基于EWB的逻辑电路竞争冒险现象仿真研究.docx

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基于EWB的逻辑电路竞争冒险现象仿真研究

基于EWB的逻辑电路竞争冒险现象仿真研究

前言

在当今电子设计领域，EDA设计和仿真是一个十分重要的设计环节。

在众多的EDA设计和仿真软件中，EWB以其强大的仿真设计应用功能，在各高校电信类专业电子电路的仿真和设计中得到了较广泛的应用。

EWB及其相关库包的应用对提高学生的仿真设计能力，更新设计理念有较大的好处。

EWB最突出的特点是用户界面友好，各类器件和集成芯片丰富，尤其是其直观的虚拟仪表是EWB的一大特色。

EWB所包含的虚拟仪表有：

示波器，万用表，函数发生器，波特图图示仪，失真度分析仪，频谱分析仪，逻辑分析仪，网络分析仪等。

而通常一个普通实验室是无法完全提供这些设备的。

这些仪器的使用使仿真分析的操作更符合平时实验的习惯。

本次毕业设计主要是应用EWB（电子工作平台）软件结合竞争冒

险现象原理的和实际判断过程来设计和仿真相关电路，并通过仿真结果来进一步说明竞争冒险现象。

1EWB软件简介

1.1EWB软件的操作界面

1．EWB的主窗口

2．元件库栏

3．信号源库

4．基本器件库二极管库

5．指示器件库

1.2EWB软件基本操作方法介绍

EWB软件具体操作方法很细，下面就常用仪器举例说明：

（1）数字多用表

数字多用表的量程可以自动调整。

下图是其图标和面板。

（2）示波器

示波器为双踪模拟式，其图标和面板如下图所示。

（3）信号发生器

信号发生器可以产生正弦、三角波和方波信号，其图标和面板如

下图所示。

可调节方波和三角波的占空比。

（4）波特图仪

　　波特图仪类似于实验室的扫频仪，可以用来测量和显示电路的幅度频率特性和相位频率特性。

波特图仪的图标和面板如下图所示。

　　波特图仪有IN和OUT两对端口，分别接电路的输入端和输出端。

每对端口从左到右分别为+V端和-V端，其中IN端口的+V端和-V端分别接电路输入端的正端和负端，OUT端口的+V端和-V端分别接电路输出端的正端和负端。

此外在使用波特图仪时，必须在电路的输入端接入AC（交流）信号源，但对其信号频率的设定并无特殊要求，频率测量的范围由波特图仪的参数设置决定。

3.基本分析方法

1）直流工作点的分析

　　直流工作点的分析是对电路进行进一步分析的基础。

在分析直流工作点之前，要选定Circuit/SchematicOption中Shownodes（显示节点）项，以把电路的节点号显示在电路图上。

2）交流频率分析

　　交流频率分析即分析电路的频率特性。

需先选定被分析的电路节点，在分析时，电路的直流源将自动置零，交流信号源、电容、电感等均处于交流模式，输入信号也设定为正弦波形式。

3）瞬态分析

　　瞬态分析即观察所选定的节点在整个显示周期中每一时刻的电压波形。

在进行瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源随着时间而改变，电容和电感都是能量储存模式元件。

