數(shù)據(jù)選擇器競爭冒險及其處理的仿真分析

張學(xué)文,司佑全

(湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石　435002)

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數(shù)據(jù)選擇器競爭冒險及其處理的仿真分析

張學(xué)文,司佑全

(湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石435002)

摘要：文獻(xiàn)一般都是針對SSI小規(guī)模組合電路競爭冒險進(jìn)行分析，實際上MSI中規(guī)模組合電路也會出現(xiàn)競爭冒險現(xiàn)象。司佑全，張學(xué)文在譯碼器競爭冒險及其處理的仿真分析(湖北師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015年第4期)分析了譯碼器競爭冒險，現(xiàn)以74LS151和74LS153組成函數(shù)發(fā)生器為例，利用卡諾圖和Multisim仿真軟件來分析數(shù)據(jù)選擇器的競爭冒險，得到數(shù)據(jù)選擇器變量數(shù)等于地址端數(shù)時，不存在競爭冒險；變量數(shù)大于數(shù)據(jù)選擇器地址端數(shù)，當(dāng)不需要擴展外部電路時也不存在競爭冒險；當(dāng)需要擴展外部電路實現(xiàn)所得函數(shù)，卡諾圖中存在相切的卡諾圈時可能會出現(xiàn)競爭冒險。利用數(shù)據(jù)選擇器和譯碼器進(jìn)行一定的組合再結(jié)合相關(guān)門電路就能實現(xiàn)多變量邏輯函數(shù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)選擇器；卡諾圖；競爭冒險；虛擬仿真

組合電路的冒險是由于變量的競爭引起的。組合電路中，輸入信號可以通過不同的路徑到達(dá)輸出端，由于組合電路中的各個門都有一個傳輸延遲時間，而各個門延遲時間不會相同，因此輸入信號經(jīng)過不同路徑到達(dá)輸出端有先有后；當(dāng)2個或2個以上輸入變量同時變化時，其變化的快慢也不會相同。上述這些現(xiàn)象都稱為變量的競爭。冒險是指數(shù)字電路中某個瞬間出現(xiàn)了非預(yù)期信號的現(xiàn)象，即出現(xiàn)了違背真值表所規(guī)定的邏輯電平的現(xiàn)象。

冒險分為邏輯冒險和功能冒險。邏輯冒險是由于輸入信號經(jīng)過的路徑不同而引起的冒險，而功能冒險是當(dāng)多個輸入信號同時變化的瞬間，由于變化的快慢不同而引起的冒險。

文獻(xiàn)一般都是針對SSI小規(guī)模組合電路競爭冒險進(jìn)行分析，實際上MSI中規(guī)模組合電路也會出現(xiàn)競爭冒險現(xiàn)象。文[1]分析了譯碼器競爭冒險[1]，對于數(shù)據(jù)選擇器鮮有文獻(xiàn)進(jìn)行分析。本文以74LS151和74LS153組成函數(shù)發(fā)生器為例，利用卡諾圖和Multisim仿真軟件來分析數(shù)據(jù)選擇器的競爭冒險。

Multisim 軟件是一款應(yīng)用較廣，功能強大的電子電路設(shè)計開發(fā)與仿真軟件[3], 用虛擬儀器中的字組產(chǎn)生器做信號源產(chǎn)生所需的各個數(shù)據(jù)輸入變量信號，用四蹤示波器顯示輸入變量信號、輸出函數(shù)信號波形，可直觀描述數(shù)據(jù)選擇器的工作過程及數(shù)據(jù)選擇關(guān)系[4]。卡諾圖在MSI邏輯電路的設(shè)計中有很好的應(yīng)用[5～7]。下面利用Multisim仿真軟件和卡諾圖對這3種情況進(jìn)行具體分析。

1.1利用74LS151八選一數(shù)據(jù)選擇器來實現(xiàn)

圖1　八選一數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)電路及波形

1.2利用74LS153四選一數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)端擴展實現(xiàn)

1.2.1數(shù)據(jù)端擴展作為低位地址端

圖2　四選一數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)端擴展作為低位地址端的電路及波形

圖3　數(shù)據(jù)端擴展作為低位地址端組成函數(shù)發(fā)生器的卡諾圖

從111變?yōu)?10時， 是不變的變量且始終為1，在卡諾圖中圈乘積項為B的卡諾圈，圈中有0也有1如圖3所示。當(dāng) 由111→010時，出現(xiàn)了0型功能冒險,仿真結(jié)果與卡諾圖分析一致。

