3-1 仿真與測試競爭冒險現(xiàn)象

1、項目三組合邏輯電路任務(wù)一仿真與測試競爭冒險現(xiàn)象【學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握組合邏輯電路的分析方法；掌握組合邏輯電路的簡單設(shè)計方法；掌握組合邏輯電路的競爭冒險及消除方法。【任務(wù)引入】按照邏輯功能不同，數(shù)字電路常分兩大類：一類組合邏輯電路(簡稱組合電路)；另一類時序邏輯電路(簡稱時序電路)。如果一個邏輯電路在任何時刻的輸出狀態(tài)只取決于該時刻的輸入狀態(tài)，與電路原來狀態(tài)無關(guān)，這樣的電路稱為組合邏輯電路。本節(jié)課內(nèi)容我們學(xué)習(xí)組合邏輯電路的分析與設(shè)計方法，了解并掌握組合邏輯電路中的競爭冒險現(xiàn)象及其消除方法?！净纠碚摗恳?、組合邏輯電路概述組合邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)上的特點：構(gòu)成電路基本元件是門電路，不含記憶單元(存儲元件)

2、；只有從輸入到輸出通路，沒有從輸出反饋到輸入回路。2組合電路邏輯功能的描述描述組合電路邏輯功能的方法有邏輯函數(shù)式、真值表、邏輯圖、工作波形圖、卡諾圖等幾種。組合邏耕電路f升f心Tin3-1-1組合邏輯電路的框圖組合邏輯電路n個輸入端，用xl,x2,，xn表輸入變量；有m個輸出端，用yl,y2,，ym表示輸出變量，輸出變量與輸入變量間邏輯關(guān)系:yl二fl(xl,x2,，xn)y2=f2(x1,x2,，xn)ym=fm(x1,x2,，xn)二、組合邏輯電路的分析與設(shè)計1組合邏輯電路的分析步驟如下：用逐級遞推法寫出輸出邏輯函數(shù)與輸入邏輯變量之間的關(guān)系；用公式法或者卡諾圖法化簡，寫出最簡邏輯表達(dá)式；根

3、據(jù)最簡邏輯函數(shù)式列出功能真值表；4）根據(jù)真值表寫出邏輯功能說明，以便理解電路的作用。例3-1-1：分析下圖3-1-2三變量組合邏輯電路的功能。FABC圖3-1-2三變量組合邏輯電路解：第一步：寫出輸出邏輯函數(shù)與輸入邏輯變量之間的關(guān)系，如下F二AB1F2-BC丁CAF二FFF二ABBCAC123第二步：化簡寫出最簡邏輯表達(dá)式，得：F=AB+BC+CA第三步：列出功能真值表ABCF00000010010001111000101111011111第四步：寫出邏輯功能說明當(dāng)輸入A、B、C中有2個或3個為1時，輸出Y為1,否則輸出Y為0。所以這個電路實際上是一種3人表決用的組合電路：只要有2票或3票同意

4、，表決就通過。組合邏輯電路的設(shè)計組合邏輯電路的設(shè)計是根據(jù)給定的實際邏輯功能，找出實現(xiàn)該功能的邏輯電路。步驟如下：（1）根據(jù)給出的條件，找出什么是邏輯變量，什么是邏輯函數(shù)，用字母設(shè)出，另外用0和1各表示一種狀態(tài)，找出邏輯函數(shù)和邏輯變量之間的關(guān)系；（2）根據(jù)邏輯函數(shù)和邏輯變量之間的關(guān)系列出真值表，并根據(jù)真值表寫出邏輯表達(dá)式（3）化簡邏輯函數(shù)；（4）根據(jù)最簡邏輯表達(dá)式畫出邏輯電路；（5）驗證所作的邏輯電路是否能滿足設(shè)計的要求（特別是有約束條件時要驗證約束條件中的最小項對電路工作狀態(tài)的影響）。SSI電躋或PLD圖3-1-3組合邏輯電路的設(shè)計過程例3-1-2：試設(shè)計一個3人投票表決器，即3人中有2人或3

