74HC112N 引脚图及功能详解

74HC112N 是一款高性能硅栅 CMOS 器件，属于 74HCxx 系列，它包含了两个独立的负边沿触发 J-K 触发器。每个触发器都具有预设 (Preset) 和清除 (Clear) 功能。该器件以其高速度、低功耗以及对噪声的良好抗扰性而闻名，广泛应用于各种数字逻辑电路设计中，例如计数器、移位寄存器、数据存储器以及时序控制电路等。理解其引脚功能和工作原理是正确设计和调试电路的基础。

1. 74HC112N 概述

74HC112N 中的 “74” 表示它是 TTL（晶体管-晶体管逻辑）兼容系列，“HC” 表示它是高速 CMOS（互补金属氧化物半导体）技术制造的，“112” 是其特定功能编号，而 “N” 通常指的是塑料双列直插封装（DIP）。它提供了两个独立的 J-K 触发器，这意味着设计者可以在一个封装内实现两个独立的存储单元和逻辑功能，从而节省了电路板空间并简化了布线。

J-K 触发器是数字逻辑中非常重要的一种时序逻辑元件。它与 SR 触发器类似，但解决了 SR 触发器在 S=1, R=1 时出现的不确定状态问题。J-K 触发器在 J=1, K=1 的输入条件下，会在时钟脉冲的作用下翻转其输出状态，即实现“切换”或“翻转”功能。这种特性使得 J-K 触发器在频率分频、计数和时序控制方面表现出色。74HC112N 的关键特性是其负边沿触发特性，这意味着触发器状态的改变只发生在时钟（CLK）信号从高电平跳变为低电平的瞬间。

2. 74HC112N 引脚图与引脚功能

74HC112N 通常采用 16 引脚的塑料双列直插封装（DIP-16）或其他表面贴装封装。以下是其引脚图（以 DIP-16 为例）及详细功能描述。为了便于理解，我们将分别介绍两个独立的 J-K 触发器（通常称为 A 和 B 触发器）的引脚。

       _____ _____
CLK_A |1    U   16| VCC
CLR_A |2        15| CLR_B
J_A   |3        14| J_B
K_A   |4        13| K_B
Q_A   |5        12| Q_B
Q_NOT_A |6        11| Q_NOT_B
PR_A  |7        10| PR_B
GND   |8         9| CLK_B
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引脚功能详细说明：

2.1. 电源引脚

• VCC (引脚 16): 这是器件的正电源输入引脚。通常连接到 +2V 至 +6V 的直流电源。为了确保器件的稳定工作和抑制电源噪声，强烈建议在 VCC 引脚附近放置一个 0.1 μF 的去耦电容，并使其尽可能靠近芯片引脚。

• GND (引脚 8): 这是器件的接地引脚，连接到电路的公共地。

2.2. 第一个 J-K 触发器（A 触发器）的引脚

• CLK_A (时钟输入 A，引脚 1): 这是第一个 J-K 触发器的时钟输入。74HC112N 是负边沿触发的，这意味着 Q 和 barQ 的状态转换只发生在 CLK_A 信号从高电平到低电平的下降沿。在 CLK_A 处于高电平或低电平的稳定状态时，输入 J_A 和 K_A 的变化不会影响触发器的输出状态。

• CLR_A (异步清除 A，引脚 2): 这是第一个 J-K 触发器的异步清除输入。这是一个低电平有效（Active-LOW）的输入。当 CLR_A 为低电平（0）时，无论 J_A、K_A 和 CLK_A 的状态如何，触发器的输出 Q_A 会立即被强制清零为低电平（0），同时 barQ_A 被强制设置为高电平（1）。在正常同步操作中，此引脚应保持高电平（1）。

• J_A (J 输入 A，引脚 3): 这是第一个 J-K 触发器的同步数据输入之一。J_A 和 K_A 的组合决定了触发器在下一个时钟下降沿到来时的行为。

• K_A (K 输入 A，引脚 4): 这是第一个 J-K 触发器的同步数据输入之二。J_A 和 K_A 的组合决定了触发器在下一个时钟下降沿到来时的行为。

• Q_A (Q 输出 A，引脚 5): 这是第一个 J-K 触发器的正常（非反相）输出。它表示触发器的当前状态。

• barQ_A (Q 非输出 A，引脚 6): 这是第一个 J-K 触发器的反相输出。它的状态总是与 Q_A 相反。

• PR_A (异步预设 A，引脚 7): 这是第一个 J-K 触发器的异步预设输入。这是一个低电平有效（Active-LOW）的输入。当 PR_A 为低电平（0）时，无论 J_A、K_A 和 CLK_A 的状态如何，触发器的输出 Q_A 会立即被强制预设为高电平（1），同时 barQ_A 被强制设置为低电平（0）。在正常同步操作中，此引脚应保持高电平（1）。

