数字电路中竞争冒险现象的分析与研究
摘要:竞争冒险是数字电路中特有的现象,该现象主要于器件的延时造成的。在对组合逻辑电路进行设计时,人们通常会忽视这个问题,导致逻辑上准确无误,实际调试时却得到了错误结果的现象。本文在对竞争冒险产生的原因、判断方法分析的基础上,辩证的提出了不同情况下消除竞争冒险的可行方法,并总结了实际应用中的竞争冒险的敏感度问题。
关键词:竞争冒险尖峰脉冲卡诺图
信号经过逻辑门电路都需要一定的时间,由于各个门电路延迟时间的差异,或者不同路径上门电路的级数不同,因此,信号从不同的路径、经过不同的门电路到达输出端时,电路在输入信号变化的瞬间,可能与稳态下的逻辑功能不一致,输出端出现一些不正确的尖峰脉冲(毛刺)。当一个逻辑门的两个输入端信号同时向相反方向变化,而变化的时间有差异的现象,称为竞争,由竞争产生出干扰脉冲的现象称为冒险。如果说电路中存在竞争冒险,并不等于一定有干扰脉冲产生,在设计时,既不可能知道传输路径和门电路传输时间的准确数值,也无法知道各个波形上升时间和下降时间的微小差异,只能说有产生干扰脉冲的可能性,这就是冒险一词的具体含义。
1 竞争冒险的判断
数字电路笔试汇总 2、什么是同步逻辑和异步逻辑？（汉王笔试） 同步逻辑是时钟之间有固定的因果关系。异步逻辑是各时钟之间没有固定的因果关系。 電路設計可分類為同步電路和非同步電路設計。同步電路利用時鐘脈衝使其子系統同步運作，而非同 步電路不使用時鐘脈衝做同步，其子系統是使用特殊的“開始”和“完成”信號使之同步。由於非同步電 路具有下列優點--無時鐘歪斜問題、低電源消耗、平均效能而非最差效能、模組性、可組合和可複用性-- 因此近年來對非同步電路研究增加快速，論文發表數以倍增，而Intel Pentium 4處理器設計，也開始採用 非同步電路設計。 异步电路主要是组合逻辑电路，用于产生地址译码器、ＦＩＦＯ或ＲＡＭ的读写控制信号脉冲，其逻 辑输出与任何时钟信号都没有关系，译码输出产生的毛刺通常是可以监控的。同步电路是由时序电路(寄存 器和各种触发器)和组合逻辑电路构成的电路，其所有操作都是在严格的时钟控制下完成的。这些时序电路 共享同一个时钟ＣＬＫ，而所有的状态变化都是在时钟的上升沿(或下降沿)完成的。 3、什么是"线与"逻辑，要实现它，在硬件特性上有什么具体要求？（汉王笔试） 线与逻辑是两个输出信号相连可以实现与的功能。在硬件上，要用oc门来实现（漏极或者集电极开路），由于不用oc门可能使灌电流过大，而烧坏逻辑门，同时在输出端口应加一个上拉电阻。（线或则是下拉电阻） 4、什么是Setup 和Holdup时间？（汉王笔试） 解释setup和hold time violation，画图说明，并说明解决办法。（威盛VIA 2003.11.06 上海笔试试题） Setup/hold time 是测试芯片对输入信号和时钟信号之间的时间要求。建立时间是指触发器的时钟信 号上升沿到来以前，数据稳定不变的时间。输入信号应提前时钟上升沿（如上升沿有效）T时间到达芯片，这个T就是建立时间-Setup time.如不满足setup time,这个数据就不能被这一时钟打入触发器，只有在下 一个时钟上升沿，数据才能被打入触发器。保持时间是指触发器的时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不 变的时间。如果hold time不够，数据同样不能被打入触发器。 建立时间(Setup Time)和保持时间（Hold time）。建立时间是指在时钟边沿前，数据信号需要保持不 变的时间。保持时间是指时钟跳变边沿后数据信号需要保持不变的时间。如果不满足建立和保持时间的话，那么DFF将不能正确地采样到数据，将会出现
组合逻辑电路中的竞争与冒险 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, 使信号从输入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。 竞争:在组合逻辑电路中, 某个输入变量通过两条或两条以上途径传到输出门的输入端, 由于每条途径的延迟时间不同帮到达输出门的时间就有先有后, 这种现象称为竞争。 冒险:是指数字电路中, 某个瞬间出现了非预期信号的现象, 即某一瞬间数字电路出现了违背真值表所规定的逻辑电平。这样就出现了不该出现的尖脉冲, 一、 竞争冒险的概念及其产生的原因 以图示电路为例可看出, 大多数组合电路都存在竞争, 但所有竞争不一定都产生错误的干扰脉冲。竞争是产生冒险的必然条件, 而冒险并非竞争的必然结果。由以上分析可知, 只要两个互补的信号送入同一门电路, 就可能出现竞争冒险。因此把冒险现象分为两种: 1. “ 0”型冒险
