组合电路中的竞争冒险实验报告
实验四 组合电路中的竞争与冒险
当A由1变为0时，由于考虑了G1门的延迟时间，在G2门的2个输入端出现
了均为0的短暂时刻，使G2门输出产生了不应有的窄脉冲，这个窄脉冲称
为毛刺。
A B
0
≥1
≥1
F
G2
B0 A A F
t pd
G1
3．竞争与冒险的消除方法
①接入滤波电容
R
Vi
②引入选通脉冲
C
VoLeabharlann Vi VoA B1
脉 冲
& & & &
A B
B：A=1，C=1，D=0 D：A=0，B=0，C=1
7、添加冗余项消除A变化过程中的险象
F=AB+BCD+ACD=AB+BCD+ACD+BCD
F
C d e f F
C
F AB AC AB AC
③修改逻辑设计
在卡诺图中，函数的每一个与项（或项）对应一个合并圈，若两个合并圈相 切，相切之处会出现冒险。
AB C 00
F AB AC
01
11
☆消除冒险的方法：
10
在相切处增加一个合并圈BC。
0
1
1 1 1 1
F AB AC 令B=C=1
AA
产生0冒险
相切处：B=C=1
实验内容
1、F=AB+BCD+ACD 要求只有原变量输入即实现时不能用模拟开关的反变量，要实现反变量，用非门。 没有非门，可用与非门（与1与非）或异或门（与1异或）。要能观察到竞争冒险现象， 实现时应尽可能使同一变量的经过两条路径到达同一点时，两条路径相差的门数尽可能
F AA 或
F AA
组合电路的竞争和冒险
S = ∑m (1,2,4,7) = ∏ (0,3,5,6) M
= M0 ⋅ M3 ⋅ M5 ⋅ M6 = m0 ⋅ m3 ⋅ m5 ⋅ m6
= Y 0 ⋅Y 3 ⋅Y 5 ⋅Y 6
CO = ∑m (1,2,3,7) = ∏ (0,4,5,6) M
= M0 ⋅ M4 ⋅ M5 ⋅ M6 = m0 ⋅ m4 ⋅ m5 ⋅ m6
0 1 1 1 0 0 0 1
AB AB C 00 01 11 10 C 00 01 11 10 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1
S CO
S = A⊕ B ⊕Ci
CO = AB + ( A⊕B) ⋅ Ci = AB⋅ ( A⊕ B) ⋅ Ci
最后画出用与非门和异或门实现 的全减器逻辑电路图。
多个输入发生状态变化时，冒险是难以消除的。 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， 电路的冒险影响了整个系统的工作时，可以采用取样脉冲的 方法加以解决。 方法加以解决。 A & ☆先判断组合电路 B & 有无冒险产生， A , A⋅ A A+ & F 1 & 若有冒险加取样脉冲与组 C 合电路相与。 ☆取样脉冲仅在输出门处 于稳定值期间到来，保证输出 结果正确，在取样脉冲周期之 外，输出信息无效。 ☆取样脉冲法目的是避开 冒险。
3.5 组合逻辑电路中的竞争与冒险
F'
t
…
xn
C
F
电容器容量为4~20pF之间
t
11
输出端电容器致使输出波形上升沿和下降沿变化变 慢，可对于很窄的负跳变脉冲起到平滑的作用，但 也降低了电路工作速度
Ro L
C
L
(a) 4~20pF
(b)
12
8
２．增加冗余项
根据公式 AB AC BC AB AC
增加冗余项BC，有
F AB AC＋BC AB AC
B=C=1时, 函数由F＝A＋A变成了F＝1
9
增加乘积(冗余)项
L AC BC
G2
G2
A
AA
& AC
&
G4
AC
B
C
1
C
B
G1
1
& BC
G3G1
(a)
≥1 LG=A3C+BC &
F
(a)
(b)
产生正跳变脉冲的竞争冒险
竞争：在组合电路中，信号经由不同的路径达到某一会合点 的时间有先有后的现象;
冒险：由于竞争而引起电路输出发生瞬间错误。表现为输出 端出现了原设计中没有的窄脉冲（毛刺）。
2
例如：F AB AC,当B C 1时，F A A 1
A B
G2
&
A
d
G4
tpd
4
G1
A
A
1
G2
A
&
F AA
L
(a)
(b)
产生正跳变脉冲的竞争冒险
G1
A
F AA
A
1
G2
≥1
A
中山大学数电实验五组合电路中的竞争与冒险
中⼭⼤学数电实验五组合电路中的竞争与冒险数电实验五组合电路中的竞争与冒险预习报告1、复习与组合逻辑电路竞争与冒险有关内容（1）竞争冒险现象及其成因对于组合逻辑电路，输出仅取决于输⼊信号的取值组合，但这仅是指电路的稳定解⽽⾔，没有涉及电路的暂态过程。
实际上，在组合逻辑电路中信号的传输可能通过不同的路径⽽汇合到某⼀门的输⼊端上。
由于门电路的传输延迟，各路信号对于汇合点会有⼀定的时差，这种现象称为竞争。
如果竞争现象的存在不会使电路产⽣错误的输出，则称为⾮临界竞争；如果使电路的输出产⽣了错误，则称为临界竞争，通常称为逻辑冒险现象。
⼀般说来，在组合逻辑电路中，如果有两个或两个以上的信号参差地加到同⼀门的输⼊端，在门的输出端得到稳定的输出之前，可能出现短暂的、不是原设计要求的错误输出，其形状是⼀个宽度仅为时差的窄脉冲，通常称为尖峰脉冲或⽑刺。
