74LS74引脚图及功能表详解

74LS74是一款广泛应用于数字电路中的双D触发器集成电路。它属于TTL（晶体管-晶体管逻辑）家族，具有低功耗肖特基（Low Power Schottky）特性，在速度和功耗之间取得了良好的平衡，因此在数字逻辑设计中备受青睐。本文将深入探讨74LS74的引脚配置、功能特性、工作原理、典型应用以及在现代电子系统中的地位，旨在提供一份全面而详尽的参考资料，帮助读者更好地理解和应用这款经典的数字逻辑器件。

1. 74LS74概述

74LS74集成电路内部包含两个独立的、边沿触发的D型触发器。每个D触发器都具有数据输入（D）、时钟输入（CLK）、置位输入（PRE）和复位输入（CLR）以及两个互补的输出（Q和$overline{Q}$）。D触发器是数字电路中最基本的存储单元之一，能够在一个时钟脉冲的作用下存储一位二进制数据。其“边沿触发”特性意味着数据只在时钟信号的特定跳变沿（通常是上升沿或下降沿）处被锁存，而不是在时钟高电平或低电平期间持续响应，这有效避免了竞争冒险和毛刺现象，保证了数据传输的可靠性。74LS74的“双”特性使其在一个芯片内集成了两个独立的触发器，大大节省了电路板空间并简化了布线，提高了集成度。

2. 74LS74引脚图

74LS74通常采用14引脚双列直插式封装（DIP-14），这是一种非常常见的集成电路封装形式，便于在实验板上进行原型设计和在印刷电路板上进行焊接。理解每个引脚的功能是正确使用74LS74的关键。以下是74LS74的典型引脚排列及其功能描述：

2.1 74LS74引脚分布

图1: 74LS74引脚图

2.2 74LS74引脚功能描述

• 引脚1 (1PRE)： 第一路D触发器的预置位输入（Preset）。这是一个低电平有效的异步输入。当1PRE为低电平（L）时，无论时钟和数据输入如何，第一路D触发器的输出Q将被强制置为高电平（H），$overline{Q}$被强制置为低电平（L）。它通常用于在电路开始工作前将触发器设置为一个已知的初始状态。

• 引脚2 (1D)： 第一路D触发器的数据输入（Data）。这是触发器将要锁存的数据输入端。在时钟的有效跳变沿，输入到此引脚的数据将被锁存到触发器中。

• 引脚3 (1CLK)： 第一路D触发器的时钟输入（Clock）。这是一个上升沿触发的输入。当1CLK从低电平跳变到高电平（上升沿）时，引脚2 (1D)上的数据将被传输到触发器的输出Q。

• 引脚4 (1CLR)： 第一路D触发器的清零输入（Clear）。这是一个低电平有效的异步输入。当1CLR为低电平（L）时，无论时钟和数据输入如何，第一路D触发器的输出Q将被强制置为低电平（L），$overline{Q}$被强制置为高电平（H）。它通常用于在电路工作过程中将触发器复位到初始状态。

• 引脚5 (1Q)： 第一路D触发器的正常输出。此输出端反映了当前锁存在触发器中的数据。

• 引脚6 (1$overline{Q}$)： 第一路D触发器的互补输出。此输出端的状态与1Q的状态总是相反的。

• 引脚7 (GND)： 地线。电路的公共参考电位，通常连接到电源的负极。

• 引脚8 (2$overline{Q}$)： 第二路D触发器的互补输出。功能与引脚6类似，但对应第二路触发器。

• 引脚9 (2Q)： 第二路D触发器的正常输出。功能与引脚5类似，但对应第二路触发器。

• 引脚10 (2CLR)： 第二路D触发器的清零输入。功能与引脚4类似，但对应第二路触发器。

• 引脚11 (2CLK)： 第二路D触发器的时钟输入。功能与引脚3类似，但对应第二路触发器。

• 引脚12 (2D)： 第二路D触发器的数据输入。功能与引脚2类似，但对应第二路触发器。

• 引脚13 (2PRE)： 第二路D触发器的预置位输入。功能与引脚1类似，但对应第二路触发器。

• 引脚14 (VCC)： 电源正极。通常连接到+5V直流电源。

理解这些引脚的功能对于正确连接和使用74LS74至关重要。特别是异步输入（PRE和CLR）的优先级高于同步输入（D和CLK），这意味着当PRE或CLR被激活时，它们将立即控制触发器的输出，而不受时钟信号的影响。

