數(shù)字電路中 “競爭－冒險”問題的教學設計

楊杰 盧貴主

(東莞理工學院 電子工程學院，廣東東莞 523808)

“競爭－冒險”是數(shù)字電路中特有的現(xiàn)象，它可能引起電路出現(xiàn)“莫名”的故障，是我們必須經(jīng)常面對且較為隱蔽的問題。在學習“EDA技術”、“數(shù)字集成電路設計”等課程時，尤其到“系統(tǒng)優(yōu)化和時序分析”等章節(jié)，只有掌握有關“競爭－冒險”的知識，才能充分理解時序分析結果，修改并優(yōu)化自己的設計。因此，正確掌握有關“競爭－冒險”的知識，對于提高學生調(diào)試、設計復雜數(shù)字電路的能力非常必要。

所謂“競爭－冒險”，實際上是由于邏輯電路信號傳輸延遲所產(chǎn)生的多余的尖峰脈沖。對于這種一閃即失的“毛刺”，如果用傳統(tǒng)的“靜態(tài)”教學方式進行講解，往往顯得力不從心。而計算機仿真軟件的出現(xiàn)，為“競爭－冒險”問題的講解提供了一個近乎完美的輔助平臺。在課堂上，老師借助于Multisim等軟件，高度逼真地模仿出電路的各種實際運行情況，把“競爭－冒險”的成因及對策一一清晰地展現(xiàn)給學生，其“身臨其境”的教學效果是任何常規(guī)的多媒體技術根本無法比擬的［1］。如果再配合精心安排、組織教學內(nèi)容，可以起到事半功倍的成效。

1 引入問題

1.1 欲擒故縱

我們有一個設計性實驗，要求學生將2片74192(十進制可逆計數(shù)器)級聯(lián)，組成1～29進制的加法計數(shù)器。學生在利用仿真設計時發(fā)現(xiàn)，按圖1設計的電路，用Multisim7.0仿真卻總也不能通過，原本應該從“1”到“30/31”的計數(shù)器，每次計數(shù)到了“19”就又從頭開始了;而同一電路，在用Multisim的低版本軟件EWB5.12仿真卻又能順利通過。而實際搭建電路時，又發(fā)現(xiàn)有的能正常工作，有的又不行!

學生百思不得其解，其實這只是教學設計中為講解“競爭－冒險”而提前所做的鋪墊。雖然在此之前，學生已經(jīng)學過關于“競爭－冒險”的概念，但大多僅是模模糊糊有一點印象而已，遇到實際問題依然一片茫然。這時，深入講解“競爭－冒險”的時機成熟了。

圖1 29進制加法計數(shù)器原理

1.2 現(xiàn)場仿真

在接下來的課堂教學中，教師首先分別用Multisim7.0和EWB5.12仿真運行該電路，肯定學生設計的電路原理是正確的，所遇到的問題并不是操作上的失誤，更不是仿真軟件的缺陷。唯一的可能性是，在計數(shù)器“19”變到“20”的過程中，確確實實出現(xiàn)了錯誤的信號，導致了計數(shù)器又從頭開始。為了讓學生看清楚這個問題，老師現(xiàn)場修改仿真的時間步長，用“慢鏡頭”仔細重現(xiàn)剛才的過程，大家通過虛擬的“測試小燈”實實在在看到了這個一閃即失的信號。此時，Multisim7.0仿真軟件開始發(fā)揮其逼真的演示效果。

顯然，這個信號的出現(xiàn)是我們預料之外的。仔細分析就不難發(fā)現(xiàn)，在計數(shù)器從“19”跳到“20時”，用于控制反饋置數(shù)的2個計數(shù)器的輸出端，同時發(fā)生了向相反狀態(tài)變化的情況，即出現(xiàn)了“競爭”!