5、人表示同意，則表決通過，否則不通過。解：1.邏輯問題分析設(shè)三人的意見為變量A、B、C,表決結(jié)果為函數(shù)L。對變量及函數(shù)進(jìn)行如下狀態(tài)賦值：對于變量A、B、C,設(shè)同意為邏輯1,不同意為邏輯0。對于函數(shù)L,設(shè)事情通過為邏輯1,沒通過為邏輯0。2列出真值表由真值表寫出邏輯表達(dá)式并化簡，得:L=ABC+ABC+ABC+ABC=AB+BC+ACABCL00000101001110010111011100010111圖3-1-4與或門實現(xiàn)的邏輯電路0001丨丨10rn004畫出邏輯電路如圖3-1-4所示，如果要求用與非門實現(xiàn)該邏輯電路，就應(yīng)將表達(dá)式進(jìn)行一定變換：L=AB+BC+AC=AB+BC+AC=AB-B

6、C-AC如圖3-1-5所示。圖3-1-5與非門實現(xiàn)的邏輯電路例3-1-3：用與非門設(shè)計一個交通報警控制電路。交通信號燈有紅、綠、黃3種，3種燈分別單獨工作或黃、綠燈同時工作時屬正常情況，其他情況均屬故障，出現(xiàn)故障時輸出報警信號解：邏輯問題分析設(shè)紅、綠、黃燈分別用A、B、C表示，燈亮?xí)r為正常工作，其值為1,燈滅時為故障現(xiàn)象，其值為0;輸出報警信號用F表示，正常工作時F值為0,出現(xiàn)故障時F值為1。列出真值表如下：ABCFABCF00011000001010110100110101101111由真值表寫出邏輯表達(dá)式并化簡F=ABC+ABC+ABC+ABCF=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC=A

7、BC+AB(C+C)+AC(B+B)=ABC+AB+ACF=ABCABACF=ABCABAC畫出邏輯電路如圖3-1-6所示圖3-1-6利用與非門實現(xiàn)的交通報警控制電路三、組合邏輯電路的競爭冒險前面分析設(shè)計組合邏輯電路時，均是在信號穩(wěn)態(tài)情況下討論的，實際電路工作時，信號經(jīng)常變化且需要時間，門電路對信號也產(chǎn)生一定的延時，這樣就產(chǎn)生競爭冒險。競爭冒險現(xiàn)象及其成因同一個門的一組輸入信號，由于它們在此前通過不同數(shù)目的門，經(jīng)過不同長度導(dǎo)線的傳輸，到達(dá)門輸入端的時間會有先有后，這種現(xiàn)象稱為競爭。邏輯門因輸入端信號的競爭而導(dǎo)致輸出產(chǎn)生不應(yīng)有的尖峰干擾脈沖的現(xiàn)象，稱為冒險。我們知道，半導(dǎo)體器件的開通和關(guān)斷都有延

8、遲時間，因此組合邏輯門電路在工作時，也是有延遲時間的。由于各個門的延遲時間不同，如兩個信號到達(dá)下一級門電路輸入端的時間不同，當(dāng)組合邏輯電路中存在由反相器產(chǎn)生的互補信號，狀態(tài)發(fā)生變化時，組合邏輯電路有可能產(chǎn)生瞬間的錯誤輸出。這一現(xiàn)象稱為競爭冒險。根據(jù)出現(xiàn)的尖峰脈沖的極性，冒險又分為“0”型冒險和“1”型冒險。分別如圖3-1-7和3-1-8所示?！?”型冒險，輸出負(fù)脈沖“1”型冒險，輸出正脈沖1T圖3-1-7“0”型冒險圖3-1-8“1”型冒險冒險現(xiàn)象的識別可采用代數(shù)法來判斷一個組合電路是否存在冒險，方法為：(1)首先，找出具有競爭能力的變量。(2)其次，如果根據(jù)組合邏輯電路寫出的邏輯函數(shù)式在一定

