数字电路中 “竞争－冒险”问题的教学设计

杨杰 卢贵主

(东莞理工学院 电子工程学院，广东东莞 523808)

“竞争－冒险”是数字电路中特有的现象，它可能引起电路出现“莫名”的故障，是我们必须经常面对且较为隐蔽的问题。在学习“EDA技术”、“数字集成电路设计”等课程时，尤其到“系统优化和时序分析”等章节，只有掌握有关“竞争－冒险”的知识，才能充分理解时序分析结果，修改并优化自己的设计。因此，正确掌握有关“竞争－冒险”的知识，对于提高学生调试、设计复杂数字电路的能力非常必要。

所谓“竞争－冒险”，实际上是由于逻辑电路信号传输延迟所产生的多余的尖峰脉冲。对于这种一闪即失的“毛刺”，如果用传统的“静态”教学方式进行讲解，往往显得力不从心。而计算机仿真软件的出现，为“竞争－冒险”问题的讲解提供了一个近乎完美的辅助平台。在课堂上，老师借助于Multisim等软件，高度逼真地模仿出电路的各种实际运行情况，把“竞争－冒险”的成因及对策一一清晰地展现给学生，其“身临其境”的教学效果是任何常规的多媒体技术根本无法比拟的［1］。如果再配合精心安排、组织教学内容，可以起到事半功倍的成效。

1 引入问题

1.1 欲擒故纵

我们有一个设计性实验，要求学生将2片74192(十进制可逆计数器)级联，组成1～29进制的加法计数器。学生在利用仿真设计时发现，按图1设计的电路，用Multisim7.0仿真却总也不能通过，原本应该从“1”到“30/31”的计数器，每次计数到了“19”就又从头开始了;而同一电路，在用Multisim的低版本软件EWB5.12仿真却又能顺利通过。而实际搭建电路时，又发现有的能正常工作，有的又不行!

学生百思不得其解，其实这只是教学设计中为讲解“竞争－冒险”而提前所做的铺垫。虽然在此之前，学生已经学过关于“竞争－冒险”的概念，但大多仅是模模糊糊有一点印象而已，遇到实际问题依然一片茫然。这时，深入讲解“竞争－冒险”的时机成熟了。

图1 29进制加法计数器原理

1.2 现场仿真

在接下来的课堂教学中，教师首先分别用Multisim7.0和EWB5.12仿真运行该电路，肯定学生设计的电路原理是正确的，所遇到的问题并不是操作上的失误，更不是仿真软件的缺陷。唯一的可能性是，在计数器“19”变到“20”的过程中，确确实实出现了错误的信号，导致了计数器又从头开始。为了让学生看清楚这个问题，老师现场修改仿真的时间步长，用“慢镜头”仔细重现刚才的过程，大家通过虚拟的“测试小灯”实实在在看到了这个一闪即失的信号。此时，Multisim7.0仿真软件开始发挥其逼真的演示效果。

显然，这个信号的出现是我们预料之外的。仔细分析就不难发现，在计数器从“19”跳到“20时”，用于控制反馈置数的2个计数器的输出端，同时发生了向相反状态变化的情况，即出现了“竞争”!

为了证实由“竞争”引起的“冒险”确实存在，老师接着在打开的仿真设计中，查到仿真库中74192的几个传输延迟的具体数据，如图2所示。

图2 仿真库元件74192原始参数

由于仿真元件库中的原始数据是，输出端从低电平上升到高电平的时间为38 ns，从高电平下降到低电平的时间为47 ns，正是由于这个时间差，从“19”跳到“20”时，状态译码的与非门的输入端出现了一个短暂的全“1”状态，因而反馈置数有效，计数重新开始。

为了彻底消除学生的疑虑，教师现场修改74192的电路模型参数，将几种信号传输时间改为一致，再次运行仿真，如图3。这次，一切正常了。

用另一个方案也可以进行验证:在可能引发“竞争－冒险”的信号传递通道上，增加一个同相驱动器，虽然没有任何逻辑关系的变化，但电路“故障”也消失了!这些都说明罪魁祸首就是“竞争－冒险”。

由于是当堂修改，现场运行，学生们身临其境，看到了全过程，对“竞争－冒险”引发故障已深信不疑了。Multisim7.0仿真再次展现了无可比拟的演示效果，如图4所示。

至于EWB5.12仿真不出错的疑惑是比较容易消除的:由于EWB5.12版本较低，仿真深度不够，它只仿真了理想情况，没出现“竞争－冒险”也在情理之中了。

接下来要解决的问题是:为什么实际接线中，有的出现了“竞争－冒险”、有的又没有呢?借着这个疑虑，我们把讨论引入到更高的层次:如何消除“竞争－冒险”?

