组合逻辑电路中竞争冒险的仿真分析

2011-01-11朱宏文

苏州市职业大学学报 2011年4期

朱宏文

(海南软件职业技术学院电子工程系，海南琼海 571400)

在组合逻辑电路的分析设计中，经常将高低电平的变化看做理想化.由于半导体元件都有开关时间，所以当信号经过逻辑门电路时会产生一定的延迟.如果门电路的两个输入信号同时向相反的方向发生跳变（称之为竞争），可能使输出端产生干扰信号，即出现竞争冒险，这是数字逻辑电路应尽力克服的问题.一个逻辑电路是否存在冒险，常用代数判断法、几何判断法和表格判断法来确定，这几种方法虽然提供了检查各种电路竞争冒险的途径，但往往还需要经过实验的方法检验，才能最终确定电路是否存在竞争冒险现象.因此，只有实验检查的结果才能得出最终的结论，但是真正的实验观察法所需实验设备较多，操作相对比较繁琐，若以Multism为平台，则可方便、灵活地进行虚拟仿真实验，更好地检测到冒险竞争现象.同时，也有利于教师进行形象生动的课堂教学活动，帮助学生将理论与实际联系起来.

1 理论分析判断

2 建立仿真电路

2.1 确定输入信号

在仿真时需向逻辑电路输入端C提供变化的信号.这里变化信号由Multisim10软件中的虚拟信号发生器提供.打开信号发生器属性框(如图1所示)，选择方波信号，设置频率为1 MHz，幅值为5 V.

图1 信号发生器面板图

2.2 建立仿真电路

Multisim10软件的元件库中有大量的逻辑门可供选择，这里选择74HC_6V系列逻辑门和misc digtl库中的元件[3]，为了能够对电路的多个信号同时进行观察比较，这里选择4通道的虚拟示波器，分别画出以A为研究对象的仿真电路模型和以C为研究对象的仿真电路模型，分别如图2和图3所示.以A为研究对象的仿真电路模型中，示波器的A通道用来观察输入信号，B通道用来观察传输门G2的输出，C通道用来观察传输门G3的输出，D通道用来观察传输门G4的输出.以C为研究对象的仿真电路模型中，示波器的A通道用来观察输入信号，B通道用来观察传输门G2的输出，C通道用来观察传输门G3的输出，D通道用来观察传输门G4A的输出.

图2 以A为研究对象的仿真电路

图3 以C为研究对象的仿真电路

3 仿真实验

基于输入信号的频率为1 MHz，设置仿真时间为100 ns，这样观察2个周期就可以了.运行仿真，完成后打开示波器，以A为研究对象的仿真电路的仿真结果如图4所示.

示波器窗口界面中，自上而下依次为A端输入信号、传输门G2输出信号、传输门G3输出信号、传输门G4输出信号.当A端输入信号由高电平突变为低电平时，传输门G2由于传输延迟的存在，其输出信号由高到低的变化相比输入信号的变化时刻出现了延迟.传输门G3的输出同样也出现了延迟，而且从输入端到G3的输出经过了U2A、G3两个逻辑门，因此G3输出信号的延迟比G2输出信号的延迟更大，这就是传输路径的不同导致了延迟的不同.由以上分析可知，由于G2输出信号由高到低的变化和G3输出信号由低到高的变化不是同时发生的，存在时间差，出现了竞争，经过逻辑门G4后导致了低电平冒险脉冲的出现，该脉冲的输出也存在延迟.从图4中可以较为清楚地观察到竞争冒险的发生.

以C为研究对象的仿真电路的仿真结果如图5所示，示波器窗口界面中，自上而下依次为C端输入信号、传输门G2输出信号、传输门G3输出信号、传输门G4输出信号.当C端输入信号由高电平突变为低电平时，传输门G2由于传输延迟的存在，其输出信号由高到低的变化相比输入信号的变化时刻出现了延迟.但G3输出信号为零，不存在竞争的条件，逻辑门G4的输出信号应与G2信号相同，但由于G4也存在延迟，所以G4信号比G2信号滞后.