组合电路中的竞争于冒险

当变量A的状态发生跳变时， 因 和 都存在着竞争-冒险的现象，所以，图2、4所示的电路存在着竞争-冒险的现象。
由此可得判断竞争-冒险现象的方法是：在一定条件下，能够将输出端的逻辑函数简化成 或 的电路存在着竞争-冒险的现象。
例如，图2所示的电路，输出与输入的逻辑关系式为 ，在B=C=1的条件下，输出与输入的逻辑关系式可化简成 ，由此可得，该电路存在着竞争-冒险的现象。
图6 脉冲取样消除竞争-冒险
图 7 滤波电容法消除竞争-冒险
【结语】：
在数字系统设计中，冒险现象的消除问题是必须要解决的。通过代数法，卡诺图和EDA软件等方法来查找冒险现象都是比较传统的，具有最普遍的意义。在消除冒险方法中，代数法和卡诺图法简便，但局限性比较大，不适合输入变量较多及较复杂的电路；脉冲取样法简单而且不需要增加电路元件就可以从根本上消除毛刺，但要求脉冲与输入信号同步，而且对取样脉冲的宽度，极性，作用时间都有严格的要求；电容滤波法简单易行，但输出电压的波形边沿会随之变形，仅适合对输出波形前、后沿要求不高。因此对于不同的电路应给予不同方法来消除毛刺，从而达到方便易行低成本的目的。
【正文】
一、竞争-冒险的定义
在组合电路中，当逻辑门有两个互补输入信号同时向相反状态变化时，输出端可能产生过渡干扰脉冲的现象，称为竞争冒险。冒险是竞争的必要条件，即有竞争不一定会产生冒险，但有冒险就一定有竞争。
竞争：在组合电路中，同一个门的多个输入端信号同时跳变，或者一个信号经由不同的途径达到同一个门的输入端时间有先有后，这种现象称为竞争。
4、输出端加滤波电容法：
组合电路中由竞争冒险产生的毛刺，一般都是低频分量少而高频分量很丰富的信号，由此，可以在组合电路的输出端添加一积分器(低通滤波器)，从而达到通高频阻低频的作用。为了能消除毛刺，必须要正确选择积分电路的时间常数t=RC。时间常数要比毛刺的宽度大，以达到消除毛刺的目的，但也不能太大，以免使信号形状出现不能允许的畸变。R C的值一般都是通过实验的方法来确定的。如 逻辑表达武，逻辑电路见图7(a)，在输出端加积分电路后，得到比较平滑的信号，见图7(b)。
组合逻辑电路的险象仅在信号状态改变的时刻出现毛刺，这种冒险是过渡性的，它不会使稳态值偏离正常值，但在时序电路中，冒险是本质的，可导致电路的输出值永远偏离正常值或者发生振荡。
组合逻辑电路的冒险是过渡性冒险，从冒险的波形上，可分为静态冒险和动态冒险。
静态冒险：输入信号变化前后，输出的稳态值是一样的，但在输入信号变化时，输出信号产生了毛刺。若输出的稳态值为0，出现了正的尖脉冲毛刺，称为静态0险象。若输出稳态值为1，出现了负的尖脉冲毛刺，则称为静态1冒险。动态险象（冒险）：输入信号变化前后，输出的稳态值不同，并在边沿处出现了毛刺。
在图4所示的电路中，输出与输入的逻辑关系式为 ，在B=C=1的条件下，输出与输入的逻辑关系式可化简成 ，由此可得，该电路也存在着竞争-冒险的现象。
2、代数法：
在TI变量的逻辑函数表达式中，给n一1个变量以特定取值(0或1)后，表达式中仅保留某个具有竞争能力的变量x，使逻辑函数表达式变成x+ 或x· 形式,则可以判断该表达式的电路中存在冒险。
在数字电路中，这种影响称为竞争-冒险，为了消除竞争-冒险对电路工作状态的影响，有必要对电路在瞬态条件下工作的情况进行研究，对可能出现的竞争-冒险现象预先采取措施加以解决，以提高电路工作的可靠性。
竞争与冒险是数字电路中存在的一种现象。由于元器件质量和设备工艺已达到相当高的水平，因而数字电路的故障往往是竞争与冒险引起的，所以要研究它们。在一个复杂的数字电路的设计阶段，就完全预料电路中的竞争与冒险是困难的，有一些要通过实验来检查。下面将说明组合数字电路中竞争与冒险的基本概念和确定消除它的一些基本方法。
2、卡诺图法：
卡诺图法消除竞争冒险实质上和代数法是一致的，应根据条件卡诺圈的相切处，只要增加一些卡诺圈将两个互不搭接的卡诺图一—搭接起来，就可已实现消除冒险的目的，所以卡诺图法也叫增加多余项法。
3、取样脉冲法：
一般来说，多个输入发生状态变化时，冒险是难以消除的，当组合电路的冒险影响了整个系统的工作时，可以用取样的方法解决。取样脉冲仅在输出处于稳定值的期间到来，以保证输出正确的结果，在没有取样脉冲期间，输出的信息是无效的。如图6(a)所示的逻辑电路，p的高电平出现在电路到达稳定状态以后，所以 每个门的输出都不会出现尖峰脉冲。但需注意，这时 正常的输出信号将变成脉冲信号，而且它们的宽度与取样脉冲相同。