2.3. 第二个 J-K 触发器（B 触发器）的引脚

• CLK_B (时钟输入 B，引脚 9): 这是第二个 J-K 触发器的时钟输入，与 CLK_A 功能相同，也是负边沿触发。

• PR_B (异步预设 B，引脚 10): 这是第二个 J-K 触发器的异步预设输入，与 PR_A 功能相同，低电平有效。

• barQ_B (Q 非输出 B，引脚 11): 这是第二个 J-K 触发器的反相输出，与 barQ_A 功能相同。

• Q_B (Q 输出 B，引脚 12): 这是第二个 J-K 触发器的正常（非反相）输出，与 Q_A 功能相同。

• K_B (K 输入 B，引脚 13): 这是第二个 J-K 触发器的 K 同步数据输入，与 K_A 功能相同。

• J_B (J 输入 B，引脚 14): 这是第二个 J-K 触发器的 J 同步数据输入，与 J_A 功能相同。

• CLR_B (异步清除 B，引脚 15): 这是第二个 J-K 触发器的异步清除输入，与 CLR_A 功能相同，低电平有效。

3. 74HC112N J-K 触发器的工作原理

J-K 触发器是主从触发器的一种，或者是边沿触发的触发器。74HC112N 采用负边沿触发，这意味着其输出状态仅在时钟信号从高电平变为低电平的瞬间（下降沿）进行更新。J 和 K 输入引脚上的逻辑电平在时钟下降沿到来之前必须稳定，以确保正确的操作。

3.1. 同步操作（J、K、CLK 输入）

在正常工作模式下（即异步预设和清除引脚都处于非激活状态，通常为高电平），J-K 触发器的行为由 J 和 K 输入以及当前 Q 状态在时钟下降沿到来时决定。

• J=0, K=0 (保持状态): 当 J 和 K 都为低电平时，在时钟下降沿到来时，触发器的输出 Q 保持其当前状态不变。这是一个“不动作”的输入组合。

• J=0, K=1 (复位状态): 当 J 为低电平，K 为高电平时，在时钟下降沿到来时，触发器的输出 Q 被复位为低电平（0）。这类似于 SR 触发器的 R=1 状态。

• J=1, K=0 (置位状态): 当 J 为高电平，K 为低电平时，在时钟下降沿到来时，触发器的输出 Q 被置位为高电平（1）。这类似于 SR 触发器的 S=1 状态。

• J=1, K=1 (翻转状态): 当 J 和 K 都为高电平时，在时钟下降沿到来时，触发器的输出 Q 会翻转其当前状态。如果 Q 当前为 0，则变为 1；如果 Q 当前为 1，则变为 0。这种“切换”功能是 J-K 触发器相对于 SR 触发器的独特优势，它解决了 SR 触发器在 S=1, R=1 时输出不确定的问题。

3.2. 异步操作（PR 和 CLR 输入）

PR (Preset) 和 CLR (Clear) 引脚是异步输入，这意味着它们可以独立于时钟信号立即改变触发器的输出状态。它们具有更高的优先级，会覆盖 J、K 和 CLK 输入。

• PR = 0, CLR = 1: 触发器被异步置位。Q 立即变为高电平（1），barQ 立即变为低电平（0）。此时，J、K 和 CLK 的状态将被忽略。

• PR = 1, CLR = 0: 触发器被异步清除。Q 立即变为低电平（0），barQ 立即变为高电平（1）。此时，J、K 和 CLK 的状态将被忽略。

• PR = 0, CLR = 0: 这是一个“禁止”或“无效”状态。在这种情况下，Q 和 barQ 都试图变为高电平。当 PR 和 CLR 都恢复到高电平（1）时，输出的状态是不可预测的。在正常电路设计中应避免这种状态。

