李 烨

(江苏联合职业技术学院镇江分院 机电工程系，江苏 镇江 212016)

组合逻辑电路竞争冒险现象消除方法仿真分析

李 烨

(江苏联合职业技术学院镇江分院 机电工程系，江苏 镇江 212016)

组合逻辑电路在工作状态转换过程中经常会出现竞争冒险现象，竞争冒险会对数字系统产生不良影响甚至使其产生逻辑混乱。以Multisim软件为平台进行虚拟的仿真实验，分析消除竞争冒险现象的基本方法。

竞争冒险；Multisim仿真；消除

组合逻辑电路的设计都是在输入、输出处于稳定的逻辑电平下进行的。为了测试电路的抗干扰能力，保证组合逻辑系统的稳定，有必要对电路输入信号的逻辑电平瞬间变化时的工作状态进行分析。

在组合逻辑电路中，门电路两个输入信号同时向相反的逻辑电平跳变(一个从1变为0，另一个从0变为1)的现象称为竞争[1]。此时，输出波形会出现违反原设计的尖脉冲波形，这种现象称为竞争冒险。由竞争冒险产生的电压毛刺通常会使对尖峰脉冲敏感的电路，如触发器等，发生错误动作，从而造成数字系统的逻辑混乱。同时，这种尖峰脉冲也是违背稳态下逻辑关系的噪声。可见，在组合逻辑电路中对竞争冒险现象的判断与消除十分重要[2]。

1 产生竞争冒险的原因

根据对逻辑电路的结构分析可知，产生竞争冒险的原因主要是信号在传输延迟时间上存在差异，而造成这种差异的原因主要有以下两方面：

1) 各逻辑门本身的传输延时。在TTL系列的集成电路中，门电路的延迟时间一般在15 ns左右；在CMOS系列集成电路中，门电路的延迟时间一般为100 ns左右[3]。

2) 传输路径不同导致的传输延时。同一个输入信号的变化通过多条途径传输，它们到达输出级的时间有先有后，当它们再次在某个门电路汇合时，会导致输出产生尖峰脉冲。

2 实例电路仿真分析

2.1实例电路搭建

以图1所示电路为例进行分析。由逻辑代数知识可知

当B=D=C=1时，

从理论上讲，若不考虑传输门的延迟时间，并且认为电路处于稳定状态时，无论信号A如何变化，输出Y恒为高电平。但在实际电路中，当输入信号A发生变化时，信号在各个路径上的传输时间有先有后，根据产生竞争冒险原因的分析可以判断，电路的输出会产生尖峰脉冲。

2.2Mutisim仿真

本文采用Multisim10软件作为仿真平台。该软件电路仿真速度快、元件库丰富、仿真结果精确，适用于数字电路的仿真分析[4]。从元件库中选择74LS 5 V系列逻辑门，该系列的传输延迟参数为15 ns， 能够满足仿真传输延迟的要求。按照图1所示的电路图搭建完整的Multisim仿真电路，如图2所示。其中，A，B，C，D为输入信号，Y为输出信号。

图1 组合逻辑电路

根据仿真的需要，将B，C，D接高电平VDD(+5 V)，此时B=D=C=1。输入信号A由函数发生器产生。为了便于观察仿真实验结果，对输入信号A进行如下设置：波形选择为方波，频率为1 MHz，占空比为50%，幅值为5 V，偏置为2.5 V。各参数设置界面如图3所示。采用4通道的示波器对多个信号同时进行观察比较。

图2完整的Multisim仿真电路

图3 输入信号A参数设置界面

运行电路仿真，从示波器中观察各通道的信号波形，如图4所示。可以看出，当输入信号A出现下降沿时，由于传输延迟，G2输出波形上升沿的时刻出现了延迟tpd1，G3输出波形的下降沿出现了延迟tpd2。由于输入信号A到G2的输出只经过了逻辑门G2，而到G3的输出经过了G2和G3两个逻辑门，所以tpd2>tpd1。当G3的输出和G2的输出汇合到G4的输入端时，两个信号向相反逻辑电平的跳变出现了时间差，输出信号Y由于竞争而产生负向尖峰脉冲，证明了该电路确实存在竞争冒险。

图4 各通道的信号波形

3 消除竞争冒险的方法

3.1接入RC积分电路

因为竞争冒险而产生的尖峰脉冲一般都很窄(多在几十纳秒以内)，所以在输出端并接一个RC积分电路(时间常数τ不必过大)构成低通滤波器，把尖峰脉冲的幅度削弱至门电路的阈值电压以下，抑制了尖峰脉冲的形成。接入RC积分电路如图5所示，其中R1=470 Ω，C1=200 pF。运行电路仿真得到信号波形，如图6所示。可以发现，原来的尖峰脉冲已得到抑制，波形得到了改善，竞争冒险现象基本消除。需要指出的是，这种方法虽然简单易行，但是RC积分电路的存在也会导致输出电压幅值有所下降，尤其是输出电容会增加输出电压波形的上升时间和下降时间，使输出波形变坏，故该方法适用于对输出波形前后沿无严格要求的场合。