图3 修改仿真库元件74192参数

图4 增加延迟环节克服“竞争－冒险”

1.3 探讨对策

“竞争－冒险”在实际电路中确确实实是可能存在的，发现了“竞争－冒险”我们就必须克服它。通常教材中介绍的消除“竞争－冒险”的方法是［2］:修改逻辑、引入选通信号或人为增加某个信号传输的时间。其中，最后一种方案较为实用，在一些工作频率不是非常高的场合，在可能出现“竞争－冒险”的部位串接RC惯性环节的方法就可解决。由于逻辑门的输出均有内阻，甚至R都可能不需要，直接简单并联小电容C即可。

老师在打开的仿真设计中，带领学生重新查看仿真元件库中74192的原始数据，让大家看到74192芯片从输入到输出的信号传递时间是数十ns级的，由它们之间的差异而造成的“冒险”脉冲更是ns级。简单串接一个RC，只要时间常数有几十个ns，这个“毛刺”干扰就被消除了。图5就是现场仿真演示的电路，图5中的R1C1即是为克服所增加的。运行结果表明，“竞争－冒险”被消除了。

根据采样地点统计，检出率最高的为商铺20.00%，剩余依次为：综合超市11.44%、饮用水生产厂家8.00%、农贸市场6.25%，学校集体食堂、街头流动摊点均未检出致病菌。

现在就可以解决学生的最后一个疑问了。同学们搭接实际电路时，之所以有的错、有的不错，存在2种可能性:

1)不同公司、不同批次的产品，动态特性存在差异，不出错的电路本身就没出现“竞争－冒险”;

2)74192的传输延迟本身很短，其差别 (引起“竞争－冒险”的根源)更小，由于实际接线不可避免地存在分散电容，出现的“竞争－冒险”无意中被消除了。

那些出错的电路，所用的芯片的传输延迟差别较大，分散电容尚不足以克服其“毛刺”影响。只要再适当增大RC环节的惯性效果，必定能消除干扰。

2 借题发挥

“竞争－冒险”是数电课堂教学中的一个难点，在实际电路中又是常见、隐蔽、难处理的问题。把这个知识点讲透，对深入理解数电的核心内容无疑是大有好处的。除此之外，我们还可借题发挥，带动其它知识点的学习。

图5 增加RC惯性环节克服“竞争－冒险”

2.1 温故知新

通过设计“日期计数器”的实例，特别是走了一点弯路之后，再重新复习什么是竞争、什么是由竞争引发的冒险，学生的认识肯定与以前大不相同了;有了这个基础，也完全理解引入“格雷码”等的用意了。

2.2 深入体会

在讨论时序电路的“竞争－冒险”时，数电的核心内容应该已大部讲完。这时，结合“竞争－冒险”的深入学习，可以对数电的内容在以下几方面加深理解:

1)逻辑电路，特别是现代高速的逻辑电路，主流是同步方式。异步方式的电路由于速度慢、易出现“竞争－冒险”而较少采用［3］。

2)组合逻辑电路和时序逻辑电路都会出现“竞争－冒险”。在组合逻辑电路中，“竞争－冒险”引起的短时尖峰脉冲不影响其稳态输出，因而危害作用并不明显。而同样的尖峰脉冲在时序逻辑电路中，则可能被触发器接收造成误翻转，进而完全改变时序电路的进程，故需特别小心!

3)传统的电路设计方式，在实际电路搭建出来之前，均无法获得精确的延时特性，处理“竞争－冒险”等问题就显得十分困难。而现代电子设计，由于采用EDA技术，可以在设计的不同阶段，进行全面精准的测试与仿真，特别是包含了具体芯片特性参数的时序仿真，可以得到精准的硬件延迟信息，为分析及处理“竞争－冒险”等问题提供极为便利的条件。EDA是电子设计发展的必然趋势［4］。

2.3 查找资料

在深入了解“竞争－冒险”的根源时，必须确切知道所用芯片的参数指标，特别是平时不太注意的动态参数。这就迫使我们查看权威的文献资料。在我们的现场教学中，我们数次经历了这个过程，而这恰好是对学生查找资料能力的一个训练。在信息时代，每个大学生除应学好各自专业知识外，还必须掌握应用各种手段查阅相关文献资料、获取信息的能力。

3 结语

在课堂上用计算机仿真辅助教学，可以使课堂内容变得丰富、精彩，老师可以带领学生把原本在实验室也不易看清的东西生动、形象地展现给大家，极大地提升了教学效果［5］;由于Multisim等仿真软件可以高度逼真地模仿出电路的实际运行情况，且可随意实时修改，其教学效果是任何常规的多媒体技术根本无法比拟的［6］。结合实例的深入剖析，可以温故知新，纲举目张，把前后各个知识点串通起来学习，可以起到事半功倍的成效。在后续课程的学习以及课程设计、毕业设计中，但凡牵涉到此类的问题，同学们就可驾轻就熟、应对自如了。

［1］吴学军，张静．EDA仿真设计在《数字电子技术基础》课程教学中的应用［J］．湖北文理学院学报，2013，34(11):78－81．

［2］阎石．数字电子技术基础［M］．5版．北京:高等教育出版社，2006:204－205．

［3］潘松，黄继业．EDA技术实用教程［M］．5版．北京:科学出版社，2013:10－11．

［4］潘明，潘松．数字电子技术基础［M］．北京:科学出版社，2008:180－192．

［5］王正勇，陈学昌．依托EDA技术促进电子信息类专业教学模式改革的探索［J］．工业和信息化教育，2014(7):51－53．

［6］王芳．浅谈数字电子技术课程的教学改革方法［J］．黑龙江教育学院学报，2014(33):87－88．