数字电路中竞争冒险现象的分析与研究
探索组合逻辑电路的竞争冒险现象及消除方法
探索组合逻辑电路的竞争冒险现象及消除方法探索组合逻辑电路的竞争冒险现象在组合逻辑电路中，当两个或多个数字信号在一个逻辑门的输入端同时到达时，它们可能会在输出端引发竞争冒险现象。
竞争冒险是一种反复变化的情况，它会导致逻辑门的输出错误，导致系统出现故障和数据的不稳定性。
竞争冒险通常发生在门的输入信号不同步的情况。
例如，当一个逻辑门的输入信号有较长的传输延迟时，就会发生竞争冒险现象。
竞争冒险现象包括两种类型：正竞争冒险和负竞争冒险。
正竞争冒险现象是指当两个或多个输入信号在一个逻辑门的输入端发生相等的变化时，输出信号经历一段时间后发生突变，随后又恢复到原始状态。
反之，负竞争冒险现象在输入信号发生变化时，输出信号开始反转，但在一段时间后突然又回到了原来的状态。
消除竞争冒险的方法1.增加延迟器：一个适当的延迟器可以将输入信号的时间稍微延迟，使得输入信号的“斜率”上升和下降不那么陡峭。
门可增加输入延迟管分量，来保持一致到达。
另外，在输出延迟管分量中引入等同或近似的延迟。
2.使用锁存器或触发器：锁存器或触发器可以消除竞争冒险。
它们允许信号在一段时间内维持稳定状态，从而消除竞争。
锁存器或触发器的初始状态是通过设定输入信号来实现的。
锁存器或触发器的一个典型应用是用于设置微处理器中的同步逻辑。
3.使用带有输入同步的片：带有输入同步的片可用于消除竞争冒险。
输入同步保持各种输入信号在一个稳定的电平上，直到其同步时钟到达。
同步片的输入同步机制允许输入信号在时钟边沿处被读取，比较突出。
4.使用逻辑修正电路：逻辑修正电路用于处理竞争冒险，使逻辑门产生正确的输出。
修正电路可解决所有类型的竞争问题。
它的作用是将输入信号延迟一个适当的时间，使得它们在逻辑门中被处理。
此外，逻辑修正电路还允许信号在特定间隔内保持稳定状态，以避免出现竞争。
总的来说，消除竞争冒险的方法包括增加延迟器、使用锁存器或触发器、使用带有输入同步的片和使用逻辑修正电路。
关于数字电路竞争-冒险现象的研究
毕业论文关于数字电路竞争-冒险现象的研究学专关于数字电路竞争-冒险现象的研究摘要:随着科学技术的发展,数字电路在实际应用中起到了举足轻重的作用,例如PLD、FPGA等。
本文介绍了竞争冒险的概念及产生的原因。
就数字电路中出现的竞争冒险问题及解决办法,从理论和实践的角度对其进行了总结归纳,并举例分析了判别竞争冒险的方法和消除方法,提出人们在分析设计数字电路时要根据不同的电路情况采用不同的分析、判别和消除方法。
在数字系统设计和调试中，常产生传输延迟、竞争冒险、毛刺干扰等问题，这是传统仪器和消除方法无法解决的，在这种情况下出现了适用于软、硬件分析的新的测试、消除竞争与冒险现象的方法。
准确的实现系统功能是每一个系统设计者追求的最终目标，面对越来越庞大的系统设计，设计者需要更加完善、准确地检测出竞争与冒险现象，这样才能保证设计的准确性。
本论文在对国内外有关竞争与冒险现象的发展现状的研究上，还进一步对冒险现象新的检测、消除技术和基于FPGA的虚拟逻辑分析仪进行了分析和研究。
关键词：竞争冒险，数字电路，检测技术，逻辑分析仪Research and Analysis on Race and Competition in Digital Circuit DesignAbstract：The digital circuits play a pivotal role in the practical application with the development of science and technology, For example, PLD, FPGA, etc. This paper proposes an experiment analysis on an enhanced algorithm of MVFDS. There are three part s in this paper, the first one