A A +冒险在理想情况下输出电平为“ 1” , 由于竞争输出产生低电平窄脉冲。 A A ?冒险在理想情况下输出电平为“ 0” ,由于竞争输出产生高电平窄脉冲。 二、竞争冒险的判断方法 判断竞争冒险是否存在的方法很多,最常见的方法有: 1.代数法 在逻辑函数表达式中, 是否存在某变量的原变量和反变量。若去掉其他变量得到 A A Y +=,电路有可能产生“ 0”冒险;若得到 A A Y ?=,则可能产生“ 1” 冒险。 2.卡诺图法 画出逻辑函数的卡诺图, 当卡诺图中两个合并最小项圈相切, 即两个合并最小项圈相邻—有相邻项, 各合并最小项圈各自独立—不相交时, 这个逻辑函数有可能出现冒险现象。 三、消除竞争冒险的方法 1.修改逻辑设计 (1代数法 ①逻辑变换消去互补量 ((C A B A Y ++=当 B =C=0时, A A Y ?=, 存在竞争冒险。若将逻辑函数表达式进行逻辑变换,则 BC B A AC Y ++=,这时消去了 A A ?互补量,从而不会产生竞争冒险。②增加乘积项 C A AB Y +=当 B=C=1时, A A Y +=,存在竞争冒险。若增加乘积项 BC , 则 BC C A AB Y ++=,消除了竞争冒险。 (2卡诺图法 将卡诺图中相切的圈用一个多余的圈连接起来,即可消除冒险现象。
31仿真与测试竞争冒 险现象
项目三组合逻辑电路 任务一仿真与测试竞争冒险现象 【学习目标】 1．掌握组合逻辑电路的分析方法； 2．掌握组合逻辑电路的简单设计方法； 3．掌握组合逻辑电路的竞争冒险及消除方法。 【任务引入】 按照逻辑功能不同，数字电路常分两大类：一类组合逻辑电路（简称组合电路）；另一类时序逻辑电路（简称时序电路）。如果一个逻辑电路在任何时刻的输出状态只取决于该时刻的输入状态，与电路原来状态无关，这样的电路称为组合逻辑电路。本节课内容我们学习组合逻辑电路的分析与设计方法，了解并掌握组合逻辑电路中的竞争冒险现象及其消除方法。 【基本理论】 一、组合逻辑电路概述 1.组合逻辑电路在电路结构上的特点： （1）构成电路基本元件是门电路，不含记忆单元（存储元件）； （2）只有从输入到输出通路，没有从输出反馈到输入回路。 2.组合电路逻辑功能的描述 描述组合电路逻辑功能的方法有逻辑函数式、真值表、逻辑图、工作波形图、卡诺图等几种。 3-1-1 组合逻辑电路的框图 组合逻辑电路n个输入端，用x1，x2，…，xn表输入变量； 有m个输出端，用y1，y2，…，ym表示输出变量，输出变量与输入变量间逻辑关系： y1 =f1(x1，x2，…，xn) y2 =f2(x1，x2，…，xn) … ym =fm(x1，x2，…，xn) 二、组合逻辑电路的分析与设计 1.组合逻辑电路的分析 步骤如下： （1）用逐级递推法写出输出逻辑函数与输入逻辑变量之间的关系； （2）用公式法或者卡诺图法化简，写出最简逻辑表达式；
（3）根据最简逻辑函数式列出功能真值表； （4）根据真值表写出逻辑功能说明，以便理解电路的作用。 例3-1-1：分析下图3-1-2三变量组合逻辑电路的功能。 图3-1-2 三变量组合逻辑电路 解： 第一步：写出输出逻辑函数与输入逻辑变量之间的关系，如下： 第二步：化简写出最简逻辑表达式，得：F=AB+BC+CA 第三步：列出功能真值表 第四步：写出逻辑功能说明 当输入A 、B 、C 中有2个或3个为1时，输出Y 为1，否则输出Y 为 0。所以这个电路实际上是一种3人表决用的组合电路：只要有2票或3 票同意，表决就通过。 2.组合逻辑电路的设计 组合逻辑电路的设计是根据给定的实际逻辑功能，找出实现该功能的逻辑电路。步骤如下： （1）根据给出的条件，找出什么是逻辑变量，什么是逻辑函数，用字母设 出，另外用0和1各表示一种状态，找出逻辑函数和逻辑变量之间的 关系； （2）根据逻辑函数和逻辑变量之间的关系列出真值表，并根据真值表写出逻辑表达式； C AB F =1BC F =2CA F =3AC BC AB F F F F 321==
实验题目：组合电路中的竞争和冒险 姓名:班级:学号: 实验时间: 一．实验目的： 1、观察组合电路中的竞争与冒险现象，了解竞争冒险的实验原理 2、了解消除竞争与冒险的方法 二．实验仪器及器件： 1、实验箱、万用表、示波器 2、74LS00，74LS20 三．实验原理： 1、竞争冒险的原理 （1）竞争: 在组合逻辑电路中，某个输入变量通过两条或两条以上的途径传到输出端，由于每条途径延迟时间不同，到达输出门的时间就有先有后，这种现象称为竞争。 （2）冒险：信号在器件内部通过连线和逻辑单元时，都有一定的延时。延时的大小与连线的长短和逻辑单元的数目有关，同时还受器件的制造工艺、工作电压、温度等条件的影响。信号的高低电平转换也需要一定的过渡时间。由于存在这两方面因素，多路信号的电平值发生变化时，在信号变化的瞬间，组合逻辑的输出有先后顺序，并不是同时变化，往往会出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号称为"毛刺"。如果一个组合逻辑电路中有"毛刺"出现，就说明该电路存在冒险。 （3）竞争冒险产生原因：由于延迟时间的存在，当一个输入信号经过多条路径传送后又重新会合到某个门上，由于不同路径上门的级数不同，或者门电路延迟时间的差异，导致到达会合点的时间有先有后，从而产生瞬间的错误输出。 （4）竞争与冒险的关系：有竞争不一定会产生冒险，但有冒险就一定有竞争。 2、冒险现象的判别 Y=A?A’可能出现1型冒险 Y=A+A’可能出现0型冒险 3、消除竞争冒险的方法 （1）利用冗余项法： 利用冗余项消除毛刺有2 种方法：代数法和卡诺图法法: a、代数法，在产生冒险现象的逻辑表达式上，加上冗余项或乘上冗余因子； b、卡诺图法，将卡诺图中相切的圈用一个多余的圈连接起来。 （2）选通法: 在电路中加入选通信号，在输出信号稳定后，选通允许输出，从而产生正确输出。 滤出法: 由于冒险脉冲是一个非常窄的脉冲，可以在输出端接一个几百微法的电容将其滤出掉。 （3）常用消除方法： 1、接入滤波电容Cf； 2、引入选通脉冲； 3、修改逻辑设计； 4、.利用可靠性编码； 5、引入封锁脉冲。
