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

如下图所示：

输出函数L A A ，在电路达到稳定时，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 如下图所示：

输出L AA ，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。

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

G1

L 」——11

—

图12-4波形图

图12-1 0型竞争冒险电路图

图12-2 波形图

12-3 1型竞争冒险电路图

例如，函数式F (A B)(A C)，在B=C=O时，可得F AA。若直接根

据这个逻辑表达式组成逻辑电路，则可能出现竞争冒险。可以将函数式化为

F AC AB BC，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L AC BC，当A=B=1时，可得L C C，根据这个逻辑表达式组成逻辑电路，则可能出现竞争冒险。我们可利用代数恒等式将L化为

F AC BC AB，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

图12-5 竞争冒险原理图

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部分。在此我们使用 MAX+plusll 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。

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：

Delay Matrix

Destination

a

ae

alG

a

8.0n$

170nj

35. Ohs

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+plusll 软件，学习其基本用法（本实验也可以在学习了 PLD 实验后再做）。

2、 在MAX+plusll 软件中按照图12-5输入原理图，并编译，下载。

3、 使用MAX+plusll 软件的仿真功能，观察分频时的延时。

4、 使用MAX+plusll 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+plusll 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?

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