is the introduction of features of the system, the second one is the process of experiment s which are conducted to verify the performance of the enhanced system. The third one is the conclusions and possible further improvements are discussed.Many problems are caused during designing or debugging the digital system，which include the transmission delay，the competition risk，the interference of burrs and so on. They can not be resolved by traditional instruments. In this situation，a new type of digital domain testing instrument named logic analyzer is made to analyze hardware and software，which can effectively solve these problems caused in the digital system. System evaluation is very important to a digital system designer. In order to complete a precise system, digital engineer should give the system evaluation as early as possible. This thesis has researched the virtual logic analyzer based on FPGA to let more users use it，which bases on researching virtual instrument technology，FPGA technology and USB interface.Key words：Race and Competition，Digital Circuit，Detection Technique，Logic Analyzer目录1 引言 (1)1.1课题背景 (1)1.2国内外的研究现状及发展趋势 (1)1.3本课题的任务及研究意义 (4)2 相关理论知识介绍 (5)2.1竞争与冒险的现象 (5)2.2竞争与冒险的分类 (5)3 组合逻辑电路竞争与冒险 (6)3.1组合电路中产生竞争冒险的原因和分析 (6)3.2组合逻辑电路中竞争冒险的消除方法 (7)4 时序逻辑电路竞争与冒险 (11)4.1时序逻辑电路中产生竞争冒险的原因和分析 (11)4.2时序逻辑电路中竞争冒险的消除方法 (13)5 可编程逻辑电路的竞争与冒险 (15)5.1可编程逻辑器件概述 (15)5.2FPGA的开发过程 (16)5.3FPGA器件中产生竞争冒险的原因和分析 (17)5.4FPGA中竞争与冒险的消除方法 (18)6 数字电路竞争与冒险的最新成果分析 (21)6.1关于数字电路检测、设计技术 (21)6.1.1 冒险检测技术与无冒险电路设计的研究意义 (21)6.1.2 冒险检测技术与无冒险电路设计的研究现状 (21)6.1.2 主要研究成果 (21)6.2关于竞争与冒险的检测仪器 (25)6.2.1 逻辑检测仪的研究意义 (25)6.2.2 逻辑检测仪的研究现状 (26)6.2.3 主要研究成果 (27)7 结论 (30)参考文献 (31)致谢 (33)1 引言1.1 课题背景随着计算机科学与技术突飞猛进地发展，用数字电路进行信号处理的优势也更加突出。