TTL电路及输入A、B、C波形如图所示，写出其输出逻辑表达式，并画输出丫的波形图电路及输入、、波形如图所示，写出输出逻辑表达式，并画出输出丫的波形图。 ---- s H L Y A B C 答案： 解：骗出迸辑表达式匕Y = A^B-C = ABC 输出波 B ------------------ C ---------------------- TTL电路及输入A、B波形如图所示，写出其输出逻辑表达式，并画输出& & >1 r 答案:丫的波形图。 C
解：输出逻辑表达式=Y = + = + C 输出波形图；+ A B C Y 如图所示电路是边沿 D 触发器，要求：（1）写出触发器的次态逻辑表达式； （2）给出CP 和A 的波形如下，画出触发 器的状态波形。设触发器初始状态为 0。 答案: 駆动方程：D = A 次态逻辑表达式’ = 融发器状态波骸（餌丄有效2 译码器74LS138和与非门构成的逻辑电路如图所示。请写出最简的输出逻辑表达式。 答案 : TOYI 囊岳爲 T5TO T7 毘一
解：输出逻辑表达式：F 二乔石?脊石* 化简；a y 二叮歼?热月二托+此+為+岭 =2方F+丄丽+屈C+HEC 二 BC C A ^A ）-^-AC （豆+月）二託*）0 同步十六进制计数器 74LS161构成电路如下图所示。要求：画出电路的状态转换图，说明该电路的逻辑功能。 答案： 解：1 ?电路的状态转换圈狀 Q^QiQiQ^ 0000 T0001 T OQIO T0011 T 0100 — 0101 t 0110 T J noo looo ^OIH （:在状态为1100时?￡D = 0P 置数为00（W ） 2.电路的逻辑功旨上是；十三进制加袪计数器卩 分析如图所示电路，要求：（1）写出输出 Y 的逻辑表达式；（2）由逻辑表达式列写真值表； （3）说明电路功 能。 答案 : Q3 QI QQ CO CTp 74LS151 I D CP D3 D2 DI DD CF 一 E I}
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 竞争冒险现象及产生的原因 (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现象 (4) 3.4.1实验分析 (6) 3.4.2实验总结 (7) 4竞争冒险的消除方法 (7) 4.1增加冗余项法 (7) 4.2消除互补项法 (7) 4.3接入滤波电容 (7) 4.4引入选通脉冲 (8) 4.5引入封锁脉冲 (8) 4.6采用可靠性编码 (8) 4.7输出加D触发器 (8) 5实际应用中竞争冒险的敏感度问题 (8) 6总结 (8) 致谢 10 参考文献 (10)
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。从理论上分析了组合逻辑电路竞争冒险的产生，及其判断和消除的方法，其产生原因包括：门电路开关电平的时间差和门电路延迟时间。竞争冒险可以通过代数法、卡诺图法、仿真法和实验法进行判断，采用引入选通脉冲、引入封锁脉冲、增加冗余项、接入滤波电容等手段以消除竞争冒险。 关键词：组合逻辑电路竞争冒险干扰消除门电路 Competitive Adventure in Assembled Logical Circuit Student Majoring in Network Engineering Guo Xiang Tutor Wu Junhua Abstract: The disturbance pulse caused by competition and adventure may be emerged in the out put terminal of assembled logic circuit when the statement of input signals changes. The misact caused by the disturbance may appear if the load is very sensitive to the pulse. So the measures should be taken to eliminate the competition and adventure. The reasons of competition and adventure in assembled logic circuit are analyzed and the judging and eliminating method are provided in the paper. The interval between on/off levels in a gate circuit and the delay time of gate circuits is resulted in by competitive adventure. Competitive adventure can be detected by a circuit’s logical function, listing the truth table of circuit in