摘 要：文章介绍了组合电路中竞争冒险的概念及产生原因，通过Multisim软件，对如何消除竞争冒险进行仿真分析。从而在教学中，使学生对这一现象有更形象和直观的认识，最终更好地掌握组合电路的分析和设计方法。
关键词：组合电路；竞争；冒险；Multisim
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1003-2851（2012）-10-0203-02
一、Multisim软件简介
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的电子线路仿真与设计软件，包含丰富的元器件数据库和仪器库，在其构建的虚拟电路实验室里，可以搭建各种电路模型，观察信号波形，进行仿真分析，较传统实验方式更加高效可靠[1]。对于电类专业的学生来说，可以通过电路仿真来验证所学的理论知识，激发学习兴趣，熟悉电路仿真技术后，再进行原型设计和测试，不仅利于降低实验器材的损耗，更使学生巩固掌握操作技能。
二、竞争冒险的产生
实际教学中，介绍逻辑电路的分析和设计时，我们都是只考虑电路在稳态时输入和输出的逻辑关系，并假定所有的逻辑门都具有理想的开关特性。因此总要求学生将逻辑表达式化成最简形式，用最简单门电路来实现。实际上数字信号通过各种门电路，以及不同长度的导线时，时间都不可能是完全一样的。
同一个门的两个输入信号，经过不同路径，到达另一个门输入端的时间会有先后，这种现象称为竞争（Race）。由于存在竞争，当两个输入信号同时反向变化，即由01变为10，或者相反，输出端就可能出现虚假信号——不应有的尖峰脉冲，这种现象称为冒险（Competition）[2]。
三、竞争冒险的判断方法
1.代数法
若A和为门的两个输入信号，则当A状态突变时，必同时朝另一相反方向变化，由于时间延迟不同，输出端必然存在竞争冒险现象。因此，判断竞争冒险的一个有效方法，是输出逻辑表达式在一定条件下最终能化简成Y=A+或Y=A的形式。例如，逻辑函数Y=AB+C，当B=C=1时，逻辑电路会出现竞争冒险现象。
2.卡诺图法
对于输入变量较多，比较复杂的逻辑函数，可以借助卡诺图法判断。若卡诺图化简时存在两个相切但不相交的包围圈，则在相切处，也可能有竞争冒险出现。例如图1，两包围圈在A和处相切，但不相交，所以存在竞争冒险。
3.仿真电路判断
通过Multisim软件构建电路模型，在输入端加入所有可能发生的状态突变的波形，观察输出端是否会出现尖峰脉冲，即产生竞争冒险现象，这种方法更加直观形象。在Multisim软件编辑窗口，画出仿真电路如图2所示。
电路中所用电子元器件为74LS08，74LS04，74LS32，信号源为1KHZ数字信号。函数Y=AB+C，当B=C=1（电路中J1A，J2B开关打开），逻辑输出Y=A+应保持高电平1不变，但仿真显示，在输入信号的下降沿，电路有负的干扰脉冲输出，存在竞争冒险现象。
四、竞争冒险的消除方法
竞争冒险的出现会使逻辑发生错误，如果负载是对脉冲信号十分敏感的电路，如触发器，则电路的稳定性将会直接受到影响，甚至整个系统都会出现误动作，因此必须要采取措施消除竞争冒险。通常可采用以下几种方法[3]。
1.引入封锁脉冲或选通脉冲
在信号状态转换的时间内，把可能产生尖峰干扰脉冲输出的门封锁住，或者等电路状态稳定后打开输出门，避免尖峰脉冲的生成。但封锁脉冲必须与输入信号的转换同步，而且它的宽度不应小于电路从一个稳态到另一个稳态过渡所需要的时间。
2.输出端并联滤波电容
对于速度较慢的组合电路，因为竞争冒险产生的干扰脉冲一般很窄，所以可采用在输出端并联一个较小的滤波电容（一般几百皮法以下）的方法，吸收尖峰干扰脉冲，从而消除竞争冒险。
3.修改逻辑设计
（1）增加冗余项
当竞争冒险是由单个变量改变状态引起时，可用增加冗余项的方法予以消除。如图2所示电路，输出函数Y=AB+C，当B=C=1时，有Y=A+，如A从1变为0，或从0变为1时，在或门U4A的输入端会发生竞争，因此输出可能出现干扰脉冲，根据冗余定理，增加冗余项BC，即将函数变为Y=AB+C+BC，当B=C=1时，无论A如何变化，电路输出端均不会出现竞争冒险现象。
（2）去除互补变量
如函数Y=（A+C）（+B），有互补变量A和，如果直接根据此式产生逻辑电路，可能会产生竞争冒险，但若将此式展开成Y=AB++BC，逻辑功能不变，但A项已去除，当B=C=0时，由此逻辑函数构成的电路均不会出现竞争冒险。
比较上述方法，不难看出，引入脉冲的方法较简单，而且不增加器件个数，但对这个脉冲的宽度和产生时间是有严格要求的。并联滤波电容，同样简单易行，但会破坏输出波形，因此不总是可取的。修改逻辑设计，如运用得当，往往会收到最理想的结果。
下面以增加冗余项为例，对消除竞争冒险现象进行仿真分析。在图3的基础上增加一个与门74LS08，画出修改后的仿真电路，如图3所示。
可以看出，逻辑电路的设计，有时候并不是越简单越好，增加冗余项，虽然增加了门的个数，但小代价换来的是电路稳定性的提高。对于对脉冲非常敏感的电路，这点代价是值得的。
竞争冒险问题，是影响组合逻辑电路可靠性和精确性的一个重要因素，在进行电路设计教学时，不应对其几句话带过，而应引导学生对可能产生竞争冒险的原因进行讨论，掌握其判断方法和消除方法。在教学中，引入Multisim软件进行仿真分析，可以使学生对竞争冒险问题有更清晰和直观的认识，能够更准确全面地查出冒险，也更有效地验证所采取的措施是否行之有效。
参考文献
[1]聂典.Multisim10计算机仿真在电子电路设计中的应用，2009.
[2]余孟尝.数字电子技术基础简明教程[M].高等教育出版社，1999.
[3]房永钢.数字电子技术[M].北京大学出版社，2009.