数字电路第4章(6竞争与冒险现象)_2综述
A
A A'
A A' L
L
★ 分析：2—4译
码器中的竞争冒险现象
★ 当AB从10->01
时，动态过程 中出现00和11 状态，在Y3和 Y0输出端可能 产生冒险。
*2、检查竞争与冒险现象的方法（1）
一、代数法： (1) 检查是否存在某个变量A，它同时以原变量和 反变量的形式出现在函数表达式中。
★编码器、译码器、数据选择器、数据分配 器、数值比较器和加法器是常用的MSI组合逻 辑部件，学习时重点掌握其逻辑功能及应用。
★数据选择器的作用是根据地址码的要求，从 多路输入信号中选择其中一路输出。 ★数据分配器的作用是根据地址码的要求，将 一路数据分配到指定输出通道上去。
★编码器的作用是将具有特定含义的信息编成 相应二进制代码输出;常用的有二进制编码
关的电路。它在逻辑功能上的特点是：没有存储
和记忆作用；在电路结构上的特点是：由各种门 电路组成，不含记忆单元，只存在从输入到输出
的通路，没有反馈回路。
组合逻辑电路的基本分析方法是：根据给定电 路逐级写出输出函数式，并进行必要的化简和 变换，然后列出真值表，确定电路的逻辑功能。 组合逻辑电路的基本设计方法是：根据给定设 计任务进行逻辑抽象，列出真值表，然后写出输 出函数式并进行适当化简和变换，求出最简表达 式，从而画出最简(或称最佳)逻辑电路。
再加选通脉冲选取输出结果, 即可消除现象。
该方法简单易行，但对选通信号的作用时间和 脉冲宽度有严格的要求。
3、消除竞争与冒险现象的方法
（3） 修改逻辑设计 采用增加冗余项的方法。 在表达式中“加”上多余的“与项”或者“乘” 上多余的“或项”，使原函数不可能在某种条件 下再出现A+A‘和AA’的形式。
竞争冒险——精选推荐
竞争与冒险竞争与冒险是数字电路中存在的一种现象。
由于元器件质量和设备工艺已达到相当高的水平，因而数字电路的故障往往是竞争与冒险引起的，所以要研究它们。
在一个复杂的数字电路的设计阶段，就完全预料电路中的竞争与冒险是困难的，有一些要通过实验来检查。
本节将说明组合数字电路中竞争与冒险的基本概念和确定消除它的一些基本方法。
3.5.1 竞争与冒险的基本概念如果一个数字电路从一个稳定状态转换到另一个稳定状态时，其中某个门电路的两个输入信号同时向相反方向变化，我们就称该电路存在竞争。
以前，因为没有考虑门电路的延迟，所以认为一个门的两个输入信号同时向相反方向变化，不应该影响逻辑门的输出。
对于图 3.46(a) 电路，当输入信号如图 3.46(b) 时，在门 G 4 的输入就出现了竞争。
由于没有考虑门的延迟，输出端P 4 的波形是符合真值表的规定的。
当考虑了门电路的延迟后，情况就不同了，见图 3.46(c) ，输出P 4 就出现了一个尖峰干扰。
图中t pd3 是逻辑门 G 3 的平均传输延迟时间；t pd4 是逻辑门 G 4 的平均传输延迟时间。
冒险是指数字电路中在某瞬间可能出现非预期信号的现象，也就是在某瞬间电路中出现的违背真值表规定的逻辑电平的情况，冒险也可以看成为一种过渡现象，一种干扰。
竞争的结果不一定都产生冒险，只是有可能产生冒险，竞争的结果产生冒险时称为竞争冒险。
数字电路的输入信号一般又称一次信号，数字电路输入级之后的信号一般称为二次信号，或中间变量。
一般约定，一次信号都是一个一个有节奏地变化，一次信号之间没有竞争。
一次信号和二次信号之间，二次信号和二次信号之间可能存在竞争。
3.5.2 冒险的分类冒险分为“ 0 ”态冒险和“ 1 ”态冒险。
3.5.2 .1 “ 0 ” 态冒险电路如图 3.47 (a) ，以与或型写出逻辑式A ，B 为输入信号，因为是一次信号，所以假设A ，B 按图 3.48 的规律变化，并假设与非门G 1 的动作速度比与非门G 2 的动作速度慢。
论逻辑电路中的竞争与冒险现象
论逻辑电路中的竞争与冒险现象摘要本文对逻辑电路中的竞争与冒险现象产生的原因、险象的分类和判断及消除方法进行了较全面的认识和论述。