圖4　四選一數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)端擴展作為高位地址端的電路及波形

由對應(yīng)關(guān)系可知，實現(xiàn)所需函數(shù)不需要外接電路，只需將數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)端按照所要完成的函數(shù)關(guān)系接高位地址端或者高、低電平，此時不存在競爭冒險。經(jīng)分析數(shù)據(jù)選擇器內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對數(shù)據(jù)端進(jìn)行擴展且引入一個邏輯門時，即有0型功能冒險存在的可能。

1.3利用74LS153四選一數(shù)據(jù)選擇器使能端擴展為地址端來構(gòu)成八選一數(shù)據(jù)選擇器

將74LS153雙四選一數(shù)據(jù)選擇器的兩個使能端通過非門連接，分開使用，使能端作為高位地址端C，74LS153雙四選一數(shù)據(jù)選擇器兩個地址端A1接變量端B，A0接變量端A，兩個輸出端通過或門連接， 就構(gòu)成了八選一數(shù)據(jù)選擇器。其卡諾圖與圖3 類同。

當(dāng)CBA從010變?yōu)?11時，出現(xiàn)了0型功能冒險,仿真結(jié)果圖5與卡諾圖分析一致[2]。

圖5　四選一數(shù)據(jù)選擇器使能端擴展作為地址端的電路及波形

2數(shù)據(jù)選擇器競爭冒險現(xiàn)象的消除

SSI小規(guī)模組合電路競爭冒險可以通過修改邏輯設(shè)計的方法，發(fā)現(xiàn)并消掉互補變量，增加冗余乘積項的方法，而對于利用中規(guī)模集成電路譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器，就不能使用這一方法[4]。我們可以采用參考文[1]的方法來消除競爭冒險現(xiàn)象。

2.1在使能端加入選通脈沖信號

用MSI組合電路實現(xiàn)某一個函數(shù)時若出現(xiàn)冒險現(xiàn)象，可以在使能端加入脈沖信號，從而避免冒險現(xiàn)象[2]。加選通信號避開毛刺是一種常用的方法。毛刺僅發(fā)生在輸入信號變化的瞬間，因此在這段時間將輸出門封住，待電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，再加選通脈沖選取輸出結(jié)果，該方法簡單易行，但選通信號的作用時間和極性等一定要合適。對于MSI電路，常利用使能端起到選通的作用[2]。圖2所示電路數(shù)據(jù)端擴展作為低位地址端，將使能端的低電平改為接脈沖電平可以有效避免冒險現(xiàn)象。

2.2在輸出端加RC延時

由于競爭冒險所引起的是尖峰脈沖，脈寬很窄，因此，可以在門電路的輸出端加一個慣性延時環(huán)節(jié)，通常是RC濾波器，來消除尖峰脈沖。使用此方法時要適當(dāng)選擇時間常數(shù)(t=RC)，要求t足夠大，以便“削平”尖脈沖；但又不能太大，以便使正常的輸出發(fā)生畸變。圖5所示電路使能端擴展作為高位地址端，2個四選一數(shù)據(jù)選擇器的輸出端通過或門連接輸出所要實現(xiàn)的函數(shù)。在或門的輸出端接入RC延時電路，可以有效避免冒險現(xiàn)象。

2.3加D觸發(fā)器消除競爭冒險

加D觸發(fā)器消除競爭冒險，D觸發(fā)器的加入可以使電路的輸出信號延遲一個時鐘周期，從而消除競爭冒險現(xiàn)象。圖5所示電路在輸出端接入D觸發(fā)器可以有效避免冒險現(xiàn)象[1]。

3 數(shù)據(jù)選擇器和譯碼器組成多變量邏輯函數(shù)競爭冒險及消除

圖6　F(A,B,C,D)=∑m(3,4,6,7,8,9,11,12,13,14,15)

圖7　四變量函數(shù)電路及波形

從圖7中可以看出，ABCD的變化從0110→0111，1000→1001，1001→1010，1100→1101，1110→1111，存在0型冒險。

將譯碼器74LS139和74LS數(shù)據(jù)選擇器74LS153的使能端接在一起加入一個1kHz的負(fù)脈沖得到輸入輸出波形如圖8所示。

圖8　四變量函數(shù)冒險消除輸入輸出波形

4總結(jié)

