竞争冒险原理.doc

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：图12-1 0型竞争冒险电路图 图12-2 波形图 输出函数，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： 图12-3 1型竞争冒险电路图 图12-4 波形图 输出，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 例如，函数式，在B=C=0时，可得。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，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，当A=B=1时，可得，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 ，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420Pf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+plusII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126 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：图127 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+plusII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+plusII软件中按照图12-5输入原理图，并编译，下载。3、 使用MAX+plusII软件的仿真功能，观察分频时的延时。4、 使用MAX+plusII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+plusI