对竞争与冒险现象在逻辑电路中的广泛性进行了讨论，对逻辑电路在时序匹配和电路结构上，与电路功能之间的矛盾和不合理性，用时空观进行了初探的同时，对险象提出了一分为二的处理方法。
关键词逻辑电路；竞争；险象一、引言在讨论逻辑电路，特别是组合电路时，常常为了分析问题的方便，没有考虑信号传输中的时延问题；或者只考虑了静态过程和稳态输出。
实际上，信号经过任何逻辑门和导线都会产生时间延迟，这就使得当电路所有输入达到稳定状态时，输出并不是立即达到稳定状态，而有一个过渡过程（或暂态），严重时还可能有尖峰脉冲，俗称“毛刺”产生。
一般来说，延迟时间对数字系统是一个有害的因素。
例如，使得系统操作速度下降，引起电路中信号的波形参数变坏，以及产生竞争冒险现象引起错误输出等问题。
下面对后一个问题进行讨论。
二、竞争现象与险象的产生（一）竞争的概念与类型逻辑电路中各条路径上延迟时间的长短，不仅与信号经过的门的级数和具体逻辑门的时延大小有关，还与导线的长短有关，因此，输入信号经过不同路径到达输出端的时间有先有后，这种现象称为竞争现象。
1.竞争：由于延迟时间的影响，使得输入信号经过不同路径到达输出端的时间有先有后，这一现象称为竞争。
通常，可以更广义地把竞争理解为多个信号到达某一点有时差的现象。
2.竞争的类型：根据竞争结果引起错误输出信号与否，竞争可以分为两种类型：（1）非临界竞争——不产生错误输出的竞争称为非临界竞争；（2）临界竞争——导致错误输出的竞争称为临界竞争。
（二）险象定义、分类1.险象定义：由竞争导致的错误输出信号的现象，叫冒险现象，即险象。
在组合电路中的险象是一种瞬态现象，它表现为在输出端产生不应有的尖脉冲，暂时地破坏正常逻辑关系。
一旦瞬态过程结束，即可恢复正常逻辑关系。
2.险象的分类：（1）在组合电路中的险象可分为静态险象和动态险象。
探索组合逻辑电路的竞争冒险现象及消除方法
探索组合逻辑电路的竞争冒险现象及消除方法随着电子技术的不断发展和应用，组合逻辑电路作为数字电路中最简单的一种电路，在电子设备中应用广泛。
然而，在实际应用中，我们常常会遇到一些竞争冒险的问题。
那么，究竟什么是竞争冒险呢？它又是如何产生的呢？如何消除这种现象呢？下面就来一一解答。
一、竞争冒险的定义竞争冒险（Race Hazard）是指输入信号有多条路径到达输出端，而输出信号的正确性与哪条输入路线先到达输出端有关的一种现象。
简而言之，竞争冒险就是同一信号在不同的路径上到达目的地的时间不同，导致信号的正确性无法得到保证。
二、竞争冒险的产生原因竞争冒险通常是在异步电路中产生的。
异步电路是一种没有时钟信号的电路。
因为没有时钟信号控制，异步电路的输入信号会在任何时间到达电路中。
如果异步电路的不同信号路径的延时不相等，就会产生竞争冒险。
三、竞争冒险的消除方法为了消除竞争冒险，我们有以下几种方法：1.插入缓冲器插入缓冲器是一种最基本的解决竞争冒险问题的方法。
在信号到达目的地之前，可以在较长的信号路径中插入缓冲器，使延时较短的信号路径延迟与较长的信号路径相同的时间，达到信号的同步。
2.加强约束条件加强约束条件也可以消除竞争冒险的问题。
在设计电路的时候，我们可以设置更为严格的约束条件，使得各个信号路径的延迟时间尽量相近，从而避免产生竞争冒险。
3.优化电路结构优化电路结构也可以解决竞争冒险的问题。
我们可以在电路设计过程中尽量避免存在长短不一的信号路径，或者在架构设计时就考虑到延迟问题，在电路结构设计时保持信号路径相对简单结构，减少信号传输延迟时间。
总之，竞争冒险是组合逻辑电路中不可避免的现象，我们应该在电路设计与实现中充分考虑其存在，采取相应的措施来消除竞争冒险带来的风险和影响。
数字电路中竞争冒险现象的分析与研究
数字电路中竞争冒险现象的分析与研究作者：吴炎波邓冠群来源：《科技创新导报》 2011年第22期吴炎波邓冠群(华中师范大学信息技术系湖北武汉 430079)摘要:竞争冒险是数字电路中特有的现象,该现象主要于器件的延时造成的。
在对组合逻辑电路进行设计时,人们通常会忽视这个问题,导致逻辑上准确无误,实际调试时却得到了错误结果的现象。
