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【硬件-笔试面试题】硬件/电子工程师，笔试面试题-42，（知识点：D触发器，D锁存器，工作原理，区别）

news 2025/7/29 8:23:18

1、题目

2、解答

一、D 锁存器（D Latch）

1. 原理与结构

2. 工作特性：电平出发：EN高电平：随D变化而变化， EN低电平：保持上一个状态。

3. 实际器件

二、D 触发器（D Flip-Flop）

1. 原理与结构

2. 工作特性：边缘触发采样，上升沿到来前，保持上一个时刻状态

3. 分类

三、关键区别对比

四、实际器件举例

1. 74HC74（双 D 触发器）

2. 74LS373（八 D 透明锁存器）

五、应用场景选择

六、注意事项

总结

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【硬件-笔试面试题】硬件/电子工程师，笔试面试题-42，（知识点：D触发器，D锁存器，工作原理，区别）

1、题目

简述D 触发器和 D 锁存器的原理，以及它们区别是什么？

2、解答

D 触发器和 D 锁存器是数字电路中的基础存储元件，广泛应用于时序逻辑设计。以下从原理、结构、应用和实际器件等方面进行详细分析：

一、D 锁存器（D Latch）

1. 原理与结构

电平触发：D 锁存器是电平敏感的存储元件，在使能信号（EN）有效期间（通常为高电平），输出 Q 跟随输入 D 变化；当 EN 无效时，输出保持最后状态。
基本结构：由门电路组成，常见的是SR 锁存器加控制门。
电路图示例：
工作过程：当使能信号（EN，Enable）为高电平时，D 锁存器处于透明状态，输出端 Q 会跟随输入信号 D 的变化而变化，即输入信号 D 可以直接传输到输出端 Q；
当使能信号 EN 变为低电平时，锁存器进入锁存状态，此时无论输入信号 D 如何变化，输出端 Q 都将保持使能信号 EN 变为低电平前那一刻的状态，直到下一次使能信号 EN 再次变为高电平。
特性方程：\(Q(t+1) = \begin{cases} D, & \text{当EN=1时，随D变化而变化} \\ Q(t), & \text{当EN=0时，保持上一个高电平的状态} \end{cases}\)

2. 工作特性：电平出发：EN高电平：随D变化而变化， EN低电平：保持上一个状态。

透明性：EN=1 时，输出对输入 “透明”，称为透明锁存器。
应用场景：
- 数据暂存（如地址锁存）。
- 总线隔离（通过 EN 控制数据传输）。
- 异步电路（无需时钟同步）。

3. 实际器件

74HC75：四 D 锁存器（带使能端），TTL/CMOS 兼容。
74LS373：八 D 透明锁存器（三态输出），常用于地址 / 数据总线隔离。

二、D 触发器（D Flip-Flop）

1. 原理与结构

边沿触发：D 触发器是时钟边沿敏感的存储元件，仅在时钟信号（CLK）的上升沿（或下降沿）采样 D 值并更新输出。
基本结构：
- 主从触发器：由两个 D 锁存器级联组成，CLK 控制主锁存器接收 D，CLK' 控制从锁存器输出。
- 维持阻塞结构：通过反馈路径防止多次触发，常见于集成电路。
- 工作过程：在时钟信号（CLK）的上升沿到来之前，主触发器根据输入信号 D 进行状态更新，此时从触发器处于保持状态。
- 当时钟信号 CLK 的上升沿到来时，主触发器停止接收输入信号 D，其状态被传递到从触发器，从触发器输出更新后的状态，此时输出端 Q 和 Q'（反相输出）反映当前 D 输入在时钟上升沿时刻的状态。
- 在时钟信号 CLK 的其他时刻，无论输入信号 D 如何变化，触发器的输出状态都保持不变，直到下一个时钟上升沿的到来。

2. 工作特性：边缘触发采样，上升沿到来前，保持上一个时刻状态

边沿采样：仅在 CLK 边沿采样 D，避免毛刺干扰，提高可靠性。
特性方程：\(Q(t+1) = D, \quad \text{在CLK边沿触发时}\) ：输出上一个时刻的状态
异步控制端：
- 置位（Set）：强制 Q=1（低电平有效）。
- 复位（Reset）：强制 Q=0（低电平有效）。

3. 分类

上升沿触发：CLK 从 0→1 时采样（如 74HC74）。
下降沿触发：CLK 从 1→0 时采样（如 74HC112）。
带使能端：如 74HC175（四 D 触发器，公共时钟和复位）。

三、关键区别对比

特性	D 锁存器	D 触发器
触发方式	电平触发（EN 控制）	边沿触发（CLK 控制）
透明性	EN=1 时透明，输出随 D 变化	仅在边沿采样，其余时间保持
抗干扰能力	较弱（EN 有效期间易受干扰）	强（仅对边沿敏感）
应用场景	数据暂存、异步电路	同步时序电路（计数器、寄存器）
典型器件	74HC75、74LS373	74HC74、74HC175

四、实际器件举例

1. 74HC74（双 D 触发器）

特性：
- 上升沿触发，带异步置位（SET）和复位（RESET）。
- 电源范围：2V~6V，TTL/CMOS 兼容。

引脚图：

plaintext

┌───────┐
1│D1  Q1│14 VCC
2│CLK1  │13 Q1'
3│SET1  │12 D2
4│RESET1│11 CLK2
5│Q1'   │10 SET2
6│      │9  RESET2
7│GND   │8  Q2
└───────┘

应用：分频器、同步寄存器。

2. 74LS373（八 D 透明锁存器）

特性：
- 三态输出，OE（输出使能）低电平有效。
- LE（锁存使能）高电平时透明，低电平时锁存。
应用：地址锁存器（如 8051 单片机的 P0 口扩展）。

五、应用场景选择

选 D 触发器：
- 同步电路设计（如时钟驱动的计数器、移位寄存器）。
- 高速系统（需避免电平触发导致的竞争冒险）。
- 需严格时序控制的场景（如数据同步、状态机）。
选 D 锁存器：
- 数据暂存（如地址 / 数据缓冲）。
- 异步控制（如使能信号控制的临时存储）。
- 简化电路（无需时钟，降低功耗）。