楊杰 盧貴主

(東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院，廣東東莞 523808)

“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”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(duì)且較為隱蔽的問題。在學(xué)習(xí)“EDA技術(shù)”、“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”等課程時(shí)，尤其到“系統(tǒng)優(yōu)化和時(shí)序分析”等章節(jié)，只有掌握有關(guān)“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”的知識(shí)，才能充分理解時(shí)序分析結(jié)果，修改并優(yōu)化自己的設(shè)計(jì)。因此，正確掌握有關(guān)“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”的知識(shí)，對(duì)于提高學(xué)生調(diào)試、設(shè)計(jì)復(fù)雜數(shù)字電路的能力非常必要。

所謂“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”，實(shí)際上是由于邏輯電路信號(hào)傳輸延遲所產(chǎn)生的多余的尖峰脈沖。對(duì)于這種一閃即失的“毛刺”，如果用傳統(tǒng)的“靜態(tài)”教學(xué)方式進(jìn)行講解，往往顯得力不從心。而計(jì)算機(jī)仿真軟件的出現(xiàn)，為“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”問題的講解提供了一個(gè)近乎完美的輔助平臺(tái)。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(shí)際運(yùn)行情況，把“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”的成因及對(duì)策一一清晰地展現(xiàn)給學(xué)生，其“身臨其境”的教學(xué)效果是任何常規(guī)的多媒體技術(shù)根本無法比擬的［1］。如果再配合精心安排、組織教學(xué)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(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生將2片74192(十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器)級(jí)聯(lián)，組成1～29進(jìn)制的加法計(jì)數(shù)器。學(xué)生在利用仿真設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，按圖1設(shè)計(jì)的電路，用Multisim7.0仿真卻總也不能通過，原本應(yīng)該從“1”到“30/31”的計(jì)數(shù)器，每次計(jì)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(shí)際搭建電路時(shí)，又發(fā)現(xiàn)有的能正常工作，有的又不行!

學(xué)生百思不得其解，其實(shí)這只是教學(xué)設(shè)計(jì)中為講解“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”而提前所做的鋪墊。雖然在此之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過關(guān)于“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”的概念，但大多僅是模模糊糊有一點(diǎn)印象而已，遇到實(shí)際問題依然一片茫然。這時(shí)，深入講解“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”的時(shí)機(jī)成熟了。

圖1 29進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器原理

1.2 現(xiàn)場(chǎng)仿真

在接下來的課堂教學(xué)中，教師首先分別用Multisim7.0和EWB5.12仿真運(yùn)行該電路，肯定學(xué)生設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)器“19”變到“20”的過程中，確確實(shí)實(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤的信號(hào)，導(dǎo)致了計(jì)數(shù)器又從頭開始。為了讓學(xué)生看清楚這個(gè)問題，老師現(xiàn)場(chǎng)修改仿真的時(shí)間步長(zhǎng)，用“慢鏡頭”仔細(xì)重現(xiàn)剛才的過程，大家通過虛擬的“測(cè)試小燈”實(shí)實(shí)在在看到了這個(gè)一閃即失的信號(hào)。此時(shí)，Multisim7.0仿真軟件開始發(fā)揮其逼真的演示效果。

顯然，這個(gè)信號(hào)的出現(xiàn)是我們預(yù)料之外的。仔細(xì)分析就不難發(fā)現(xiàn)，在計(jì)數(shù)器從“19”跳到“20時(shí)”，用于控制反饋置數(shù)的2個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出端，同時(shí)發(fā)生了向相反狀態(tài)變化的情況，即出現(xiàn)了“競(jìng)爭(zhēng)”!

為了證實(shí)由“競(jìng)爭(zhēng)”引起的“冒險(xiǎn)”確實(shí)存在，老師接著在打開的仿真設(shè)計(jì)中，查到仿真庫中74192的幾個(gè)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(shí)間為38 ns，從高電平下降到低電平的時(shí)間為47 ns，正是由于這個(gè)時(shí)間差，從“19”跳到“20”時(shí)，狀態(tài)譯碼的與非門的輸入端出現(xiàn)了一個(gè)短暫的全“1”狀態(tài)，因而反饋置數(shù)有效，計(jì)數(shù)重新開始。

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

用另一個(gè)方案也可以進(jìn)行驗(yàn)證:在可能引發(fā)“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”的信號(hào)傳遞通道上，增加一個(gè)同相驅(qū)動(dòng)器，雖然沒有任何邏輯關(guān)系的變化，但電路“故障”也消失了!這些都說明罪魁禍?zhǔn)拙褪恰案?jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”。

由于是當(dāng)堂修改，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，學(xué)生們身臨其境，看到了全過程，對(duì)“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”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(cuò)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(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”也在情理之中了。

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

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(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”