本文在对竞争冒险产生的原因、判断方法分析的基础上,辩证的提出了不同情况下消除竞争冒险的可行方法,并总结了实际应用中的竞争冒险的敏感度问题。
关键词:竞争冒险尖峰脉冲卡诺图中图分类号:TN791 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)08(a)-0009-01信号经过逻辑门电路都需要一定的时间,由于各个门电路延迟时间的差异,或者不同路径上门电路的级数不同,因此,信号从不同的路径、经过不同的门电路到达输出端时,电路在输入信号变化的瞬间,可能与稳态下的逻辑功能不一致,输出端出现一些不正确的尖峰脉冲(毛刺)。
当一个逻辑门的两个输入端信号同时向相反方向变化,而变化的时间有差异的现象,称为竞争,由竞争产生出干扰脉冲的现象称为冒险。
如果说电路中存在竞争冒险,并不等于一定有干扰脉冲产生,在设计时,既不可能知道传输路径和门电路传输时间的准确数值,也无法知道各个波形上升时间和下降时间的微小差异,只能说有产生干扰脉冲的可能性,这就是冒险一词的具体含义。
1 竞争冒险的判断1.1 代数法代数法紧扣竞争冒险最基本的定义,在n个变量的逻辑表达式中,在一定条件下,表达式可以化简为或的形式,就可以判断该电路存在竞争冒险。
1.2 卡诺图法从逻辑表达式的卡诺图上观察,如果有两个卡诺圈相切,则必然存在竞争冒险。
需要注意的是,判断是否相切时,必须考虑卡诺图的循环相邻特性,即最左边的列与最右边的列是相邻的,最上面的行与最下面的行也是相邻的。
1.3 仿真法和实验法代数法和卡诺图法都比较简单,但不适用于多个变量输入的情况,因此可以采用计算机软件仿真法来判断,例如Multisim、MAX+plusll等软件都能有效地检测出电路中存在的竞争冒险现象。
数电 第二节 组合电路中的竞争与冒险
如图所示卡诺图，只要在两圈相切处增加一个圈（冗余）， 就能消除冒险。
BC A
00
01
11
10
00 0 0 1
10 1 1 1
BC A
00
01
11
10
00 0 0 1
10 1 1 1
两圈相切有险象
增加冗余圈克服险象
三、冒险现象的消除
1.增加冗余项
２. 增加选通信号
增加选通信号的方法比较简单，一 般无需增加电路元件，但选通信号必须 与输入信号维持严格的时间关系，因此 选通信号的产生并不容易。
在可能产生冒险的门电路的输入端增加一个选通脉冲。 当输入信号变换完成，进入稳态后，才启动选通脉冲，将 门打开。这样，输出就不会出现冒险脉冲。
C
& f1
A &B &
≥1
F
F
C
f2
CON
三、冒险现象的消除
1.增加冗余项
３.输出接滤波电容
２.增加选通信号
输出端接滤波电容方便易行， 但会使输出电压波形变坏，仅适 合对信号波形要求不高的场合。
由于竞争冒险产生的干扰脉冲的宽度一般都很窄，在可
能产生冒险的门电路输出端并接一个滤波电容（一般为4～ 20pF），使输出波形上升沿和下降沿都变得比较缓慢，从而 起到消除冒险现象的作用。
增加选通信号由于竞争冒险产生的干扰脉冲的宽度一般都很窄在可能产生冒险的门电路输出端并接一个滤波电容一般为420pf使输出波形上升沿和下降沿都变得比较缓慢从而起到消除冒险现象的作用
第二节 组合电路中的竞争与冒险
一、冒险与竞争
竞争： 在组合电路中，信号经由不同的途径达到某一会合点 的时间有先有后。
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数字电路中竞争冒险现象的分析与研究
摘要:竞争冒险是数字电路中特有的现象,该现象主要于器件的延时造成的。
在对组合逻辑电路进行设计时,人们通常会忽视这个问题,导致逻辑上准确无误,实际调试时却得到了错误结果的现象。
本文在对竞争冒险产生的原因、判断方法分析的基础上,辩证的提出了不同情况下消除竞争冒险的可行方法,并总结了实际应用中的竞争冒险的敏感度问题。
关键词:竞争冒险尖峰脉冲卡诺图