图 1
四、竞争-冒险的判定：
1、在输入逻辑变量每次只有一个改变状态的简单情况下，可通过函数式来判断电路是否存在竞争-冒险现象。
图 2
图 3A由0-1时，产生了一脉宽小于40ns的负脉冲
图4
图5A从0-1时，出现了一个小于40ns的正脉冲
在图2、4所示的电路中，设输出端门电路两个输入端的信号是同一个输入信号A，经过不同的传输途径来的A和 信号，则输出信号为 ，或 。
5、计算机辅助分析法：
代数法和卡诺图法虽然简单，但有很大的局限性，因为实际的逻辑电路输入变量通常会比较多，并且有可能多个输入变量同时发生变化。在这种情况下，很难利用上述的方法判断所有的冒险现象。计算机辅助分析法是通过在计算机上运行数字电路的模拟程序，迅速地查找到电路中的冒险现象，例如EDA软件和某些基于功能仿真的算法。
3、卡诺图法：
在逻辑函数的卡诺图中，函数的每个与项(或项)对应卡诺图上一个卡诺圈，若两个卡诺图相切，则相切处将会发生冒险。
4、实验法：
实验法是检验电路是否存在冒险现象的最有效、最可靠的方法。它是利用实验手段检查冒险的方法，即在逻辑电路的输入端，加入信号所有可能的组合状态，用逻辑分析仪或示波器，捕捉出可能出现的冒险现象。这种方法，虽然有点繁琐，但却是最可靠的方法。
从引起冒险的具体原因上，冒险可以分为函数冒险和逻辑冒险。函数冒险是逻辑函数本身固有的，当多个输入变量发生变化时，常常会发生逻辑冒险。避免函数冒险的最简单的方法是同一时刻只允许单个输入变量发生变化，或者采用取样的办法。
单个输入变量改变时，不会发生函数冒险，但电路设计不合适时，仍会出现逻辑冒险。通过精心设计，修改电路的结构，可以消除逻辑冒险。
数字电路研讨报告
--组合电路中竞争和冒险的讨论
学院：电子信息工程学院
组合电路中竞争和冒险的讨论
【前言】
在前面讨论电路的逻辑关系时，仅仅考虑电路处在稳态条件下的工作情况，没有考虑信号在转换瞬间电路传输信号的速度对电路工作状态的影响。实际上这种影响是存在的，不可忽视的。例如，电路工作速度和最高工作频率受到限制，导致电路无法正常工作。
五、消除竞争-冒险的方法：
当逻辑电路中出现冒险现象时，可能会对电路的正常工作造成极大的不利，此时必须设法消除冒险现象。常用的消除冒险现象的方法也有四种，即代数法、卡诺图法、取样脉冲法、输出端加滤波电容法。
1、代数法：
逻辑表达式 ，当B=C=l时，可改写为 ，存在冒险现象，此时若在 式中加上-“l”电平，便可以消除冒险。而且这个l电平必须是出现冒险瞬间时输入的“l”电平，这样不影响 逻辑关系的与项才行。
冒险：由于逻辑门因竞争而导致输出产生不应有的尖峰干扰脉冲（又称过渡干扰脉冲）的瞬间错误现象称为冒险。表现为输出端出现了原设计中没有的窄脉冲，常称其为毛刺。
二、竞争-冒险的分类
当一个门的输入有两个或两个以上的变量发生改变时，由于这些变量是经过不同路径产生的，使得它们状态改变的时刻有先有后，这种时差引起的现象称为竞争（Race）。临界竞争：竞争的结果若导致冒险或险象（Hazard）发生（例如毛刺），并造成错误的后果。非临界竞争：若竞争的结果没有导致冒险发生，或虽有冒险发生，但不影响系统的工作。
三、产生竞争-冒险的原因
通过具体事例分析竞争-冒险的产生原因：
在图1（a）所示的2输入与门电路中，无论是A=1，B=0，或是A=0，B=1，在稳态时输出Y都等于0。现在来讨论当A输入信号从高电平“1”向低电平“0”跳变的同时，B输入信号从低电平“0”向高电平“1”跳变，输出信号Y瞬态的输出波形。
当电路对输入信号跳变情况的传输速度相同时，输出波形保持低电平。当电路对输入信号跳变情况的传输速度不相同时，A输入信号还没有降到UIL（max）以下，B输入信号已经跳到UIL（max）以 上，在这个瞬间两输入信号同为“1”，输出信号Y也是1，出现了如图1（a）所示的正尖波信号，因该信号违反了稳态条件下与门电路的逻辑关系，所以，该信号为不受欢迎的干扰信号。同理也可讨论图1（b）所示的或门电路在瞬态出现的负尖波信号。这些干扰信号统称为电压毛刺或噪声。
通过这次研究型教学，我们更清晰的了解了竞争冒险的相关知识，同时也认识到，课本上的知识虽然清晰明了，但是通过自己检索、搜集资料进行学习的过程会令我们对知识的认识更加深刻，难忘。