1.3 探討對(duì)策

“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”在實(shí)際電路中確確實(shí)實(shí)是可能存在的，發(fā)現(xiàn)了“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”我們就必須克服它。通常教材中介紹的消除“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”的方法是［2］:修改邏輯、引入選通信號(hào)或人為增加某個(gè)信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間。其中，最后一種方案較為實(shí)用，在一些工作頻率不是非常高的場(chǎng)合，在可能出現(xiàn)“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”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(jiǎn)單并聯(lián)小電容C即可。

老師在打開的仿真設(shè)計(jì)中，帶領(lǐng)學(xué)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(hào)傳遞時(shí)間是數(shù)十ns級(jí)的，由它們之間的差異而造成的“冒險(xiǎn)”脈沖更是ns級(jí)。簡(jiǎn)單串接一個(gè)RC，只要時(shí)間常數(shù)有幾十個(gè)ns，這個(gè)“毛刺”干擾就被消除了。圖5就是現(xiàn)場(chǎng)仿真演示的電路，圖5中的R1C1即是為克服所增加的。運(yùn)行結(jié)果表明，“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”被消除了。

根據(jù)采樣地點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，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(chǎng)6.25%，學(xué)校集體食堂、街頭流動(dòng)攤點(diǎn)均未檢出致病菌。

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

1)不同公司、不同批次的產(chǎn)品，動(dòng)態(tài)特性存在差異，不出錯(cuò)的電路本身就沒出現(xiàn)“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”;

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

那些出錯(cuò)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(dāng)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(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”是數(shù)電課堂教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，在實(shí)際電路中又是常見、隱蔽、難處理的問題。把這個(gè)知識(shí)點(diǎn)講透，對(duì)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(dòng)其它知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。

圖5 增加RC慣性環(huán)節(jié)克服“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”

2.1 溫故知新

通過設(shè)計(jì)“日期計(jì)數(shù)器”的實(shí)例，特別是走了一點(diǎn)彎路之后，再重新復(fù)習(xí)什么是競(jìng)爭(zhēng)、什么是由競(jìng)爭(zhēng)引發(fā)的冒險(xiǎn)，學(xué)生的認(rèn)識(shí)肯定與以前大不相同了;有了這個(gè)基礎(chǔ)，也完全理解引入“格雷碼”等的用意了。

2.2 深入體會(huì)

在討論時(shí)序電路的“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”時(shí)，數(shù)電的核心內(nèi)容應(yīng)該已大部講完。這時(shí)，結(jié)合“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”的深入學(xué)習(xí)，可以對(duì)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(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”而較少采用［3］。

2)組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路都會(huì)出現(xiàn)“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”。在組合邏輯電路中，“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”引起的短時(shí)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(shí)序邏輯電路中，則可能被觸發(fā)器接收造成誤翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而完全改變時(shí)序電路的進(jìn)程，故需特別小心!

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

2.3 查找資料

在深入了解“競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)”的根源時(shí)，必須確切知道所用芯片的參數(shù)指標(biāo)，特別是平時(shí)不太注意的動(dòng)態(tài)參數(shù)。這就迫使我們查看權(quán)威的文獻(xiàn)資料。在我們的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)中，我們數(shù)次經(jīng)歷了這個(gè)過程，而這恰好是對(duì)學(xué)生查找資料能力的一個(gè)訓(xùn)練。在信息時(shí)代，每個(gè)大學(xué)生除應(yīng)學(xué)好各自專業(yè)知識(shí)外，還必須掌握應(yīng)用各種手段查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料、獲取信息的能力。

3 結(jié)語

在課堂上用計(jì)算機(jī)仿真輔助教學(xué)，可以使課堂內(nèi)容變得豐富、精彩，老師可以帶領(lǐng)學(xué)生把原本在實(shí)驗(yàn)室也不易看清的東西生動(dòng)、形象地展現(xiàn)給大家，極大地提升了教學(xué)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(shí)際運(yùn)行情況，且可隨意實(shí)時(shí)修改，其教學(xué)效果是任何常規(guī)的多媒體技術(shù)根本無法比擬的［6］。結(jié)合實(shí)例的深入剖析，可以溫故知新，綱舉目張，把前后各個(gè)知識(shí)點(diǎn)串通起來學(xué)習(xí)，可以起到事半功倍的成效。在后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中，但凡牽涉到此類的問題，同學(xué)們就可駕輕就熟、應(yīng)對(duì)自如了。

［1］吳學(xué)軍，張靜．EDA仿真設(shè)計(jì)在《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］．湖北文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，34(11):78－81．

［2］閻石．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［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(shù)實(shí)用教程［M］．5版．北京:科學(xué)出版社，2013:10－11．

［4］潘明，潘松．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］．北京:科學(xué)出版社，2008:180－192．

［5］王正勇，陳學(xué)昌．依托EDA技術(shù)促進(jìn)電子信息類專業(yè)教學(xué)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(shù)課程的教學(xué)改革方法［J］．黑龍江教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2014(33):87－88．