基于Multisim的組合邏輯電路競爭-冒險現象分析與消除

丁淑妍 李世寶 劉建航

關鍵詞 Multisim 組合邏輯電路 競爭-冒險

中圖分類號：TP301.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.09.016

Keywords Multisim; combinational logic circuits; competition-risk

1 背景

組合邏輯電路是數字邏輯電路的一種，由基本門電路構成。理想情況下，只要按照給定問題建立數學模型，定義合適的輸入/輸出邏輯變量，明確邏輯關系，即可以利用門電路設計一個符合要求的組合邏輯電路。但是在實際電路設計過程中，由于存在競爭-冒險現象而導致輸入和輸出在某些時刻或中間環節的某些邏輯門輸出不滿足邏輯函數表達式，最終將使得整個電路輸出端信號出現差錯。Multisim仿真軟件可以虛擬電子元器件及儀器儀表，進行原理圖設計和電路測試，而且界面友好、功能強大、易學易用。本文基于Multisim14分析組合邏輯電路競爭-冒險現象產生的原因，并根據實際情況設計競爭-冒險消除電路，從而提高整個電路的可靠性。

2 組合邏輯電路競爭-冒險現象的成因

2.1 競爭-冒險現象

在理想情況下，設計一個組合邏輯電路僅考慮了理論上輸入和輸出的邏輯關系，而忽略了以下兩個方面的問題：一方面，信號通過導線和門電路時存在時延。因此對于同一個門的多個輸入信號，由于它們在此之前通過的門數不同，經過不同長度導線的傳輸，因此可能會產生不同的時間延遲，即各輸入端之間有時間延遲差;另一方面，當輸入端信號從“0”變為“1”或者從“1”變為“0”時，會有一定的上升時間或下降時間。這兩種現象就稱為組合邏輯電路的競爭。而由于競爭，導致輸出端邏輯關系在某些時刻發生錯誤，出現不該有的尖峰脈沖，稱為冒險現象。

2.2 Multisim仿真

組合邏輯函數Y=AB+A’C，當B=C=1時可化簡為Y=A+A’，這種情況下產生競爭-冒險現象的仿真示意圖如圖1所示。其中，輸入信號A頻率為1MHz，占空比為50%，上升和下降時延均設為10ns。

圖1（b）中從上到下的四個信號波形依次對應圖1（a）中四通道示波器的A、B、C、D四路信號。根據組合邏輯關系表達式可知，當B=C=1時輸出應該為1，但是從實際輸出波形可以看出，在某些時刻會出現極短的負脈沖，而這些負脈沖出現在A從高電平跳變為低電平同時A’從低電平跳變為高電平的時刻，也就是當或門的兩個輸入端同時發生電平跳變時，由于存在延遲差，所以出現了兩個與門的輸出信號在該時刻部分和相應邏輯關系，導致輸出結果出現錯誤，即產生競爭-冒險現象。

3 組合邏輯電路競爭-冒險現象的消除

有競爭不一定會產生冒險，但是出現冒險現象一定會有競爭。在設計組合邏輯電路時，需要設法消除競爭，從而保證輸入和輸出邏輯關系的準確性。常用的消除方法有修改邏輯設計和引入濾波電容。

3.1 修改邏輯設計法

利用修改邏輯設計法消除競爭-冒險現象，通常是在邏輯表達式中增加冗余項，保證輸入和輸出邏輯關系不變的情況下消除電路輸出端的窄脈沖。如在上例中，可以將組合邏輯函數修改為Y=AB+A’C+BC，那么當B=C=1時，無論A發生怎樣的跳變，輸出將始終為1。

這種方法需要在電路中用更多的邏輯門，如本例中需要增加一個與門，用來實現與項BC;另外需要增加一個或門，將BC項引入。但是該方法原理比較簡單，邏輯函數清晰易理解，所以不在此進行仿真示意。

一般情況下，由于競爭-冒險現象產生的尖峰脈沖很窄，可以在輸出端并聯濾波電容，從而消除該尖峰脈沖，如圖2所示。

圖2（a）在或門輸出端并聯了一個濾波電容，圖2（b）從上到下四個波形依次對應圖2（a）中四通道示波器的A、B、C、D通道，從波形圖可以看出，通過引入濾波電容，可以消除尖峰脈沖，即消除競爭-冒險現象。

該方法需要增加一個電阻和電容元件，但是不需要改變邏輯函數和電路的邏輯結構，也就是不需要增加額外的邏輯門電路，保持了各邏輯變量原有的邏輯關系。

4 結束語

競爭-冒險現象是組合邏輯電路中信號的延遲和跳變產生的，利用Multisim仿真軟件可以清晰地判斷競爭-冒險現象產生的時刻。本文搭建了原電路仿真圖和兩種消除電路，通過觀察各門電路的輸出波形，直觀地展示了競爭-冒險現象產生的原因，并驗證了修改邏輯設計和引入濾波電容兩種方法均可以較好地消除競爭冒險現象。

參考文獻

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