為了證實由“競爭”引起的“冒險”確實存在，老師接著在打開的仿真設計中，查到仿真庫中74192的幾個傳輸延遲的具體數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 仿真庫元件74192原始參數(shù)

由于仿真元件庫中的原始數(shù)據(jù)是，輸出端從低電平上升到高電平的時間為38 ns，從高電平下降到低電平的時間為47 ns，正是由于這個時間差，從“19”跳到“20”時，狀態(tài)譯碼的與非門的輸入端出現(xiàn)了一個短暫的全“1”狀態(tài)，因而反饋置數(shù)有效，計數(shù)重新開始。

為了徹底消除學生的疑慮，教師現(xiàn)場修改74192的電路模型參數(shù)，將幾種信號傳輸時間改為一致，再次運行仿真，如圖3。這次，一切正常了。

用另一個方案也可以進行驗證:在可能引發(fā)“競爭－冒險”的信號傳遞通道上，增加一個同相驅動器，雖然沒有任何邏輯關系的變化，但電路“故障”也消失了!這些都說明罪魁禍首就是“競爭－冒險”。

由于是當堂修改，現(xiàn)場運行，學生們身臨其境，看到了全過程，對“競爭－冒險”引發(fā)故障已深信不疑了。Multisim7.0仿真再次展現(xiàn)了無可比擬的演示效果，如圖4所示。

至于EWB5.12仿真不出錯的疑惑是比較容易消除的:由于EWB5.12版本較低，仿真深度不夠，它只仿真了理想情況，沒出現(xiàn)“競爭－冒險”也在情理之中了。

接下來要解決的問題是:為什么實際接線中，有的出現(xiàn)了“競爭－冒險”、有的又沒有呢?借著這個疑慮，我們把討論引入到更高的層次:如何消除“競爭－冒險”?

圖3 修改仿真庫元件74192參數(shù)

圖4 增加延遲環(huán)節(jié)克服“競爭－冒險”

1.3 探討對策

“競爭－冒險”在實際電路中確確實實是可能存在的，發(fā)現(xiàn)了“競爭－冒險”我們就必須克服它。通常教材中介紹的消除“競爭－冒險”的方法是［2］:修改邏輯、引入選通信號或人為增加某個信號傳輸?shù)臅r間。其中，最后一種方案較為實用，在一些工作頻率不是非常高的場合，在可能出現(xiàn)“競爭－冒險”的部位串接RC慣性環(huán)節(jié)的方法就可解決。由于邏輯門的輸出均有內(nèi)阻，甚至R都可能不需要，直接簡單并聯(lián)小電容C即可。

老師在打開的仿真設計中，帶領學生重新查看仿真元件庫中74192的原始數(shù)據(jù)，讓大家看到74192芯片從輸入到輸出的信號傳遞時間是數(shù)十ns級的，由它們之間的差異而造成的“冒險”脈沖更是ns級。簡單串接一個RC，只要時間常數(shù)有幾十個ns，這個“毛刺”干擾就被消除了。圖5就是現(xiàn)場仿真演示的電路，圖5中的R1C1即是為克服所增加的。運行結果表明，“競爭－冒險”被消除了。

根據(jù)采樣地點統(tǒng)計，檢出率最高的為商鋪20.00%，剩余依次為：綜合超市11.44%、飲用水生產(chǎn)廠家8.00%、農(nóng)貿(mào)市場6.25%，學校集體食堂、街頭流動攤點均未檢出致病菌。

現(xiàn)在就可以解決學生的最后一個疑問了。同學們搭接實際電路時，之所以有的錯、有的不錯，存在2種可能性:

1)不同公司、不同批次的產(chǎn)品，動態(tài)特性存在差異，不出錯的電路本身就沒出現(xiàn)“競爭－冒險”;

2)74192的傳輸延遲本身很短，其差別 (引起“競爭－冒險”的根源)更小，由于實際接線不可避免地存在分散電容，出現(xiàn)的“競爭－冒險”無意中被消除了。

那些出錯的電路，所用的芯片的傳輸延遲差別較大，分散電容尚不足以克服其“毛刺”影響。只要再適當增大RC環(huán)節(jié)的慣性效果，必定能消除干擾。

2 借題發(fā)揮

“競爭－冒險”是數(shù)電課堂教學中的一個難點，在實際電路中又是常見、隱蔽、難處理的問題。把這個知識點講透，對深入理解數(shù)電的核心內(nèi)容無疑是大有好處的。除此之外，我們還可借題發(fā)揮，帶動其它知識點的學習。