• PR = 1, CLR = 1: 这是同步操作模式。J-K 触发器根据 J、K 和 CLK 输入进行正常工作，如同步操作部分所述。

重要提示: 在正常同步操作时，PR 和 CLR 引脚都必须保持在逻辑高电平。它们主要用于电路的初始化或在紧急情况下强制改变触发器状态。

4. 74HC112N 内部逻辑与时序

虽然 74HC112N 是一个集成的 J-K 触发器，但我们可以从其逻辑功能推断其大致的内部实现。它通常由多个逻辑门（如与门、或门、非门）和内部锁存器/触发器组成。其核心是两个边沿触发的 D 型触发器或一个主从结构。

4.1. 内部逻辑示意

J-K 触发器通常可以由 D 型触发器和一些额外的逻辑门构建。一种常见的实现方式是使用两个 D 触发器，一个作为“主”触发器，另一个作为“从”触发器，并由时钟的上升沿和下降沿分别控制。异步输入（PR 和 CLR）通常直接连接到内部的锁存器，提供覆盖所有其他输入的优先级。

概念性内部结构：

1. 输入缓冲器： 用于处理 J、K、CLK、PR、CLR 的输入信号，确保信号质量和阻抗匹配。

2. 异步控制逻辑： PR 和 CLR 信号通过与门和或门网络直接控制主从触发器的置位和复位。

3. 主从触发器结构：

• 主触发器： 在时钟的某个边沿（例如上升沿）锁存 J 和 K 输入以及当前的 Q 状态。

• 从触发器： 在时钟的另一个边沿（例如下降沿，对于负边沿触发的 74HC112N）从主触发器获取数据并将其输出到 Q 和 barQ。

4. 输出驱动器： 增强输出信号的驱动能力，使其能够驱动后续的逻辑门或负载。

这种主从结构确保了 J-K 触发器的边沿触发特性，避免了在时钟高电平期间输入信号变化引起的毛刺或不稳定状态。

4.2. 时序参数

理解 74HC112N 的时序参数对于正确设计高速数字电路至关重要。这些参数通常在数据手册中给出，并随着电源电压 (VCC) 和工作温度的变化而变化。

• 建立时间 (t_su - Setup Time): 在时钟下降沿到来之前，J 和 K 输入信号必须保持稳定的最短时间。如果输入在建立时间内发生变化，触发器的输出可能会不稳定或不正确。

• 保持时间 (t_h - Hold Time): 在时钟下降沿之后，J 和 K 输入信号必须保持稳定的最短时间。通常，74HC 系列的保持时间非常短，有时甚至为负值（表示输入可以在时钟下降沿之后立即改变）。

• 传播延迟 (t_PLH, t_PHL - Propagation Delay):

• t_PLH (Propagation Delay Low-to-High): 从时钟下降沿（或异步输入激活）到 Q 输出从低电平变为高电平的时间。

• t_PHL (Propagation Delay High-to-Low): 从时钟下降沿（或异步输入激活）到 Q 输出从高电平变为低电平的时间。

• 这些延迟时间反映了信号通过器件内部逻辑门所需的时间。

• 最大时钟频率 (f_max - Maximum Clock Frequency): 触发器能够可靠工作的最高时钟频率。超过这个频率，器件可能无法正常响应时钟脉冲。

• 脉冲宽度 (t_W - Pulse Width): CLK、PR 和 CLR 脉冲必须保持高电平或低电平的最小时间，以确保触发器正确响应。

• 复位/预设恢复时间 (t_rec - Recovery Time): 在异步清除/预设信号解除激活后，J 和 K 输入必须保持稳定的最短时间，以确保下一次时钟触发的同步操作正常。

例如，一个典型的 74HC112N 在 VCC=5V 时的时序参数可能如下：

• t_su (J, K to CLK) ≈ 15 ns

• t_h (J, K to CLK) ≈ 0 ns (或负值)

