數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)五-組合電路中的競爭與冒險(xiǎn)

第（）頁實(shí)驗(yàn)報(bào)告院（系）學(xué)號(hào)審批專業(yè)實(shí)驗(yàn)人實(shí)驗(yàn)題目：組合電路中的競爭與冒險(xiǎn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅?、觀察組合電路中的競爭與冒險(xiǎn)現(xiàn)象；2、了解消除競爭與冒險(xiǎn)現(xiàn)象的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器及器件：1、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱、數(shù)字萬用表、示波器；2、器件：3個(gè)74LS00、1個(gè)74LS20、1個(gè)330PF電容。三、實(shí)驗(yàn)原理：1、競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象及其成因在組合邏輯電路中信號(hào)的傳輸可能通過不同的路徑而匯合到某一門的輸入端上。由于門電路的傳輸延遲，各路信號(hào)對(duì)于匯合點(diǎn)會(huì)有一定的時(shí)差。這種現(xiàn)象稱為競爭。這個(gè)時(shí)候如果電路的輸出產(chǎn)生了錯(cuò)誤輸出，則稱為邏輯冒險(xiǎn)現(xiàn)象。一般說來，在組合邏輯電路中，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)參差地加到同一門的輸入端，在門的輸出端得到穩(wěn)定的輸出之前，可能出現(xiàn)短暫的，不是原設(shè)計(jì)要求的錯(cuò)誤輸出，其形狀是一個(gè)寬度僅為時(shí)差的窄脈沖，通常稱為尖峰脈沖或毛刺。2、檢查競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象的方法在輸入變量每次只有一個(gè)改變狀態(tài)的簡單情況下，如果輸出門電路的兩個(gè)輸入信號(hào)A和是輸入變量A經(jīng)過兩個(gè)不同的傳輸途徑而來的，那么當(dāng)輸入變量的狀態(tài)發(fā)生突變時(shí)輸出端便有可能產(chǎn)生兩個(gè)尖峰脈沖。因此，只要輸出端的邏輯函數(shù)在一定條件下化簡成或則可判斷存在競爭冒險(xiǎn)。3、消除競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象的方法（1）接入濾波電路在輸入端并接一個(gè)很小的濾波電容Cf，足可把尖峰脈沖的幅度削弱至門電中的閾值電壓以下。（2）引入選通脈沖對(duì)輸出引進(jìn)選通脈沖，避開現(xiàn)象。（3）修改邏輯設(shè)計(jì)在邏輯函數(shù)化簡選擇乘積項(xiàng)時(shí)，按照判斷組合電路是否存在競爭冒險(xiǎn)的方法，選擇使邏輯函數(shù)不會(huì)使邏輯函數(shù)產(chǎn)生競爭冒險(xiǎn)的乘積項(xiàng)。也可采用增加冗余項(xiàng)方法。組合邏輯電路的險(xiǎn)象是一個(gè)重要的實(shí)際問題。當(dāng)設(shè)計(jì)出一個(gè)組合電路，安裝后應(yīng)首先進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，也就是用邏輯開關(guān)按真值表依次改變輸入量，驗(yàn)證其邏輯功能。然后再進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，觀察是否存在冒險(xiǎn)。如果電路存在險(xiǎn)象，但不影響下一級(jí)電路的正常工作，就不必采取消除險(xiǎn)象的措施；如果影響下一級(jí)電路的正常工作，就要分析險(xiǎn)象的原因，然后根據(jù)不同的情況采取措施加以消除。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)現(xiàn)函數(shù)，并假定，輸入只有原變量即無反變量輸入。1、畫出邏輯圖，使易于觀察電路的競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象。2、列出真值表。3、靜態(tài)測(cè)試，即按真值表驗(yàn)證其邏輯功能。4、觀察變量A變化過程中的險(xiǎn)象，并測(cè)出毛刺的幅度和寬度（中值寬度）。5、使再經(jīng)過一級(jí)反相器，檢查險(xiǎn)象是否影響下一級(jí)電路的正常工作。6、在F端并接一只330PF電容，還會(huì)影響下一級(jí)電路的正常工作嗎。7、分別觀察變量B、D變化過程中產(chǎn)生的險(xiǎn)象。8、用加冗余項(xiàng)法消除A變化過程中產(chǎn)生的險(xiǎn)象。此時(shí)允許使用74LS20（二4輸入與非門）。五、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)與處理：畫邏輯圖。將F化成以下形式：圖（1）觀察競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象電路根據(jù)F的表達(dá)式畫的邏輯圖如圖（1）所示。列出真值表。根據(jù)F的表達(dá)式列出其真值表如表一所示：ABCDFF測(cè)000000000100001011001111010000010100011000011111000000100100101011101100110011110111111011111111表（1）F的真值表靜態(tài)測(cè)試，即按真值表驗(yàn)證其邏輯功能。A、B、C、D接入邏輯開關(guān)對(duì)圖（1）靜態(tài)測(cè)試，得到的結(jié)果如圖（1）的最后一列，可以知道表（1）的邏輯功能是正確的。4、觀察變量A變化過程中的險(xiǎn)象：即取B=C=D=1，得，A改接函數(shù)發(fā)生器的連續(xù)脈沖源，工作頻率f=3MHz。此時(shí)輸出F出現(xiàn)競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象，圖像如圖（2）所示：圖（2）競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象其中，毛刺幅度約為4.25×0.2=0.850V，中值寬度為0.2÷5×4÷10=0.016μs。經(jīng)過一級(jí)反相器，如圖（3）（a）(b)圖（3）由于A和A’經(jīng)過的門的個(gè)數(shù)不同，所以還是會(huì)出現(xiàn)競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象，圖像如圖（3）（b）所示，這影響下一級(jí)電路的正常工作。毛刺幅度和中值寬度和沒加反相器的一樣。在F端并接一只330PF電容，如圖（4）圖（4）這個(gè)電容足可把尖峰脈沖的幅度削弱至門電中的閾值電壓以下，所以競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象消失，不會(huì)影響下一級(jí)電路的正常工作。7、分別觀察變量B、D變化過程中產(chǎn)生的險(xiǎn)象。（1）令A(yù)=C=1，D=0，B輸入3MHz連續(xù)脈沖，可得險(xiǎn)象和A的一樣，即圖（2）所示。（2）令A(yù)=B=0，C=1，D輸入3MHz連續(xù)脈沖，由于D和D’經(jīng)過的門數(shù)基本一樣，門電路的傳輸延遲時(shí)差幾乎為0，所以此時(shí)幾乎看不到競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象。8、用加冗余項(xiàng)法消除A變化過程中產(chǎn)生的險(xiǎn)象。加冗余項(xiàng)BCD，即有化成以下形式：圖（5）加冗余項(xiàng)電路圖根據(jù)F的畫得邏輯圖如圖（5）所示，經(jīng)過觀察，這也可以消除競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象。因?yàn)楫?dāng)B=C=D=1時(shí)，有冗余項(xiàng)BCD=1，而，故F=1，此時(shí)不論A和是否經(jīng)過同樣數(shù)目的與非門都無法影響結(jié)果（F=1）的輸出