9、條件下可轉(zhuǎn)化成Y=A+A或Y=AA的形式時，則該組合邏輯電路存在競爭-冒險現(xiàn)象。例3-1-4:判別下列函數(shù)是否存在競爭-冒險現(xiàn)象。Y=AC+AB+AC解：BC=00時Y=ABC=01時Y二ABC=10時Y二ABC=11時Y=A+A可知在B=C=1時將產(chǎn)生“0”型競爭-冒險現(xiàn)象。例3-1-5:分析邏輯表達(dá)式的競爭冒險。解：若輸入變量A=B=l，則有l(wèi)=C+C因此，該電路存在0冒險。下面畫出A=B=l時L的波形。在穩(wěn)態(tài)下，無論C取何值，L恒為1,但當(dāng)C變化時，由于信號的各傳輸路徑的延時不同，將會出現(xiàn)圖3-1-9:所示的負(fù)向窄脈沖，即0冒險。a）&BC三1L=AC+BC&ACA=1B=1圖3-1-9

10、（向窄脈沖（0冒險）4消除競爭冒險的方法當(dāng)組合邏輯電路存在冒險現(xiàn)象時，可以從兩方面入手來消除。1）修改硬件電路1）接入輸出濾波電容由于競爭冒險產(chǎn)生的干擾脈沖的寬度一般都很窄，在可能產(chǎn)生冒險的門電路輸出端并接一個濾波電容（一般為420pF），利用電容兩端的電壓不能突變的特性，使輸出波形上升沿和下降沿都變的比較緩慢，從而起到消除冒險現(xiàn)象的作用。這種方法簡單易行，但會破壞輸出波形，且會引入附加延時。2）增加選通信號在電路中增加一個選通脈沖，接到可能產(chǎn)生冒險的門電路的輸入端。當(dāng)輸入信號轉(zhuǎn)換完成，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，才引入選通脈沖，將門打開。這樣，輸出就不會出現(xiàn)冒險脈沖。注意以下問題：如輸出門為與門、與非門，則

11、選通脈沖要用正脈沖；如輸出門為或門、或非門則選通脈沖要用負(fù)脈沖。加選通脈沖后，電路的輸出將不是電平信號，而是脈沖信號。電路對選通脈沖的寬度和產(chǎn)生時間有嚴(yán)格的要求。2）修改邏輯設(shè)計1）加冗余項前面已分析L=aC+BC中存在冒險現(xiàn)象。如在邏輯表達(dá)式中增加乘積項AB,使其變?yōu)長=AkBQAB，則在原來產(chǎn)生冒險的條件A=B=1時，L=1,不會產(chǎn)生冒險。函數(shù)增加了乘積項AB后，已不是“最簡”，故這種乘積項稱冗余項。2）變換邏輯式，消去互補變量L=（A+B）（B+C）存在冒險現(xiàn)象。如將其變換為L-AB+AC+BC，則在原來產(chǎn)生冒險的條件A=C=0時，L=0，不會產(chǎn)生冒險。仿真實驗】一、實驗環(huán)境1.計算機2

12、.Multisim10電子仿真軟件二、操作步驟1.雙擊計算機桌面“Multisim”圖標(biāo)，啟動EWB軟件。2創(chuàng)建如圖3-1-10所示電路，并給元器件標(biāo)識、賦值。輸入B、C均接高電平，輸入A接時鐘，時鐘頻率設(shè)為1HZ。輸入A與輸出Y用示波器監(jiān)視。圖3-1-103連接相關(guān)的儀器儀表(如頻率計、示波器、測量探針等)。仿真結(jié)果如圖3-1-11所示。圖3-1-11下面再來舉兩例：例子一：構(gòu)造電路，寫出電路表達(dá)式，然后用示波器觀察電路輸出是否滿足對應(yīng)表達(dá)式，考慮電路會出現(xiàn)什么問題。建立如下圖3-1-12所示仿真電路，輸入B、C均接低電平，輸入A接時鐘，時鐘頻率設(shè)為1HZ。輸入A與輸出Y用示波器監(jiān)視。仿真結(jié)

