метастабильность Опции

[_andrew_]

Вопрос
Есть ли ссылки у кого по метастабильности(в идеале на русском)
и как с этим бороться

Проблема в следующем. у меня на входе 3 частоты, сморел осцилографом, вроде нормальные красивые
50Мгц 27Гц и еще строковая(не помню скока).
плис Spartan3
так вот через какое то время кадр сползает(верхний кадр внизу и наоборот, НО не по пол кадра, так треть к примеру и две трети). Сползаем сразу а не в процессе, а потом работаем стабильно с перевернутым кадром.
в общем мысль приходит грушить только на частоту.
есть ли еще какие нибудь "методы борьбы с частотами"?

[Маххх]

..т.е ет мне ток мне повезло что в проведённых экспериментах ничего не выявилось и в зависимости от используемых микросхем получим прост разные вероятности их появления??(..да и вообще каким образом тогда можно уменьшить эту вероятность..или возможно её вообще исключить??

Сообщение отредактировал Маххх - May 27 2009, 18:16

[SM]

..т.е ет мне ток мне повезло что в проведённых экспериментах ничего не выявилось и в зависимости от используемых микросхем получим прост разные вероятности их появления??(..да и вообще каким образом тогда можно уменьшить эту вероятность..или возможно её вообще исключить??

Да. Повезло. Исключить вообще - если априори сигналы асинхронны и поступают на триггеры - никак. Понизить вероятность - ставить больше триггеров в цепочку один за одним. Если есть раздолье в схемотехнике - то например сформировать триггер с выходной защелкой с триггером шмитта. Он серьезно укоротит продолжительность метастабильного состояния. Или сделать отдельную аналоговую схему, выделяющую те моменты, когда фронты пришли с нарушением Tsu/Th, и сообщающую об этом.

[Oldring]

Или сделать отдельную аналоговую схему, выделяющую те моменты, когда фронты пришли с нарушением Tsu/Th, и сообщающую об этом.

Выход аналоговой схемы куда подавать?

[SM]

Выход аналоговой схемы куда подавать?

Ну, допустим, на асинхронный сброс синхронизатора.

[Oldring]

Ну, допустим, на асинхронный сброс синхронизатора.

На асинхронный? То есть пусть лучше метастабильность с аналоговой схемы лезет через асинхронный вход синхронизатора?

[SM]

На асинхронный? То есть пусть лучше метастабильность с аналоговой схемы лезет через асинхронный вход синхронизатора?

Извините, но это бред какой-то. С аналоговой схемы лезет не метастабильность, а полноценный импульс, с длительностью, которая обеспечит на асинхронном входе выполнение требования по recovery/removal и min_pulse. В результате чего при опасности метастабильности триггер будет гарантировано жестко в нуле и гарантировано в метастабильность не попадет.

Пример такой схемы. Допустим имеем у синхронизатора Th 0.2 ns и Tsu 1 ns. Клок подается на одновибратор №1 с длительностью выходного импульса 0.3 ns, запускаемый фронтом. Данное подается на одновибратор №2 с длительностьтю 1.1 ns, но запускаемый и по фронту, и по спаду. Выходы одновибраторов объединяются по логическому И с гарантированным min_pulse 100ps. Выход элемента И поступает на триггер Шмитта, который убирает неполноценные импульсы в случае недостаточного пересечения импульсов на входе "И". Выход ТШ поступает на одновибратор №3, с запуском по фронту, с длительностью импульса, обеспечивающей соблюдение recovery, removal и min_pulse для асинхронного сброса синхронизатора.

Заодно этим сигналом можно взвести RS-триггер, показывающий, что случилось принудительное обнуление, и данные, если их там шина, могут быть недостоверны.

[Oldring]

Пример такой схемы. Допустим имеем у синхронизатора Th 0.2 ns и Tsu 1 ns. Клок подается на одновибратор №1 с длительностью выходного импульса 0.3 ns, запускаемый фронтом. Данное подается на одновибратор №2 с длительностьтю 1.1 ns, но запускаемый и по фронту, и по спаду. Выходы одновибраторов объединяются по логическому И с гарантированным min_pulse 100ps. Выход элемента И поступает на триггер Шмитта, который убирает неполноценные импульсы в случае недостаточного пересечения импульсов на входе "И". Выход ТШ поступает на одновибратор №3, с запуском по фронту, с длительностью импульса, обеспечивающей соблюдение recovery, removal и min_pulse для асинхронного сброса синхронизатора.

