译码器竞争冒险及其处理的仿真分析

司佑全，张学文

(湖北师范学院 物理与电子科学学院，湖北 黄石　435002)

译码器竞争冒险及其处理的仿真分析

司佑全，张学文

(湖北师范学院 物理与电子科学学院，湖北 黄石435002)

摘要：文献中一般是针对SSI小规模组合电路竞争冒险进行分析，然而，实际上中规模组合电路也常出现竞争冒险现象. 以74LS138组成函数发生器为例， 利用卡诺图和Multisim仿真软件来进行分析，并且给出消除译码器竞争冒险的方法.

关键词：译码器；竞争冒险；虚拟仿真

中图分类号：TP302.2

文献标识码：A

文章编号：1009-2714(2015)04- 0040- 05

doi:10.3969/j.issn.1009-2714.2015.04.009

收稿日期：2015—04—02

基金项目：湖北师范学院校级教研项目(JH201129,ZD201121)

作者简介：司佑全(1964—)，男，湖北浠水人，副教授.

1译码器竞争冒险现象的观察分析

在组合逻辑电路中，由于输入信号传输到输出端路径和时间的不同(称为竞争)，在输出端可能会出现不应有的干扰信号(称为冒险)[1].

文献一般都是针对SSI小规模组合电路竞争冒险进行分析，中规模组合电路是由基本门电路组成的，由于门电路的传输延迟时间不等，输出就有可能出现不符合稳态下逻辑关系的尖峰脉冲[2].

1.1　用卡诺图分析译码器的竞争冒险现象

图卡诺图

当CBA从101→011时，C和B两个变量同时发生了跳变，然而实际上CB两信号的变化不可能在同时完成，出现了变量的竞争.若C先变化，则CBA的取值出现了过渡态001，由卡诺图知道CBA在过渡态的函数输出为0，然而CBA在变化前后的稳定态输出值均为1，此时出现了0型冒险，这种由过渡态引起的冒险是由于电路的功能所致，为功能冒险.

同样当CBA由010→111时，CBA的取值出现了过渡态110，也出现了0型冒险.

1.2　用仿真软件观察译码器竞争冒险现象

1.2.1逻辑冒险现象

图2　译码器实现电路图

图3　译码器逻辑冒险现象波形

由图3可见，当字信号发生器CBA的取值组合从011向111变化时出现了0型逻辑冒险.

1.2.2功能冒险现象

图2中，字信号发生器CBA从000→001→101→011→100→010→111→110时，在图4(从上至下，依次为A，B，C，F波形)中可以很清楚地观察到CBA从101→011、010→111出现了0型功能冒险.利用Multisim8仿真结果与用卡诺图进行的分析结果是一致的.

图4　译码器功能冒险现象波形

当电路发生单个变量状态改变引起的竞争冒险现象时，用卡诺图检查有无几何相邻的乘积项即可查出有无竞争冒险存在，但当电路发生多个变量状态同时改变引起的竞争冒险时，用卡诺图法难以查出；若用真实实验的方法来检查虽然可以查出，但又太麻烦．上述仿真实验告诉我们，用Multisim进行电路仿真可以准确快速地查出多个变量状态同时发生改变引起的竞争冒险．

2译码器竞争冒险现象的消除

SSI小规模组合电路竞争冒险可以通过修改逻辑设计的方法，发现并消掉互补变量，增加冗余乘积项的方法，而对于利用中规模集成电路74LS138组成函数发生器，就不能使用这一方法[4].我们可以采用其它方法消除竞争冒险现象.

2.1　在使能端加入选通脉冲信号

用MSI组合电路实现某一个函数时若出现冒险现象，可以在使能端加入脉冲信号，从而避免冒险现象[5].加选通信号避开毛刺是一种常用的方法.毛刺仅发生在输入信号变化的瞬间，因此在这段时间将输出门封住，待电路进入稳态后，再加选通脉冲选取输出结果，该方法简单易行，但选通信号的作用时间和极性等一定要合适.对于MSI电路，常利用使能端起到选通的作用[6].