sequence and testing the circuit. The methods of exerting gating pulse and blocking pulse, transforming function of a circuit, and adding redundancy product term, parallel connection capacitance at the output terminal, etc are applied to eliminate competitive adventure. Key words: Assembled logic circuit; Competition and adventure; Disturbance eliminating; Gate circuits 1引言 数字电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类，是电子技术的重要组成部分，掌握数字电路的基本知识是设计计算机控制系统的基础。计算机控制系统性能优劣的重要指标是其稳定性、可靠性和抗干扰性，这在很大程度上取决于构成其系统的基本部件的性能。组合逻辑电路中的门电路由于其本身的结构和工作情况，常常会发生竞争冒险现象。因此，在组合逻辑电路的分析和设计中，仅研究输入与输出之间的稳定关系是不够的，还应考虑信号在电路中传输的时延问题，事实上，信号经过任何逻辑门与导线时都会产生时间的延迟，该时间的延迟会使数字系统的操作速度下降，引起电路中波形参数变坏，产生竞争冒险现象，而竞争与冒险现象将会直接影响电路工作的可靠性和稳定性，甚至可能会导致整个数字系统的逻辑紊乱和错误动作。因此在组合逻辑电路中竞争与冒险的判别和消除对于保证电路正常工作具有至关重要的意义[1]。 2 竞争冒险现象及产生的原因 2.1竞争冒险现象
A 卷 一．选择题（18） 1．以下式子中不正确的是（ C ） a ．1A ＝A b ．A ＋A=A c ． B A B A +=+ d ．1＋A ＝1 2．已知B A B B A Y ++=下列结果中正确的是（ ） a ．Y ＝A b ．Y ＝B c ．Y ＝A ＋B d ．B A Y += 3．TTL 反相器输入为低电平时其静态输入电流为（ ） a ．－3mA b ．＋5mA c ．－1mA d ．－7mA 4．下列说法不正确的是（ ） a ．集电极开路的门称为OC 门 b ．三态门输出端有可能出现三种状态（高阻态、高电平、低电平） c ．O C 门输出端直接连接可以实现正逻辑的线或运算 d 利用三态门电路可实现双向传输 5．以下错误的是（ ） a ．数字比较器可以比较数字大小 b ．实现两个一位二进制数相加的电路叫全加器 c ．实现两个一位二进制数和来自低位的进位相加的电路叫全加器 d ．编码器可分为普通全加器和优先编码器 6．下列描述不正确的是（ ） a ．触发器具有两种状态，当Q=1时触发器处于1态 6． A 7． B 8． A 9． B b ．时序电路必然存在状态循环
c ．异步时序电路的响应速度要比同步时序电路的响应速度慢 d ．边沿触发器具有前沿触发和后沿触发两种方式，能有效克服同步触发器的空翻现象 7．电路如下图（图中为下降沿Jk 触发器），触发器当前状态Q 3 Q 2 Q 1为“011”，请问时钟作用下，触发器下一状态为（ ） a ．“110” b ．“100” c ．“010” d ．“000” 8、下列描述不正确的是（ ） a ．时序逻辑电路某一时刻的电路状态取决于电路进入该时刻前所处的状态。 b ．寄存器只能存储小量数据，存储器可存储大量数据。 c ．主从JK 触发器主触发器具有一次翻转性 d ．上面描述至少有一个不正确 9．下列描述不正确的是（ ） a ．EEPROM 具有数据长期保存的功能且比EPROM 使用方便 b ．集成二—十进制计数器和集成二进制计数器均可方便扩展。 c ．将移位寄存器首尾相连可构成环形计数器 d ．上面描述至少有一个不正确 二．判断题（10分） 1．TTL 门电路在高电平输入时，其输入电流很小，74LS 系列每个输入端的输入电流在40uA 以下（ ） 2．三态门输出为高阻时，其输出线上电压为高电平（ ） 3．超前进位加法器比串行进位加法器速度慢（ ） 4．译码器哪个输出信号有效取决于译码器的地址输入信号（ ） 5．五进制计数器的有效状态为五个（ ） 6． 施密特触发器的特点是电路具有两个稳态且每个稳态需要相应的输入条件维持。（ ） 7． 当时序逻辑电路存在无效循环时该电路不能自启动（） 8． RS 触发器、JK 触发器均具有状态翻转功能（ ） 9． D/A 的含义是模数转换（ ） 10．构成一个7进制计数器需要3个触发器（ ） 三．计算题（5分） 如图所示电路在V i ＝和V i ＝5V 时输出电压 V 0分别为多少，三极管分别工作于什么区（放 大区、截止区、饱和区）。 V i 10k 3k GND +5V V 0
