74LS74 D触发器功能详解

74LS74是一款广泛应用于数字电路中的双D触发器集成电路，隶属于TTL（晶体管-晶体管逻辑）家族的低功耗肖特基（Low-power Schottky）系列。它以其稳定的性能、相对较低的功耗以及标准的TTL兼容性，在各种数字系统设计中扮演着关键角色，例如数据存储、分频、计数、移位寄存器等。本篇文档将深入探讨74LS74 D触发器的各项功能、工作原理、特性参数及其典型应用，旨在为读者提供一个全面而详尽的理解。

D触发器基础概念

在深入了解74LS74之前，有必要对D触发器这一基本数字逻辑元件进行回顾。D触发器，全称为“数据触发器”（Data Flip-Flop），是一种边沿触发的存储单元。它能够根据时钟信号（Clock）的特定边沿（通常是上升沿或下降沿）将输入端D（Data）的状态存储起来，并在输出端Q和$overline{Q}$上保持。D触发器是构成更复杂数字电路的基础构建块之一，在时序逻辑电路中具有不可替代的作用。

与RS触发器和JK触发器不同，D触发器在数据输入端D上只有一个有效输入。其核心功能是实现数据的“锁存”或“存储”。这意味着在时钟信号的有效边沿到来之前，无论D端的数据如何变化，触发器的输出状态都保持不变。只有在时钟信号的特定边沿到来时，D端的数据才会被采样并传输到输出端Q。这种特性使得D触发器非常适合用于数据同步和存储。

D触发器通常还包含异步置位（Preset或Set）和清零（Clear或Reset）输入。这些输入是异步的，意味着它们不受时钟信号的控制，能够立即将触发器置位到高电平状态（Q=1）或清零到低电平状态（Q=0），这在系统启动或故障处理时非常有用。

74LS74概述

74LS74集成电路内部包含两个独立的、完全相同的D型正边沿触发器。每个触发器都具有数据输入D、时钟输入CLK、异步置位输入PRE（或$overline{PR}）、异步清零输入CLR（或overline{CL}）、以及互补的输出Q和overline{Q}$。这种双触发器的封装形式使得74LS74在需要多个独立存储单元的场合非常方便，节省了电路板空间和布线复杂度。

74LS74采用TTL技术，其逻辑电平与标准的TTL电平兼容，即高电平通常为2.4V-5V，低电平为0V-0.4V。LS系列（Low-power Schottky）意味着它在保持较高速度的同时，显著降低了功耗，这对于电池供电或对功耗敏感的应用场景具有重要意义。它的供电电压范围通常为4.75V至5.25V，典型值为5V。

该器件通常采用14引脚双列直插式封装（DIP-14），这是一种非常常见的封装形式，便于在面包板或PCB上进行焊接和测试。

74LS74引脚定义

理解74LS74的引脚定义是正确使用它的前提。74LS74的14个引脚分布如下，每个引脚都有其特定的功能：

详细说明：

• VCC (引脚14) 和 GND (引脚7): 这两个引脚是集成电路的电源输入端。VCC连接到正电源（通常是+5V），GND连接到地。正确的电源连接是器件正常工作的基本保障。

• D (1A/2A, 引脚2/12): 这是D触发器的数据输入端。在时钟信号的有效边沿到来时，D输入端的状态会被采样并传递到Q输出端。D输入可以是高电平或低电平。

• CLK (1CLK/2CLK, 引脚3/11): 这是D触发器的时钟输入端。74LS74是正边沿触发的，这意味着只有当时钟信号从低电平跳变为高电平（上升沿）时，D输入的数据才会被传输到Q输出。在时钟信号的其他状态（高电平、低电平或下降沿）下，输出Q和$overline{Q}$的状态保持不变，除非异步输入被激活。

• PRE (PR 或 1PRE/2PRE, 引脚1/13): 这是异步置位输入端，通常是低电平有效。当PRE输入为低电平（0V）时，无论CLK和D输入的状态如何，Q输出都会被强制置为高电平（1），$overline{Q}$输出被强制置为低电平（0）。PRE输入具有优先权，即它会覆盖同步输入（D和CLK）的控制。在正常工作模式下，PRE应保持高电平。