（2）检查竞争冒险现象的⽅法在输⼊变量每次只有⼀个改变状态的简单情况下，可以通过逻辑函数式判断组合逻辑电路中是否有竞争冒险存在。
__如果输出端门电路的两个输⼊信号A和A 是输⼊变量A经过两个不同的传输途径⽽来的，那么当输⼊变量的状态发⽣突变时输出端便有可能产⽣尖峰脉冲。
因此，只要输出端的逻辑函数在⼀定条件下化简成_ _Y = A + A 或 Y = A A则可判断存在竞争冒险。
（3）消除竞争冒险现象的⽅法①接⼊滤波电路在输出端并接⼊⼀个很⼩的滤波电容Cf，⾜可把尖峰脉冲的幅度削弱⾄门电路的阈值电压以下。
②引⼊选通脉冲对输出引进选通脉冲，避开现象。
③修改逻辑设计在逻辑函数化简选择乘积项时，按照判断组合电路是否存在竞争冒险的⽅法，选择使逻辑函数不会使逻辑函数产⽣竞争冒险的乘积项。
也可采⽤增加冗余项⽅法。
选择消除险象的⽅法应根据具体情况⽽定。
组合逻辑电路的险象是⼀个重要的实际问题。
当设计出⼀个组合电路，安装后应⾸先进⾏静态测试，也就是⽤逻辑开关按真值表依次改变输⼊量，验证其逻辑功能。
5组合逻辑电路中的竞争冒险
(b)
L A A 1 稳态逻辑关系
竞争产生负尖脉冲：偏1冒险
产生竞争冒险的原因：门电路的传输延迟使同一变量经过 不同路径到达输出端的时间不同。
竞争冒险的危害性：使对脉冲敏感的系统出现误动作。
2 冒险现象的判别方法（分析法） 1） 代数法
分析输入变量的取值情况，看是否存在某些输入变量的特定 取值使表达式出现L=AA 或者L=A+A 例 判断 L AC AB AC 是否存在冒险现象
B=1, A=0时出现L=C+C
AC AB
C 00 01 11 10
0
1
AB
BC
L= BC+ AC +AB
B=1, A=0时出现L=C+C+1
2） 加滤波电容
A
A
&
C
A
1
&
≥1
L
C
1
&
C
C
B
B
(a)
L AC AB AC
L 冒险
(b)
3） 加选通控制 保证输出在输入信号稳定时有效
组合逻辑电路分析与设计小结
3.5 组合逻辑电路中的竞争冒险
1 竞争冒险的意义
竞争: 在组合逻辑电路中，若某个变量通过2条以上的途 径到达输出端，由于每条路径上的延迟时间不同，到达输 出端的时间有先后区别，这一现象叫做竞争。
A
B
1
G1 C
G3
&
G4
&
G2
L
&
冒险: 当某个变量发生变化时，如果真值表所描述的逻辑 关系受到短暂的破坏，并在输出端出现不应有的尖脉冲， 此种情况称为冒险。
实验四组合电路中竞争与冒险完成
实验四组合电路中竞争与冒险完成TPMK standardization office【 TPMK5AB- TPMK08- TPMK2C- TPMK18】实验四组合电路中的竞争与冒险姓名：班级：学号：实验时间：一、实验目的1、观察组合电路中的竞争与冒险现象。
2、了解消除竞争与冒险现象的方法。
二、实验仪器及器件1、数字电路实验箱、数字万用表、示波器。
2、74LS00、74LS20三、实验原理1、竞争冒险现象及其成因在组合逻辑电路中信号的传输可能通过不同的路径而汇合到某一门的输入端上。
由于门电路的传输延迟，各路信号对于汇合点会有一定的时差。
这种现象称为竞争。
这个时候如果电路的输出产生了错误输出，则称为逻辑冒险现象。
一般说来，在组合逻辑电路中，如果有两个或两个以上的信号参差地加到同一门的输入端，在门的输出端得到稳定的输出之前，可能出现短暂的，不是原设计要求的错误输出，其形状是一个宽度仅为时差的窄脉冲，通常称为尖峰脉冲或毛刺。
2、检查竞争冒险现象的方法在输入变量每次只有一个改变状态的简单情况下，如果输出门电路的两个输入信号A和是输入变量A经过两个不同的传输途径而来的，那么当输入变量的状态发生突变时输出端便有可能产生两个尖峰脉冲。
因此，只要输出端的逻辑函数在一定条件下化简成或则可判断存在竞争冒险。
3、消除竞争冒险现象的方法（1）接入滤波电路在输入端并接一个很小的滤波电容Cf，足可把尖峰脉冲的幅度削弱至门电中的阈值电压以下。
（2）引入选通脉冲对输出引进选通脉冲，避开险象。
（3）修改逻辑设计在逻辑函数化简选择乘积项时，按照判断组合电路是否存在竞争冒险的方法，选择使逻辑函数不会使逻辑函数产生竞争冒险的乘积项。
也可采用增加冗余项方法。
选择消除险象的方法应根据具体情况而定。
组合逻辑电路的险象是一个重要的实际问题。
当设计出一个组合电路，安装后应首先进行静态测试，也就是用逻辑开关按真值表依次改变输入量，验证其逻辑功能。
然后再进行动态测试，观察是否存在冒险。
实验六 组合逻辑电路中的竞争冒险现象
实验四组合逻辑电路中的竞争冒险现象解析一实验目的1学会分析组合逻辑电路中有无竞争冒险现象。
2掌握采用修改逻辑电路设计的方法消除冒险现象。
二实验仪器（1）双踪示波器（2）双路直流稳压电源（3）探测器三实验原理四实验步骤1打开Multisim10电子线路仿真界面，在TTL集成电路器件库中，按电路原理图取出元器件；在仪器库中取出示波器以及方波信号源、探针等。
