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