31仿真与测试竞争冒险现象 1.docx

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31仿真与测试竞争冒险现象1

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

ABC

F

000

001

010

011

100

101

110

111

0

0

0

1

0

1

1

1

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）。

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

ABC

L

000

001

010

011

100

101

110

111

0

0

0

1

0

1

1

1

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

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不同，当组合逻辑电路中存在由反相器产生的互补信号，状态发生变化时，组合逻辑电路有可能产生瞬间的错误输出。

这一现象称为竞争冒险。

根据出现的尖峰脉冲的极性，冒险又分为“0”型冒险和“1”型冒险。

分别如图3-1-7和3-1-8所示。

（1）“0”型冒险，输出负脉冲

（2）“1”型冒险，输出正脉冲

图3-1-7“0”型冒险

图3-1-8“1”型冒险

2．冒险现象的识别

可采用代数法来判断一个组合电路是否存在冒险，方法为：

（1）首先，找出具有竞争能力的变量。

（2）其次，如果根据组合逻辑电路写出的逻辑函数式在一定条件下可转化成或的形式时，则该组合逻辑电路存在竞争-冒险现象。

例3-1-4:

判别下列函数是否存在竞争-冒险现象。

解：

BC=00时

BC=01时

BC=10时

BC=11时

可知在B=C=1时将产生“0”型竞争-冒险现象。

例3-1-5:

分析逻辑表达式的竞争冒险。

解：

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，L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3-1-9:

所示的负向窄脉冲，即0冒险。

图3-1-9负向窄脉冲（0冒险）

4．消除竞争冒险的方法

当组合逻辑电路存在冒险现象时，可以从两方面入手来消除。

（1）修改硬件电路

1）接入输出滤波电容

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。

这种方法简单易行，但会破坏输出波形，且会引入附加延时。

2）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。

注意以下问题：

＊如输出门为与门、与非门，则选通脉冲要用正脉冲；如输出门为或门、或非门，则选通脉冲要用负脉冲。

＊加选通脉冲后，电路的输出将不是电平信号，而是脉冲信号。

＊电路对选通脉冲的宽度和产生时间有严格的要求。

（2）修改逻辑设计

1）加冗余项

前面已分析中存在冒险现象。

如在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。

函数增加了乘积项AB后，已不是“最简”，故这种乘积项称冗余项。

2）变换逻辑式，消去互补变量

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。

【仿真实验】

一、实验环境

1.计算机

2.Multisim10电子仿真软件

二、操作步骤

1.双击计算机桌面“Multisim”图标，启动EWB软件。

2.创建如图3-1-10所示电路，并给元器件标识、赋值。

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。

图3-1-10

3.连接相关的仪器仪表（如频率计、示波器、测量探针等）。

仿真结果如图3-1-11所示。

图3-1-11

4.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3-1-12所示仿真电路，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3-1-13所示。

图3-1-12

图3-1-13

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图3-1-12的竞争冒险现象的仿真电路如图3-1-13所示，然后再进行仿真观察如图3-1-14。

XX文库-让每个人平等地提升自我图3-1-13

图3-1-14

5.实验结论

组合电路3-1-10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。

组合电路3-1-12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。

这两种电路都有竞争冒险现象。

对于电路3-1-10，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。

【组装调试】

一、组装电路

1.实训器材

1）XXX

2）XXX

序号

代号

名称

型号与规格

数量

备注

1

2

3

4

5

6

7

表1-1-2配套明细表

2.操作步骤

1）XXX

2）XXX

二、调整测试

1.测试连接

2.操作步骤

1）XXX

2）XXX

表1-1-3测试记录

理论计算

示波器测量

计数器测量

电压表测量

幅值

（UP-P）

【Y轴格数】×【垂直灵敏度】

振荡频率

（

）

1/【X轴格数】×【水平灵敏度】

画出

波形，

标出周期T、

最大值UOm的值。

三、实训报告

1.姓名、班级。

2.实训日期、任务、目的与器材。

3.电路图与装配图。

4.实训步骤与测试数据。

5.教师批阅。

四、评分标准

项目配分

工艺标准

扣分标准

扣分记录

得分

布线

15分

1.布局合理、紧凑。

2.导线横平、竖直，转角成直角，无交叉。

3.元件间连接关系和原理图一致。

1.布局不合理、每处扣5分。

2.导线不平直，转角不为直角，每处扣2分，有交叉，每处扣10分。

3.连接关系错误，每处扣10分。

插件

20分

1.电阻器、普通二极管、集成电路插座水平贴板安装。

2.电容器、三极管、发光二极管、可调电阻器垂直安装，高度符合工艺要求且平整对称。

3.元件的位置、极性正确。

1.元件安装歪斜、不对称、高度超差，每处扣1分

2.错装、漏装，每处扣5分。

焊接

25分

1.焊点光亮、清洁、焊料适量。

2.无漏焊、虚焊、假焊、搭焊、溅锡等现象。

3.焊接后元件引脚剪脚留头长度小于1mm。

1.焊点不光亮、焊料过多或过少，每处扣0.5分。

2.漏焊、虚焊、假焊、搭焊、溅锡，每处扣3分。

3.剪脚留头长度大于1mm，每处扣0.5分。

调试

40分

1.按调试要求和步骤正确调试。

2.正确使用设备与仪器仪表。

1.调试步骤错误，每次扣2分。

2.测量结果错误，每处扣5分，误差大，每处扣3分.

3.设备与仪器仪表使用错误，每次扣2分。

安全

文明

生产

1.安全用电，不认为损坏元器件、设备与仪器仪表等。

2.保持实训坏境整洁、秩序井然、操作习惯良好。

1.发生安全事故扣总分20分。

2.违反文明生产要求。

视情况扣总分5～20分。

总分

【练习考核】

一、操作练习

1.组装与调试RC桥式正弦波振荡电路。

2.用万用表测量RC桥式正弦波振荡电路的直流工作电流。

二、课外练习

1.填空题

2.判断题

3.选择题

4.问答题

5.计算题