• CLR (CL 或 1CLR/2CLR, 引脚4/10): 这是异步清零输入端，通常也是低电平有效。当CLR输入为低电平（0V）时，无论CLK和D输入的状态如何，Q输出都会被强制置为低电平（0），$overline{Q}$输出被强制置为高电平（1）。CLR输入同样具有优先权，并会覆盖同步输入。在正常工作模式下，CLR应保持高电平。

• Q (1Q/2Q, 引脚5/9): 这是D触发器的正常输出端。在时钟的上升沿，Q的状态与D输入的状态相同（假设异步输入不活跃）。

• Q (1$overline{Q}/2overline{Q}$, 引脚6/8): 这是D触发器的反相输出端。它的状态总是与Q输出的状态相反。如果Q为高电平，则$overline{Q}为低电平；如果Q为低电平，则overline{Q}$为高电平。

正确地连接这些引脚并理解其功能是设计和调试使用74LS74的数字电路的关键。

74LS74逻辑符号

为了在电路图中简洁地表示74LS74，通常使用标准逻辑符号。每个D触发器的逻辑符号包括其输入（D, CLK, PRE, CLR）和输出（Q, Q）。由于74LS74包含两个独立的触发器，电路图中会绘制两个这样的符号。

单个D触发器的逻辑符号通常包含以下元素：

• 矩形框： 代表触发器本体。

• D输入： 在矩形框的一侧标有“D”。

• CLK输入： 在矩形框的另一侧标有“CLK”，通常带有一个三角形符号表示边沿触发，如果内部有一个小圆圈，则表示下降沿触发，74LS74没有小圆圈，表明是上升沿触发。

• Q和$overline{Q}$输出： 在矩形框的另一侧标有“Q”和“Q”。$overline{Q}$通常带有一个反相圆圈。

• PRE和CLR输入： 分别标有“PRE”和“CLR”，并带有一个小圆圈，表示它们是低电平有效。有时PRE也标为“S”（Set），CLR标为“R”（Reset）。

在实际电路图中，两个D触发器会并排放置，并共享VCC和GND引脚。

74LS74功能表（真值表）

74LS74的功能表详细说明了在不同输入组合下，触发器的输出状态。这个功能表是理解其逻辑行为的核心。由于PRE和CLR是异步输入且具有优先权，因此它们会优先于D和CLK输入来决定输出状态。

为了清晰起见，我们将功能表分为两个部分：异步控制部分和同步控制部分。

1. 异步控制（PRE和CLR优先）

注释：

• L: 低电平 (Low, 逻辑0)

• H: 高电平 (High, 逻辑1)

• X: 任意状态 (Don't Care, 可能是高电平或低电平)

• Q(t+1): 下一个时钟周期后的Q输出状态

• Q(t+1): 下一个时钟周期后的$overline{Q}$输出状态

重要提示： 当PRE和CLR同时为低电平时，输出Q和$overline{Q}都会被强制置为高电平。这种状态通常被认为是∗∗无效或禁止状态∗∗，因为Q和overline{Q}$互补的原则被打破了。在正常设计中应避免这种输入组合。如果将PRE和CLR同时拉低，然后同时释放，输出状态将是不确定的，这取决于内部电路的细微差异和传播延迟。因此，为了电路的稳定性和可预测性，务必避免PRE和CLR同时为低电平。