• t_PLH, t_PHL (CLK to Q) ≈ 25 ns

• f_max ≈ 50 MHz

• t_W (CLK, PR, CLR) ≈ 10 ns

这些参数是设计时需要考虑的关键因素，尤其是在构建高速系统时，需要确保所有信号都满足这些时序要求，以避免数据错误。

5. 74HC112N 电气特性与操作条件

了解 74HC112N 的电气特性和操作条件对于其正确和可靠的应用至关重要。74HC 系列具有 CMOS 器件的典型特性。

5.1. 绝对最大额定值

绝对最大额定值是器件在任何情况下都不能超过的极限值，否则可能导致永久性损坏。这些值通常在数据手册中有明确说明。

• 电源电压 (VCC): 通常为 -0.5V 至 +7V。

• 输入电压 (VI): 通常为 -0.5V 至 VCC + 0.5V。

• 输出电压 (VO): 通常为 -0.5V 至 VCC + 0.5V。

• 输入/输出电流 (IIK, IOUT): 通常限制在几十毫安（mA）以内。

• 功耗 (PD): 限制器件可以消散的最大功率。

• 存储温度 (Tstg): 通常为 -65°C 至 +150°C。

在设计中，应始终确保所有信号电平都在这些最大额定值之内，并留有一定的裕度。

5.2. 推荐操作条件

这些是器件在其规格范围内能够保证正常工作的条件。

• 电源电压 (VCC): 74HC 系列通常推荐工作在 2V 至 6V 之间。电压越高，速度越快，但功耗也会略有增加。

• 输入高电平电压 (VIH): 保证逻辑高电平的最小输入电压。通常为 0.7 * VCC。

• 输入低电平电压 (VIL): 保证逻辑低电平的最大输入电压。通常为 0.3 * VCC。

• 输出高电平电压 (VOH): 保证逻辑高电平的最小输出电压。通常接近 VCC。

• 输出低电平电压 (VOL): 保证逻辑低电平的最大输出电压。通常接近 0V。

• 工作温度范围 (Topr): 商业级器件通常为 0°C 至 +70°C，工业级为 -40°C 至 +85°C，军用级可能更宽。

• 输入上升/下降时间 (tr/tf): 时钟和数据信号的上升和下降时间不能过长，否则可能导致不稳定工作。通常建议小于 500 ns。

5.3. 直流电气特性

• 输入漏电流 (I_I): 输入引脚在特定输入电压下的微小电流。CMOS 器件通常非常小，通常在纳安（nA）级别。

• 输出漏电流 (I_OZ): 对于三态输出器件，在高阻态时的漏电流。74HC112N 没有三态输出。

• 电源电流 (ICC): 静态（DC）电源电流。在无负载且输入不切换时，CMOS 器件的静态功耗非常低，通常在微安（μA）级别。

• 输出驱动电流 (I_OH, I_OL):

• I_OH: 输出为高电平时可以提供的最大灌电流（输出高电平，电流从负载流入器件）。

• I_OL: 输出为低电平时可以吸收的最大拉电流（输出低电平，电流从器件流入负载）。 这些电流决定了器件的驱动能力，例如能驱动多少个后续逻辑门或 LEDs。

5.4. 交流电气特性

交流特性主要涉及上述时序参数，以及输入电容 (CI) 和功耗电容 (CPD)。

• 输入电容 (CI): 每个输入引脚的等效电容。这个参数在计算信号的 RC 延迟和设计高速 PCB 走线时很重要。

• 功耗电容 (CPD): 一个用于计算动态功耗的等效电容。动态功耗是 CMOS 器件在输入切换时产生的功耗，它与开关频率、VCC 和 CPD 成正比。

P_dynamic=C_PDtimesV_CC2timesf

其中 f 是开关频率。在高速应用中，动态功耗是总功耗的主要部分。

6. 74HC112N 的应用

由于其双 J-K 触发器的配置和负边沿触发特性，74HC112N 在各种数字系统中都有广泛的应用。

6.1. 计数器

J-K 触发器是构建计数器的基本单元。通过将多个 J-K 触发器级联，并将其配置为“翻转”模式（J=1, K=1），可以创建各种类型的计数器。

• 异步计数器（纹波计数器）： 将一个触发器的 Q 输出连接到下一个触发器的 CLK 输入，实现最简单的二进制计数器。例如，对于一个 4 位异步计数器，74HC112N 可以提供两级。

• 同步计数器： 所有触发器共享一个公共时钟，并通过额外的逻辑门（如与门）来控制 J 和 K 输入，实现更复杂的计数序列和更高的速度。74HC112N 的两个独立触发器非常适合构建同步计数器的每个位。