图5　在使能端加入选通脉冲信号消除竞争冒险

图6　在使能端加入选通脉冲信号消除竞争冒险波形

在译码器的使能端引入选通脉冲可以消除由于竞争冒险引起的尖峰脉冲.选通脉冲作用在输出状态已经从一个状态过渡到另一个新的稳定状态之后，输出信号变为脉冲形式，在选通脉冲作用期间，输出才有效[7].

2.2　在输出端加RC惯性延时环节消除竞争冒险

由于竞争冒险所引起的是尖峰脉冲，脉宽很窄，因此，可以在门电路的输出端加一个惯性延时环节，通常是RC滤波器，来消除尖峰脉冲，如图7所示.使用此方法时要适当选择时间常数(t=RC)，要求t足够大，以便“削平”尖脉冲；但又不能太大，以便使正常的输出发生畸变[7].

图7　在输出端加入RC消除竞争冒险

图8　在输出端加入RC消除竞争冒险波形

2.3　加D触发器消除竞争冒险

D触发器的加入可以使电路的输出信号延迟一个时钟周期，从而消除竞争冒险现象[8～9].

图9　加D触发器消除竞争冒险

图10　加D触发器消除竞争冒险波形

3总结

通过引入脉冲消除竞争冒险的方法简单易行，而且不需要增加电路元件，但选通信号的作用时间和极性等一定要合适，若时间过长，会影响到电路的非竞争冒险时间段正常输出而产生错误的结果[10].加选通脉冲后，输出由电位信号变成了脉冲信号，有脉冲输出时表示电路在这一拍输出为1.从上述仿真实验还可以看出，利用Multisim8软件不但能准确快速地检查电路中存在的竞争冒险，而且可以比真实实验更加方便地验证所采取的消除竞争冒险的措施是否行之有效[11]．

参考文献：

[1]阎石.数字电子技术基础(第五版)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]孙丽霞，殷侠.实用电子电路设计与调试[M].北京：中国电力出版社，2011.

[3]郭宝生.变量译码器在电子电路中的应用[J].科技信息，2009(35)：85～86.

[4]贾爱民，张伯尧.电工电子学实验[M].杭州：浙江大学出版社，2004.

[5]张顺兴，黄丽亚，杨恒新.数字电路与系统设计[M].南京：东南大学出版社,2005.

[6]臧春华，郑步生.现代电子技术基础(数字部分)[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[7]王晓华，徐健.数字逻辑与数字电子技术[M].北京：清华大学出版社，2005.

[8]张学文，司佑全.基于Muhisim8数字电路实验的几个使用技巧[J].湖北师范学院学报(自然科学版)，2012，4：75～78.

[9]司佑全，张学文.计数器竞争冒险及其处理的仿真分析[J].湖北师范学院学报(自然科学版)，2015，1：25～28.

[10]胡伟.组合逻辑电路中竞争冒险的虚拟仿真实验设计[J].湖南第一师范学院学报，2010,10(5)：152～156.

[11]邵平，周善东.竞争冒险检查和消除的仿真实例分析[J].海南大学学报(自然科学版)，2005,23(2)：172～174.

The simulation analysis of

encoder competition risk and its processing

SI You-quan,ZHANG Xue-wen

(College of Physics and Electronic Science, Hubei Normal University, Huangshi435002,China)

Abstract：In general, ones perform analysis on the competition adventure with SSI small-scale combinational circuit in the literature. However, in fact, the middling-scale combinational circuit also often occur in the competition adventure. In this paper, as example, taking the composition 74LS138 function generator, by use of the Karnaugh maps and Multisim simulation software, the authors perform analysis and give some method which can eliminate the competition risky of decoder.

Key words：decoder； race and hazard；virtual simulation