3. 74LS74功能表

功能表是描述数字逻辑器件在不同输入条件下的输出行为的表格。对于74LS74，其功能表展示了异步输入（PRE和CLR）、同步输入（D和CLK）与输出（Q和$overline{Q}$）之间的关系。由于两个D触发器的工作原理相同，这里仅列出一个D触发器的功能表。

3.1 74LS74功能表（单个D触发器）

符号说明：

• H： 高电平（逻辑“1”）

• L： 低电平（逻辑“0”）

• X： 任意状态（无关）

• uparrow： 时钟信号的上升沿

• Q0： 触发器在当前时钟上升沿之前输出Q的状态

• overlineQ0： 触发器在当前时钟上升沿之前输出$overline{Q}$的状态

3.2 功能表详解

1. 异步预置位 (Preset)：

• 当PRE为低电平（L），**CLR为高电平（H）**时，触发器的输出Q被强制设置为高电平（H），$overline{Q}$被强制设置为低电平（L）。在这种情况下，时钟（CLK）和数据（D）的输入状态对输出没有任何影响。这个功能常用于在系统启动时将触发器置于一个已知的初始状态，例如计数器的初始值设置。

2. 异步清零 (Clear)：

• 当PRE为高电平（H），**CLR为低电平（L）**时，触发器的输出Q被强制设置为低电平（L），$overline{Q}$被强制设置为高电平（H）。同样，时钟（CLK）和数据（D）的输入状态对输出没有影响。这个功能常用于复位计数器、寄存器或其他存储单元。

3. 非法状态/亚稳态：

• 当PRE和CLR同时为低电平（L）时，这将导致Q和$overline{Q}都输出高电平（H）。这是一种不确定的、非正常的工作状态，因为Q和overline{Q}$应该是互补的。在实际应用中，应避免这种输入组合，以防止触发器进入亚稳态，这可能导致不可预测的行为。一旦PRE和CLR同时释放（都变为高电平），触发器最终的输出状态将是不确定的，取决于内部电路的细微差异和传播延迟，这在高速电路中尤为危险。因此，正确的设计原则是永远不要让PRE和CLR同时处于低电平。

4. 同步操作（数据锁存）：

• 如果D输入为高电平（H），则Q输出变为高电平（H），$overline{Q}$输出变为低电平（L）。

• 如果D输入为低电平（L），则Q输出变为低电平（L），$overline{Q}$输出变为高电平（H）。

• 当**PRE和CLR都为高电平（H）**时，触发器进入同步工作模式。此时，触发器的行为由时钟（CLK）和数据（D）输入决定。

• 时钟上升沿触发： 只有当CLK信号从低电平跳变到高电平（uparrow）时，D输入端的数据才会被锁存到触发器中，并立即反映在Q和$overline{Q}$输出端。

• 保持状态： 当CLK处于低电平（L）、高电平（H）或者没有发生上升沿跳变时，无论D输入如何变化，触发器的输出Q和$overline{Q}都会保持其在最近一个时钟上升沿时锁存的状态（Q0和overline{Q0}$）。这意味着触发器在时钟非有效沿期间对D输入的变化是“透明”的，不会立即响应。这种边沿触发特性是D触发器能够可靠地存储数据和构建时序逻辑电路的关键。

4. 74LS74的工作原理

74LS74内部的D触发器通常由两个级联的锁存器构成，即主从D触发器结构。这种结构能够确保在时钟有效边沿时数据被正确地锁存，并防止在整个时钟周期内数据发生变化。

• 主锁存器： 在时钟的第一个半周期（例如时钟低电平期间），主锁存器根据D输入来准备数据。

• 从锁存器： 在时钟的第二个半周期（例如时钟上升沿或高电平期间），主锁存器的数据被传输到从锁存器，并最终出现在Q和$overline{Q}$输出端。

对于74LS74这种上升沿触发的D触发器，其基本工作流程如下：

1. 时钟低电平（CLK=L）： 此时，主锁存器对D输入是透明的，即D输入的变化会立即反映在主锁存器的输出端，但从锁存器是关闭的，其输出保持不变。PRE和CLR的异步输入在此阶段仍可覆盖D和CLK的作用。

