课外阅读7 竞争—冒险现象

由于信号转换瞬间电路传递信号的速度（平均传输延迟时间）的影响，有些电路往往会在瞬间变化时产生违反常规逻辑的干扰输出（电压毛刺），甚至会造成系统中的某些环节误动作，从而产生错误的结果。图2-47清晰说明了门电路出现竞争—冒险现象的原因。在如图2-47（a）所示的逻辑电路中，输入端同时输入信号a、b、c、d，通过两路逻辑电路运算后输出，当信号到达输入端与门时，A段信号和B段信号将会由于前级电路不同产生不同的延迟。若某一瞬间正常逻辑运算A信号应由高电平变低电平，而B信号应由低电平变高电平，由于电路延迟，A信号翻转滞后B信号发生，则输出Y端将会出现如图2-47（b）所示的瞬态尖脉冲。这种违背稳态逻辑关系的瞬态尖脉冲又称电压毛刺或噪声。如果前级电路延迟效果正好相反，A信号先翻转，B信号后翻转，则门电路将出现稳定的输出Y。

图2-47 竞争—冒险现象

我们把门电路两个输入端信号同时向相反的逻辑电平跳变（一个从0跳1，另一个从1跳0）的现象叫做竞争。由于实际数字系统中信号变化快慢的随机性，只要存在竞争现象，就有可能在输出端出现违背正常逻辑关系的尖峰脉冲。这种由于竞争而在电路输出端可能出现尖峰脉冲的现象叫做竞争—冒险。

1.竞争—冒险的识别方法

（1）代数法判断：在输入逻辑变量每次只有一个改变状态的简单情况下，可通过函数式来判断电路是否存在竞争—冒险。

假如输出端门电路的两个输入是A和经过不同门电路的传输延迟时间，那么当变量A的状态突变时，输出端必然存在竞争—冒险，因此，只要输出函数在一定条件下能出现Y=或的形式，就可判定该电路存在竞争—冒险。如图2-48所示，当电路中的B=C=1时，电路处于稳态，则函数，因此电路存在竞争—冒险。

（2）用实验的方法判断：可在电路输入端加入所有可能发生的状态变化的波形，观察输出端是否有尖峰脉冲，这个方法比较直观可靠。

（3）使用计算机辅助分析手段判断：通过在计算机上运行数字电路的模拟程序，能够迅速查出电路是否由于竞争—冒险而输出尖峰脉冲。目前可供选用的这类程序已有很多。

（4）用卡诺图法判断：凡是函数卡诺图中存在相切而不相链（相交）的包围圈（方格群）的逻辑函数都存在着竞争—冒险现象。如图2-49所示的卡诺图是与图2-48中的逻辑电路对应的。可以看到，卡诺图中存在相切而不相交的方格群。

图2-48 竞争—冒险的判断

图2-49 图2-48的卡诺图

2.消除竞争—冒险的方法

（1）引入封锁脉冲：在输入信号状态转换的时间内，把可能产生尖峰脉冲输出的门封锁。如图2-50（a）中的负脉冲P1就是这样的封锁脉冲。封锁脉冲要与输入信号的状态转换同步，其脉宽要大于电路的状态转换时间。

（2）引入选通脉冲：如图2-50（a）中的P2，当信号进入稳态时，在选通脉冲高电平期间它可使门电路有正常的输出。

（3）接滤波电容：因为尖峰脉冲一般很窄（几十纳秒数量级），所以在门的输出端并接一只几百皮法的电容，就可把尖峰脉冲的幅度削弱至门电路的阈值电压以下，如图2-50（a）中的Cf。

图2-50 消除竞争—冒险的几种方法

（4）修改逻辑设计：对于如图2-48所示的电路，若给函数式增加冗余项BC，变换为，那么当B=C=1时，无论A如何改变，Y将始终为1，不会因A的变化引起竞争—冒险。这一方法反映在卡诺图中，就是将原来相切的两个方格群用一个多余的方格群链起来，如图2-51所示。

图2-51 逻辑设计修改