实验六 组合逻辑电路中的竞争冒险现象
组合电路的竞争和冒险
S = ∑m (1,2,4,7) = ∏ (0,3,5,6) M
= M0 ⋅ M3 ⋅ M5 ⋅ M6 = m0 ⋅ m3 ⋅ m5 ⋅ m6
= Y 0 ⋅Y 3 ⋅Y 5 ⋅Y 6
CO = ∑m (1,2,3,7) = ∏ (0,4,5,6) M
= M0 ⋅ M4 ⋅ M5 ⋅ M6 = m0 ⋅ m4 ⋅ m5 ⋅ m6
0 1 1 1 0 0 0 1
AB AB C 00 01 11 10 C 00 01 11 10 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1
S CO
S = A⊕ B ⊕Ci
CO = AB + ( A⊕B) ⋅ Ci = AB⋅ ( A⊕ B) ⋅ Ci
最后画出用与非门和异或门实现 的全减器逻辑电路图。
多个输入发生状态变化时，冒险是难以消除的。 多个输入发生状态变化时，冒险是难以消除的。当组合 电路的冒险影响了整个系统的工作时， 电路的冒险影响了整个系统的工作时，可以采用取样脉冲的 方法加以解决。 方法加以解决。 A & ☆先判断组合电路 B & 有无冒险产生， A , A⋅ A A+ & F 1 & 若有冒险加取样脉冲与组 C 合电路相与。 ☆取样脉冲仅在输出门处 于稳定值期间到来，保证输出 结果正确，在取样脉冲周期之 外，输出信息无效。 ☆取样脉冲法目的是避开 冒险。
3.5 组合逻辑电路中的竞争与冒险
F'
t
…
xn
C
F
电容器容量为4~20pF之间
t
11
输出端电容器致使输出波形上升沿和下降沿变化变 慢，可对于很窄的负跳变脉冲起到平滑的作用，但 也降低了电路工作速度
Ro L
C
L
(a) 4~20pF
(b)
12
8
２．增加冗余项
根据公式 AB AC BC AB AC
增加冗余项BC，有
F AB AC＋BC AB AC
B=C=1时, 函数由F＝A＋A变成了F＝1
9
增加乘积(冗余)项
L AC BC
G2
G2
A
AA
& AC
&
G4
AC
B
C
1
C
B
G1
1
& BC
G3G1
(a)
≥1 LG=A3C+BC &
F
(a)
(b)
产生正跳变脉冲的竞争冒险
竞争：在组合电路中，信号经由不同的路径达到某一会合点 的时间有先有后的现象;
冒险：由于竞争而引起电路输出发生瞬间错误。表现为输出 端出现了原设计中没有的窄脉冲（毛刺）。
2
例如：F AB AC,当B C 1时，F A A 1
A B
G2
&
A
d
G4
tpd
4
G1
A
A
1
G2
A
&
F AA
L
(a)
(b)
产生正跳变脉冲的竞争冒险
G1
A
F AA
A
1
G2
≥1
A
竞争冒险
Y = ( A + B )( B + C )
当取A=0、C=0时 当取A=0、C=0时， A=0
Y = BB
因此，图示电路存在冒险现象。 因此，图示电路存在冒险现象。
三、消除冒险现象的方法
1.加封锁脉冲。在输入信号产生竞争冒险的时间内， 加封锁脉冲。在输入信号产生竞争冒险的时间内， 加封锁脉冲 引人一个脉冲将可能产生尖峰干扰脉冲的门封锁住。 引人一个脉冲将可能产生尖峰干扰脉冲的门封锁住。 封锁脉冲应在输入信号转换前到来，转换结束后消失。 封锁脉冲应在输入信号转换前到来，转换结束后消失。 2.加选通脉冲。对输出可能产生尖峰干扰脉冲的门电 加选通脉冲。 加选通脉冲 路增加一个接选通信号的输入端， 路增加一个接选通信号的输入端，只有在输入信号转 换完成并稳定后，才引入选通脉冲将它打开，此时才 换完成并稳定后，才引入选通脉冲将它打开， 允许有输出。在转换过程中，由于没有加选通脉冲， 允许有输出。在转换过程中，由于没有加选通脉冲， 因此，输出不会出现尖峰干扰脉冲。 因此，输出不会出现尖峰干扰脉冲。 3.接人滤波电容。由于尖峰干扰脉冲的宽度一般都很 接人滤波电容。 接人滤波电容 在可能产生尖峰干扰脉冲的门！ 窄，在可能产生尖峰干扰脉冲的门！电路输出端与地 之间接入一个容量为几十皮法的电容就可吸收掉尖峰 干扰脉冲。 干扰脉冲。 4.修改逻辑设计。 修改逻辑设计。 修改逻辑设计
A 1 (a) A A Y1 (b) & Y1 A 1 (a) ≥1 Y2
Y1 = AA = 0
A A Y2
Y2 = A + A = 1
(b)
干扰信号
二、竞争冒险现象的判别