2. 时钟上升沿（CLK: L rightarrow H）： 当时钟信号从低电平跳变到高电平的瞬间，主锁存器的数据被“冻结”并传输到从锁存器。从锁存器开启并锁存主锁存器传来的数据，并将其立即反映在Q和$overline{Q}$输出端。这个瞬间就是数据锁存的关键时刻。

3. 时钟高电平（CLK=H）： 此时，主锁存器关闭，不再响应D输入的变化，而从锁存器保持锁存的状态。这意味着即使D输入在高电平期间发生变化，也不会影响到Q和$overline{Q}$的输出。

这种主从结构和边沿触发特性使得D触发器成为同步时序逻辑电路的基石。它能够有效地隔离输入和输出，确保数据在特定时间点进行传输，从而避免竞争冒险和时序冲突。PRE和CLR引脚则提供了异步控制能力，允许在不考虑时钟的情况下强制设置或清除触发器状态，这在系统初始化、错误恢复或特定控制操作中非常有用。

5. 74LS74电气特性

74LS74作为TTL系列芯片，具有特定的电气特性，这些特性决定了其在电路中的表现和兼容性。

• 供电电压（VCC）： 74LS74的标准工作电压为+5V。其工作范围通常在4.75V到5.25V之间，以确保稳定的性能。

• 输入高电平电压（VIH）： 保证输入为高电平的最小电压，通常为2.0V。

• 输入低电平电压（VIL）： 保证输入为低电平的最大电压，通常为0.8V。

• 输出高电平电压（VOH）： 保证输出为高电平的最小电压，通常为2.7V。

• 输出低电平电压（VOL）： 保证输出为低电平的最大电压，通常为0.5V。

• 输入高电平电流（IIH）： 输入引脚在高电平时的漏电流。

• 输入低电平电流（IIL）： 输入引脚在低电平时的吸入电流。

• 输出高电平电流（IOH）： 输出引脚在高电平时的源出电流。

• 输出低电平电流（IOL）： 输出引脚在低电平时的吸收电流。

• 传播延迟时间（tPLH/tPHL）： 这是信号从输入端（例如CLK或D）变化到输出端（Q或$overline{Q}$）稳定所需的时间。对于74LS74，这些延迟时间通常在几十纳秒的范围内，反映了芯片的速度特性。tPLH表示输出从低电平变为高电平的延迟，tPHL表示输出从高电平变为低电平的延迟。

• 功耗： “LS”系列代表低功耗肖特基，相比于标准的TTL系列，74LS74的功耗显著降低，这对于电池供电或对功耗有严格要求的系统非常有利。

这些电气参数对于设计和分析数字电路至关重要。例如，在连接不同逻辑家族的芯片时，需要确保它们的逻辑电平兼容。传播延迟则直接影响电路的时序性能，在高速设计中必须加以考虑。

6. 74LS74的典型应用

74LS74作为一种基础的D型触发器，在数字系统中有着极其广泛的应用。它的多功能性和稳定性使其成为构建各种时序逻辑电路的理想选择。

6.1 数据存储与寄存器

• 单比特存储： 最直接的应用是作为一位数据的存储单元。通过在时钟上升沿将数据输入D端，即可将数据锁存到Q端，实现一位二进制数据的存储。

• 串行输入并行输出（SIPO）寄存器： 多个74LS74可以级联构成SIPO寄存器。数据以串行方式一位一位地输入到第一个触发器，并通过时钟脉冲逐级传输到后续触发器。当所有数据位都被移入后，就可以在每个触发器的Q端同时获取所有数据，实现串行数据到并行数据的转换。