數(shù)據(jù)選擇器所要實現(xiàn)的函數(shù)變量數(shù)等于地址端數(shù)時，不存在競爭冒險；變量數(shù)大于數(shù)據(jù)選擇器地址端數(shù)，當(dāng)不需要擴展外部電路時也不存在競爭冒險；當(dāng)需要擴展外部電路實現(xiàn)所得函數(shù)，卡諾圖中存在相切的卡諾圈時可能會出現(xiàn)競爭冒險，文[1]消除譯碼器競爭冒險的方法：在使能端加入選通脈沖信號；在輸出端加RC延時；加D觸發(fā)器消除競爭冒險同樣適用于數(shù)據(jù)選擇器。

參考文獻(xiàn)：

[1]司佑全，張學(xué)文.譯碼器競爭冒險及其處理的仿真分析[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，(4)：25～28.

[2]張順興，黃麗亞，楊恒新.數(shù)字電路與系統(tǒng)設(shè)計[M].南京：東南大學(xué)出版社：87,98～104.

[3]程秀英， 侯衛(wèi)周.基于NI Multisim 10．1數(shù)字邏輯選擇器的虛擬仿真[M].實驗科學(xué)與技術(shù),2015,(3):10～13,26.

[4]馬敬敏.用Multisim仿真分析數(shù)據(jù)選擇器的工作過程[M].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(19):186～190.

[5]邢德勝.卡諾圖在邏輯函數(shù)變換與MSI邏輯電路設(shè)計中的應(yīng)用[J].集寧師專學(xué)報，2007,29(4)：46～49.

[6]王芳.基于數(shù)字電路中卡諾圖的應(yīng)用研究[M].山西電子技術(shù),2008.6:22～24.

[7]栗紅霞， 李姿景.卡諾圖在中規(guī)模集成電路中的應(yīng)用[M].科技信息，2010,02(23)：108～109.

[8]包瑞剛， 侯淑英.利用譯碼與數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)法[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006,25(z1)：209～210.

[9]單崳瓊， 單長吉.雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74 HC153的級聯(lián)分析及研究[M].大學(xué)物理實驗，2015(2)：44～48.

[10]楊方.基于譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行組合邏輯電路設(shè)計[J].喀什師范學(xué)院學(xué)報, 2012,33(3):51～52.

[11]吳瑞坤.數(shù)字邏輯電路與競爭冒險[J].寧德師專學(xué)報(自然科學(xué)版)，1999,4：258～2260.

[12]司佑全，張學(xué)文.計數(shù)器競爭冒險及其處理的仿真分析[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，1：25～28.

[13]張學(xué)文，司佑全.基于Muhisim8數(shù)字電路實驗的幾個使用技巧[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012,(4)：75～78.

[14]胡偉.組合邏輯電路中競爭冒險的虛擬仿真實驗設(shè)計[J].湖南第一師范學(xué)院學(xué)報，2010,10(5)：152～156.

[15]邵平，周善東.競爭冒險檢查和消除的仿真實例分析[J].海南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005,23(2)：172～174.

[16]趙霞.數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)的方法研究[J].電子制作，2014,(11)：62～63.

The simulation analysis of multiplexer competition adventure and its processing

ZHANG Xue-wen,SI You-quan

(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 74LS151 and 74LS153 as function generator, by use of the Karnaugh maps and Multisim simulation software, the authors perform analysis on the multiplexer of competition adventure and obtain the results that if the multiplexer variable equal to the number of address terminals, there is no competition adventure; while the number of variables is greater than the number of multiplexer addresses end and the external circuit dose not need to be extended, there exist some competition adventure. If some external circuit needs to be extended to come into being the function and there is a tangent Karnaugh map, the competition adventure may occur. By combinations of the multiplexer and decoder combined with certain door closing circuit, the multivariable logic function can be realized. The method of [1]to eliminate competition adventure decoder is also suitable for multiplexer.

Keywords：multiplexer； karnaugh map；competition adventure；virtual simulation

doi:10.3969/j.issn.1009-2714.2016.01.006

中圖分類號：TP302．2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-2714(2016)01- 0028- 06

作者簡介：張學(xué)文(1965—)，女，湖北黃岡人，高級實驗師.

基金項目：湖北師范學(xué)院校級教研項目JH201129,ZD201121

收稿日期：2015—09—21