在组合逻辑电路中，是否存在冒险现象， 在组合逻辑电路中，是否存在冒险现象，可通过逻辑函 数来判别。 数来判别。如根据组合逻辑电路写出的输出逻辑函数在一定 条件下可简化成下列两种形式时， 条件下可简化成下列两种形式时，则该组合逻辑电路存在冒 险现象 。 如果输出端门电路的两个输入信号A和 ′是输入变量A经过两个 如果输出端门电路的两个输入信号 和A′是输入变量 经过两个 不同的传输途径而来，则当输入变量A的状态发生突变时输出 不同的传输途径而来，则当输入变量 的状态发生突变时输出 端有可能产生尖峰脉冲， 端有可能产生尖峰脉冲，故只要输出端的逻辑函数在一定条件 下能简化成Y＝A＋ A′或 Y＝A· A′,则可判定存在竞争－冒险现 下能简化成 ＝ ＋ ′ ＝ ′ 则可判定存在竞争－ 则可判定存在竞争 象
组合逻辑电路中的竞争冒险
组合逻辑电路中的竞争冒险
前面分析组合逻辑电路时，都没有考虑门电路的延迟时间对电路产生的影响。
实际上，从信号输入到稳定输出需要一定的时间。
由于从输入到输出的过程中，不同通路上门的级数不同，或者门电路平均延迟时间的差异，使信号从输人经不同通路传输到输出级的时间不同。
由于这个原因，可能会使逻辑电路产生错误输出。
通常把这种现象称为竞争冒险。
一、产生竞争冒险的原因
首先来分析下图所示电路的工作情况，可以建立竞争冒险的概念。
在图中，与门G2的输入是Ａ和两个互补信号。
由于G1的延迟，的下降沿要滞后于Ａ的上升沿，因此在很短的时间间隔内，G2的两个输入端都会出现高电平，致使它的输出出现一个高电平窄脉冲（它是按逻辑设计要求不应出现的干扰脉冲），见图中的波形部分所示。
与门G2的２个输入信号分别由G1和Ａ端两个路径在不同的时刻到达的现象，通常称为竞争，由此而产生输出干扰脉冲的现象称为冒险。
下面进一步分析组合逻辑电路产生竞争冒险的原因。
设有一个逻辑电路如上图所示，其工作波形如下图所示。
它的输出逻辑表达式为。
由此式可知,当Ａ和Ｂ都为1时，L＝1，与C的状态无关。
但是，由波形图可以看出，在Ｃ由１变０时，Ｃ由０变１有一延迟时间，在这个时间间隔内,G2和G3的输出ＡＣ和同时为０，而使输出出现一负跳变的窄脉冲，即冒险现象。
这是产生竞争冒险的原因之一，其他原因这里不作详述。
由以上分析可知，当电路中存在由反相器产生的互补信号，且在互补信。
组合逻辑电路产生竞争冒险的原因
组合逻辑电路产生竞争冒险的原因
首先来分析下图所示电路的工作情况，可以建立竞争冒险的概念。
在图中，与门G2的输入是Ａ和两个互补信号。
由于G1的延迟，的下降沿要滞后于Ａ的上升沿，因此在很短的时间间隔内，G2的两个输入端都会出现高电平，致使它的输出出现一个高电平窄脉冲（它是按逻辑设计要求不应出现的干扰脉冲），见图中的波形部分所示。
与门G2的２个输入信号分别由G1和Ａ端两个路径在不同的时刻到达的现象，通常称为竞争，由此而产生输出干扰脉冲的现象称为冒险。
下面进一步分析组合逻辑电路产生竞争冒险的原因。
设有一个逻辑电路如上图所示，其工作波形如下图所示。
它的输出逻辑表达式为。
由此式可知,当Ａ和Ｂ都为1时，L＝1，与C的状态无关。
但是，由波形图可以看出，在Ｃ由１变０时，Ｃ由０变１有一延迟时间，在这个时间间隔内,G2和G3的输出ＡＣ和同时为０，而使输出出现一负跳变的窄脉冲，即冒险现象。
这是产生竞争冒险的原因之一，其他原因这里不作详述。
由以上分析可知，当电路中存在由反相器产生的互补信号，且在互补信号的状态发生变化时可能出现冒险现象。
竞争冒险
消除竞争－ 消除竞争－冒险现象的方法 则消除由A带来的竞争 带来的竞争－ 则消除由 带来的竞争－冒险的如图所示
注:为了使电路所用 为了使电路所用 器件最少， 器件最少，将逻辑函 数化简， 数化简，而为了消除 竞争－ 竞争－冒险又要增加 冗余项， 冗余项，这是一对矛 盾。首先不考虑竞争 冒险， －冒险，将逻辑函数 化简， 化简，然后检查有否 竞争－冒险现象， 竞争－冒险现象，再 用增加冗余项来消除 它。
A 1 (a) A A Y1 (b) & Y1 A 1 (a) ≥1 Y2
Y1 = AA = 0
A A Y2
Y2 = A + A = 1
(b)
干扰信号
二、竞争冒险现象的判别
在组合逻辑电路中，是否存在冒险现象， 在组合逻辑电路中，是否存在冒险现象，可通过逻辑函 数来判别。 数来判别。如根据组合逻辑电路写出的输出逻辑函数在一定 条件下可简化成下列两种形式时， 条件下可简化成下列两种形式时，则该组合逻辑电路存在冒 险现象 。 如果输出端门电路的两个输入信号A和 ′是输入变量A经过两个 如果输出端门电路的两个输入信号 和A′是输入变量 经过两个 不同的传输途径而来，则当输入变量A的状态发生突变时输出 不同的传输途径而来，则当输入变量 的状态发生突变时输出 端有可能产生尖峰脉冲， 端有可能产生尖峰脉冲，故只要输出端的逻辑函数在一定条件 下能简化成Y＝A＋ A′或 Y＝A· A′,则可判定存在竞争－冒险现 下能简化成 ＝ ＋ ′ ＝ ′ 则可判定存在竞争－ 则可判定存在竞争 象