Если бы все было так просто!
Тогда бы схемы, убирающие метастабильность, в каждый FPGA ставили.
Но не зря говорят что метастабильность нельзя убрать ничем - только ожиданием в течение достаточного временем для сваливания схемы из метастабильного состояния в устойчивое. А все доморощенные схемы на самом деле дырявые.

В Вашей схеме дырка следующая.

Предположим что одновибраторы идеально-реальные. То есть они запускаются мгновенно, но на их выходе формируются реальные сигналы с конечным ременем перехода. В таком случае если переход данных произошел за 1.1 нс до клока - то входной триггер переключтся без метастабильности. Но что произойдет со схемой его сброса? На выходе элемента И сформируется короткий импульс неполной амплитуды. Если эта амплитуда совпадет с верхним порогом триггера Шмидта - на его выходе тоже сформирутся короткий импульс неполной амплитуды. Попав на вход одновибратора №3 этот импульс запустит его в метастабильном состоянии. Попав на вход сброса входрного триггера, это метастабильное состояние входа сброса переведет его уже в метастабильное состояние. Цель не достигнута.

Велика ли вероятность такого события? Мала. Но и задержки немаленьке. А так как если вспомнить, что вроятность восстановления из метастабильного состояния не зависит от количества промежуточных триггеров, завися только от технологии и полного запаса времени на выход из метастабильного состояния - схема явно не лучше простого синхронизатора с соответствующим временем задержки на быстрых триггерах, при том, что сложне.

[SM]

На выходе элемента И сформируется короткий импульс неполной амплитуды. Если эта амплитуда совпадет с верхним порогом триггера Шмидта - на его выходе тоже сформирутся короткий импульс неполной амплитуды. Попав на вход одновибратора №3 этот импульс запустит его в метастабильном состоянии.

Ну я все секреты такого блока тут открывать не буду Его симуляция на транзисторном уровне показывает, что такая ситуация принципиально невозможна. Общая суть в выборе параметров мощности выхода элемента И, входной емкости ТШ, порогов и коэффициента передачи без ОС усилителя, на базе которого построен ТШ и входного порога третьего одновибратора. В результате ни при каких условиях того, что подается на входы элемента И (реальных сигналов, а не идеальных) на выходе ТШ не может быть такого сигнала, который бы некорректно запускал третий одновибратор.

Другой вопрос - что наверное задач таких раз-два и обчелся, где недопустимо по задержке поставить второй триггер, вот в FPGA и не делают таких блоков. А в заказных ИМС я не первый такой, кто ваяет детекторы возможной метастабильности.

схема явно не лучше простого синхронизатора с соответствующим временем задержки на быстрых триггерах, при том, что сложне.

В том и суть схемы, что она не дает никакой задержки по анализируемой ей цепи. Это просто детектор, выдающий сигнал о том, что вероятно метастабильное состояние у синхронизатора. Площадь блока составляет примерно 45 гейтов, что обычно можно себе позволить.

[Oldring]

Его симуляция на транзисторном уровне показывает, что такая ситуация принципиально невозможна.

Если Вы думаете что дела идут хорошо - значит Вы что-то не заметили.

Принципиально невозможно перевести сигналы из аналогового домена в цифровой без ненулевой вероятности метастабильности. Такой переходник - это всегда аналоговая система, описываемая нелинейным дифуром и обрабатывающая входные аналоговые сигналы. Цель - получить на выходе устойчивое логическое состояние. При этом схема непрервыно отображает пространство входного сигнала в (аналоговое) пространство выходного, и в этом выходном пространстве есть непересекающиеся области "устойчивый 0" и "устойчивая 1". При этом пространство входных сигналов разбивается на области, которые переводят выход схемы в 1 и 0. Если взять две точки на входе, лежащие в разных областях - точки отображения будут лежать в разных выходных областях. Если на входе их соединить непрерывной кривой, непрерывно изменяя параметры входного сигнала - он отобразится в непрерывную кривую в выходном пространстве. Эта кривая будет пересекать границу между 0 и 1, в которой находится зона метастабльности. Осталось рассмотреть, при каких параметрах входного сигнала это происходит

А в заказных ИМС я не первый такой, кто ваяет детекторы возможной метастабильности.

No comments.

