竞争冒险原理

竞争冒险原理
〔一〕一般竞争冒险的产生及消除
1. 理论上分析组合逻辑电路时，都没有考虑门电路的延迟时间对电路产生的影响。

实
际上，从信号输入到输出稳定都需要一定的时间。

由于从输入到输出的过程中，不
同通路上门的级数不同，或者门电路平均延迟时间的差异，使信号从输入经不同通
路传输到输出级的时间不同。

由于这个原因，可能会使逻辑电路产生错误输出。

通
常把这种现象称为竞争冒险。

2. 竞争冒险现象有两种情况，分别是0型竞争冒险现象和1型竞争冒险现象。

(1) 0型竞争冒险现象
如下列图所示：
图12-1 0型竞争冒险电路图 图12-2 波形图
输出函数A A L +=，在电路到达稳定时，即静态时，输出L 总是1。

然而在
A 变化时〔动态时〕，从图12-2可见，在输出L 的某些瞬间会出现0，即当A 经历
1变0的变化时，L 出现窄脉冲，即电路存在静态0型竞争冒险现象。

或门G2的
两个输入信号分别由G1和A 端两个路径在不同时刻到达的现象，通常称为竞争，
由此产生输出干扰脉冲的现象称为冒险。

(2) 1型竞争冒险现象
如下列图所示：
图12-3 1型竞争冒险电路图 图12-4 波形图
输出A A L =，在电路到达稳定时，即静态时，输出L 总是0。

然而在A 变化时
〔动态时〕，从图12-4可见，在输出L 的某些瞬间会出现1，即当A 经历0变1的
变化时，L 出现窄脉冲，即电路存在静态1型竞争冒险现象。

3. 总结
当电路中存在由反相器产生的互补信号，且在互补信号的状态发生变化时可能出
现竞争冒险现象。

4. 消除竞争冒险的方法
(1) 发现并消掉互补变量
例如，函数式))((C A B A F ++=，在B=C=0时，可得A A F =。

假设直接根据这个逻辑表达式组成逻辑电路，那么可能出现竞争冒险。

可以将函数式化为BC B A AC F ++=，根据这个表达式组成逻辑电路就不会出现竞争冒险。

(2) 增加乘积项
例如，函数式C B AC L +=，当A=B=1时，可得C C L +=，根据这个逻
辑表达式组成逻辑电路，那么可能出现竞争冒险。

我们可利用代数恒等式将L 化为
AB C B AC F ++=，根据这个表达式组成逻辑电路就不会出现竞争冒险。

(3) 输出端并联电容器
如果逻辑电路在较慢的速度下工作，为了消去竞争冒险，可以在输出端并联一
个电容器，其容量为4~20Pf 之间，它对于很窄的负跳变脉冲起到平波的作用，这时在输出端就不会出现逻辑错误。

〔二〕在CPLD 中模拟竞争冒险的产生
由于普通门电路的传输时延只有几十个纳秒，而且竞争冒险产生的脉冲很窄，用普通的示波器无法看清楚，要看到竞争冒险现象，就需要精度很高的示波器。

如果用普通的硬件电路做的话，由于电路的分布电容和其它干扰，使得本来就很窄的脉冲被积分掉了，考虑到一
图12-5 竞争冒险原理图
般情况，我们采用可编程逻辑器件来做此实验。

它的原理见图12-2所示。

要做此实验就要使用可编程逻辑器件及其相关软件的使用。

这方面的知识可以参照本实验指导书的可编程逻辑器件实验局部。

在此我们使用MAX+plusII软件的仿真功能，来观察使用D触发器做分频时产生的竞争冒险现象。

需要说明的是，在本实验中我们没有做根本门电路产生的竞争冒险。

我们做的是组合逻辑电路使用时产生的竞争冒险。

它们的原理都相似，都是由于器件的时延引起的，都会造成一定的危害。

图12—6 仿真分析
从仿真分析中能清楚的看到，在2分频，4分频，8分频，16分频时，都有一定的传输时延，虽然只有几个或十几个纳秒，但分频的次数比拟多，就可能造成影响。

下列图是器件的传输时延分析图：
图12—7 传输时延分析
从传输时延分析图中我们可以看出，第一次分频即2分频时，有8纳秒的时延，第二次分频即4分频时有17纳秒的时延，第三次分频即8分频时有26纳秒的时延，第四次分频即16分频时有35纳秒的时延。

这样如果有很多级的分频，时延就会更多。

由以上分析可知，竞争冒险产生的原因是D触发器分频引起的时延，如何消除这种竞争冒险呢？我们采用同步触发的方式就可以消除。

因为在上面的原理图中，我们采用的是异步触发的方式，即每一个触发器都是单独翻转的。

如果采用所有的触发器同时翻转就可以消除这种竞争冒险。

三、实验步骤
1、运行MAX+plusII软件，学习其根本用法〔本实验也可以在学习了PLD实验后再做〕。

2、在MAX+plusII软件中按照图12-5输入原理图，并编译，下载。

3、使用MAX+plusII软件的仿真功能，观察分频时的延时。

4、使用MAX+plusII软件的时序分析功能，观察各级分频之间的时延。

四、实验报告要求
1、在MAX+plusII软件中观察实验现象，并找出产生这种现象的原因。

2、通过本实验，你对竞争冒险有什么样的认识？并写一篇学习报告。

3、思考：将原理图进行管脚分配，输入一定频率的波形，你能观察到什么实验现象？。