3-1 仿真与测试竞争冒险现象

项目三组合逻辑电路

任务一仿真与测试竞争冒险现象

【学习目标】

1．掌握组合逻辑电路的分析方法；

2．掌握组合逻辑电路的简单设计方法；

3．掌握组合逻辑电路的竞争冒险及消除方法。

【任务引入】

按照逻辑功能不同，数字电路常分两大类：一类组合逻辑电路（简称组合电路）；另一类时序逻辑电路（简称时序电路）。如果一个逻辑电路在任何时刻的输出状态只取决于该时刻的输入状态，与电路原来状态无关，这样的电路称为组合逻辑电路。本节课内容我们学习组合逻辑电路的分析与设计方法，了解并掌握组合逻辑电路中的竞争冒险现象及其消除方法。

【基本理论】

一、组合逻辑电路概述

1.组合逻辑电路在电路结构上的特点：

（1）构成电路基本元件是门电路，不含记忆单元（存储元件）；

（2）只有从输入到输出通路，没有从输出反馈到输入回路。

2.组合电路逻辑功能的描述

描述组合电路逻辑功能的方法有逻辑函数式、真值表、逻辑图、工作波形图、卡诺图等几种。

3-1-1 组合逻辑电路的框图

组合逻辑电路n个输入端，用x1，x2，…，xn表输入变量；

有m个输出端，用y1，y2，…，ym表示输出变量，输出变量与输入变量间逻辑关系：

y1 =f1(x1，x2，…，xn)

y2 =f2(x1，x2，…，xn)

…

ym =fm(x1，x2，…，xn)

二、组合逻辑电路的分析与设计

1.组合逻辑电路的分析

步骤如下：

（1）用逐级递推法写出输出逻辑函数与输入逻辑变量之间的关系；

（2）用公式法或者卡诺图法化简，写出最简逻辑表达式；

（3）根据最简逻辑函数式列出功能真值表；

（4）根据真值表写出逻辑功能说明，以便理解电路的作用。

例3-1-1：分析下图3-1-2三变量组合逻辑电路的功能。 图3-1-2 三变量组合逻辑电路

解：

第一步：写出输出逻辑函数与输入逻辑变量之间的关系，如下：

第二步：化简写出最简逻辑表达式，得：F=AB+BC+CA

第三步：列出功能真值表

第四步：写出逻辑功能说明

当输入A 、B 、C 中有2个或3个为1时，输出Y 为1，否则输出Y 为0。所以这个电路实际上是一种3人表决用的组合电路：只要有2票或3票同意，表决就通过。

2.组合逻辑电路的设计

组合逻辑电路的设计是根据给定的实际逻辑功能，找出实现该功能的逻辑电路。步骤如下：

（1）根据给出的条件，找出什么是逻辑变量，什么是逻辑函数，用字母设出，另外用0

和1各表示一种状态，找出逻辑函数和逻辑变量之间的关系；

（2）根据逻辑函数和逻辑变量之间的关系列出真值表，并根据真值表写出逻辑表达式； （3）化简逻辑函数；

（4）根据最简逻辑表达式画出逻辑电路；

（5）验证所作的逻辑电路是否能满足设计的要求（特别是有约束条件时要验证约束条

件中的最小项对电路工作状态的影响）。

C

AB F =1BC F =2CA

F =3AC

BC AB F F F F 321==

图3-1-3 组合逻辑电路的设计过程

例3-1-2： 试设计一个3人投票表决器，即3人中有2人或3人表示同意，则表决通过，否则不通过。 解：1.逻辑问题分析

设三人的意见为变量A 、B 、C ，表决结果为函数L 。对变量及函数进行如下状态赋值：对于变量A 、B 、C ，设同意为逻辑1，不同意为逻辑0。对于函数L ，设事情通过为逻辑1，没通过为逻辑0。 2.列出真值表 3.由真值表写出逻辑表达式并化简，得：

4.画出逻辑电路如图3-1-4所示，如果要求用与非门实现该逻辑电路，就应将表达式进行一定变换： 如图3-1-5所示。

图3-1-4 与或门实现的逻辑电路 图3-1-5 与非门实现的逻辑电路

A B C L 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

0 0 0 1 0 1 1 1

L AB BC AC AB BC AC AB BC AC

=++=++=⋅⋅L ABC ABC ABC ABC AB BC AC

=+++=++

例3-1-3：用与非门设计一个交通报警控制电路。交通信号灯有红、绿、黄3种，3种灯分别单独工作或黄、绿灯同时工作时属正常情况，其他情况均属故障，出现故障时输出报警信号。 解：

1.逻辑问题分析

设红、绿、黄灯分别用A 、B 、C 表示，灯亮时为正常工作，其值为1，灯灭时为故障现象，其值为0；输出报警信号用F 表示，正常工作时F 值为0，出现故障时F 值为1。

2.列出真值表如下：

3.由真值表写出逻辑表达式并化简

4. 画出逻辑电路如图3-1-6所示

图3-1-6 利用与非门实现的交通报警控制电路

三、组合逻辑电路的竞争冒险

前面分析设计组合逻辑电路时，均是在信号稳态情况下讨论的，实际电路工作时，信号经常变化且需要时间，门电路对信号也产生一定的延时，这样就产生竞争冒险 。 1.竞争—冒险现象及其成因

同一个门的一组输入信号，由于它们在此前通过不同数目的门，经过不同长度导线的传输，到达门输入端的时间会有先有后，这种现象称为竞争。

逻辑门因输入端信号的竞争而导致输出 产生不应有的尖峰干扰脉冲的现象，称为冒险。 我们知道，半导体器件的开通和关断都有延迟时间，因此组合逻辑门电路在工作时，也是有延迟时间的。由于各个门的延迟时间不同，如两个信号到达下一级门电路输入端的时间

ABC C AB C B A C B A F +++=AC

AB C B A B B AC C C AB C B A C B A ABC C AB ABC C B A F ++=++++=++++=)()(AC AB C B A F =AC AB C B A F =