信号经过逻辑门电路都需要一定的时间,由于各个门电路延迟时间的差异,或者不同路径上门电路的级数不同,因此,信号从不同的路径、经过不同的门电路到达输出端时,电路在输入信号变化的瞬间,可能与稳态下的逻辑功能不一致,输出端出现一些不正确的尖峰脉冲(毛刺)。
当一个逻辑门的两个输入端信号同时向相反方向变化,而变化的时间有差异的现象,称为竞争,由竞争产生出干扰脉冲的现象称为冒险。
如果说电路中存在竞争冒险,并不等于一定有干扰脉冲产生,在设计时,既不可能知道传输路径和门电路传输时间的准确数值,也无法知道各个波形上升时间和下降时间的微小差异,只能说有产生干扰脉冲的可能性,这就是冒险一词的具体含义。
1 竞争冒险的判断
1.1 代数法
代数法紧扣竞争冒险最基本的定义,在n个变量的逻辑表达式中,在一定条件下,表达式可以化简为或的形式,就可以判断该电路存在竞争冒险。
1.2 卡诺图法
从逻辑表达式的卡诺图上观察,如果有两个卡诺圈相切,则必然存在竞争冒险。
需要注意的是,判断是否相切时,必须考虑卡诺图的循环相邻特性,即最左边的列与最右边的列是相邻的,最上面的行与最下面的行也是相邻的。
1.3 仿真法和实验法
代数法和卡诺图法都比较简单,但不适用于多个变量输入的情况,因此可以采用计算机软件仿真法来判断,例如Multisim、MAX+plusll 等软件都能有效地检测出电路中存在的竞争冒险现象。
而由于电路本身存在的误差等问题,还需要进一步通过实验的手段来判断是否存在竞争冒险,该方法虽然繁琐,但可靠性高,是电路设计的必经阶段。
2 消除竞争冒险的方法
2.1 增加冗余项法
2.2 脉冲选通法
脉冲选通法包括两个方面:一是引入封锁脉冲,即引入一个负脉冲,如图1,在输入信号转换前到达,转换后消失。
二是引入选通脉冲,即只有当电路达到了新的稳态后,选通脉冲才为正脉冲,使电路输出有效。
由于有效脉冲出现在电路达到稳态以后,所以不会出现尖峰脉冲。
选通脉冲刚好与封锁脉冲相反,表现为丄凸波形,只需将图1中P1下凹脉冲改为上凸脉冲即可实现。
但是值得注意的是,无论是引入封锁脉冲还是选通脉冲,脉冲选通法最后的输出信号将变为脉冲信号,该方法不需要增加电路元件就可以从根本上消除尖峰脉冲,但要求脉冲与输入信号同步,且对取样脉冲的宽度和作用时间有较高的要求。
2.3 加滤波电容法
组合逻辑电路由竞争冒险产生的尖峰脉冲通常高频分量很丰富,因此,可以在输出端添加一个滤波电容,构成低通滤波器,从而起到通低频阻高频的作用。
该方法简单易行,电容对窄脉冲起到了平波作用,使输出端不会发生逻辑错误,但同时也时输出波形上升沿或下降沿变得缓慢,仅适用于对输出波形上下沿要求不高的情形。
2.4 采用可靠性编码
在数字电路设计中,设计者常常采用格雷码计数器来代替普通的二进制计数器,因为格雷码加1时,只有一个输出位发生跳变,这样就消除了竞争冒险发生的条件。
3 实际应用中竞争冒险的敏感度问题
在实际应用中必须认识到一点:不同的电路对于尖峰脉冲的敏感度是不一样的。
例如:时钟端口、清零和置位端口对毛刺十分敏感,任何一点尖峰都会使系统出错,影响电路的稳定性。
但是对于D触发器来说,由于它的状态变化出现在时钟上升沿,因此,只要毛刺不出现在时钟上升沿并且满足数据的建立和保持时间,就不会对系统造成危害,也就是说D触发器的输入端对尖峰不敏感。
根据这个特性,在系统设计时要求设计者尽量使用同步电路,同步电路的信号变化通常出现在
时钟上升沿而且需要满足数据的建立和保持时间,事实上,由于尖峰脉冲出现的时间很短,基本上很难满足数据的建立和保持时间。
所以,这种方法可行性较高。
参考文献
[1]康华光,邹寿彬.电子技术基础数字部分(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2009:133-136
[2]张文.竞争冒险现象研究.内江师范学院学报,2005,20(4):30-32.
[3]石飞飞,孙琳琳.组合逻辑电路中冒险现象的判断和消除方法.科技资讯,2010,21:130-131.
[4]胡辉辉.数字电路中冒险的代数法检测与消除.硅谷,2009,07:22.。