数字电路第4章(6竞争与冒险现象)_2

1、数字逻辑又名：数字电子技术、数字电路Digital-Electronics第 四 章组合逻辑电路组合逻辑电路 本章重点介绍组合逻辑电路的特点、分析与设计。本章重点介绍组合逻辑电路的特点、分析与设计。在此基础上，介绍常用的集成组合逻辑电路。最后介在此基础上，介绍常用的集成组合逻辑电路。最后介绍组合逻辑电路上存在地竞争冒险现象，产生的原绍组合逻辑电路上存在地竞争冒险现象，产生的原因及消除的方法。因及消除的方法。 在这一章中，应能在给定电路的情况下，分析其在这一章中，应能在给定电路的情况下，分析其逻辑功能；也可在给定逻辑要求的情况下，用逻辑电逻辑功能；也可在给定逻辑要求的情况下，用逻辑电路实现。另外

2、对于集成组合逻辑电路，如编码器、译路实现。另外对于集成组合逻辑电路，如编码器、译码器、数据选择器等，应了解其电路的逻辑功能、输码器、数据选择器等，应了解其电路的逻辑功能、输出输入的逻辑关系、利用它们实现逻辑功能。出输入的逻辑关系、利用它们实现逻辑功能。4.1 概述概述 4.2 组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计 4.3 若干常用的组合逻辑电路若干常用的组合逻辑电路 4.4 组合逻辑电路中的竞争冒险现象组合逻辑电路中的竞争冒险现象4.4 组合逻辑中的竞争-冒险现象1. 前述组合逻辑电路的分析与设计都是在输入、输前述组合逻辑电路的分析与设计都是在输入、输出处于稳定的逻辑电平下进行的。

3、将逻辑门看成理出处于稳定的逻辑电平下进行的。将逻辑门看成理想的开关器件。想的开关器件。2. 实际上，电信号实际上，电信号经过不同数目的门经过不同数目的门，或者，或者从某状从某状态（态（1, 0）跳变到另一状态（）跳变到另一状态（0, 1）时）时，经过导线传，经过导线传输都需要花费一定的时间，称之为时间延迟，简称输都需要花费一定的时间，称之为时间延迟，简称时延。时延。4.4 组合逻辑中的竞争-冒险现象 把门电路的两个输入信号同时向相反的逻辑电平把门电路的两个输入信号同时向相反的逻辑电平跳变（一个从跳变（一个从1变为变为0,另一个从另一个从0变为变为1)的现象称为的现象称为 由于竞争而在电路输出端

4、可能产生干扰（尖峰）由于竞争而在电路输出端可能产生干扰（尖峰）脉冲的现象就叫脉冲的现象就叫根据竞争冒险的原因，可分为根据竞争冒险的原因，可分为逻辑冒险逻辑冒险和和功能冒险功能冒险两种。两种。(1) 功能冒险：功能冒险： 在组合逻辑电路输入端，当有几个变量同时在组合逻辑电路输入端，当有几个变量同时发生变化时，由于这几个变量变化的快慢各不相发生变化时，由于这几个变量变化的快慢各不相同，传递到电路中某个门时，必然有时间差，这同，传递到电路中某个门时，必然有时间差，这种现象叫做功能竞争，因功能竞争在输出端出现种现象叫做功能竞争，因功能竞争在输出端出现的瞬时干扰脉冲，叫功能冒险。的瞬时干扰脉冲，叫功能冒

5、险。对于与门，若稳态时，对于与门，若稳态时，A1, B0或或A0, B1时，输出皆为时，输出皆为Y0。但在。但在信号的传输过程中，由于门的传输时信号的传输过程中，由于门的传输时间不同，造成在时间间不同，造成在时间t 内，出现内，出现A和和B同时高于同时高于VIL（max），这样在输出端，这样在输出端产生了很窄的脉冲，即产生了很窄的脉冲，即Y1，称为电，称为电压尖峰或电压毛刺。（压尖峰或电压毛刺。（“1”冒险）。冒险）。ABYAtD(max)ILV(max)ILVYB (1) 功能冒险功能冒险对于对于或或门，若稳态时，门，若稳态时，A1, B0或或A0, B1时，输出皆为时，输出皆为Y1。但在。