一、简答题 1、什么是触发器的空翻现象？简述造成空翻现象的原因。 答：如果在一个时钟脉冲的高电平作用下，触发器的状态发生了两次或两次以上的翻转，这叫做“空翻”。 由于是电平触发，在CP=1期间，数据输入端如果连续发生变化，触发器也连续随着变化，直到CP由1变0才停止，造成空翻现象的原因是触发器电平触发。 2.简述时序逻辑电路分析的步骤。 答：（1）观察电路，确定电路类型；是同步时序电路还是异步时序电路；是Mealy 型时序电路还是Moore型时序电路。 （2）根据电路写出各触发器驱动方程及时钟方程（即各触发器的CP信号表达式，如果是同步时序电路，则可不写时钟方程（因为每个触发器均接同一个脉冲源，来一个时钟脉冲，每个触发器同时变化）。 （3）将各触发器的驱动方程带入触发器的特性方程，写出各个触发器次态 1 n Q的逻辑 表达式（即状态方程）。 （4）根据电路写出输出逻辑表达式（输出方程）。 （5）推出时序逻辑电路的状态转换真值表、状态转换图及时序图（又称波形图）。 （6）总结和概括这个时序电路的逻辑功能。 3.最小项的性质。 答：（1）任何一组变量取值下，只有一个最小项的对应值为1； （2）任何两个不同的最小项的乘积为0； （3）任何一组变量取值下，全体最小项之和为1。 4.组合电路产生竞争冒险的原因及常用的消除竞争冒险的方法。 答：在组合电路中，当逻辑门有两个互补输入信号同时向相反状态变化时，输出端可能产生过渡干扰脉冲的现象。常用的消除竞争冒险的方法有：输入端加滤波电容、加封锁或选通脉冲、修改逻辑设计等。 5.简述时序逻辑电路与组合逻辑电路的异同。 答：时序逻辑电路是一种任意时刻的输出不仅取决于该时刻电路的输入，而且还与电路过去的输入有关的逻辑电路。因此，时序逻辑电路必须具备输入信号的存储电路，以便此信号在下一时刻其作用。组合逻辑电路在某一时刻的输出只取决于该时刻逻辑电路的输出，与过去的历史情况无关。因此，不需用存储电路记忆过去的输入，只有门电路就可构成。6.简述触发器的基本性质。 答：每个触发器有两个互非的输出端Q和Q,且有以下两个基本性质： （1）触发器有两个稳定的工作状态 一个是“1”态，即输出端Q=1，Q=0；另一个是“0”态，即输出端Q=0，Q=1。在没有外界信号作用时，触发器维持原有的稳定状态不变。 （2）两个稳定的工作状态相互转变 在外界信号作用下，触发器可以从一个稳定状态翻转为另一个稳定状态。所谓“稳定”的状态，是指没有外界信号作用时，触发器电路中电流和电压均维持恒定数值。 7.逻辑函数的表示方法有哪几种？
数字电路试题及答案 二、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分） １、十六进制数（8F）16对应的十进制数是（ C ） Ａ、141 Ｂ、142 Ｃ、143 Ｄ、144 2、逻辑函数L（A，B，C）=（A+B）（B+C）（A+C）的最简与或表达式为（ D） A、（A+C）B+AC B、 AB+（B+A）C C、 A（B+C）+BC D、 AB+BC+AC 3、与非门输出为低电平时，需满足（ D ） A、只要有一个输入端为低电平 B、只要有一个输入端为高电平 C、所有输入端都是低电平 D、所有输入端都是高电平 4、能够实现“线与”功能的门电路是（ D ） A、与非门Ｂ、或非门 Ｃ、三态输出门Ｄ、集电极开路门 5、由与非门构成的基本ＲＳ触发器，要使Ｑn+1＝Ｑｎ，则输入信号应为（A） Ａ、Ｒ＝Ｓ＝１Ｂ、Ｒ＝Ｓ＝０ Ｃ、Ｒ＝１，Ｓ＝０Ｄ、Ｒ＝０，Ｓ＝１ 6、要使Ｔ触发器Ｑn+1＝Ｑn ,则（B） Ａ、Ｔ＝ＱｎＢ、Ｔ＝０Ｃ、Ｔ＝１Ｄ、Ｔ＝n 7、对于JK触发器，要使Q n+1=Q n，则（B） A、J=K=1 B、J=K=0 C、J=1，K=0 D、J=0，K=1 8、为实现D触发器转换成T触发器，题图所示的虚线框内应是。（ C ） A、与非门 B、异或门 C、同或门 D、或非门 9、十六个数据输入端的数据选择器必有地址输入端的个数为（ D） A、1 B、2 C、3 D、4 10、一个4位二进制计数器的最大模数是（ C ） A、4 B、8 C、16 D、32 三、简答题（本大题共2小题，每小题5分，共10分） 1、数字电路从整体上看可分为几大类？ 答：(1)、按集成度分，有小、中、大、超大、甚大规模；（3分） (2)、按结构工艺分，有TTL、CMOS集成电路。（2分） 2、最简与－或表达式的标准是什么？ 答：（1）、包含的与项最少；（3分） （2）、每个与项中变量的个数最少。（2分） 四、分析计算题（本大题共6小题，每小题10分，共60分） 1、逻辑电路的输入变量A、B和输出函数F的波形如题3-1图所示，试列出真值表，写出逻辑函数F的逻辑表达式，并画逻辑图。
第五章组合逻辑电路 内容提要 【熟悉】组合逻辑电路的特点(功能、结构) 【掌握】组合逻辑电路的一般分析方法和设计方法 【熟悉】常见的五种组合逻辑电路【掌握】中规模集成组合逻辑电路的应用(扩展与实现组合逻辑函数) 【了解】组合逻辑电路中的竞争和险象一．一．网上导学 二．二．本章小结 三．三．典型例题 四．四．习题答案 网上导学 一. 一. 组合逻辑电路的特点:p123 功能：输出仅取决于该时刻的输入而与电路原状态无关(无记忆功能)； 结构(无记忆元件,无反馈环路). 二. 二. 组合逻辑电路的一般分析方法(组合逻辑电路图→求解逻辑功能): 组合逻辑电路图→列出逻辑函数表达式(迭代法,由输入逐级向后推) →求标准表达式或简化的表达式(转换或化简) →列出相应的真值表→判断电路功能。例5.2.1(异或门) P124 分析图5.3.3逻辑电路 1.1. 迭代法求输出逻辑表达式,如图： 图中,C=,D=AB,用迭代法求出电路输出逻辑表达式 F= 2.列出真值表(表5.2.1, P125) 分析真值表可知该电路是一个异或门 例2. 试分析下面电路 1.由上图可知 E=AB，D=AC，G=BC，迭代法得 F=E+D+G=AB+AC+BC 2. 列出相应的真值表 由真值表可以看出,该逻辑电路是一个三人多数表决电路。