13、果如圖3-1-13所示。圖3-1-12圖3-1-13例子二：寫電路輸出表達(dá)式，然后用示波器觀察電路輸出是否滿足對應(yīng)表達(dá)式，電路會出現(xiàn)什么問題。采用修改設(shè)計方法消除組合電路圖3-1-12的競爭冒險現(xiàn)象的仿真電路如圖3-1-13所示,然后再進(jìn)行仿真觀察如圖3-1-14。+VLC圖3-1-13圖3-1-14實驗結(jié)論組合電路3-1-10的輸出表達(dá)式為Y=l,即輸出應(yīng)該始終為高電平。但是輸出出現(xiàn)負(fù)尖蜂脈沖。組合電路3-1-12的輸出表達(dá)式為Y=0,即輸出應(yīng)該始終為低電平。但是輸出出現(xiàn)正尖峰脈沖。如圖所示。這兩種電路都有競爭冒險現(xiàn)象。_對于電路3-1-10，輸出Y=AB+AC，當(dāng)B=C=1時，無論A如何變

14、化，則會產(chǎn)生競爭冒險?，F(xiàn)在修改設(shè)計，增加BC項，即Y=AB+AC+BC。當(dāng)B=C=1時，無論A如何變化，Y始終保持為1,不會再出現(xiàn)競爭冒險。其他各種消除方法這里不再贅述?！窘M裝調(diào)試】一、組裝電路1實訓(xùn)器材XXXXXX表1-1-2配套明細(xì)表圖1-1-14RC橋式正弦波振蕩電路裝配圖2）XXX二、調(diào)整測試測試連接圖1-1-15測試連接框圖操作步驟XXXXXX表1-1-3測試記錄理論計算示波器測量計數(shù)器測量電壓表測量u幅值o(Upp【Y軸格數(shù)】X【垂直靈敏度】振蕩頻率f1（jt）1/【X軸格數(shù)】X【水平靈敏度】畫出u波形，o標(biāo)出周期T、最大值uOm勺值。1oluot三、實訓(xùn)報告姓名、班級。實訓(xùn)日期、

15、任務(wù)、目的與器材。電路圖與裝配圖。實訓(xùn)步驟與測試數(shù)據(jù)教師批閱。四、評分標(biāo)準(zhǔn)項目配分工藝標(biāo)準(zhǔn)扣分標(biāo)準(zhǔn)扣分記錄得分布線15分1布局合理、緊湊。2導(dǎo)線橫平、豎直，轉(zhuǎn)角成直角，無交叉。3元件間連接關(guān)系和原理圖一致。1布局不合理、每處扣5分。2導(dǎo)線不平直，轉(zhuǎn)角不為直角，每處扣2分，有交叉，每處扣10分。3連接關(guān)系錯誤.每處扣10分。插件20分1電阻器、普通二極管、集成電路插座水平貼板安裝。2電容器、三極管、發(fā)光二極管、可調(diào)電阻器垂直安裝，高度符合工藝要求且平整對稱。3元件的位置、極性正確。1元件安裝歪斜、不對稱、高度超差，每處扣1分2錯裝、漏裝，每處扣5分。焊接25分1焊點光亮、清潔、焊料適量。2無漏焊、虛焊、假焊、搭焊、濺錫等現(xiàn)象。3焊接后元件引腳剪腳留頭長度小于1mm。1焊點不光亮、焊料過多或過少，每處扌扣0.5分。2漏焊、虛焊、假焊、搭焊、濺錫，每處扣3分。3剪腳留頭長度大于1mm.每處扣05分。調(diào)試40分1按調(diào)試要求和步驟