6、但在信号传输过程中，由于门的传输时间信号传输过程中，由于门的传输时间不同，造成在时间不同，造成在时间t 内，出现内，出现A和和B同时低于同时低于VIH(min)，在输出端产生很窄，在输出端产生很窄的尖峰脉冲，即的尖峰脉冲，即Y0。（。（“0” 冒险）冒险）AtD(min)IHV(min)IHVYBABY(1) 功能冒险功能冒险问：有功能竞争现象，是否一定会产生功能冒险？问：有功能竞争现象，是否一定会产生功能冒险？AtD(min)IHV(min)IHVYBABYAtD(max)ILVYBABY(max)ILV否否(2) 逻辑冒险：逻辑冒险： 在组合逻辑电路，当某一个变量发生变化时，在组合逻辑电路

7、，当某一个变量发生变化时，由于此信号在电路中经过的路径不同，使到达电由于此信号在电路中经过的路径不同，使到达电路中某个门的多个输入信号产生时间差，这种现路中某个门的多个输入信号产生时间差，这种现象叫做逻辑竞争，因逻辑竞争在输出端出现的瞬象叫做逻辑竞争，因逻辑竞争在输出端出现的瞬时干扰脉冲，叫逻辑冒险。时干扰脉冲，叫逻辑冒险。 由于所有逻辑器件都有延迟时间，所以逻辑由于所有逻辑器件都有延迟时间，所以逻辑竞争是必然存在的。竞争是必然存在的。(1) 逻辑冒险逻辑冒险AL=AAG1G2AAL对于与门，稳态时，对于与门，稳态时，A0向向A1跳变时，输出皆为跳变时，输出皆为Y0。但在非门存在延时。但在非门

8、存在延时t， 造成在时间造成在时间t 内，内，A和和A同时为高电平，在同时为高电平，在输出端产生很窄的脉冲，输出端产生很窄的脉冲，即即Y1。（。（“1”冒险）。冒险）。(1) 逻辑冒险逻辑冒险AALAL=A+AG1G2对于或门，稳态时，对于或门，稳态时，A1向向A0跳变时，输出皆为跳变时，输出皆为Y1。但在非门存在延时。但在非门存在延时t， 造成在时间造成在时间t 内，内，A和和A同时为低电平，在同时为低电平，在输出端产生很窄的脉冲，输出端产生很窄的脉冲，即即Y0。（。（“0”冒险）。冒险）。问：有逻辑竞争现象，是否一定会产生逻辑冒险？问：有逻辑竞争现象，是否一定会产生逻辑冒险？否否AL=AA

9、G1G2AALAALAL=A+AG1G2分析：分析：2 24 4译译码器中的竞争码器中的竞争- -冒险现象冒险现象当当ABAB从从10-0110-01时，动态过程时，动态过程中出现中出现0000和和1111状态，在状态，在Y3和和Y0输出端可能输出端可能产生冒险。产生冒险。一、代数法：一、代数法： (2) 若输出端门电路的两个输入信号若输出端门电路的两个输入信号A和和A 是输入变是输入变量量A经过经过两个不同的传输两个不同的传输途径而来，则当输入变量途径而来，则当输入变量A的状态发生突变时输出端有可能产生尖峰脉冲。的状态发生突变时输出端有可能产生尖峰脉冲。(1) (1) 检查是否存在某个变量检

10、查是否存在某个变量A，它同时以原变量和它同时以原变量和反变量的形式出现在函数表达式中。反变量的形式出现在函数表达式中。故只要输出端的逻辑函数在故只要输出端的逻辑函数在一定条件下一定条件下能简化成能简化成YA+A 或或 YA A , 则可判定存在竞争冒险现象则可判定存在竞争冒险现象例：判断电路例：判断电路F=AC+AB+AC是否可能产生冒险是否可能产生冒险解：变量解：变量 A 和和C 具备竞争的条件具备竞争的条件, ,应分别进行检查应分别进行检查 检查检查C ：因此，因此，C 发生变化时，不会产生冒险；发生变化时，不会产生冒险；A B F0 0 C0 1 10 1 C1 1 C 检查检查A ：B