按实验电路图4—1连接好。
2打开工作开关。
展开示波器操作界面，观察到有关波形后，调整扫描时间、灵敏度等，使示波器A、B通道展示波形适当，并画出有关波形。
打开工作开关后可见探针闪亮。
打开示波器调整扫描时间和灵敏度等观察到波形如图A：调整示波器的时间尺度，得出图B：3根据波形，分析出现的问题及其原因。
电路原理图函数表达式F= C A AB +。
图A 、B 的实验电路为B 、C 接高电平5V ，即B=C=1，此时F= A A +，输出为0,，然而由图A 可知电路存在“1”态冒险，即电路存在竞争冒险。
图B 为将图A 放大后的图像，可知输出端滞后于输入端。
4采用增加冗余项的方法消除上述电路中竞争冒险现象。
画出修改后电路，并进行验证。
增加冗余项修改后的电路图（a ）：修改后输入输出波形图（b ）：原来表达式F= C A AB +增加冗余项后得F= BC C A AB ++=F= C A AB +*BC ，则电路图如上图（a ），其输入输出图像如图（b ），由图（b ）可知，增加冗余项后，输出图像为一直线，即增加冗余项的方法已消除竞争冒险现象。
5用示波器观察电路修改后工作时的输出波形，将电路修改前后波形比较分析。
消除互补相乘项修改后的电路图（c ）：修改后输入输出波形图（d ）：6、用示波器观察电路修改后工作时的输出波形，将电路修改前后波形比较分析。
分析：由于原来的函数表达式F= C A AB +=C B B A C A A A +++消除互补相乘项A A 后得到F=C B B A C A ++，此时无论A 这怎么修改，输出结果总为1,。
组合逻辑电路中的竞争冒险
组合逻辑电路中的竞争冒险
前面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，从信号输入到稳定输出需要一定的时间。
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，使信号从输人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。
一、产生竞争冒险的原因
首先来分析下图所示电路的工作情况，可以建立竞争冒险的概念。
在图中，与门G2的输入是Ａ和两个互补信号。
由于G1的延迟，的下降沿要滞后于Ａ的上升沿，因此在很短的时间间隔内，G2的两个输入端都会出现高电平，致使它的输出出现一个高电平窄脉冲（它是按逻辑设计要求不应出现的干扰脉冲），见图中的波形部分所示。
与门G2的２个输入信号分别由G1和Ａ端两个路径在不同的时刻到达的现象，通常称为竞争，由此而产生输出干扰脉冲的现象称为冒险。
下面进一步分析组合逻辑电路产生竞争冒险的原因。
设有一个逻辑电路如上图所示，其工作波形如下图所示。
它的输出逻辑表达式为。
由此式可知,当Ａ和Ｂ都为1时，L＝1，与C的状态无关。
但是，由波形图可以看出，在Ｃ由１变０时，Ｃ由０变１有一延迟时间，在这个时间间隔内,G2和G3的输出ＡＣ和同时为０，而使输出出现一负跳变的窄脉冲，即冒险现象。
这是产生竞争冒险的原因之一，其他原因这里不作详述。
由以上分析可知，当电路中存在由反相器产生的互补信号，且在互补信。
逻辑电路的竞争冒险现象观察与消除
在栏中以指数格式设定上升时间（下降时间），再点击Accept 按钮即可。如点击Default，则为默认值1.000000e-12。
5
示波器的控制面板分为四个部分： 1. Time base（时间基准） Scale（量程）：设置显示波形时的X轴时间基准。 X position（X轴位置）：设置X轴的起始位置。 显示方式设置有四种：Y/T方式指的是X轴显示时间，Y轴 显示电压值；Add方式指的是X轴显示时间，Y轴显示A通道和B 通道电压之和；A/B或B/A方式指的是X轴和Y轴都显示电压值。
Set Rise/Fall Time 按钮 设置所要产生的信号的上升时间与下降时间，该按钮只在产 生方波时有效。点击该按钮后，出现下图
双通道示波器（Oscilloscope） 双通道示波器与实际的示 波器外观和基本操作基本 相同，该示波器可以观察 一路或两路信号波形的形 状，分析被测周期信号的 幅值和频率，时间基准可 在秒直至纳秒范围内调节。 示波器图标有四个连接点： A通道输入、B通道输入、 外触发端T和接地端G。
连接规则 （1）A、B 两通道分别只需一根线与被测点相 连，测量的是该点与“地”之间的波形。 （2）接地端G 一般要接地，但当电路中已有接地 符号时，也可不接。
6
Байду номын сангаас
到学院主页（）课程 到学院主页（）课程 资源下载实验3的讲义(ppt)及实验教材 资源下载实验3 的讲义( ppt) 运行实验软件，按照讲义步骤进行实验操 作练习（学习五、函数发生器和示波器的参数 学习五、函数发生器和示波器的参数