6.2. 移位寄存器

移位寄存器用于数据的串行传输或并行-串行转换。J-K 触发器可以配置为移位寄存器。

• 串行输入/并行输出 (SIPO) 移位寄存器： 数据串行输入到第一个触发器，并在每个时钟脉冲下移位到下一个触发器。

• 并行输入/串行输出 (PISO) 移位寄存器： 数据并行加载到触发器中，然后串行移出。

• 环形计数器和约翰逊计数器： 移位寄存器的特殊应用，用于生成特定的序列或编码。

6.3. 频率分频器

将 J-K 触发器配置为翻转模式 (J=1, K=1)，并将其连接到时钟信号，Q 输出的频率将是时钟频率的一半。这是最简单的二分频器。通过级联多个 74HC112N 触发器，可以实现 2n 分频。

• 2 分频器： 单个 J-K 触发器，J=K=1。

• 4 分频器： 两个级联的 J-K 触发器，都配置为 J=K=1。

• 任意 N 分频： 通过更复杂的反馈逻辑和 J-K 触发器的特定配置，可以实现非 2n 的分频比。

6.4. 数据存储与锁存

虽然 D 型触发器更常用于简单的数据存储，但 J-K 触发器在某些应用中也可用于锁存数据，特别是当需要“切换”或“保持”功能时。当 J=D 且 K=barD 时，J-K 触发器可以模拟 D 触发器的行为，实现数据锁存功能。

6.5. 时序控制电路

在需要精确时序控制的电路中，74HC112N 可以作为核心组件。例如，它可以用于生成延迟脉冲、脉冲序列或同步多个事件。通过其异步预设和清除功能，可以在任何时候强制设置或清除状态，从而实现灵活的控制。

7. 74HC112N 使用注意事项与设计建议

在设计包含 74HC112N 的电路时，遵循一些最佳实践可以确保电路的可靠性和稳定性。

7.1. 电源去耦

这是任何数字 IC 设计中最基本的也是最重要的实践。在 74HC112N 的 VCC 和 GND 引脚之间放置一个 0.1 μF (100 nF) 的陶瓷电容，并使其尽可能靠近芯片引脚。这个电容可以有效地滤除电源线上的高频噪声，并为芯片在瞬间电流需求高峰时提供局部电荷储备，防止电源电压瞬时跌落。对于更复杂的系统或更长的电源走线，可能还需要额外的低频电解电容（如 10 μF）。

7.2. 未使用输入处理

对于 CMOS 器件，所有未使用的输入引脚都必须连接到确定的逻辑电平（VCC 或 GND），而不能浮空。浮空的输入会收集噪声，导致不确定的逻辑状态，增加功耗，甚至可能导致芯片损坏。

• 未使用的 J/K 输入： 应连接到 VCC (如果需要翻转功能，则连接到 VCC，或者根据需要连接到 GND)。

• 未使用的 CLK 输入： 应连接到 GND 或 VCC，通常是 GND。

• 未使用的 PR/CLR 输入： 这些是低电平有效引脚，在不使用时必须连接到 VCC，以保持非激活状态。

对于 74HC112N，如果有未使用的触发器，其所有输入（J, K, CLK, PR, CLR）都应连接到适当的逻辑电平。最简单的方法是将其清除或预设到稳定状态，例如将 PR 和 CLR 连接到 VCC，J 和 K 连接到 GND，CLK 连接到 GND。

7.3. 扇出与驱动能力

检查 74HC112N 数据手册中规定的输出驱动电流 (I_OH, I_OL)。确保其输出能够驱动所有连接的后续逻辑门或负载。74HC 系列的驱动能力通常足够驱动多个相同系列或 TTL 系列的输入。如果需要驱动大电流负载（如 LED），则需要使用外部缓冲器或晶体管驱动器。

7.4. 时钟信号质量

时钟信号的质量对时序逻辑电路至关重要。

• 上升/下降时间： 确保时钟信号具有快速的上升和下降时间，以避免在时钟的转换区域产生不确定的状态或振荡。

• 毛刺与噪声： 确保时钟信号干净，没有毛刺或噪声。任何意外的毛刺都可能被触发器识别为额外的时钟脉冲，导致错误的状态转换。

• 走线长度： 在高速设计中，时钟走线应尽可能短且直，并考虑阻抗匹配，以减少信号反射和串扰。

7.5. 输入保护

虽然 74HC 系列具有一定的输入保护（例如 ESD 二极管），但在极端环境下，仍然需要注意静电放电 (ESD) 和过压保护。在处理器件时遵循 ESD 防护措施。