11、 C F0 0 A0 1 A0 1 A1 1 A+A 当当B=C=1时时, , A的变化可能使电路产生冒险的变化可能使电路产生冒险二、卡诺图法二、卡诺图法当描述电路的逻辑函数为当描述电路的逻辑函数为“与或与或”式时式时, , 可可采用卡诺图来判断是否存在险象。其方法是观察采用卡诺图来判断是否存在险象。其方法是观察是否存在是否存在“相切相切”的卡诺图的卡诺图, ,如果两卡诺圈相切，如果两卡诺圈相切，而相切处又未被其它卡诺圈包围，则可能发生冒而相切处又未被其它卡诺圈包围，则可能发生冒险现象险现象.例：在电路例：在电路F=AD+AC+ABC的卡诺图中，相邻的卡诺图中，相邻最小项最小项ABCD与与AB

12、CD不被同一卡诺圈包含，因不被同一卡诺圈包含，因此当此当 B = D = 1，C0时，电路可能由于时，电路可能由于A的变化的变化面产生冒险。面产生冒险。00 01 11 1000011110 ABCD11111111(1) 接入滤波电容接入滤波电容尖峰脉冲很窄，在门电路的输出端并接一个很小尖峰脉冲很窄，在门电路的输出端并接一个很小的滤波电容（通常为几十到几百皮法），可将尖的滤波电容（通常为几十到几百皮法），可将尖峰削弱到峰削弱到 VTH 以下。此方法简单易行，但使得输以下。此方法简单易行，但使得输出波形变差。出波形变差。在电路的输出端连接一个惯性在电路的输出端连接一个惯性延时环节，通常延时环节

13、，通常RCRC滤波器。滤波器。组合电路组合电路x1x2xnFFCRFtFt(a) 未加滤波电容的输出未加滤波电容的输出 (b) 加滤波电容后的输出加滤波电容后的输出 CF取值越大，滤波效果越好，但却会使正常输出信号前取值越大，滤波效果越好，但却会使正常输出信号前后沿变坏。故参数要选择合适，一般由实验确定。适合于对后沿变坏。故参数要选择合适，一般由实验确定。适合于对输出波形的前、后沿无严格要求的场合输出波形的前、后沿无严格要求的场合。（2）引入选通脉冲）引入选通脉冲P 门电路的输入要受选通脉冲的控制。门电路的输入要受选通脉冲的控制。 由于冒险现象仅发生在输入信号变化的瞬间，由于冒险现象仅发生在输

14、入信号变化的瞬间，因此在这段时间内先将门封住，待电路进入稳态后，因此在这段时间内先将门封住，待电路进入稳态后， 再加选通脉冲选取输出结果再加选通脉冲选取输出结果, 即可消除现象。即可消除现象。 该方法简单易行，但对选通信号的作用时间和该方法简单易行，但对选通信号的作用时间和脉冲宽度有严格的要求。脉冲宽度有严格的要求。（3） 修改逻辑设计修改逻辑设计采用增加冗余项的方法。采用增加冗余项的方法。在表达式中在表达式中“加加”上多余的上多余的“与项与项”或者或者“乘乘”上多余的上多余的“或项或项”，使原函数不可能在某种条件，使原函数不可能在某种条件下再出现下再出现A+A和和AA的形式。的形式。方法：方

15、法： 利用公式利用公式AB+AC+BC=AB+AC 给原函给原函数增加冗余项数增加冗余项；或者或者借助卡诺图。借助卡诺图。例：例： 试判断图中的电路是否存在竞争冒险，已知任试判断图中的电路是否存在竞争冒险，已知任何瞬时输入变量只可能有一个改变状态。若存在竞争何瞬时输入变量只可能有一个改变状态。若存在竞争冒险，应如何修改电路。冒险，应如何修改电路。解解：输出端的逻辑式为：输出端的逻辑式为：CAABY当当B = C = 1时，时，AAY故此电路存在竞争冒险现象。故此电路存在竞争冒险现象。若将上述逻辑式改为：若将上述逻辑式改为：BCCAABY则当则当BC1时，无论时，无论A 如何变化，如何变化，Y1