2. Channel A（通道A） Scale（量程）：通道A的Y轴电压刻度设置。 Y position（Y轴位置）：设置Y轴的起始点位置，起始点为 0表明Y轴和X轴重合，起始点为正值表明Y轴原点位置向上移， 否则向下移。 触发耦合方式：AC（交流耦合）、0（0耦合）或DC（直流 耦合），交流耦合只显示交流分量，直流耦合显示直流和交流 之和，0耦合，在Y轴设置的原点处显示一条直线。 3. Channel B（通道B） 通道B的Y轴量程、起始点、耦合方式等项内容的设置与通 道A相同。
数字电路实验报告-组合逻辑电路(1)—仪器的使用及竞争与险象的观测
数字逻辑电路实验实验报告学号：班级：姓名：实验1 组合逻辑电路（1）——仪器的使用和竞争险象的观测一实验内容1.1示波器测量探头补偿信号1.2示波器测量信号源输出的正弦波信号1.3示波器测量信号源输出的方波信号1.4测量示波器的带宽1.57400功能测试1.6竞争与险象的观测二实验原理2.1示波器的基本使用示波器是一种可显示电信号波形的测量工具，可按照显示信号的方式分为数字示波器和模拟示波器两类。
常用的数字示波器通过对模拟信号进行AD转换、采样、存储进而显示波形。
实验中使用的示波器为GDS2202E，有两个输入通道，带宽200MHz，其面板各分区的主要功能如下：1.垂直控制区：包含两通道的开关按钮、幅值量程调节旋钮、参考电平调节旋钮等，可调节两通道的垂直尺度和波形零点高度。
2.水平控制区：主要含时基调节旋钮和触发发位置调节旋钮，可以调节波形显示的时间尺度和触发点的水平位置。
3.触发控制区：可以配合菜单键调节触发电平、触发方式、触发边沿等，可选择自动或正常触发模式，或选择上升、下降或双边沿触发，可实现单次触发功能。
4.菜单区：可设置示波器耦合方式（交、直流和地）、带宽、幅值倍率等参数。
另外，示波器还提供了光标测量、信号参数测量等其他功能。
示波器探头有分压功能，可实现对输入信号的10:1幅值变换，借以实现更大的量程。
使用示波器观测稳定信号时，可使用Autoset键使波形稳定，或自行调节幅值、时基、触发等参数使波形稳定。
观察信号暂态时，则可使用单次触发模式，调节合适的触发参数以实现信号捕捉。
2.2信号源的基本使用信号发生器可用于以一定参数生成波形。
实验中使用的信号发生器为SDG2402X，可生成正弦波、方波、噪声波等常见波形和各种调制波形，有两个输出通道。
使用时，按下Waveforms键选择波形，之后可使用触摸屏幕、数字键、旋钮等配合方向键设置各种波形参数，之后按下对应通道的输出键即可使能输出。
2.3实验中粗略测量示波器带宽的原理分析一切实际系统均有上限截止频率，示波器也不例外。
组合逻辑电路中的竞争冒险
目录摘要 (1)关键词 (1)Abstract .................................................................. 1 . Key words .. (1)1 引言 (1)2 竞争冒险产生的原因分类及危害.................................................................................... 1. .2.1竞争冒险现象 (1)2.2 竞争冒险现象产生的原因.................................................................................... 2. ..2.3 竞争冒险的危害.................................................................................... 2. ..2.4 竞争冒险的分类.................................................................................... 2. ..2.4.1 静态冒险 (2)2.4.2 动态冒险 (2)3 竞争冒险的判断.................................................................................... 2. ..3.1 代数法 (2)3.2 卡诺图法 (3)3.3 仿真法和实验法....................................................................................4. ..3.4 通过实验判断竞争冒险....................................................................................4. ..3.4.1 实验分析 (5)3.4.2 实验总结 (6)4 竞争冒险的消除方法.................................................................................... 