在对选定的节点作瞬态分析时，一般可先对该节点作直流工作点的分析，这样直流工作点的结果就可作为瞬态分析的初始条件。

4）傅里叶分析

　　傅里叶分析用于分析一个时域信号的直流分量、基频分量和谐波分量。

一般将电路中交流激励源的频率设定为基频，若在电路中有几个交流源时，可以将基频设定在这些频率的最小公因数。

2竞争冒险相关原理

2.1产生竞争冒险现象的原因

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。

这一现象称为竞争冒险。

图（a）所示的电路中，逻辑表达式为

，理想情况下，输出应恒等于0。

但是由于G1门的延迟时间tpd，

下降沿到达G2门的时间比A信号上升沿晚1tpd，因此，使G2输出端出现了一个正向窄脉冲，如图（b）所示，通常称之为“1冒险”。

图1产生1冒险（a）逻辑图（b）波形图

同理，在图2（a）所示的电路中，由于G1门的延迟时间tpd，会使G2输出端出现了一个负向窄脉冲，如图2（b）所示，通常称之为“0冒险”。

图2产生0冒险（a）逻辑图（b）波形图

“0冒险”和“1冒险”统称冒险，是一种干扰脉冲，有可能引起后级电路的错误动作。

产生冒险的原因是由于一个门（如G2）的两个互补的输入信号分别经过两条路径传输，由于延迟时间不同，而到达的时间不同。

这种现象称为竞争。

1.竞争现象

任何一个门电路都具有一定的传输延迟时间t，即当输入信号发生突变时，输出信号不可能跟着突变，而要滞后一段时间变化。

由于各个门的传输时间差异，或者输入信号通过的路径（即门的级数）不同造成的传输时间差异，会使一个或几个输入信号经不同的路径到达同一点的时间有差异。

犹如赛跑，各个运动员到达终点的时间会有先后一样，这种现象称为竞争。

如下图所示，变量A有两条路径：

一条通过门1、门2到达门4；另一条通过门3到达门4。

故变量A具有竞争能力，而B、C仅有一条路径到达门4，称为无竞争能力的变量。

竞争示意图

由于集成电门电路离散性较大，因此延迟时间也不同。

哪条路径上的总延时大，由实际测量而定，因此竞争的结果是随机的。

大多数组合逻辑电路均存在着竞争，有的竞争不会带来不良影响，有的竞争却会导致逻辑错误。

2.冒险现象

函数式和真值表所描述的是静态逻辑关系，而竞争则发生在从一种稳态到另一种稳态的过程中。

因此，竞争是动态问题，它发生在输入变量变化时。

当某个变量发生变化时，如果真值表所描述的关系受到短暂的破坏并在输出端出现不应有的尖脉冲，则称这种情况为冒险现象。

当暂态结束后，真值表的逻辑关系又得到满足。

而尖脉冲对有的系统（如时序系统的触发器）是危险的，将产生误动作。

根据出现的尖脉冲的极性，冒险又可分为偏“1”冒险和偏“0“冒险。

1）偏“1“冒险（输出负脉冲）

在竞争示意图中，F=AC+AB，若输入变量B=C=1，则有F=A+A。

在静态时，不论A取何值，F恒为1；但是当A变化时，由于各条路径的时延不同，将会出现如下图所示的情况。

图中tpd是各个门的平均传输延迟时间，由图可见，当变量A由高电平突变到低电平时，输出将产生一个偏“1“的负脉冲，宽度只有tpd有时又称为毛刺。

A变化不一定都产生冒险，如由低变到高时，就无冒险产生。

偏“1”冒险的形成的过程

2）偏“0”冒险（输出正脉冲）

如下图所示，F=（A+C）（A+B），当B=C=0时，输出函数F=AA恒为0，但当变量A由低电平变为高电平时，将产生一宽度为tpd的正脉冲。

偏“0”冒险的形成过程

2.2冒险现象的识别

1.可采用代数法来判断一个组合电路是否存在冒险，方法为：

写出组合逻辑电路的逻辑表达式，当某些逻辑变量取特定值（0或1）时，如果表达式能转换为：

则存在1冒险；

则存在0冒险。

例如:

判断图3（a）所示电路是否存在冒险，如有，指出冒险类型，画出输出波形。

这个问题可以这样来解决：

写出逻辑表达式：

，若输入变量A＝B＝l，则有

。

因此，该电路存在0冒险。

下面画出A＝B＝l时L的波形。

在稳态下，无论C取何值，F恒为l，但当C变化时，由于信号的各传输路径的延时不同，将会出现图3（b）所示的负向窄脉冲，即0冒险。

图3例1题图（a）逻辑图（b）波形图

例如判断逻辑函数

是否存在冒险。

这个问题可以这样解决：

如果令A＝C＝0，则有

，因此，该电路存在l冒险。

2.3冒险现象的消除方法

当组合逻辑电路存在冒险现象时，可以采取以下方法来消除冒险现象。

1．增加冗余项。

如上述的电路存在冒险现象。

如在其逻辑表达式中增加乘积项AB，使

其变为

，则在原来产生冒险的条件A＝B＝1时，L=1，不会产生冒险。

这个函数增加了乘积项AB后，已不是“最简”，故这种乘积项称冗余

2．变换逻辑式，消去互补变量。

比如逻辑式

存在冒险现象，如将其变换为

，则在原来产生冒险的条件A＝C＝0时，L=0，不会产生冒险。

3．增加选通信号

在电路中增加一个选通脉冲，接到可能产生冒险的门电路的输入端。

当输入信号转换完成，进入稳态后，才引入选通脉冲，将门打开。

这样，输出就不会出现冒险脉冲。

4．增加输出滤波电容

由于竞争冒险产生的干扰脉冲的宽度一般都很窄，在可能产生冒险的门电路输出端并接一个滤波电容（一般为4～20pF），利用电容两端的电压不能突变的特性，使输出波形上升沿和下降沿都变的比较缓慢，从而起到消除冒险现象的作用。

3具体电路的EWB仿真实现

3.1电路设计基本原理

组合电路中的竞争冒险是指：

当组合电路输入信号发生变化时，电路输出可能出现违反逻辑功能的尖峰脉冲。

如果负载对尖峰脉冲敏感的话，就必须设法消除。

常用的方法有：

接入滤波电路、引入先通脉冲、修改逻辑设计。

3.2仿真电路设计步骤

1.EWB仿真电路设计及其仿真结果

建立如图4所示仿真电路－组合电路1，输入B、C均接高电平，输入A接时钟，时钟频率设为1HZ。

输入A与输出Y用示波器监视。

仿真结果如图5所示。

图4

图5

下面再来举两例：

例子一：

1）构造电路，写出电路表达式，然后用示波器观察电路输出是否满足对应表达式，考虑电路会出现什么问题。

2）建立如下图6所示仿真图－组合电路2，输入B、C均接低电平，输入A接时钟，时钟频率设为1HZ。

输入A与输出Y用示波器监视。

仿真结果如图7所示。

图6

图7

例子二：

1）写电路输出表达式，然后用示波器观察电路输出是否满足对应表达式，电路会出现什么问题。

2）采用修改设计方法消除组合电路2的竞争冒险现象的仿真电路如图8所示，然后再进行仿真观察如图9。

图8

图9

2.实验数据及结论

组合电路1的输出表达式为Y=1，即输出应该始终为高电平。

但是输出出现负尖蜂脉冲。

如下图所示。

组合电路2的输出表达式为Y=0，即输出应该始终为低电平。

但是输出出现正尖峰脉冲。

如图所示。

这两种电路豆油竞争冒险现象。

对于电路1，输出Y=AB+AC，当B=C=1时，无论A如何变化，则会产生竞争冒险。

现在修改设计，增加BC项，即Y=AB+AC+BC。

当B=C=1时，无论A如何变化，Y始终保持为1，不会再出现竞争冒险。

其他各种消除方法这里不再一一赘述。

4感谢

感谢浙江万里学院电子信息学院为我提供了这次实践机会；感谢钱裕禄老师为我提供仿真实验条件和指导；同时感谢钱裕禄老师的意见和指导；再次感谢钱裕禄老师对仿真项目和论文的意见；感谢所有实验室老师给予的帮助，是你们使我成长，从幼稚到逐渐成熟。

感谢寝室同学提供EWB相关的资料，虽然论文没有使用，但我也学了不少；感谢电信系老师的帮助和关心。

5后记

（1）由于毕业设计时间仓促以及个方面条件的限制，具体硬件电路的实现和调试没有能够正常的进行，觉得十分可惜。

希望再有机会能过完成调试。

（2）通过这次实践，我接触到了许多软件，学会了一些软件的使用和设计。

在学习和实践的过程中我也结识了不少朋友,有老师也有和我一样的学生，还有一些电子工程师。

这对于我以后的工作和学习是很有帮助的，也为以后的工作积累了经验。

六．参考文献

1.《数字电子技术》江晓安编著西安电子科技大学出版社.2002

2.杨颂华等.数字电子技术基础.西安电子科技大学出版社.2000

3.罗朝杰.数字逻辑设计基础.人民邮电出版社.1982

朱力恒.电子技术仿真实验教程.主编人民邮电出版社.1987

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