16、. A的状态不会再引起竞争冒险现象。的状态不会再引起竞争冒险现象。ABCY则消除由则消除由A带来的竞争冒险的电路图：带来的竞争冒险的电路图：注注: 为了使电路所用器件最少，将逻辑函数化简，为了使电路所用器件最少，将逻辑函数化简，而为了消除竞争冒险又要增加冗余项，这是一对而为了消除竞争冒险又要增加冗余项，这是一对矛盾。矛盾。首先不考虑竞争冒险，将逻辑函数化简，首先不考虑竞争冒险，将逻辑函数化简，然后检查有否竞争冒险现象，再用增加冗余项来然后检查有否竞争冒险现象，再用增加冗余项来消除它。消除它。ABCY2 2、卡诺图中增加卡诺图以消除、卡诺图中增加卡诺图以消除 相切相切.00 01 11 1000

17、011110 ABCD11111101000100000001111000 01 11 10 ABCD0000001110110111ACABBC 组合逻辑电路指任一时刻的输出仅取决于该任一时刻的输出仅取决于该时刻输入信号的取值组合，而与电路原有状态无时刻输入信号的取值组合，而与电路原有状态无关的电路关的电路。它在逻辑功能上的特点是：。它在逻辑功能上的特点是：没有存储没有存储和记忆作用和记忆作用；在电路结构上的特点是：；在电路结构上的特点是：由各种门由各种门电路组成，不含记忆单元，只存在从输入到输出电路组成，不含记忆单元，只存在从输入到输出的通路，没有反馈回路。的通路，没有反馈回路。 本章小结

18、本章小结组合逻辑电路的基本分析方法是：组合逻辑电路的基本分析方法是：根据给定电根据给定电路逐级写出输出函数式，并进行必要的化简和路逐级写出输出函数式，并进行必要的化简和变换，然后列出真值表，确定电路的逻辑功能。变换，然后列出真值表，确定电路的逻辑功能。组合逻辑电路的基本设计方法是：组合逻辑电路的基本设计方法是：根据给定设根据给定设计任务进行逻辑抽象，列出真值表，然后写出输计任务进行逻辑抽象，列出真值表，然后写出输出函数式并进行适当化简和变换，求出最简表达出函数式并进行适当化简和变换，求出最简表达式，从而画出最简式，从而画出最简( (或称最佳或称最佳) )逻辑电路。逻辑电路。以以 MSI MSI

19、 组件为基本单元的电路设计，其最简组件为基本单元的电路设计，其最简 含义是：含义是：MSI MSI 组件个数最少，品种最少，组件组件个数最少，品种最少，组件 之间的连线最少。之间的连线最少。以逻辑门为基本单元的电路设计，其最简含义以逻辑门为基本单元的电路设计，其最简含义 是：是：逻辑门数目最少，且各个逻辑门输入端的逻辑门数目最少，且各个逻辑门输入端的 数目和电路的级数也最少，没有竟争冒险。数目和电路的级数也最少，没有竟争冒险。用于实现组合逻辑电路的用于实现组合逻辑电路的 MSI MSI 组件主要有组件主要有译译 码器和数据选择器。码器和数据选择器。 编码器、译码器、数据选择器、数据分配编码器、译码器、数据选择器、数据分配 器、数值比较器和加法器器、数值比较器和加法器是常用的是常用的MSIMSI组合逻组合逻 辑部件，学习时重点掌握其逻辑功能及应用。辑部件，学习时重点掌握其逻辑功能及应用。数据选择器的作用数据选择器的作用是根据地址码的要求，从是根据地址码的要求，从 多路输入信号中选择其中一路输出。多路输入信号中选择其中一路