Y = AB + A C
当B＝C＝1时， ＝ ＝ 时
B 1 C 4.4.2
≥1
Y
Y = A+ A
故此电路存在竞争－冒险现象。 故此电路存在竞争－冒险现象。 若将上述逻辑式改为
组合逻辑电路中的竞争冒险
目录摘要 (1)关键词 (1)Abstract .................................................................. 1 . Key words .. (1)1 引言 (1)2 竞争冒险产生的原因分类及危害.................................................................................... 1. .2.1竞争冒险现象 (1)2.2 竞争冒险现象产生的原因.................................................................................... 2. ..2.3 竞争冒险的危害.................................................................................... 2. ..2.4 竞争冒险的分类.................................................................................... 2. ..2.4.1 静态冒险 (2)2.4.2 动态冒险 (2)3 竞争冒险的判断.................................................................................... 2. ..3.1 代数法 (2)3.2 卡诺图法 (3)3.3 仿真法和实验法....................................................................................4. ..3.4 通过实验判断竞争冒险....................................................................................4. ..3.4.1 实验分析 (5)3.4.2 实验总结 (6)4 竞争冒险的消除方法.................................................................................... 6...4.1增加冗余项法 (6)4.2消除互补项法 (6)4.3接入滤波电容 (6)4.4引入选通脉冲 (6)4.5引入封锁脉冲 (7)4.6采用可靠性编码7...4.7输出加D 触发器.................................................................................... 7. ..5 实际应用中竞争冒险的敏感度问题.................................................................................... 7. .6 总结 (7)致谢 (8)参考文献 (8)组合逻辑电路中的竞争冒险网络工程专业学生郭翔指导教师吴俊华摘要：在组合逻辑电路中，当输入信号改变状态时，输出端可能出现由于竞争冒险而产生的干扰脉冲信号，如果负载是对干扰脉冲信号十分敏感的电路，有可能引起电路的误动作，因此应该采取措施消除竞争冒险。
4.4组合逻辑电路中的竞争与冒险(2011)
1 1 1
1
1
2
3、测试 用示波器测量输出波形，若波形有毛刺，则出现了冒险现象。
三、冒险的消除 1、修改设计 在相切的部位增加K圈，即增加冗余项。
BC A 00 0 1
1 1
01 11 10
1 1 1
修改前： 修改后：Leabharlann F AC AB AC
F AC AB AC＋BC
2、输出端加滤波电容
4.4 组合逻辑电路中的竞争与冒险
一、基本概念 1、竞争 同一信号经过不同的路径到达某一汇合点的 时间有先有后，这种现象称为竞争。 2、冒险 由于竞争导致输出信号发生瞬时错误的现象， 称为冒险。
C
& &
F
&
A
1
