Причины возникновения состязания сигналов

Переходные процессы в комбинационных дискретных устройствах.

Для описания функционирования дискретных устройств с помощью математического аппарата алгебры логики нами были применены все ее законы, в том числе и очень важные тождества

Применительно к бесконтактным ДУ это означает, что если в какой-либо момент времени значение сигнала равно 1, то значение сигнала, инверсного рассматриваемому, должно быть равно 0 в тот же момент времени.

Все это справедливо для статических режимов работы БДУ, когда значения входных сигналов не изменяются.

В действительности же тождества могут быть нарушены в БДУ во время его перехода от одного состояния входов к другому.

Под переходным процессом в дискретном автомате без памяти, как и в ДУ с памятью, будем понимать его функционирование в течение интервала времени, непосредственно следующего за изменением входного сигнала и равного времени изменения состояний элементов.

Причиной нарушения соотношений при функционировании ДУ в переходные периоды являются временные задержки сигналов в бесконтактных логических элементах.

Указанное нарушение соотношений носит название состязаний сигналов.

Рассмотрим переходные процессы в ДУ несколько подробнее.

Пусть при построении ДУ в соответствии с логическим уравнением, описывающем условия его работы, на входы логического элемента схемы требуется подавать как прямое, так и инверсное значение сигнала x.

Для реализации инверсного значения сигнала в схеме используется логический элемент НЕ (И-НЕ, ИЛИ-НЕ), как показано на рисунке 5.16.

	Рисунок 5.16

Рисунок 5.17

Нарисуем временные диаграммы изменения сигналов x и с учетом переходных периодов, связанных с процессами изменения состояния логических элементов (Рисунок 5.17). Эти реальные сигналы в отличие от их идеализированного представления, которое используется при анализе и синтезе дискретных устройств, будем обозначать x_p и соответственно.

Рисунок 5.17

В статическом режиме, когда на входе элемента НЕ сигнал x_p = 1, на его выходе значение сигнала = 0 (Рисунок 5.17а). Пусть в момент времени t ₁ сигнал x_p начинает изменять свое значение с 1 на 0. Однако вследствие инерционности логического элемента, который формирует сигнал x_p, это изменение происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени, называемого длительностью фронта включения (открытия) элемента. Абсолютная величина сигнала x_p уменьшается по закону, характер которого определяется техническими характеристиками элемента, однако вплоть до момента времени t ₂ сигнал x_p будет восприниматься логическими элементами равным 1, так как его величина будет превышать порог их включения (закрытия) U_n. С момента времени t ₂ начинается процесс выключения логического элемента НЕ, и напряжение на его выходе начнет возрастать, однако выходной сигнал элемента НЕ будет отождествлен со значением = 1 только в момент времени t ₃, когда его значение превысит некоторую пороговую величину, определяемую характеристиками элементов.

Пользуясь временными диаграммами изменения сигналов x_p и построим временные диаграммы для сигналов x и принимая их значения равными 1, если соответствующий им сигнал по абсолютной величине больше порога выключения логических элементов, и равными 0, если соответствующий им сигнал по абсолютной величине меньше порога включения логических элементов.

Очевидно, что в этом случае сигнал x будет равен 1 вплоть до момента времени t ₂, а сигнал будет равен 0 вплоть до момента времени t ₃.

Анализ построенной диаграммы показывает, что вследствие задержки сигнала в логическом элементе НЕ при переходном периоде существует интервал времени, равный τ = t ₃ - t ₂, когда выполнение тождества нарушается, так как сигналы x и одновременно равны 0. Как следует из диаграммы, это имеет место, когда входной сигнал x дискретного устройства изменяет свое значение с единицы на нуль (1 → 0).

На рисунке 5.17, б представлена временная диаграмма для случая, если сигнал x изменяет свое значение с нуля на единицу (0 → 1). Анализ этой диаграммы показывает, что в данном случае при переходном периоде существует интервал времени τ = t ₃ - t ₂, когда нарушается выполнение тождества , так как сигналы x и одновременно равны единице.

Именно это явление – одновременное равенство нулю прямого и инверсного сигналов (x = 0, , значит, ) в переходный период при изменении значения сигнала x с единицы на нуль (1 → 0) и одновременное равенство этих сигналов единице (x = 1, , значит, ) при изменении значения сигнала x с нуля на единицу (0 → 1) – и является причиной состязания сигналов в бесконтактных дискретных устройствах.