圖5 增加RC慣性環(huán)節(jié)克服“競爭－冒險”

2.1 溫故知新

通過設計“日期計數(shù)器”的實例，特別是走了一點彎路之后，再重新復習什么是競爭、什么是由競爭引發(fā)的冒險，學生的認識肯定與以前大不相同了;有了這個基礎，也完全理解引入“格雷碼”等的用意了。

2.2 深入體會

在討論時序電路的“競爭－冒險”時，數(shù)電的核心內(nèi)容應該已大部講完。這時，結合“競爭－冒險”的深入學習，可以對數(shù)電的內(nèi)容在以下幾方面加深理解:

1)邏輯電路，特別是現(xiàn)代高速的邏輯電路，主流是同步方式。異步方式的電路由于速度慢、易出現(xiàn)“競爭－冒險”而較少采用［3］。

2)組合邏輯電路和時序邏輯電路都會出現(xiàn)“競爭－冒險”。在組合邏輯電路中，“競爭－冒險”引起的短時尖峰脈沖不影響其穩(wěn)態(tài)輸出，因而危害作用并不明顯。而同樣的尖峰脈沖在時序邏輯電路中，則可能被觸發(fā)器接收造成誤翻轉，進而完全改變時序電路的進程，故需特別小心!

3)傳統(tǒng)的電路設計方式，在實際電路搭建出來之前，均無法獲得精確的延時特性，處理“競爭－冒險”等問題就顯得十分困難。而現(xiàn)代電子設計，由于采用EDA技術，可以在設計的不同階段，進行全面精準的測試與仿真，特別是包含了具體芯片特性參數(shù)的時序仿真，可以得到精準的硬件延遲信息，為分析及處理“競爭－冒險”等問題提供極為便利的條件。EDA是電子設計發(fā)展的必然趨勢［4］。

2.3 查找資料

在深入了解“競爭－冒險”的根源時，必須確切知道所用芯片的參數(shù)指標，特別是平時不太注意的動態(tài)參數(shù)。這就迫使我們查看權威的文獻資料。在我們的現(xiàn)場教學中，我們數(shù)次經(jīng)歷了這個過程，而這恰好是對學生查找資料能力的一個訓練。在信息時代，每個大學生除應學好各自專業(yè)知識外，還必須掌握應用各種手段查閱相關文獻資料、獲取信息的能力。

3 結語

在課堂上用計算機仿真輔助教學，可以使課堂內(nèi)容變得豐富、精彩，老師可以帶領學生把原本在實驗室也不易看清的東西生動、形象地展現(xiàn)給大家，極大地提升了教學效果［5］;由于Multisim等仿真軟件可以高度逼真地模仿出電路的實際運行情況，且可隨意實時修改，其教學效果是任何常規(guī)的多媒體技術根本無法比擬的［6］。結合實例的深入剖析，可以溫故知新，綱舉目張，把前后各個知識點串通起來學習，可以起到事半功倍的成效。在后續(xù)課程的學習以及課程設計、畢業(yè)設計中，但凡牽涉到此類的問題，同學們就可駕輕就熟、應對自如了。

［1］吳學軍，張靜．EDA仿真設計在《數(shù)字電子技術基礎》課程教學中的應用［J］．湖北文理學院學報，2013，34(11):78－81．

［2］閻石．數(shù)字電子技術基礎［M］．5版．北京:高等教育出版社，2006:204－205．

［3］潘松，黃繼業(yè)．EDA技術實用教程［M］．5版．北京:科學出版社，2013:10－11．

［4］潘明，潘松．數(shù)字電子技術基礎［M］．北京:科學出版社，2008:180－192．

［5］王正勇，陳學昌．依托EDA技術促進電子信息類專業(yè)教學模式改革的探索［J］．工業(yè)和信息化教育，2014(7):51－53．

［6］王芳．淺談數(shù)字電子技術課程的教學改革方法［J］．黑龍江教育學院學報，2014(33):87－88．