2. 同步控制（正常工作模式：PRE和CLR均为高电平）

注释：

• ↑: 时钟信号由低到高的上升沿

• ↓: 时钟信号由高到低的下降沿

• Q(t): 当前时刻Q的输出状态

• Q(t): 当前时刻$overline{Q}$的输出状态

功能表总结：

• 当PRE为低电平且CLR为高电平（L H），触发器被异步置位，Q=H，Q=L。

• 当PRE为高电平且CLR为低电平（H L），触发器被异步清零，Q=L，Q=H。

• 当PRE和CLR都为低电平（L L），触发器进入无效状态，Q=H，Q=H，应避免。

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

• 在CLK的上升沿到来时，D输入端的数据被锁存，并传输到Q输出端。如果D为高电平，Q变为高电平；如果D为低电平，Q变为低电平。

• 在CLK的下降沿、高电平或低电平期间，D触发器的输出状态保持不变，不受D输入变化的影响。这正是D触发器实现数据存储的关键特性。

74LS74电气特性

74LS74的电气特性是设计者在选择和使用该器件时必须考虑的重要参数。这些参数包括电源电压、输入/输出电压、输入/输出电流、传播延迟、功耗等。

1. 推荐工作条件：

• 供电电压 (VCC): 4.75V 至 5.25V (典型值5V)。

• 工作温度范围 (TA): 商业级通常为0°C至70°C，工业级为-40°C至85°C。

• 输入高电平电压 (VIH): 最小2.0V。任何输入电压低于此值可能被视为低电平。

• 输入低电平电压 (VIL): 最大0.8V。任何输入电压高于此值可能被视为高电平。

• 输出高电平电压 (VOH): 最小2.4V (保证能驱动TTL负载)。

• 输出低电平电压 (VOL): 最大0.4V (保证能吸收TTL负载电流)。

2. 静态电流：

• 静态电源电流 (ICC): 在无负载情况下，器件消耗的电流。对于74LS74， typically in the range of a few milliamperes (e.g., 8 mA for 74LS74 at VCC = 5V).

3. 动态特性（传播延迟）：

传播延迟是指从输入信号变化到输出信号响应变化所需的时间。这是衡量器件速度的关键指标。

• D到Q的传播延迟 (tPLH/tPHL_DQ): 从D输入变化到Q输出相应变化的时间。对于74LS74， typically around 20-30 ns.

• CLK到Q的传播延迟 (tPLH/tPHL_CLKQ): 从CLK上升沿到来，到Q输出响应变化的时间。对于74LS74， typically around 20-30 ns.

• PRE/CLR到Q的传播延迟 (tPLH/tPHL_PQ/CQ): 从PRE或CLR输入变化到Q输出响应变化的时间。由于是异步输入，这些延迟通常比同步延迟略小，typically around 15-25 ns.

• 建立时间 (tSETUP): 在时钟有效边沿到来之前，D输入信号必须保持稳定的最短时间。如果D信号在建立时间内发生变化，可能会导致输出状态不确定。对于74LS74， typically around 20 ns.

• 保持时间 (tHOLD): 在时钟有效边沿到来之后，D输入信号必须保持稳定的最短时间。如果D信号在保持时间内发生变化，也可能导致输出状态不确定。对于74LS74， typically 5 ns or even 0 ns for some versions.

这些延迟参数对于高速数字系统设计至关重要，它们决定了系统能够正常工作的最高时钟频率。

4. 扇出能力：

扇出（Fan-out）是指一个逻辑门的输出能够驱动多少个相同类型的逻辑门的输入。74LS74的输出驱动能力取决于其输出电流规格。通常，一个74LS系列的输出可以驱动约20个74LS系列的输入。

• 高电平输出电流 (IOH): 74LS系列通常能提供-0.4mA左右的电流（流出），驱动负载。

• 低电平输出电流 (IOL): 74LS系列通常能吸收8mA左右的电流（流入），吸收负载。

74LS74应用实例

74LS74作为一种通用的D触发器，在各种数字电路中都有广泛的应用。以下是一些典型的应用场景：

1. 数据存储和锁存器：

这是D触发器最基本和直接的应用。通过将数据输入到D端，并在时钟上升沿时将数据锁存到Q端，74LS74可以用于临时存储单比特数据。例如，在微处理器系统中，D触发器可以用来锁存地址总线或数据总线上的数据，以便在后续的操作中使用。

2. 移位寄存器：

通过将多个D触发器串联起来，可以构成移位寄存器。每个D触发器的Q输出连接到下一个D触发器的D输入。在每个时钟脉冲的上升沿，数据就会从一个触发器移位到下一个触发器。移位寄存器可以用于串行数据传输、并行-串行转换、串行-并行转换以及数据延迟等。

