-state）是一种特殊的输出状态，除了高电平和低电平外，还有第三种状态，即高阻抗状态（Z）。

• 高电平（1）：电路输出高电平信号。
• 低电平（0）：电路输出低电平信号。
• 高阻抗（Z）：电路输出呈现高阻抗状态，相当于断开，不影响电路其他部分。

三态逻辑通常通过使用一个额外的控制信号（如输出使能信号 OE）来实现。当输出使能信号为有效状态时，输出可以是高电平或低电平；当输出使能信号为无效状态时，输出为高阻抗状态。

例如，在74HC595移位寄存器中，OE引脚控制Q0-Q7输出是否为有效状态。将OE置为高电平，Q0-Q7进入高阻抗状态；将OE置为低电平，Q0-Q7输出正常的高电平或低电平。

工作原理

首先，通过DS（数据输入）引脚输入串行数据，每次输入一个位。每当SH_CP（移位时钟）引脚接收到一个时钟脉冲时，移位寄存器中的数据向左移位一位，新数据位从DS引脚进入移位寄存器的最低位（Q0）。这个过程会在每个时钟脉冲的上升沿发生。当ST_CP（存储时钟）引脚接收到一个时钟脉冲时，移位寄存器中的数据被锁存到输出寄存器中，更新输出引脚的状态。这个锁存过程也在时钟脉冲的上升沿发生。通过OE（输出使能）引脚控制输出是否有效。当OE引脚为低电平时，输出寄存器中的数据通过Q0-Q7引脚输出；当OE引脚为高电平时，输出处于高阻态。

74HC595移位寄存器有三个主要引脚用于数据传输：

• DS（数据输入）：这是串行数据输入引脚，用于接收串行数据。
• SH_CP（移位时钟）：每次时钟脉冲时，数据向移位寄存器中移位一位。这个引脚用于同步数据的移位操作。
• ST_CP（存储时钟）：将移位寄存器中的数据锁存到输出寄存器中。这个引脚用于将移位寄存器中的数据传输到输出寄存器，从而更新输出状态。

此外，还有一个OE（输出使能）引脚，用于控制输出是否有效。当OE引脚为低电平时，输出有效；当OE引脚为高电平时，输出处于高阻态。

级联工作原理

当需要更多IO引脚可以进行级联，级联工作原理与上述工作原理类似，主要分为四个步骤：

1. 数据输入：数据通过串行输入引脚（SER）输入到第一个74HC595芯片的移位寄存器中。
   每个时钟脉冲（SCK）的上升沿会使移位寄存器中的数据向左移动一位，新的数据从SER输入。

2. 数据移位：在每个时钟脉冲的上升沿，移位寄存器中的数据向左移动一位，新的数据从SER输入并进入移位寄存器的最低位。当移位寄存器填满8位数据后，继续输入的数据会从移位寄存器的最后一个位（Q7）挤出，并从串行数据出口引脚（引脚9）输出。

3. 级联连接：将第一个74HC595芯片的串行数据出口引脚（引脚9）连接到下一个74HC595芯片的串行数据输入引脚（SER）。这样，第一个芯片移位寄存器中的数据在填满后，会自动通过引脚9传递到下一个芯片的移位寄存器中，形成级联。可以继续将下一个74HC595芯片的串行数据出口引脚连接到再下一个芯片的串行数据输入引脚，以此类推，实现多级级联。

4. 数据锁存：当需要将移位寄存器中的数据输出到并行输出引脚时，通过输出寄存器时钟引脚（RCLK）提供一个上升沿的时钟信号。在RCLK的上升沿，移位寄存器中的数据被锁存到输出寄存器中，并通过并行输出引脚（Q0-Q7）输出。

通常将OE引脚接地（GND），确保输出引脚始终处于使能状态。低电平时使能输出，高电平时禁止输出。

电路图以及引脚说明

在不同的电路图中，74HC595芯片的引脚名字可能会有所不同，但其功能是相同的。具体根据电路图上的引脚序号进行查看和说明。

引脚说明

作用描述

• Q0…Q7 (引脚 15，1-7)：这些引脚是移位寄存器的并行输出端口，用于输出 8 位数据到外部电路或设备。Q0 是最低有效位，Q7 是最高有效位。
• GND (引脚 8)：提供电路的参考电压（0V），所有其他电压都是相对于这个引脚测量的。
• Q7’ (引脚 9)：用于级联多个 74HC595 芯片，将第一个芯片的 Q7’ 连接到下一个芯片的 DS 引脚，实现多个移位寄存器的串联。（可以进行扩展）
• MR (引脚 10)：当该引脚被拉低时，移位寄存器和存储寄存器会被清零（重置），所有输出变为低电平。通常需要通过上拉电阻连接到 VCC。
• SHCP (引脚 11)：在上升沿时，将 DS 引脚的串行输入数据移入移位寄存器，并将寄存器内的内容依次右移一位。
• STCP (引脚 12)：在上升沿时，将移位寄存器中的数据锁存到存储寄存器，从而更新 Q0-Q7 的输出状态。
• OE (引脚 13)：该引脚为低电平时，使能并行输出端口 Q0-Q7；为高电平时，Q0-Q7 处于高阻态。常用于控制输出使能。
• DS (引脚 14)：提供串行数据输入，通过 SHCP 时钟将数据移入移位寄存器。
• VCC (引脚 16)：提供工作电压，通常为 +5V。

通过上述对应的引脚序号说明，可以在电路图中查看对应引脚的功能及如何配置使用。