6...4.1增加冗余项法 (6)4.2消除互补项法 (6)4.3接入滤波电容 (6)4.4引入选通脉冲 (6)4.5引入封锁脉冲 (7)4.6采用可靠性编码7...4.7输出加D 触发器.................................................................................... 7. ..5 实际应用中竞争冒险的敏感度问题.................................................................................... 7. .6 总结 (7)致谢 (8)参考文献 (8)组合逻辑电路中的竞争冒险网络工程专业学生郭翔指导教师吴俊华摘要：在组合逻辑电路中，当输入信号改变状态时，输出端可能出现由于竞争冒险而产生的干扰脉冲信号，如果负载是对干扰脉冲信号十分敏感的电路，有可能引起电路的误动作，因此应该采取措施消除竞争冒险。
组合电路中的竞争冒险
图3-50 由于竞争而产生的尖峰脉冲
在图3-50（a）中，A 与 B同时分别由1变到0，0变到1时，做 以下3种情况的分析。
（1）不考虑信号通过与门的延迟时间，则与门输出 L 0 。 （2）考虑信号通过与门的延迟时间，且 B在 A下降到低于 VIL(max) 之前就上升到高于VIL(max) ，这时在输出端将出现不符 合逻辑规律的正尖峰脉冲，如图3-50（a）输出波形 所示， 其中 t 表示从一个稳态过渡到另一个稳态的过渡时间。 （3）考虑信号通过与门的延迟时间，但 B在A 下降到低于 VIL(max) 之后才上升到高于 VIL(max) ，这时在输出端将不出现正 尖峰脉冲。
1.2 组合电路中的竞争冒险 判别方法
如图3-51所示，如果组合逻辑电路的输出表达式在一定条件 下能化简成 L AA 或 L A A，由于 A，A 是通过不同途径到达 或门、与门的输入端， A从0跳变到1或从1跳变到0时，A 必然要 从相反方向同时跳变，因此可能产生竞争冒险。
图3-51 门电路输入A ，A 将可能出现竞争冒险
如果逻辑表达式较复杂，通常可采用卡诺图的方法来 进行判别。例如，逻辑表达式 L AB AC AC ，如图352所示画出函数L 的卡诺图。
图3-52 L AB AC AC 卡诺图
通过以上分析可知，在输入变量每次只有一个状态发生改变 的简单情况下，判断逻辑表达式是否存在竞争冒险的方法如下。
在图3-50（b）中，A 与 B同时分别由1变到0，0变到1时，做 以下3种情况的分析。
（1）不考虑信号通过或门的延迟时间，则或门输出 L 1。 （2）考虑信号通过或门的延迟时间，且 B在 A 下降到低于 VIH(min) 之后才上升到高于 VIH(min) ，这时在输出端将出现不符 合逻辑规律的负尖峰脉冲，如图3-50（b）输出波形 所示， 其中 t 表示从一个稳态过渡到另一个稳态的过渡时间。 （3）考虑信号通过或门的延迟时间，但 B在A 下降到低于 VIH(min) 之前就上升到高于VIH(min) ，这时在输出端将不出现负 尖峰脉冲。
组合电路中的竞争冒险现象
对
高位对 高位
确定函数输入变量与 数据选择器地址输入
端的对应关系
照
比
较
确定数选器数据输入
端的表达式（0、1、
原变量、反变量）
画连 线图
•13
第四章小结 （3）用其他的中规模组合电路
利用编码器的优先编码功能； 利用比较器的比较输出； 利用全加器的异或运算功能； 利用加法器的求和功能；
应用中规模组件设计电路要注意的问题：
可见，BC=11时，变量A的变化可能使电路产生冒险
。同上，变量C的变化不会使电路产生冒险。
路漫漫其悠远
•5
2、卡诺图识别法
如果代表两个乘积项的圈相切，而相切处又未被其它 包围圈包围，则可能发生冒险现象。
00 01 00 1
10 0
11 10 10
11
如图，图上两卡诺圈相切，当输入变量ABC由011变为111 时，Y从一个包围圈进入另一个包围圈，若把圈外函数值 视为0，则函数值可能按 1- 0 -1 变化，从而出现毛刺。
路漫漫其悠远
•11
第四章小结
–熟练掌握组合逻辑电路的分析方法
（逐级推导法
给）定逻
逻辑表
化简或
列真
逻辑功
辑图
达式
变换
值表 能描述
–熟练掌握组合逻辑电路的设计方法
1、用SSI门电路设计
给定逻 辑功能
逻辑抽象， 得出真值表
列写逻辑 表达式
选择器件类 型和数目
画出逻辑图 2、用MSI组合逻辑器件设计
路漫漫其悠远
然而由于仿真时只能采用标准化的典型参数，有时还要做 一些近似，所以得到的仿真结果与实际电路的工作情况 会有出入。
【豆丁-精品】-组合逻辑电路中竞争冒险的虚拟仿真实验设计
收稿日期：2010-08-20基金项目：湖南第一师范学院院级课题（XYS09N06）作者简介：胡伟（1978-），男，湖南浏阳人，湖南第一师范学院讲师，硕士。