• 串行-并行转换： 串行数据位依次输入到移位寄存器的D端，在N个时钟周期后，N个数据位同时在移位寄存器的N个Q输出端并行输出。

• 并行-串行转换： 并行数据首先通过预置功能（如果移位寄存器有并行载入功能）加载到移位寄存器，然后通过串行输出端Q进行移位输出。

• 数据延迟： 通过级联D触发器，可以实现数据信号的延迟。每个触发器都会将数据延迟一个时钟周期。

3. 分频器：

一个D触发器可以实现二分频功能。通过将$overline{Q}输出连接到D输入，形成一个反馈回路，并在CLK端输入一个频率为f的时钟信号，Q输出端将产生一个频率为f/2的方波信号。这是因为每当Q状态翻转时，overline{Q}$的状态也翻转，从而改变D输入，在下一个时钟上升沿再次翻转Q。

• T触发器（T Flip-Flop）的实现： 通过将D输入连接到$overline{Q}$输出，D触发器可以配置成一个T触发器。T触发器在每个时钟脉冲到来时，如果T输入为高电平，则翻转输出状态；如果T输入为低电平，则保持输出状态。对于分频应用，T输入通常固定为高电平。

4. 计数器：

通过组合D触发器和一些逻辑门，可以构建各种类型的计数器，如同步计数器、异步计数器（纹波计数器）等。

• 异步计数器（Ripple Counter）： 最简单的异步计数器是将一个D触发器的Q输出作为下一个D触发器的时钟输入。这种方式虽然简单，但由于传播延迟的累积，计数速度受限，并且在高速计数时可能出现瞬态错误（毛刺）。

• 同步计数器： 所有的D触发器都由同一个时钟信号驱动。这种方式可以消除异步计数器中的传播延迟问题，提高计数速度和可靠性。同步计数器通常需要额外的组合逻辑来确定每个D触发器的D输入。

5. 频率综合与时序控制：

在复杂的数字系统中，74LS74可用于生成特定频率的信号，或者作为时序控制电路的一部分，确保不同部件之间的操作同步。例如，在状态机中，D触发器用于存储当前状态，并在下一个时钟周期更新到下一个状态。

6. 锁存器阵列：

在需要同时存储多比特数据的应用中，可以将多个74LS74或其他D触发器并联起来，构成一个多比特宽度的锁存器阵列。例如，一个8位数据锁存器可以由8个D触发器组成，每个触发器存储一个比特。

74LS74在设计中的注意事项

尽管74LS74是一款成熟且可靠的器件，但在实际电路设计和应用中，仍需注意以下几点：

1. 异步输入的使用：

PRE和CLR输入是异步的，它们具有优先权，可以立即改变触发器的状态，而不受时钟或D输入的影响。这在系统启动、复位或紧急停止时非常有用。然而，过度或不恰当使用异步输入可能导致竞态条件和毛刺。在正常工作时，通常将PRE和CLR通过上拉电阻连接到VCC（高电平），使其保持非激活状态。

2. 时钟信号质量：

D触发器的正常工作对时钟信号的质量要求很高。时钟信号应具有清晰的上升沿和下降沿，避免缓慢变化的边沿。同时，时钟信号的抖动（Jitter）和噪声也应尽量小，以避免误触发或时序错误。去耦电容应放置在靠近VCC和GND引脚的位置，以提供稳定的电源。

3. 建立时间 (tSETUP) 和保持时间 (tHOLD)：

这是D触发器最重要的时序参数。在时钟的有效边沿到来之前，D输入必须稳定至少建立时间（tSETUP）那么长。在时钟有效边沿之后，D输入必须保持稳定至少保持时间（tHOLD）那么长。如果这些条件不满足，触发器可能进入亚稳态，导致输出不确定，从而影响整个系统的可靠性。在高速设计中，需要进行仔细的时序分析，确保满足这些要求。

4. 扇出限制：

74LS74的输出驱动能力是有限的。每个输出引脚只能驱动有限数量的相同类型的输入。如果需要驱动更多负载，可能需要使用缓冲器或驱动器来增强信号。

5. 电源去耦：

在VCC和GND引脚之间放置一个0.1$mu$F的陶瓷去耦电容是标准的数字电路设计实践。这个电容可以有效地滤除电源噪声，并为器件提供瞬时电流，从而确保器件在高速切换时电源的稳定性。

