组合逻辑电路中的竞争冒险问题

前面介绍组合电路的分析和设计时，都是把门电路当作理想器件，并假定输入信号的变化是在瞬间同步完成的。实际上门电路存在传输延迟时间，信号的状态改变也要经历一段极短的过渡时间，而同一信号经过不同的传输途径后，其状态改变的时间也会有先有后。这就有可能使输出端产生虚假信号——过渡干扰脉冲，导致电路的瞬间逻辑错误，这种现象叫做竞争冒险。

1）产生竞争冒险的原因

产生竞争冒险的原因有：①任何输入信号的状态改变都要经历一个极短的过渡时间，不可能突变；②门电路的传输延迟时间不同。

信号传输的路径不同，使得信号状态改变的时刻发生变化。所以，任何一个门电路，只要有两个信号同时向相反方向变化（即由01变为10或相反），电路就存在不稳定竞争，其输出端就有可能（并非一定）产生过渡干扰脉冲，称之为险象。

例如，图4.44（a）中，输出

图4.44　存在0型冒险的组合电路

在理想情况下，当B=1时，F2的值恒为1，但实际上，A经过G1门后，有传输延迟时间，因此，在A由0变为1时，在输出端就产生了负尖峰干扰脉冲，如图4.44（b）所示，称为0型险象。

如图4.45所示是2位二进制译码器可能产生竞争冒险的情况。当输入变量AB由10变为01（或由01变为10）时，输出端可能产生正向尖峰干扰脉冲，称之为1型险象。

图4.45　存在1型险象的组合电路

2）竞争冒险的判断

判别一个组合电路中是否可能存在竞争冒险的方法如下：

（1）真值表法

列出各级电路的真值表，找出哪些门可能产生竞争，即有两个输入信号各自向相反方向变化（10变01，或相反），以此判断整个电路输出端有无可能产生险象。例如，表4.25为图4.46电路的判断有无竞争冒险现象的真值表。

表4.25　图4.47电路有无竞争冒险现象的真值表

（2）代数法

首先观察逻辑函数表达式是否存在某变量的原变量和反变量，即首先判断是否存在竞争，若存在竞争，可先消去函数表达式中不存在竞争的变量，仅留下有竞争冒险的变量X，若得到说明存在0型险象；若得到说明存在1型险象。

【例4.11】 判断是否存在竞争冒险。

解：观察表达式，A变量存在竞争；消去变量B、C，当B=C=1时，可能产生0型险象。(www.xing528.com)

【例4.12】 判断是否存在竞争冒险。

解：观察表达式，变量A、C都存在竞争。当A的变化可能产生1型险象；当A=B=0时C的变化可能产生1型险象。

3）竞争冒险的消除方法

如果组合电路存在竞争冒险，将有可能使触发器等对脉冲敏感的负载造成逻辑错误，因此有时需设法消除。消除方法有下列几种。

（1）增加冗余项

图4.47所示电路中函数为：

在B=C=1时，存在0型险象。若增加冗余项BC，函数成为：

图4.47　增加冗余项消除竞争冒险

其逻辑电路如图4.47加虚线后所示。在B=C=1时，门G5输出为0，将门G4封住，Z恒为1，不会因为A的变化而产生负尖峰脉冲，消除了竞争冒险。

（2）引入封锁脉冲

在输入信号发生竞争的时间内，引入一个负脉冲，把可能产生干扰脉冲的门封住。图4.48（a）中的P1就是这样的封锁脉冲。

（3）引入选通脉冲

图4.48（a）中的P2是在电路中引进的一个选通脉冲，P2的作用时间取在电路到达新的稳定状态之后，所以M1、M4的输出端不会再有干扰脉冲出现。但是需要指出的是，这时M1、M4正常的输出信号也变成脉冲形式了，其宽度与P2相同。

（4）接入滤波电容

一般竞争冒险所产生的干扰脉冲很窄，所以在输出端并接一个适当的滤波电容，如图4.48（a）中的C1、C2也可滤除干扰脉冲。在TTL电路中，滤波电容的容量可取几百皮法。它的缺点是会导致输出波形的边沿变坏。

图4.48　消除竞争冒险的方法：引入封锁脉冲、引入选通脉冲