3.2引入选通脉冲

如图7所示，电路中引入了封锁脉冲源V1作为选通脉冲。选通脉冲的高电平出现在电路处于稳定状态之后，避开了出现竞争冒险的时刻，亦即在输出端出现尖峰脉冲的时刻，选通脉冲恰好提供一个负脉冲将G4的输出端封锁住，等G4接收了输入信号并处于稳定状态后，选通脉冲则提供正脉冲允许电路输出。在图7中，V1采用幅值为5 V，脉宽为50 μs，频率为100 kHz的脉冲信号，该信号经过非门G5倒相后，作用于与非门G4。电路仿真信号波形如图8所示，从图8中可以看出，已消除原有的竞争冒险现象。

使用该方法，电路不需增加元件，在输出端就能抑制干扰脉冲的出现[5]。但需要指出的是，此时输出信号将变为脉冲信号，且脉冲宽度与选通脉冲宽度相同。选通信号的作用时间、极性等一定要合适，选通脉冲的脉宽要大于竞争冒险信号的脉宽，否则不仅不会消除竞争冒险现象，还会影响电路非竞争冒险时间段的正常输出。

图5 电路输出端接入RC积分电路

图6 接入RC积分电路后各通道信号波形

图7 电路引入选通脉冲

图8 电路引入选通脉冲后各通道信号波形

3.3增加冗余项BD

由逻辑代数知识可知，增加了冗余项BD的逻辑函数表达式

所实现的逻辑功能与图1所示电路是一样的。当B=C=D=1时，

此时，无论A如何改变，恒为1的BD项保证了输出Y始终保持高电平。图9为增加冗余项BD后的仿真电路。图10为增加冗余项BD后各通道的信号波形。可以看出，输入信号A出现下降沿时，增加冗余项BD后的输出Y没有出现负向尖峰脉冲，说明该组合电路已经消除了竞争冒险现象。如果在电路设计中G5已存在，那么只需增加1根连线，把它的输出引到G4的一个输入端即可，这样，既不必额外增加门电路，又不会给电路的工作带来其他不利影响。但这种有利条件并不是在进行电路设计的任何时候都存在，有时需要额外增加门电路。

3.4接入D触发器

D触发器是受时钟脉冲控制的，如果竞争冒险信号恰好避开了时钟脉冲的作用时刻，则不会对组合逻辑电路造成危害，所以D触发器的输入端对电压毛刺不敏感。利用这个特点，在输出信号的保持时间内，用D触发器读取组合逻辑的输出信号可消除竞争冒险现象[6]。如图11所示，将D触发器的输入端与G4的输出端相连。D触发器采用74LS74D，上升沿触发，时钟脉冲采用幅值为5 V，频率为1 kHz的方波。运行电路仿真，各通道信号波形如图12所示，可以发现，电路消除了竞争冒险现象。需要指出的是，此时电路需要额外增加1个D触发器，而且输出信号将受D触发器时钟脉冲的控制，所以对D触发器时钟脉冲的频率和作用时刻有一定的要求。

4 结束语

本文针对组合逻辑电路产生竞争冒险现象的原因，利用Multisim软件分析了当输入信号发生变化时，电路中各传输门的输出变化及相互之间的时序关系。利用Multisim软件仿真分析了采用接入RC积分电路、引入选通信号、增加冗余项、接入D触发器等方法消除竞争冒险现象的原理，总结了它们的优缺点。

图9 电路增加冗余项BD

图10 增加冗余项BD后各通道信号波形

图11 电路接入D触发器

图12 接入D触发器后各通道信号波形

[1] 阎石.数字电子技术基础[M]. 5版.北京:高等教育出版社,2006:201.

[2] 石飞飞,孙琳琳.组合逻辑电路中冒险现象的判断和消除方法[J].科技资讯,2010(21):130.

[3] 雷媛媛.探索组合逻辑电路的竞争冒险现象及消除方法[J].数字技术与应用,2013(2):222.

[4] 丁伟,关宇,马丽梅,等.基于Multisim的组合电路中竞争冒险的仿真分析[J].工业和信息化教育,2013(8):54.

[5] 周涛,张锐敏.基于Multisim 10的电子电路计算机仿真分析与应用[J].科技信息,2008(18):62-63.

[6] 朱幼娟,王露.组合逻辑电路竞争冒险现象和消除方法仿真研究[J].常州信息职业技术学院学报,2010,19(6):26.

〔责任编辑：卢 蕊〕

Simulationanalysisoftheeliminationmethodforthecompetitiveriskphenomenoninthecombinationallogiccircuit

LI Ye

(Electromechanical Engineering Department,Zhenjiang Vocational Technical College,Zhenjiang 212016,China)

The competition risk phenomenon often appears in the process of working transformation of the combinational logic circuit. The competition risk can lead to the bad influence or even the logic chaos to the digital system.This paper takes the Multisim software as the platform for the virtual simulation experiments,and analyzes the basic method of eliminating the phenomenon of the competition risk.

competitive risk; Multisim simulation; elimination

2015-03-13

李 烨(1975—)，男，江苏镇江人，副教授，硕士，主要从事电路与系统研究。

TN79

：A

：1008-8148(2015)03-0057-04