三. 三. 组合逻辑电路的一般设计方法： 根据设计要求(要实现的逻辑功能)→画出逻辑电路图. 设计要求→列出真值表(确定输入、输出变量及它们的逻辑关系) →化简写出简化的逻辑表达式(→或转换成逻辑器件所需的表达形式)→画出逻辑图。例5.3.1(多数表决器) P125。 举例：设计一个一位加法器(半加器)电路. 1.1. 该电路有两个输入An、Bn和二个输出Sn和 , 2. 由真值表写出逻辑表达式(化简或转换,本题无) Sn=, =An*Bn 3.3. 画出逻辑图 四.组合逻辑电路中的竞争和险象：P126~P129 竞争：因门电路的传输时延而造成多路信号由于经过不同路径产生的时差现象；险象：由竞争产生的错误输出；检查(产生条件：输入存在互补变化；消除：添加冗余项. 竞争(B=0) *消除方法：参考例5.4.3(P128) 四. 四. 常见的五种组合逻辑电路：p129-p141 着重于其功能和输出与输入的对应逻辑关系. 1.1. 编码：将输入信号转换成对应的数码信号； 编码器：互斥输入，方块图、逻辑图P130 功能表见表5.5.1(P129) 优先编码，方块图、逻辑图、功能表P131； 2.2. 译码：将输入的码组翻译变换成对应的输出信号,是编码的逆过 程； 译码器：二进制译码器, 方块图、逻辑图； 功能表见表5.5.3(P133) 数字显示译码器： 功能表见表5.5.5(P133) 七段显示十进制数字 十进制数字显示p133；十进制数码显示
项目三 组合逻辑电路 任务一 仿真与测试竞争冒险现象 【学习目标】 1．掌握组合逻辑电路的分析方法； 2．掌握组合逻辑电路的简单设计方法； 3．掌握组合逻辑电路的竞争冒险及消除方法。 【任务引入】 按照逻辑功能不同，数字电路常分两大类：一类组合逻辑电路（简称组合电路）；另一类时序逻辑电路（简称时序电路）。如果一个逻辑电路在任何时刻的输出状态只取决于该时刻的输入状态，与电路原来状态无关，这样的电路称为组合逻辑电路。本节课内容我们学习组合逻辑电路的分析与设计方法，了解并掌握组合逻辑电路中的竞争冒险现象及其消除方法。 【基本理论】 一、组合逻辑电路概述 1.组合逻辑电路在电路结构上的特点： （1）构成电路基本元件是门电路，不含记忆单元（存储元件）； （2）只有从输入到输出通路，没有从输出反馈到输入回路。 2.组合电路逻辑功能的描述 描述组合电路逻辑功能的方法有逻辑函数式、真值表、逻辑图、工作波形图、卡诺图等几种。 3-1-1 组合逻辑电路的框图 组合逻辑电路n 个输入端，用x1，x2，…，xn 表输入变量； 有m 个输出端，用y1，y2，…，ym 表示输出变量，输出变量与输入变量间逻辑关系： y1 =f1(x1，x2，…，xn) y2 =f2(x1，x2，…，xn) … ym =fm(x1，x2，…，xn) 二、组合逻辑电路的分析与设计 1.组合逻辑电路的分析 步骤如下： （1）用逐级递推法写出输出逻辑函数与输入逻辑变量之间的关系； （2）用公式法或者卡诺图法化简，写出最简逻辑表达式； （3）根据最简逻辑函数式列出功能真值表； （4）根据真值表写出逻辑功能说明，以便理解电路的作用。 例3-1-1：分析下图3-1-2三变量组合逻辑电路的功能。 图3-1-2三变量组合逻辑电路 解： 第一步：写出输出逻辑函数与输入逻辑变量之间的关系，如下： A B C F & & & & AB F =1BC F =2CA F =3
组合竞争冒险现象 定义：门电路两个输入信号同时向相反的逻辑电平跳变的现象称为竞争。我们 把由于竞争而在电路输出端可能产生尖峰脉冲的现象叫做竞争－冒险现象。 如图（a）的例子，当输入信号A从1跳变为0时，如果B从0跳变为1，而且B 首先上升，就会出现尖峰脉冲，如图(b)所示。 影响：信号在转换瞬间电路传输信号的速度对电路工作状态产生的组合冒险现 象的影响，有时还比较严重，甚至会发生逻辑错误，产生错误的动作。 当电路对输入信号跳变情况的传输速度相同时，输出波形保持低电平。当电路对输入信号跳变情况的传输速度不相同时，A输入信号还没有降到UIL（max）以下，B输入信号已经跳到UIL（max）以上，在这个瞬间两输入信号同为“1”，输出信号Y也是1，出现了如图（a）所示的正尖波信号，因该信号违反了稳态条件下与门电路的逻辑关系，所以，该信号为不受欢迎的干扰信号。同理也可讨论图（b）所示的或门电路在瞬态出现的负尖波信号。这些干扰信号统称为电压毛刺或噪声。 解决方法： 1．接入滤波电容 见图，为接入滤波电容消除毛刺的影响。毛刺很窄，其宽度可以和门的传输时
间相比拟，因此常在输出端并联滤波电容C。但C的引入会使输出波形边沿变斜，故参数要选择合适，一般由实验确定。 2.引入选通脉冲 毛刺仅发生在输入信号变化的瞬间，因此在这段时间内先将门封住，待电路进入稳态后，再加选通脉冲选取输出结果。该方法简单易行，但选通信号的作用时间和极性等一定要合适。例如，见图，在组合电路中的输出门的一个输入端，加入一个选通信号，即可有效地消除任何冒险现象的影响。 3．修改逻辑设计 如图(a)所示逻辑函数F=AB+A C ，在B=C=1时，F=A+A将产生偏“1”冒 险。增加多余项BC，则当B=C=1 时，F恒为1，所以消除了冒险。即卡诺图化简时多圈了一个卡诺圈，如图（b）所示。相切处增加了一个BC圈，消除了相切部分的影响。 在负载电路对竞争－冒险所产生的尖峰脉冲不敏感时，如负载为发光器件，竞争－冒险所产生的尖峰脉冲对电路的工作没有影响，可不必考虑这一问题。