[SM]

и в этом выходном пространстве есть непересекающиеся области "устойчивый 0" и "устойчивая 1".

И именно на том, что область неустойчивости (то, что между областями устойчивых 1 и 0) у одновибратора находится внутри области гарантированного перехода у триггера Шмитта (что означает, что если его выходной уже сигнал зашел в эту область, то при условии незначительного изменения входного сигнала ТШ он обязательно пересечет ее целиком), и построена эта часть узла. А незначительность изменения гарантируется емкостью входа триггера и мощностью выхода И.

[Oldring]

И именно на том, что область неустойчивости (то, что между областями устойчивых 1 и 0) у одновибратора находится внутри области гарантированного перехода у триггера Шмитта (что означает, что если его выходной сигнал зашел в эту область, то при условии незначительного изменения входного сигнала ТШ он обязательно пересечет ее целиком), и построена эта часть узла.

Теорема Олдринга о неизбежности метастабильности равным образом применима и к триггерам Шмидта

[SM]

Теорема Олдринга о неизбежности метастабильности равным образом применима и к триггерам Шмидта

У Вас в теореме есть, так сказать, отверстие. И находится оно в параметрах сигнала, при которых возникает метастабильность у ТШ. Да, принципиально можно подать на ТШ такой сигнал, который введет его в метастабильное сотояние. Но импульс напряжения, определенный как заряд конденсатора от нуля постоянным током, пауза и последующий его разряд током до нуля не является таким сигналом при правильно выбранном токе и емкости вне зависимости от времени заряда и разряда (пауза она примерно = const).

[Oldring]

У Вас в теореме есть, так сказать, отверстие. И находится оно в параметрах сигнала, при которых возникает метастабильность у ТШ. Да, принципиально можно подать на ТШ такой сигнал, который введет его в метастабильное сотояние. Но импульс напряжения, определенный как заряд конденсатора от нуля постоянным током, пауза и последующий его разряд током до нуля не является таким сигналом при правильно выбранном токе и емкости.

Никакой дырки нет. Теорема верна для любой схемы, описываемой в непрерывном времени нелинейным дифуром. По крайней мере с ограниченным состоянием. Каким бы ни было сложным её внутреннее состояние - применимость теоремы не изменяется.

Нужно ли мне напоминать, что у Вас нет инструментов, не описывамых на самом деле таким дифуром?

Хитрости с внутренней конструкцией могут только изменить ширину и положение зоны метастабильности по входу.

PS Специальным образом спроектированная аналоговая схема может только иметь меньшую постоянную вемени выхода из метестабильного состояния, чем стандартный тригер. Плюс к тому же детектор наверное может быть полезен если защелкнутый входной сигнал проходит через развесистое ногоуровневое логическое дерево: в этом случае схема детектора метастабильности имеет больше времени чтобы выйти из метастабильности и его уже стабильный выход можно использовать для блокировки записи результатов вычисления логической функции, в которой запас времени меньше чем у детектора на время распространения сигнала по дереву.

[SM]

Нужно ли мне напоминать, что у Вас нет инструментов, не описывамых на самом деле таким дифуром?
Хитрости с внутренней конструкцией могут только изменить ширину и положение зоны метастабильности по входу.

Ну вот вам конкретный пример. Схема во вложении. Питание 5 вольт. Операционник пусть по параметрам (скорости нарастания и GBW) LM324 или шустрее вплоть до идеального. На входе может быть одиночный импульс амплитудой 5 вольт любой длительности c любыми скоростями нарастания фронтов. Главное - все уровни только между 0 и 5 вольт. Вопрос. При каких диапазонах длительности и/или скоростей нарастаний фронтов входного импульса на выходе сигнал будет меньше, чем 0.8 вольт менее чем 100 мкс?

А ответ - при уровнях входных сигналов 0..5 вольт решения нету. Для того, чтобы оно было, спад входного импульса должен уйти с достаточной скоростью в достаточный минус, что невозможно по условию.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Oldring]

Ну вот вам конкретный пример. Схема во вложении. Питание 5 вольт. Операционник пусть по параметрам (скорости нарастания и GBW) LM324 или шустрее вплоть до идеального. На входе может быть одиночный импульс амплитудой 5 вольт любой длительности c любыми скоростями нарастания фронтов. Главное - все уровни только между 0 и 5 вольт. Вопрос. При каких диапазонах длительности и/или скоростей нарастаний фронтов входного импульса на выходе сигнал будет меньше, чем 0.8 вольт менее чем 100 мкс?