7.6. 上电顺序

在某些复杂系统中，确保在所有输入信号（尤其是时钟和数据）稳定之前，VCC 已经稳定并达到额定电压。不正确的上电顺序可能导致器件进入不确定状态。

8. 74HC112N 与其他逻辑系列比较

74HC112N 属于高速 CMOS (HC) 系列，它是 74LS (低功耗肖特基 TTL) 系列的 CMOS 等效产品。了解其与其它主要逻辑系列的对比有助于选择合适的器件。

8.1. 与 74LS112 的比较 (TTL vs. CMOS)

• 74LS112 (低功耗肖特基 TTL):

• 功耗： 静态功耗相对较高，但动态功耗较低。

• 速度： 速度较快，但通常比 HC 系列在更高 VCC 下慢。

• 电源电压： 通常需要 5V 电源。

• 输入/输出电平： TTL 兼容电平，输出驱动能力通常较强。

• 噪声容限： 相对较低。

• 输入特性： 输入电流较大，悬空输入通常被视为高电平。

• 74HC112N (高速 CMOS):

• 功耗： 静态功耗极低（微安级），动态功耗随频率线性增加。在低频应用中功耗优势明显。

• 速度： 在 5V 供电时速度通常与 LS 系列相当或更快，在更高 VCC 下性能更好。

• 电源电压： 工作电压范围宽（2V 至 6V），更灵活。

• 输入/输出电平： CMOS 兼容电平，输出摆幅接近 VCC 和 GND，噪声容限大。

• 噪声容限： 较高，对噪声不敏感。

• 输入特性： 输入电流极低（纳安级），但未连接的输入必须强制连接到确定电平（VCC 或 GND）。

8.2. 与 74HCT112 的比较 (TTL 兼容 CMOS)

74HCT 系列是 74HC 的一个变体，旨在提供与 TTL 系列的输入电平兼容性，同时保留 CMOS 的低功耗特性。

• 74HCT112 (高速 CMOS, TTL 兼容输入):

• 输入电平： 输入逻辑高电平电压 (VIH) 和低电平电压 (VIL) 更接近 TTL 标准，使其可以直接与 TTL 器件接口，而无需电平转换。

• 其他特性： 功耗、速度和输出驱动能力与 74HC 系列相似。

• 应用场景： 主要用于混合 TTL/CMOS 系统中，作为 TTL 和 CMOS 逻辑之间的接口桥梁。

因此，如果你的系统完全是 CMOS 逻辑，74HC112N 是一个很好的选择。如果需要与现有的 TTL 器件进行接口，74HCT112N 可能更合适。

8.3. 与 74LVC112 的比较 (低压 CMOS)

• 74LVC112 (低压 CMOS):

• 电源电压： 设计用于更低的电源电压，如 1.8V, 2.5V, 3.3V，适用于现代低功耗设计。

• 速度： 通常比 74HC 系列更快，具有更低的传播延迟。

• 功耗： 静态功耗极低，动态功耗更低，因为 P_dynamic=C_PDtimesV_CC2timesf。

• 应用场景： 现代便携式设备、高性能处理器接口等低功耗、高速度的应用。

选择哪种系列取决于具体的应用需求，包括电源电压、速度、功耗预算以及与现有逻辑系列的兼容性。

9. 结论

74HC112N 作为一款包含双独立负边沿触发 J-K 触发器的集成电路，在数字逻辑设计中扮演着重要的角色。其高速度、低功耗、宽电压工作范围和良好的噪声容限使其成为从简单计数器到复杂时序控制电路的理想选择。

通过深入理解其引脚功能、J-K 触发器的工作原理（包括同步和异步操作）、内部逻辑、关键时序参数以及电气特性，工程师可以高效、可靠地将其应用于各种数字电路设计中。同时，遵循良好的设计实践，如电源去耦、未使用输入处理、时钟信号质量控制等，是确保基于 74HC112N 的电路稳定工作的关键。