数字电路中竞争冒险现象的分析与研究

数字电路中竞争冒险现象的分析与研究

摘要:竞争冒险是数字电路中特有的现象,该现象主要于器件的延时造成的。在对组合逻辑电路进行设计时,人们通常会忽视这个问题,导致逻辑上准确无误,实际调试时却得到了错误结果的现象。本文在对竞争冒险产生的原因、判断方法分析的基础上,辩证的提出了不同情况下消除竞争冒险的可行方法,并总结了实际应用中的竞争冒险的敏感度问题。

关键词:竞争冒险尖峰脉冲卡诺图

信号经过逻辑门电路都需要一定的时间,由于各个门电路延迟时间的差异,或者不同路径上门电路的级数不同,因此,信号从不同的路径、经过不同的门电路到达输出端时,电路在输入信号变化的瞬间,可能与稳态下的逻辑功能不一致,输出端出现一些不正确的尖峰脉冲(毛刺)。当一个逻辑门的两个输入端信号同时向相反方向变化,而变化的时间有差异的现象,称为竞争,由竞争产生出干扰脉冲的现象称为冒险。如果说电路中存在竞争冒险,并不等于一定有干扰脉冲产生,在设计时,既不可能知道传输路径和门电路传输时间的准确数值,也无法知道各个波形上升时间和下降时间的微小差异,只能说有产生干扰脉冲的可能性,这就是冒险一词的具体含义。

1 竞争冒险的判断

1.1 代数法

代数法紧扣竞争冒险最基本的定义,在n个变量的逻辑表达式中,在一定条件下,表达式可以化简为或的形式,就可以判断该电路存在竞争冒险。

1.2 卡诺图法

从逻辑表达式的卡诺图上观察,如果有两个卡诺圈相切,则必然存在竞争冒险。需要注意的是,判断是否相切时,必须考虑卡诺图的循环相邻特性,即最左边的列与最右边的列是相邻的,最上面的行与最下面的行也是相邻的。

1.3 仿真法和实验法

代数法和卡诺图法都比较简单,但不适用于多个变量输入的情况,因此可以采用计算机软件仿真法来判断,例如Multisim、MAX+plusll 等软件都能有效地检测出电路中存在的竞争冒险现象。而由于电路本身存在的误差等问题,还需要进一步通过实验的手段来判断是否存在竞争冒险,该方法虽然繁琐,但可靠性高,是电路设计的必经阶段。

2 消除竞争冒险的方法

2.1 增加冗余项法

2.2 脉冲选通法

脉冲选通法包括两个方面:一是引入封锁脉冲,即引入一个负脉冲,如图1,在输入信号转换前到达,转换后消失。

二是引入选通脉冲,即只有当电路达到了新的稳态后,选通脉冲才为正脉冲,使电路输出有效。由于有效脉冲出现在电路达到稳态以后,所以不会出现尖峰脉冲。选通脉冲刚好与封锁脉冲相反,表现为丄凸波形,只需将图1中P1下凹脉冲改为上凸脉冲即可实现。

但是值得注意的是,无论是引入封锁脉冲还是选通脉冲,脉冲选通法最后的输出信号将变为脉冲信号,该方法不需要增加电路元件就可以从根本上消除尖峰脉冲,但要求脉冲与输入信号同步,且对取样脉冲的宽度和作用时间有较高的要求。

2.3 加滤波电容法

组合逻辑电路由竞争冒险产生的尖峰脉冲通常高频分量很丰富,因此,可以在输出端添加一个滤波电容,构成低通滤波器,从而起到通低频阻高频的作用。该方法简单易行,电容对窄脉冲起到了平波作用,使输出端不会发生逻辑错误,但同时也时输出波形上升沿或下降沿变得缓慢,仅适用于对输出波形上下沿要求不高的情形。

2.4 采用可靠性编码

在数字电路设计中,设计者常常采用格雷码计数器来代替普通的二进制计数器,因为格雷码加1时,只有一个输出位发生跳变,这样就消除了竞争冒险发生的条件。

3 实际应用中竞争冒险的敏感度问题

在实际应用中必须认识到一点:不同的电路对于尖峰脉冲的敏感度是不一样的。例如:时钟端口、清零和置位端口对毛刺十分敏感,任何一点尖峰都会使系统出错,影响电路的稳定性。但是对于D触发器来说,由于它的状态变化出现在时钟上升沿,因此,只要毛刺不出现在时钟上升沿并且满足数据的建立和保持时间,就不会对系统造成危害,也就是说D触发器的输入端对尖峰不敏感。根据这个特性,在系统设计时要求设计者尽量使用同步电路,同步电路的信号变化通常出现在

时钟上升沿而且需要满足数据的建立和保持时间,事实上,由于尖峰脉冲出现的时间很短,基本上很难满足数据的建立和保持时间。所以,这种方法可行性较高。

参考文献

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