А ответ - при уровнях входных сигналов 0..5 вольт решения нету. Для того, чтобы оно было, спад входного импульса должен уйти с достаточной скоростью в достаточный минус, что невозможно по условию.

Вот идеального операционника - не надо. Схема должна быть дифференцируема. Характеристика идеального операционника недифференцируема. Поэтому приближение идеального операционника, тем более, с положительной обратной связью с идеальными резсторами, банально неприменимо для анализа метастабильности.

В любом случае выход этого операционника - еще не цифровой домен, а аналоговый. Цифровой домен - это когда время дискретно. Вот когда захотите перейти в цифровой ломен и посмотреть, нет ли таких входных сигналов, при которых в заданном временном отрезке (сетап-холд) выход операционника оказывается вне диапазонов логических уровней - начнется самое интересное. Но не факт, что при этом сигнал на выходе операционника окажется хоть на небольше время меньше 0.8 вольт - вот это уже может оказаться невозможным. Действительно, могут не существовать входные сигналы, формирующие два полноценных логических перехода за заданное время, поэтому для _второго_ перехода теорема окажется неприменима - но достаточно метастабильности первого, если только существуют входные сигналы, позволяющие сформировать первый логический переход.

[SM]

В любом случае выход этого операционника - еще не цифровой домен, а аналоговый. Цифровой домен - это когда время дискретно.

Ну вот не надо этого, дискретного времени. Вся цифровая схема целиком работает в непрерывном времени, и анализируется тоже в нем.

Действительно, могут не существовать входные сигналы, формирующие два полноценных логических перехода за заданное время, поэтому для _второго_ перехода теорема окажется неприменима - но достаточно метастабильности первого, если только существуют входные сигналы, позволяющие сформировать первый логический переход.

Вы тут уже юлить начинаете. Суть в том, что если случился первый переход через порог, то в данной схеме при данных условиях из-за ПОС сигнал обязательно уйдет значительно ниже порога вплоть до какого-то Vmin, и выйдет из зоны ниже порога, не ранее чем через заданное время. Этого условия достаточно, чтобы избежать распространения метастабильности дальше компаратора с каким либо напряжением, меньшим указанного порога, и большим Vmin. На его выходе либо будет ноль, либо импульс с длительностью, не меньшей какой-то минимальной. И никаких "полуимпульсов".

[Oldring]

Ну вот не надо этого, дискретного времени. Вся цифровая схема целиком работает в непрерывном времени, и анализируется тоже в нем.

Метастабильность - это когда в заданом промежутке времени аналоговый сигнал, рассматриваемый как логический, оказывается вне стабльных логичесих уровней. Без задания этого отрезка времени и стабильных логических уровней говорить про "метастабильность" смысла не имеет.

Вы тут уже юлить начинаете. Суть в том, что если случился первый переход через порог, то в данной схеме при данных условиях из-за ПОС сигнал обязательно уйдет значительно ниже порога вплоть до какого-то Vmin, и выйдет из зоны ниже порога, не ранее чем через заданное время. Этого условия достаточно, чтобы избежать распространения метастабильности дальше компаратора с каким либо напряжением, меньшим указанного порога, и большим Vmin. На его выходе либо будет ноль, либо импульс с длительностью, не меньшей какой-то минимальной. И никаких "полуимпульсов".

Не достаточно. См. начало моего ответа. Если через 100 мкс задан интервал времени длиной в 1 микросекунду, внутри которого выход компаратора должен быть стабильным 0 или стабильной 1 - то существует ограниченный входной сигнал, который приведет выход _реального_ компаратора с ограниченной скоростью нарастания выхода в зону неопределенности как раз в заданный интервал времени в районе 100 мкс. И таких сигналов много - можно врьировать любой непрерывный параметр входного сигнала, влияющий на окончательный переход 0-1.

PS Боле того, даже просто ограничение скорости нарастания выхода компаратора еще не делает его достаточно реальным для применения Теоремы - его выход еще не зависит непрерывно от входа. Матрица дифура в пространстве состояний должна быть непрерывной, то есть усиление тоже должно быть ограниченным. У всех реальных компараторов усиление ограниченно.