组合逻辑电路中竞争冒险的虚拟仿真实验设计胡伟（湖南第一师范学院，湖南长沙410205）摘要：竞争冒险现象是组合逻辑电路工作状态转换过程中经常出现的现象，而实验检测法是最为可靠的竞争冒险检测方法，通过以Multisim 软件为平台进行虚拟的仿真实验，可以形象生动地展示竞争冒险现象及其消除方法。
关键词：组合逻辑电路；竞争冒险；Multisim ；虚拟仿真中图分类号：TN791文献标识码A文章编号：1674-831X （2010）05-0152-051.组合逻辑电路中的竞争冒险1.1组合逻辑电路中竞争冒险我们在进行逻辑电路的设计和制作时，常常出现设计上没有原理性错误，但实际构成的电路输出端却出现违背稳态下逻辑关系的尖峰脉冲，这是由于在进行逻辑设计时都是将构成逻辑的元件作为理想的元件进行设计的。
但在实际中所有的逻辑门都存在传输延迟，且不同通路上门的级数也不同，所有的信号从输入到稳定也需要一定的上升时间和下降时间。
因此，在组合逻辑电路的输出波形中就出现了违反原设计的尖脉冲波形的现象，即竞争冒险。
在组合逻辑电路中，如果由于竞争冒险而产生干扰脉冲，势必会对敏感负载产生不良影响，甚至导致误操作，如干扰脉冲可以使寄存器产生误操作，丢失储存的数据，还可以使计数器产生错误计数等等。
竞争冒险有可能引起控制对象的误动作，导致系统瘫痪，造成事故，所以必须采取措施予以消除。
1.2组合逻辑电路中竞争冒险的检测方法1.2.1逻辑函数法如果输出端门电路的两个输入信号A 和A 是输入变量A 经过两个不同的传输路径而来的，那么当输入变量A 的状态突变时，输出端便存在竞争冒险现象。
所以，只要输出端的逻辑状态函数在一定的条件下能够简化为F=A+A 或F=A ·A ，则可断定电路存在竞争冒险现象。
9组合逻辑电路冒险现象遇见的研究实验
数字电路-09组合逻辑电路冒险现象遇见的研究实验一． 实验目的1. 了解组合逻辑电路竞争冒险现象。
2. 掌握用实验手段消除竞争冒险对电路的影响。
二． 实验原理通常组合逻辑电路的设计是在理想状态下进行的，忽略了电路中的导线及集成门的延迟时间。
由于逻辑门传输延迟时间存在，实际电路中的各信号因传输路径不同，到达某一逻辑器件输入端的时间可能有先后之分，称为信号的“竞争”。
在输入信号变化瞬间，由于“竞争”造成输出信号出现不符合逻辑功能的尖峰脉冲，称为组合逻辑电路的“冒险”现象。
图9-1为冒险现象的例子。
图9-1 由于信号延迟产生的尖峰脉冲本实验仅讨论组合逻辑电路的静态冒险现象，判断一个组合逻辑电路是否会发生静态逻辑冒险的方法有两种。
1. 代数法若输入变量A 和A 通过不同的途径传输到同一逻辑门的输入端，那么当信号A 发生变化时，该逻辑门的输出端有可能产生静态逻辑冒险。
所以，如果某逻辑函数的输出Z 在其他输入信号一定的条件下呈A A Z +=或A A Z =的形式。
就可确定Z 在信号A 发生突变时会产生静态逻辑冒险。
该判断法有着一定的局限性，因为大多数情况下输入变量都存在两个以上同时改变状态的可能性，这样就难以从逻辑函数式上判断出所有产生竞争—冒险的情况。
2. 卡诺图法由于函数表达式中的一个与（或）项对应了卡诺图中函数值为“1”（“0”）的一个合并圈，各合并圈的关系是与（或）项相或（与）。
当两个圈相切时，至少有一个输入变量取值不同。
所以，若卡诺图中有圈相切，且相切的卡诺图格又没有同时被另一个圈包含，则当变量组合在相切方格之间变化时，可能出现输出A A Z +=或A A Z =的形式，从而产生冒险现象。
冒险是组合逻辑电路工作状态转换过程中经常出现的一种现象。
如果负载是一些对尖峰脉冲敏感的电路（如时序电路），就会对其造成误动作，从而直接影响数字设备的稳定性和可靠性，因此，必须采取措施消除之。
如果负载电路对尖峰脉冲不敏感（如负载为光电显示器件），就不必考虑这个问题。
实验四 组合电路的竞争冒险
实验四 组合电路的竞争冒险1．实验目的通过实验观察组合电路中存在的竞争冒险现象，学会用实验手段消除竞争冒险对电路的影响。
2．实验原理在组合逻辑电路里，信号从输入到输出的过程中，由于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。
下面是一个最简单的例子。
在图4.1（a ）的与门电路中，无论A=1、B=0还是A=0、B=1，输出皆为Y=0。
但是，如果输入信号A 从1跳变为0时，B 从0跳变为1，而信号B 首先上升到以(max)IL V 以上，这样在极短的时间T 内将出现A 、B 同时高于(max)IL V 的状态，于是便在门电路的输出端产生了极窄的Y=1的尖峰脉冲，或称为电压毛刺，如图所示（在画波形时考虑了门电路的传输延迟时间）。
显然，这个尖峰脉冲不符合门电路在稳态下的逻辑关系，因而它是系统内部的噪声。
同样，在图4.1（b ）的或门电路中，无论A=0、B=1还是A=1、B=0，输出都应该是Y=1。