1. 什么是竞争冒险？ 信号在通过连线和逻辑单元时，都有一定的延时。延时的大小与连线的长短和逻辑单元的数目有关，同时还受器件的制造工艺、工作电压、温度等条件的影响。信号的高低电平转换也需要一定的过渡时间。由于存在这两方面因素，多路信号的电平值发生变化时，在信号变化的瞬间，组合逻辑的输出有先后顺序，并不是同时变化,成为“竞争”；往往导致出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号称为"毛刺"。 如果一个组合逻辑电路中有"毛刺"出现，就说明该电路存在“冒险”。冒险是由变量的竞争引起的。冒险又分为逻辑冒险和功能冒险。 简言之：在组合逻辑中，由于门的输入信号通路中经过了不同的延时，导致到达该门的时间不一致叫竞争，竞争产生冒险。 2. 竞争冒险产生的原因？（1）根本原因：延迟（2）详细分析： 竞争冒险的产生受到四个要素的制约，即：时间延迟、过渡时间、逻辑关系和延迟信号相位。 [1]时间延迟，即信号在传输中受路径、器件等因素影响，输入端信号间出现的时间差异 [2]过渡时间，即脉冲信号状态不会发生突变，必须经历一段极短的过渡时间 [3]逻辑关系，即逻辑函数式 [4]延迟信号相位，即延迟信号状态间的相位关系，涵盖延迟信号同相位和延迟信号反相位两个方面。延迟信号状态变化相同的则是延迟信号同相位，反之则是反相位。 时间延迟和过渡时间要素是竞争冒险的产生原因，逻辑关系和延迟信号相位要素是竞争冒险的产生机制。由原因和机制，构成竞争冒险的产生条件。当电路满足产生条件时，则一定产生毛刺。 3. 如何判断有竞争冒险？ 3.1 逻辑冒险的判断方法有两种： 1). 代数法： 在逻辑函数表达式中，若某个变量同时以原变量和反变量两种形式出现，例如：逻辑函数在一定条件下可简化为Y=A+A反或Y=A*A反就具备了竞争条件。去掉其余变量（也就是将其余变量取固定值0或1），留下有竞争能力的变量，如果表达式为F=A+A~(用A~表示A的反变量，以下同)，就会产生0型冒险(F应该为1而实际却为0)；如果表达式为F=AA~,就会产生1型冒险。例：表达式 F=AB+CB~,当A=C=1时，F=B+B~，在B发生跳变时，可能出现0型冒险。 2). 卡诺图法：将函数填入卡诺图，按照函数表达式的形式圈好卡诺圈。 A\BC| 00 01 11 10 ----------------------- 0 | 0 0 0 1 1 | 0 1 1 1 F=AC+BC~的卡诺图（将101和111的1圈一起，010和110的1圈一起）通过观察发现，这两个卡诺圈相切。则函数在相切处两值间跳变时发生逻辑冒险。（前提是这两个卡诺圈没有被其他卡诺圈包围） 3.2 功能冒险的判断： 功能冒险是当多个输入信号同时变化的瞬间，由于变化快慢不同而引起的冒险。 卡诺图法：依然用上面的卡诺图，按同样函数圈好。举例F=AC+BC~中，ABC从111变为
实验十七竞争冒险 一、实验目的 通过实验观察组合电路中存在的竟争冒险现象，学会用实验手段消除责争冒险对电路 的影响． 二、实验内容 1．八位串行奇仍校验电路竞争冒险现象的观察及消除。 图17．1所示电路为八位串行奇偶校验电路。 图17．1八位串行奇、偶校验电路 按图接线。 测试电路的逻辑功能。a．b…g，h分别接逻辑开关K1；～K9，z接发光二级管显示。改变K1～K8的状态．观察并记录Z的变化。
（注：时间关系，仅列举几个有代表性的结果。其中以开关闭合表示“1”，开关断开表示“0”.） K1K2K3K4K5K6K7K8Z 000000001 000000010 000000111 000001110 000011111 000111110 001111111 011111110 111111111 表 由表可以看出每一次开关的断开和闭合都影响发光二极管的状态。
a接脉冲．b．c··h接高电平．用示波器观察并记录a和y湍的波形测出信号经七级异或门的延迟时间。
由上图可以看出，延迟时间为20ms a和h端接同一脉冲．b．c··g为高电平．观察并记录a和y端的波形。说明y端的
波形有何异常现象 如上图所示输出端y出现了原设计中没有的窄脉冲， 若采用加电容的办法来消除此异常现象．则电容C应接在何处 如图所示，滤波电容C应该与输出端并联. ，若设门的输出电阻R0≈100Ω，估算电容C值的大小测出门电路的阈值电压V T
用实验法测出消除上述异常现象所需的电容值．说明产生误差的原因有哪些 2．组合电路竞争冒险现象的观察及消除 组合电路如图17．2所示。 测试电路功能．结果列成真值表形式。 泪实验法测定．在信号变化过程中．竟争冒险在何处，什么时刻可能出现 用校正项的办法来消除竟争冒险．则电路应怎洋修改画出修改后的电路．并用实验验证之。若改用加滤波电容的办法来消除竞争冒险．则电容C应加在何处其值约为多大试通过实验验证之。