• 并行输入串行输出（PISO）寄存器： 通过额外的逻辑门（如多路选择器），D触发器可以实现PISO功能。数据并行加载到每个触发器中，然后通过时钟脉冲和移位控制信号，将数据一位一位地从输出端移出。

• 移位寄存器： 这是74LS74最常见的应用之一。通过将前一个触发器的Q输出连接到后一个触发器的D输入，可以实现数据的左右移位。移位寄存器在数据处理、串行通信、数字滤波器等方面有广泛应用。

6.2 频率分频器

• 二分频器： 如果将D触发器的$overline{Q}$输出连接到D输入，那么每次时钟上升沿到来时，Q输出的状态都会翻转。这样，输出Q的频率将是输入时钟频率的一半，实现了二分频。

• 多级分频器： 多个74LS74可以级联，构成更高倍数的分频器，如四分频（两级二分频）、八分频等。这种分频功能在时钟生成、波形整形和计数器设计中非常有用。

6.3 计数器

• 异步计数器（纹波计数器）： 74LS74可以作为异步计数器的基本单元。通过将前一个触发器的Q输出作为后一个触发器的时钟输入（并配置为二分频模式），可以构建二进制异步计数器。然而，异步计数器存在传播延迟累积的问题，可能导致“纹波效应”和计数错误，尤其是在高速应用中。

• 同步计数器： 虽然74LS74本身是边沿触发的，但结合其他逻辑门（如与门、或门、异或门）和多个74LS74，可以构建同步计数器。在同步计数器中，所有触发器都由同一个时钟信号同步触发，避免了异步计数器的纹波问题，具有更高的速度和可靠性。例如，通过反馈网络可以构建二进制、BCD（十进制）或其他模数的同步计数器。

6.4 锁存器与数据同步

• 数据同步： 在需要将异步数据与同步时钟对齐的系统中，74LS74可以作为同步器。通过将异步数据输入到D端，时钟上升沿会将其同步到系统时钟域，确保数据的稳定性和时序正确性。这在跨时钟域通信或处理来自外部设备的异步信号时尤为重要。

• 去除按键抖动： 机械按键在按下和释放时会产生多次弹跳，形成抖动信号。通过74LS74构成的去抖动电路，可以消除这些抖动，确保按键的每一次按下只产生一个干净的逻辑电平变化。

6.5 脉冲生成与整形

• 脉冲展宽/缩短： 结合RC电路或其他逻辑门，74LS74可以用于生成特定宽度或延时的脉冲。例如，通过在D输入端施加一个短暂的脉冲，并在时钟上升沿锁存，可以生成一个与时钟周期相关的稳定脉冲。

• 脉冲同步： 确保一个不规则的输入脉冲在系统时钟的特定时刻被精确识别和处理。

7. 74LS74的优势与局限性

7.1 优势

• 成熟可靠： 作为经典的TTL系列芯片，74LS74经过了长时间的市场验证，其性能稳定可靠，易于获取。

• 易于使用： 引脚功能明确，设计规则清晰，对于初学者来说学习曲线较为平缓，易于在实验中搭建和调试电路。

• 成本效益： 相比于更复杂的集成电路，74LS74的价格相对较低，适合大规模生产和成本敏感的应用。

• 通用性强： 能够实现D型触发器的基本功能，并通过组合实现多种时序逻辑功能，应用范围广泛。

• 低功耗（相对早期TTL）： LS系列相比标准TTL在功耗上有所优化，适用于对功耗有一定要求的应用。

• 抗干扰能力： TTL逻辑具有较高的噪声容限，对外部干扰有一定的抵抗能力。

7.2 局限性

• 速度限制： 尽管LS系列比早期TTL快，但与现代CMOS或高速ECL（发射极耦合逻辑）技术相比，74LS74的速度仍然有限。其传播延迟在几十纳秒级别，对于GHz级的现代处理器和高速通信系统而言，这已经远远不够。

• 功耗（相对CMOS）： 尽管相比标准TTL功耗较低，但与现代CMOS逻辑电路相比，74LS74的功耗仍然相对较高。在电池供电或对能效要求极高的应用中，通常会优先选择CMOS器件。