6. 冗余和未使用的输入：

对于未使用的输入引脚（如未使用的D触发器的D、CLK、PRE、CLR输入），不应让它们浮空。浮空的TTL输入可能表现为高电平或低电平，且容易拾取噪声，导致不可预测的行为。未使用的输入应连接到VCC（对于PRE/CLR，如果不需要异步功能，应拉高）或GND，具体取决于其逻辑功能。例如，未使用的D触发器的PRE和CLR通常拉高以禁用异步功能，而D和CLK可以拉低。

7. 功耗：

虽然74LS系列是低功耗肖特基系列，但与CMOS器件相比，其功耗仍然较高。在电池供电或对功耗非常敏感的应用中，应考虑选择更低功耗的CMOS替代品，如74HC74或74HCT74。

74LS74与现代数字逻辑家族的比较

随着半导体技术的发展，除了传统的TTL系列（如74LS系列），还出现了多种新的数字逻辑家族，如CMOS（互补金属氧化物半导体）系列（如74HC系列、74HCT系列）以及更高速的BiCMOS和LVCMOS系列。了解74LS74在这些系列中的位置和特性对比，有助于更好地选择合适的器件。

1. 74LS74 (TTL - Low-power Schottky):

• 优点： 速度相对较快，驱动能力较强，与早期TTL逻辑兼容，抗噪声能力较好。

• 缺点： 静态功耗相对较高（尽管比标准TTL低），输入级需要吸收电流，输出高电平电压不够接近VCC。

• 应用： 早期和中期数字系统设计，对速度和驱动能力有一定要求但对功耗不太苛刻的场合。

2. 74HC74 (CMOS - High-speed CMOS):

• 优点： 极低静态功耗，宽工作电压范围（2V-6V），输入阻抗高（几乎不吸收电流），输出摆幅接近电源轨（VCC到GND）。

• 缺点： 传播延迟通常比LS系列稍长（但在相同VCC下速度可与LS匹敌，甚至更快），抗静电能力不如TTL。

• 应用： 电池供电系统，对功耗敏感的应用，以及大部分现代数字逻辑设计。

3. 74HCT74 (CMOS - High-speed CMOS TTL-compatible):

• 优点： 结合了HC系列的低功耗和宽电压范围优点，同时输入电平与TTL兼容，可以直接连接TTL输出而不需要电平转换。

• 缺点： 某些方面性能介于HC和LS之间。

• 应用： TTL和CMOS混合系统，升级老旧TTL系统但希望降低功耗的场合。

4. 更现代的逻辑家族：

• LVCMOS/LVTTL： 适用于更低电源电压（如3.3V, 2.5V, 1.8V），功耗更低，速度更快。

• BiCMOS： 结合了双极晶体管的速度和CMOS的低功耗。

• F (Fast TTL) / AS (Advanced Schottky) / ALS (Advanced Low-power Schottky)： 这些是更快的TTL家族，提供了比LS更高的速度，但功耗也更高。

在新的设计中，通常会优先考虑CMOS系列的器件，尤其是74HC或74HCT系列，因为它们提供了更好的功耗效率和更宽的电压范围。然而，在维护老旧系统或进行兼容性设计时，74LS74仍然是必不可少的重要元件。理解不同逻辑家族的特性，有助于设计者根据具体需求做出最佳选择。

总结

74LS74双D触发器是一款经典且功能强大的数字集成电路。通过其D输入、时钟输入以及异步置位和清零功能，它能够有效地实现数据的存储、同步和控制。理解其引脚定义、功能表、电气特性以及时序参数，对于成功设计和调试数字电路至关重要。

无论是作为简单的数据锁存器，还是构成复杂的移位寄存器、分频器或计数器，74LS74都在数字系统设计中发挥着不可替代的作用。尽管现代数字逻辑家族提供了更低功耗和更高速度的选项，但74LS74凭借其成熟的技术、稳定的性能和广泛的兼容性，在许多应用中仍然具有重要的价值。

掌握D触发器的基本原理及其在74LS74中的具体实现，是每一个数字电路学习者和设计者必须具备的基础知识。通过深入理解其工作机制和应用技巧，可以为设计出高效、稳定和可靠的数字系统奠定坚实的基础。