基于Multisim的组合逻辑电路竞争-冒险现象分析与消除

2019-09-10丁淑妍李世宝刘建航

科教导刊 2019年25期

关键词：冒险竞争

丁淑妍李世宝刘建航

关键词 Multisim 组合逻辑电路竞争-冒险

中图分类号：TP301.1 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.09.016

Keywords Multisim; combinational logic circuits; competition-risk

1 背景

组合逻辑电路是数字逻辑电路的一种，由基本门电路构成。理想情况下，只要按照给定问题建立数学模型，定义合适的输入/输出逻辑变量，明确逻辑关系，即可以利用门电路设计一个符合要求的组合逻辑电路。但是在实际电路设计过程中，由于存在竞争-冒险现象而导致输入和输出在某些时刻或中间环节的某些逻辑门输出不满足逻辑函数表达式，最终将使得整个电路输出端信号出现差错。Multisim仿真软件可以虚拟电子元器件及仪器仪表，进行原理图设计和电路测试，而且界面友好、功能强大、易学易用。本文基于Multisim14分析组合逻辑电路竞争-冒险现象产生的原因，并根据实际情况设计竞争-冒险消除电路，从而提高整个电路的可靠性。

2 组合逻辑电路竞争-冒险现象的成因

2.1 竞争-冒险现象

在理想情况下，设计一个组合逻辑电路仅考虑了理论上输入和输出的逻辑关系，而忽略了以下两个方面的问题：一方面，信号通过导线和门电路时存在时延。因此对于同一个门的多个输入信号，由于它们在此之前通过的门数不同，经过不同长度导线的传输，因此可能会产生不同的时间延迟，即各输入端之间有时间延迟差;另一方面，当输入端信号从“0”变为“1”或者从“1”变为“0”时，会有一定的上升时间或下降时间。这两种现象就称为组合逻辑电路的竞争。而由于竞争，导致输出端逻辑关系在某些时刻发生错误，出现不该有的尖峰脉冲，称为冒险现象。

2.2 Multisim仿真

组合逻辑函数Y=AB+A’C，当B=C=1时可化简为Y=A+A’，这种情况下产生竞争-冒险现象的仿真示意图如图1所示。其中，输入信号A频率为1MHz，占空比为50%，上升和下降时延均设为10ns。

图1（b）中从上到下的四个信号波形依次对应图1（a）中四通道示波器的A、B、C、D四路信号。根据组合逻辑关系表达式可知，当B=C=1时输出应该为1，但是从实际输出波形可以看出，在某些时刻会出现极短的负脉冲，而这些负脉冲出现在A从高电平跳变为低电平同时A’从低电平跳变为高电平的时刻，也就是当或门的两个输入端同时发生电平跳变时，由于存在延迟差，所以出现了两个与门的输出信号在该时刻部分和相应逻辑关系，导致输出结果出现错误，即产生竞争-冒险现象。

3 组合逻辑电路竞争-冒险现象的消除

有竞争不一定会产生冒险，但是出现冒险现象一定会有竞争。在设计组合逻辑电路时，需要设法消除竞争，从而保证输入和输出逻辑关系的准确性。常用的消除方法有修改逻辑设计和引入滤波电容。

3.1 修改逻辑设计法

利用修改逻辑设计法消除竞争-冒险现象，通常是在逻辑表达式中增加冗余项，保证输入和输出逻辑关系不变的情况下消除电路輸出端的窄脉冲。如在上例中，可以将组合逻辑函数修改为Y=AB+A’C+BC，那么当B=C=1时，无论A发生怎样的跳变，输出将始终为1。

这种方法需要在电路中用更多的逻辑门，如本例中需要增加一个与门，用来实现与项BC;另外需要增加一个或门，将BC项引入。但是该方法原理比较简单，逻辑函数清晰易理解，所以不在此进行仿真示意。

一般情况下，由于竞争-冒险现象产生的尖峰脉冲很窄，可以在输出端并联滤波电容，从而消除该尖峰脉冲，如图2所示。

图2（a）在或门输出端并联了一个滤波电容，图2（b）从上到下四个波形依次对应图2（a）中四通道示波器的A、B、C、D通道，从波形图可以看出，通过引入滤波电容，可以消除尖峰脉冲，即消除竞争-冒险现象。

该方法需要增加一个电阻和电容元件，但是不需要改变逻辑函数和电路的逻辑结构，也就是不需要增加额外的逻辑门电路，保持了各逻辑变量原有的逻辑关系。

4 结束语

竞争-冒险现象是组合逻辑电路中信号的延迟和跳变产生的，利用Multisim仿真软件可以清晰地判断竞争-冒险现象产生的时刻。本文搭建了原电路仿真图和两种消除电路，通过观察各门电路的输出波形，直观地展示了竞争-冒险现象产生的原因，并验证了修改逻辑设计和引入滤波电容两种方法均可以较好地消除竞争冒险现象。

参考文献

[1] 阎石.数字电子技术基础（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2016.