但如果A 从1变成0的时刻和B 从0变成1的时刻略有差异，而且在A 下降到(min)IH V 时B 还没有上升到(min)IH V ，则在暂短的t ∆时间内将出现A 、B 同时低于(min)IH V 的状态，使输出端产生极窄的Y=0的尖峰脉冲。
这个脉冲同样也是违背稳态下关系的躁声。
我们把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图4.1 组合电路中的竞争冒险B&≥11AA B Y Y Y tA B IH(min)IH(min)tY变为1）的现象叫做竞争。
应当指出，有竞争现象时不一定都会产生尖峰脉冲。
例如，在图4.1（a ）中，如果在B 上升到(max)IL V 之前A 已经降到了(max)IL V 以下（如图中虚线所示），这时输出端不会产生尖峰脉冲。
4第四章组合逻辑电路中的竞争冒险
4第四章组合逻辑电路中的竞争冒险数字逻辑课件4.3组合逻辑电路中的竞争组合逻辑电路中的竞争冒险与险象数字逻辑课件竞争冒险的概念及其原因竞争：输入信号经过不同的路径到达输出端的时竞争：间有先有后，这种现象称为竞争。
间有先有后，这种现象称为竞争。
产生的原因：信号经过门的级数、具体逻辑门产生的原因：信号经过门的级数、的时延大小、导线的长短。
的时延大小、导线的长短。
竞争会给电路带来什么样的影响？竞争会给电路带来什么样的影响？数字逻辑课件一个简单门电路的冒险分析AFBF=A+A数字逻辑课件一、冒险与竞争竞争：在组合电路中，竞争：在组合电路中，信号经由不同的途径达到某一会合点的时间有先有后冒险：由于竞争而引起电路输出发生瞬间错误现象。
冒险：由于竞争而引起电路输出发生瞬间错误现象。
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。
输出端出现了原设计中没有的窄脉冲，常称其为毛刺。
数字逻辑课件冒险的概念及其产生的原因如果电路中存在竞争现象，如果电路中存在竞争现象，则当输入信号变化时就有可能引起输出信号出现非预期的错误输出，时就有可能引起输出信号出现非预期的错误输出，险象或冒险。
这种现象称为险象或冒险。
在组合电路中，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，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，竞争冒险。
扰脉冲的现象，称为竞争冒险。
数字逻辑课件险象的判断判断组合逻辑电路中是否有可能产生险象的方法有两种，代数法和卡诺图法。
的方法有两种，即代数法和卡诺图法。
数字逻辑课件代数法判断险象首先检查函数表达式中是否存在具备竞争条件的变量，条件的变量，即是否有某个变量同时以原变量和反变量的形式在函数表达式中出现。
变量和反变量的形式在函数表达式中出现。
若有，则消去函数表达式的其他变量，再若有，则消去函数表达式的其他变量，看函数表达式是否能化成或的形式，若能，看函数表达式是否能化成或的形式，若能，则对应的逻辑电路存在产生险象的可能性。
实验十二 竞争冒险实验
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？
数字电路
(2) 1型竞争冒险现象
如下图所示：
图12-3 1型竞争冒险电路图 图12-4 波形图
输出，在电路达到稳定时，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。
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，但分频的次数比较多，就可能造成影响。下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。
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部分。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基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。
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。
竞争冒险实验
实验十七竞争冒险一、实验目的通过实验观察组合电路中存在的竟争冒险现象，学会用实验手段消除责争冒险对电路的影响．二、实验内容1．八位串行奇仍校验电路竞争冒险现象的观察及消除。
图17．1所示电路为八位串行奇偶校验电路。
图17．1八位串行奇、偶校验电路按图接线。
测试电路的逻辑功能。
a．b…g，h分别接逻辑开关K1；～K9，z接发光二级管显示。
改变K1～K8的状态．观察并记录Z的变化。
（注：时间关系，仅列举几个有代表性的结果。
其中以开关闭合表示“1”，开关断开表示“0”.）K1K2K3K4K5K6K7K8Z 000000001 000000010 000000111 000001110 000011111 000111110 001111111 011111110 111111111表17.1由表17.1可以看出每一次开关的断开和闭合都影响发光二极管的状态。
