基于实验方法揭示竞争冒险的成因奥秘

　　1引言

　　本文依据测试结果进行研究，给出10 Hz～1 MHz TTL信号下竞争冒险的成因见解。

　　2 竞争冒险的测试

　　2.1 竞争冒险概念

　　在数字电路中，如果输入端信号之间存在着时间延迟[1]，那么输出端有可能产生干扰脉冲 [1-2]。当干扰脉冲幅度达到开门电平，对后级电路、敏感电路将会造成危害。将时间延迟比作竞争，干扰脉冲比作冒险，即所谓的“竞争冒险”。竞争冒险的核心是干扰脉冲，研究竞争冒险实质是研究干扰脉冲。

　　2.2 测试电路

　　经过对多种逻辑电路的试验和比较，能同时在脉冲信号上升沿、下降沿产生干扰脉冲，异或门表现突出。现以异或门74LS86芯片为例，设计出7 级异或门竞争冒险测试电路。

　　异或运算表达式：Z = AB+AB，其输入相同(0 0，1 1)，输出为0;输入不同(0 1，1 0)，则输出为1。若将A、H端接入TTL数字信号源， B～G端接1态，分析奇数门A7的输入和输出。信号源初始态假设为0，即H为0，Z6 为0，A7输入为0 0，则Z7为0;假设为1，即H为1， Z6为1，A7输入为1 1，则Z7仍为0。经分析：当A、 H接入信源，B～G都为1态时，A7 的输入或为0 0或为1 1，而Z7都为0。由于H、Z 6是延迟信号(两信号间存在时间延迟)，所以， Z7示波器观测时将会显示出一根带有干扰脉冲的横亮线。

　　2.3 测试方法

　　竞争冒险的测试，主要是对时间延迟 t和干扰脉冲幅度Vp-p的测试 [1，3]。为对干扰脉冲全面认识，本文同时也对干扰脉冲宽度(简称干脉宽) tp、干扰脉冲1 0状态位置(简称干脉态) Vp1/Vp0进行了测试。

　　⑴将A、H端接入100 kHz TTL信号，B～G端接1态。示波器探极Y1、Y2分别接入 H、Z6端，反复调节示波器捕捉测试对象，测出时间延迟 t，即上升沿t≈75ns，下降沿t≈90ns。

　　⑵保持⑴测试条件和方法，只将探极Y2改接到Z7，测出干扰脉冲幅度V p-p。即上升沿Vp-p≈2.9V，下降沿 Vp-p≈2.6V。

　　⑶整合H，Z6，Z 7为完整的上升沿、下降沿竞争冒险波形(见图4) tp，Vp1/ Vp0参数标在图中。

　　3 竞争冒险的产生条件

　　3.1 干扰脉冲产生过程

　　在上升沿：当先到的H由0→1过渡上升了Vp-p≈1.9V为1态，此时的Z 6也在上升(约上升0.6V)但仍为0态，H、 Z6的异或使Z7由0变1;当后到的 Z6也由0→1过渡上升了Vp-p ≈3.3V为1态，此时H、Z6都为1态，它们的异或使 Z7由1回到0，所以Z7 的横亮线上瞬间产生出干扰脉冲。

　　时间延迟t≈75ns，干扰脉冲幅度 Vp-p≈2.9V，干脉宽tp ≈80ns，干脉态Vp1位置在H上升约1.9V处的垂线上，Vp0位置在Z6 上升约3.3V处的垂线上。根据干脉宽tp ，可知另一干脉态Vp0位置。

　　在下降沿：当先到的H，由1→0过渡下降了Vp-p≈3.8V为0态, 此时的Z6也在下降(约下降1.2V)但仍为1态， H、Z6的异或使Z7 由0变1;当后到的Z6也由1→0过渡下降了 Vp-p≈4.0V为0态，此时H、Z 6都为0态，它们的异或使Z7由1回到0，所以 Z7的横亮线上瞬间也产生出干扰脉冲。时间延迟 t≈90ns，干扰脉冲幅度Vp-p≈2.6V，干脉宽 tp≈70ns，干脉态Vp1 位置在H下降约3.8V处的垂线上，Vp0 位置在Z6下降约4.0V处的垂线上。也根据干脉宽 tp，可知另一干脉态Vp0 位置。

　　在上升沿和下降沿，干扰脉冲幅度大小不等。由于线间电容、电感等噪声的存在和影响，干扰脉冲是个非对称波形，表现为上升时间长变化缓慢，下降时间短变化陡峭并且存在过冲现象。

　　3.2 竞争冒险产生条件

　　由图4可以看出，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。时间延迟 [1]，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[2];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。H、Z6 是延迟信号同相位，在异或逻辑产生了干扰脉冲。若H 、Z6是延迟信号反相位，即便异或逻辑也产生不了干扰脉冲。

　　信号在传输中，时间延迟现象随时存在，而干扰脉冲则时有时无，究其原由是逻辑关系和延迟信号相位要素在起关键作用。干扰脉冲是延迟信号在状态改变的过渡期间产生的，所以，时间延迟和过渡时间要素是竞争冒险的产生原因 [2]，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，则一定产生干扰脉冲。

　　4 竞争冒险的演变过程

　　4.1 不同路径、频率信号的竞争冒险测试

　　将图1电路由7级扩大到11级(电路图略)，可通过更长路径和不同频率信号来探究各奇数门竞争冒险的产生以及演变情况，见表的测试参数。

　　表1记录了11级异或门电路在10 Hz～1 MHz TTL信号时，各奇数门信号在上升沿(￡)和下降沿(￡)的时间延迟t、干扰脉冲幅度Vp-p ，以及干脉宽tp和干脉态V p1/Vp0的测试参数。对于1MHz以上信号的竞争冒险，拟作另文研究。表1中的阴影部分是“2 竞争冒险的测试”中的测试参数。

　　4.2 竞争冒险与信号频率、传输路径间的关系

　　各奇数门在10 Hz～1 MHz信号时的输出几乎相同，表明竞争冒险的产生与信号频率无关。随着奇数门的增加t也在增大，表明竞争冒险的产生与信号传输路径有关，即与时间延迟有关。