• 输出驱动能力有限： TTL器件的输出驱动能力相对有限，连接大量输入或驱动高负载时可能需要额外的缓冲器。

• 输入下拉电阻： TTL输入内部有下拉电阻，当输入浮空时会被识别为高电平，但为了稳定工作，通常建议连接到确定的逻辑电平，而不是让其浮空。

• 电源电压： 主要工作在+5V电源电压，与现代低功耗、低电压的数字系统（如1.8V, 3.3V）不兼容，需要电平转换才能集成。

• 集成度低： 单个74LS74芯片只包含两个触发器，对于复杂的时序逻辑，需要大量的芯片，导致电路板面积增大，布线复杂。现代的PLD（可编程逻辑器件）、FPGA（现场可编程门阵列）和ASIC（专用集成电路）能够在一个芯片内集成数百万甚至数十亿个逻辑门，大大提高了集成度。

8. 74LS74在现代数字设计中的地位

尽管74LS74是一款经典的数字逻辑器件，并且在过去几十年中在数字电路领域扮演了举足轻重的角色，但在现代数字设计中，其直接应用已经相对减少。

• 教育与原型设计： 74LS74仍然是数字逻辑课程教学和初学者进行原型设计的重要工具。其简单的逻辑功能和易于理解的工作原理使其成为学习D触发器、时序逻辑和数字电路基础知识的理想选择。学生可以通过实际操作来掌握移位寄存器、计数器和分频器等基本电路的搭建和调试。

• 替代方案： 在大多数商业和工业应用中，74LS74已经被更先进的技术所取代。

• CMOS逻辑芯片： 74HC系列（高速CMOS）、74HCT系列（CMOS与TTL兼容）和74AHC/AHCT系列（先进高速CMOS）等CMOS逻辑芯片提供了更高的速度、更低的功耗和更宽的工作电压范围，逐渐取代了TTL系列。

• 可编程逻辑器件（PLD/FPGA）： 对于需要大量逻辑门和复杂时序控制的应用，PLD和FPGA提供了无与伦比的灵活性和集成度。设计师可以使用硬件描述语言（HDL）如VHDL或Verilog来描述复杂的数字系统，并将其下载到可编程芯片中。这极大地缩短了开发周期，降低了硬件成本，并允许在设计阶段进行快速迭代。

• 微控制器（MCU）和微处理器（MPU）： 许多简单的时序逻辑功能可以通过软件在微控制器中实现，而复杂的控制逻辑则由微处理器完成。通过编程，可以在一个芯片内实现大量D触发器、计数器、移位寄存器等功能，并且可以轻松地修改和更新功能。

• 专用集成电路（ASIC）： 对于超大规模、高性能、低成本且量产的应用，ASIC是最终的解决方案。它们是为特定功能定制的芯片，能够实现极致的性能和集成度。

尽管如此，理解74LS74及其工作原理对于任何数字工程师来说仍然是至关重要的。它是数字逻辑的“原子”，掌握其基本原理有助于理解更复杂集成电路（如微处理器内部的寄存器、缓存等）的工作方式。许多复杂的数字系统仍然是基于D触发器和类似基本逻辑单元构建的。因此，74LS74不仅仅是一个历史的产物，更是理解数字世界基石的关键。

9. 结语

74LS74作为一款经典的双D触发器集成电路，以其独特的引脚配置、明确的功能表和稳定的工作特性，在数字电子学的历史长河中留下了浓墨重彩的一笔。它不仅是许多数字系统构建的基础元件，更是数字逻辑设计教学中不可或缺的组成部分。通过深入探讨其引脚功能、工作原理、电气特性以及在数据存储、频率分频和计数等方面的广泛应用，我们得以全面理解这款芯片的价值。

尽管时代发展，更先进、更集成、更低功耗的数字器件不断涌现，但74LS74所代表的D触发器原理和同步时序逻辑思想依然是现代数字设计的基础。掌握74LS74，不仅仅是掌握了一个具体的芯片，更是掌握了数字电路最核心的脉络，为进一步学习和探索复杂的数字系统打下了坚实的基础。