a接脉冲．b．c··h接高电平．用示波器观察并记录a和y湍的波形测出信号经七级异或门的延迟时间。
由上图可以看出，延迟时间为20msa和h端接同一脉冲．b．c··g为高电平．观察并记录a和y端的波形。
说明y端的波形有何异常现象？如上图所示输出端y出现了原设计中没有的窄脉冲，若采用加电容的办法来消除此异常现象．则电容C应接在何处？如图所示，滤波电容C应该与输出端并联.，若设门的输出电阻R0≈100Ω，估算电容C值的大小？测出门电路的阈值电压VT用实验法测出消除上述异常现象所需的电容值．说明产生误差的原因有哪些？2．组合电路竞争冒险现象的观察及消除组合电路如图17．2所示。
测试电路功能．结果列成真值表形式。
泪实验法测定．在信号变化过程中．竟争冒险在何处，什么时刻可能出现？用校正项的办法来消除竟争冒险．则电路应怎洋修改？画出修改后的电路．并用实验验证之。
若改用加滤波电容的办法来消除竞争冒险．则电容C应加在何处？其值约为多大？试通过实验验证之。
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实验题目：组合电路中的竞争和冒险
姓名:班级:学号: 实验时间:
一．实验目的：
1、观察组合电路中的竞争与冒险现象，了解竞争冒险的实验原理
2、了解消除竞争与冒险的方法
二．实验仪器及器件：
1、实验箱、万用表、示波器
2、74LS00，74LS20
三．实验原理：
1、竞争冒险的原理
（1）竞争: 在组合逻辑电路中，某个输入变量通过两条或两条以上的途径传到输出端，由于每条途径延迟时间不同，到达输出门的时间就有先有后，这种现象称为竞争。
（2）冒险：信号在器件内部通过连线和逻辑单元时，都有一定的延时。
延时的大小与连线的长短和逻辑单元的数目有关，同时还受器件的制造工艺、工作电压、温度等条件的影响。
信号的高低电平转换也需要一定的过渡时间。
由于存在这两方面因素，多路信号的电平值发生变化时，在信号变化的瞬间，组合逻辑的输出有先后顺序，并不是同时变化，往往会出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号称为"毛刺"。
如果一个组合逻辑电路中有"毛刺"出现，就说明该电路存在冒险。
（3）竞争冒险产生原因：由于延迟时间的存在，当一个输入信号经过多条路径传送后又重新会合到某个门上，由于不同路径上门的级数不同，或者门电路延迟时间的差异，导致到达会合点的时间有先有后，从而产生瞬间的错误输出。
（4）竞争与冒险的关系：有竞争不一定会产生冒险，但有冒险就一定有竞争。
2、冒险现象的判别
Y=A•A’可能出现1型冒险
Y=A+A’可能出现0型冒险
3、消除竞争冒险的方法
（1）利用冗余项法：
利用冗余项消除毛刺有2 种方法：代数法和卡诺图法法:
a、代数法，在产生冒险现象的逻辑表达式上，加上冗余项或乘上冗余因子；
b、卡诺图法，将卡诺图中相切的圈用一个多余的圈连接起来。
（2）选通法:
在电路中加入选通信号，在输出信号稳定后，选通允许输出，从而产生正确输出。
滤出法: 由于冒险脉冲是一个非常窄的脉冲，可以在输出端接一个几百微法的电容将其滤出掉。
（3）常用消除方法：
1、接入滤波电容Cf；
2、引入选通脉冲；
3、修改逻辑设计；
4、.利用可靠性编码；
5、引入封锁脉冲。
四．实验内容及实验步骤：
实现函数F=AB+BCD+ACD,并假定，输入只有原变量即无反变量输入。
1、画出逻辑图，使易于观察电路的竞争冒险现象。
由于实验箱没有或门，此处将函数F表达式转化成非门&与非门组成的组合逻辑电路
2、列出真值表。
（用Excel编辑）
3、静态测试，即按真值表验证其逻辑功能。
利用proteus仿真：LED灯测试，亮为“1”，不亮为“0”
4、观察变量A变化过程中的险象：即取B=C=D=1，得F=A+A，A改接函数发生器的连续脉冲源，使工作频率尽可能高。
观察是否出现现象，如有，请测出毛刺的幅度和宽度（中值宽度）。
5、使F再经过一级反相器，检查险象是否影响下一级电路的正常工作？
6、在F端并接一只330PF电容，还会影响下一级电路的正常工作吗？
7、分别观察变量B、D变化过程中产生的险象。
8、用加冗余项法消除A变化过程中产生的险象。
此时允许使用74LS20（二4输入与非门））
方案一：添加冗余项BCD
五.实验分析及总结
1、画出逻辑图,记录静态验证结果。
2、写出实验观察冒险现象的方法、步骤、记录现象的波形，叙述所采用的消除现象的方法，记录实验结果，并加以总结。
（在实验结束后完成，对实验记录的结果进行分析，例如实验结果和理论分析的差异以及相关分析，在实验中积累的经验总结，等等）
六．附录
（实验中记录的波形图，以及其他需要附上的材料。
其中波形图需有标号和标题，并且需与正文中引用的标号和标题相同。