B
冒险的产生： 举例：
A
A
F
A
A
F
t pd
冒险的类型： 0型冒险（负向毛刺） 1型冒险（正向毛刺）
F
C
A
B F
R
CL
A
C
B
U0
滤波前： 滤波后：
F
U0
3
3、输出端加选通脉冲信号
C
A B
A
F
B F
E
选通脉冲
F E
实际当中最常用最有效的方法
作业: 4-27，4-30，4-31
4
若出现： F X X
FXX
存在0型冒险 存在1型冒险
当A=1,B=1时： F AC BC＝C C 1 出现了0型冒险
2、卡诺图法 化简时，若存在两个K圈相切，而相切处又未被其它K圈包围，则可能会产生冒险。 例： F AC AB AC
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实验四组合逻辑电路中的竞争冒险现象解析
一实验目的
1学会分析组合逻辑电路中有无竞争冒险现象。
2掌握采用修改逻辑电路设计的方法消除冒险现象。
二实验仪器
（1）双踪示波器
（2）双路直流稳压电源
（3）探测器
三实验原理
四实验步骤
1打开Multisim10电子线路仿真界面，在TTL集成电路器件库中，按电路原理图取出元器件；在仪器库中取出示波器以及方波信号源、探针等。
按实验电路图4—1连接好。
2打开工作开关。
展开示波器操作界面，观察到有关波形后，调整扫描时间、灵敏度等，使示波器A、B通道展示波形适当，并画出有关波形。
打开工作开关后可见探针闪亮。
打开示波器调整扫描时间和灵敏度等观察到波形如图A：
调整示波器的时间尺度，得出图B：
3根据波形，分析出现的问题及其原因。
电路原理图函数表达式F= C A AB +。
图A 、B 的实验电路为B 、C 接高电平5V ，即B=C=1，此时F= A A +，输出为0,，然而由图A 可知电路存在“1”态冒险，即电路存在竞争冒险。
图B 为将图A 放大后的图像，可知输出端滞后于输入端。
4采用增加冗余项的方法消除上述电路中竞争冒险现象。
画出修改后电路，并进行验证。
增加冗余项修改后的电路图（a ）：
修改后输入输出波形图（b ）：
原来表达式F= C A AB +增加冗余项后得F= BC C A AB ++=F= C A AB +*BC ，则电路图如上图（a ），其输入输出图像如图（b ），由图（b ）可知，增加冗余项后，输出图像为一直线，即增加冗余项的方法已消除竞争冒险现象。
5用示波器观察电路修改后工作时的输出波形，将电路修改前后波形比较分析。
消除互补相乘项修改后的电路图（c ）：
修改后输入输出波形图（d ）：
6、用示波器观察电路修改后工作时的输出波形，将电路修改前后波形比较分析。
分析：由于原来的函数表达式F= C A AB +=C B B A C A A A +++消除互补相乘项A A 后得到F=C B B A C A ++，此时无论A 这怎么修改，输出结果总为1,。
画出电路图（c ），得到输入输出图像（d ），输出图像为一直线可知竞争冒险已消除。
五、分析思考
1组合逻辑电路中产生竞争与冒险现象的原因是什么?
产生竞争冒险的原因：①各个信号延迟时间的差异；②信号变化的互补性，如本实验中F= C A AB +=C B B A C A A A +++中的A A 即为互补项；③信号的传输途径不同以及元器件的选择。
2如何判别组合逻辑电路中存在竞争冒险现象?又如何消除?
判断方法：逻辑代数法，卡诺图法，直接观察输出波形是否出现毛刺。
消除方法：增加冗余项，消去互补相乘项，输出端并联电容器滤波。
3 分析以下电路是否存在竞争冒险，如果存在，采用2种方法消除，画出具体的修改后电路图，并采用Multisim 仿真波形。
将A 接Vcc+5V ，B 接方波信号源，仿真得出其输出波形如图C ，由图像可知存在毛刺，且为“0”态冒险，即存在竞争冒险。
图C
原图表达式F= B B AB AB A AB ****+=AB B A ++
消除竞争冒险：
方法一：消除互补相乘项 F = B B AB AB A AB ****+ = B B A B A AB **+ = B B A B A AB ++* = B A +
画出修改后的电路图D ：
图D
输入输出波形如图E：输出波形为一直线，说明竞争冒险已消除。
图E
方法二：
接入D触发器：D触发器是受时钟脉冲控制的，如果竞争冒险信号恰好避开了时钟脉冲的作用时刻，则不会对组合逻辑电路造成危害，所以接入D触发器可以消除竞争冒险。
接
入D触发器后的电路图如图（d），D触发器选用74LS74N。
图（d）
得到的输入输出波形如图（e）：输出波形为一直线，说明竞争冒险已消除。