一、填空题： 1．在计算机内部，只处理二进制数；二制数的数码为1 、0两个；写出从（000） 2依次加 1的所有3位二进制数：000、001、010、011、100、101、110、111 。 2．13=（1101）2；（5A ）16=（1011010）2；（10001100）2=（8C ）16。 完成二进制加法（1011）2+1=（1100）2 3．写出下列公式： =1 ； = B ； =A+B ； =B A +。 4．含用触发器的数字电路属于时序逻辑电路 （组合逻辑电路、时序逻辑电路）。TTL 、CMOS 电路中，工作电压为5V 的是TTL ；要特别注意防静电的是CMOS 。 5．要对256个存贮单元进行编址，则所需的地址线是8 条。 6．输出端一定连接上拉电阻的是OC 门；三态门的输出状态有 1 、0 、高阻 态三种状态。 7．施密特触发器有 2 个稳定状态.，多谐振荡器有 0 个稳定状态。 8．下图是由触发器构成的时序逻辑电路。试问此电路的功能是 移位寄存器 ， 是 同步 时序电路（填同步还是异步），当R D =1时，Q 0Q 1Q 2Q 3= 0000 ，当R D =0，D I =1，当第二个CP 脉冲到来后，Q 0Q 1Q 2Q 3= 0100 。 (图一) 1．和二进制数(111100111.001)等值的十六进制数是( B ) A ．(747.2)16 B ．(1E7.2)16 C ．(3D7.1) 16 D ．(F31.2) 16 2．和逻辑式B A C B AC ++相等的式子是( A ) R CP
A．AC+B B． BC C．B D．BC A 3．32位输入的二进制编码器，其输出端有( D )位。 A. 256 B. 128 C. 4 D. 5 4．n位触发器构成的扭环形计数器,其无关状态数为个( B ) A．2n-n B．2n-2n C．2n D．2n-1 5．4个边沿JK触发器,可以存储( A )位二进制数 A．4 B．8 C．16 6．三极管作为开关时工作区域是( D ) A．饱和区+放大区B．击穿区+截止区 C．放大区+击穿区D．饱和区+截止区 7.下列各种电路结构的触发器中哪种能构成移位寄存器（ C ） A．基本RS触发器B．同步RS触发器C．主从结构触发器8．施密特触发器常用于对脉冲波形的（ C ） A．定时B．计数C．整形 1．八进制数 (34.2 ) 8 的等值二进制数为11100.01 ；十进制数 98 的8421BCD 码为10011000 。 2．试写出下列图中各门电路的输出分别是什么状态（高电平、低电平）？（其中（A）（B）为TTL门电路，而（C）为CMOS门电路） （A）（B）（C） Y 1= 02 Y 2 = 1 Y 3 = 1 3．一个 JK 触发器有 2 个稳态，它可存储 1 位二进制数。 4．单稳态触发器有一个稳定状态和一个暂稳状态。施密特触发器有两个稳定状态、有两个不同的触发电平，具有回差特性。多谐振荡器没有
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 ）：
《数字逻辑分析与设计》模拟试题 一、 单项选择题 1. 只有在时钟的下降沿时刻，输入信号才能被接收，该种触发器是（ ）。 A. 高电平触发器 B.下降沿触发器 C. 低电平触发器 D. 上升沿触发器 2. 下列电路中，属于时序逻辑电路的是( ) A. 编码器 B. 译码器 C. 数值比较器 D. 计数器 3. 若将一个TTL 与非门（设输入端为A 、B ）当作反相器使用，则A 、B 端应如何连接（ ） A. A 、B 两端并联使用 B. A 或B 中有一个接低电平0 C. 不能实现 4. 在二进制译码器中，若输入有5位二进制代码，则输出有（ ）个信号。 A. 32 B. 16 C. 8 D. 4 5. 同步RS 触发器的“同步”时指( ) A. RS 两个信号同步 B. Qn+1与S 同步 C. Qn+1与R 同步 D. Qn+1与CP 同步 6. 不是最小项ABCD 逻辑相邻的最小项是( ) A. A BCD B. A B CD C. A B C D D. AB C D 7. 与A B C ++相等的为（ ） A. A B C ?? B. A B C ?? C. A B C ++ 8. 测得某逻辑门输入A 、B 和输出F 的波形如图1所示，则F(A ，B)的表达式是（ ） A. F=AB B. F=A+B C.B A F ⊕= D.B A F = 图1
9. 某逻辑函数的真值表见表1，则F 的逻辑表达式是（ ）。 A. AC AB F += B. C B AB F += C. AC B A F += D. AC B A F += 10. 要实现n n Q Q =+1，JK 触发器的J 、K 取值应为（ ）。 A J=K=0 B J=K=1 C J=0 K=1 11. 可以用来实现并/串转换和串/并转换的器件是( ) A. 计数器 B. 全加器 C. 移位寄存器 D. 存储器 12. 下列触发器中没有计数功能的是（ ） A. RS 触发器 B. T 触发器 C. JK 触发器 D. Tˊ触发器 13. 某逻辑电路输入A 、B 和输出Y 的波形如图2所示，则此电路实现的逻辑功能是（ ） A. 与非 B. 或非 C. 异或 D. 异或非 图2 14. 若两个逻辑函数相等，则它们必然相同的是（ ） A. 真值表 B. 逻辑表达式 C. 逻辑图 D. 电路图 15. 能将输入信号转变成二进制代码的电路称为（ ） A. 译码器 B. 编码器 C. 数据选择器 D. 数据分配器 二、 填空题