[SM]

PS Боле того, даже просто ограничение скорости нарастания выхода компаратора еще не делает его достаточно реальным для применения Теоремы - его выход еще не зависит непрерывно от входа. Матрица дифура в пространстве состояний должна быть непрерывной, то есть усиление тоже должно быть ограниченным. У всех реальных компараторов усиление ограниченно.

Вы тут мозги-то не запудривайте. Вы на конкретный вопрос ответьте, заданный выше. Существует ли такой входной сигнал для той схемы, приведенной выше, являющийся импульсом любой длительности с любыми по крутизне фронтами, ограниченный снизу уровнем 0 вольт, начинающийся от уровня ноль вольт, достигающий любого уровня, но не более 5 вольт, и возвращающийся к 0 вольт, который привел бы к тому, что: a) напряжение на выходе опустится ниже уровня 0.8 вольт. б) напряжение на выходе, после достижения порога 0.8 вольт, не опустится пусть... до 0.5 вольт, и в) после этого не продержится на уровне <= 0.5 вольт хотя бы 100 микросекунд. Я ответ точно знаю, что при реальном операционнике LM324, и реальных резисторах и конденсаторах такого сигнала не существует. С этого разработка того блока и начиналась. А отсюда следует, что при условии, что за зону стабильного нуля принимает <= 0.5 вольт, а зону стабильной 1 >= 0.8 вольт, при входном воздействии импульсом указанного вида, эта схема не имеет метастабильного состояния на выходе. За допустимое время нахождения в нестабильной зоне для данной схемы можно взять, к примеру, 10 микросекунд (реальное время прохождения зоны нестабильности при самом неприятном входном воздействии около микросекунды). Таким образом, если с предыдущего каскада приходит именно такой сигнал, и никакой другой, то на выходе схемы метастабильности быть не может. И, заодно, эта схема сама является тем самым 3-им одновибратором, формирующим импульс сброса синхронизатора.

[Oldring]

Вы тут мозги-то не запудривайте. Вы на конкретный вопрос ответьте, заданный выше. Существует ли такой входной сигнал для той схемы, приведенной выше, являющийся импульсом любой длительности с любыми по крутизне фронтами, ограниченный снизу уровнем 0 вольт, начинающийся от уровня ноль вольт, достигающий любого уровня, но не более 5 вольт, и возвращающийся к 0 вольт, который привел бы к тому, что: a) напряжение на выходе опустится ниже уровня 0.8 вольт. б) напряжение на выходе, после достижения порога 0.8 вольт, не опустится пусть... до 0.5 вольт, и в) после этого не продержится на уровне <= 0.5 вольт хотя бы 100 микросекунд. Я ответ точно знаю, что при реальном операционнике LM324, и реальных резисторах и конденсаторах такого сигнала не существует. С этого разработка того блока и начиналась. А отсюда следует, что при условии, что за зону стабильного нуля принимает <= 0.5 вольт, а зону стабильной 1 >= 0.8 вольт, при входном воздействии импульсом указанного вида, эта схема не имеет метастабильного состояния на выходе. За допустимое время нахождения в нестабильной зоне для данной схемы можно взять, к примеру, 10 микросекунд (реальное время прохождения зоны нестабильности при самом неприятном входном воздействии около микросекунды). Таким образом, если с предыдущего каскада приходит именно такой сигнал, и никакой другой, то на выходе схемы метастабильности быть не может. И, заодно, эта схема сама является тем самым 3-им одновибратором, формирующим импульс сброса синхронизатора.

Сергей, успокойтесь. Никто Вам мозги не парит. Вы просто не понимаете. Дело в том, что не важно, существует такой сигнал или нет, как Вы спрашивате - важно, что Вы заблуждаетесь, когда думаете, что одной гарантированной минимальности длительности импульса сброса входного триггера достаточно, чтобы не пролезла метастабильность в цифровую схему, которую эта схема сбрасывает. Еще нужно, чтобы этот имульс сброса первого триггера не пришел слишком поздно перед сэмплироанием входа вторым, а Ваша схема это гарантировать с нулевой вероятностью не может.

Другое дело, сколько наносекунд или микросекунд достаточно для того, чтобы метастабильность никогда не увидеть в реальности. Выход из метастабильности происходит по экспоненте, постоянная времени определяется усилением положительной обратной связи линеаризованной модели вблизи нестабильной траектории, 50 сигм, к примеру, более чем достаточно, чтобы эту метастабильность никогда не увидеть. Только подозреваю, что за эти 10 микросекунд ожидания для обычного цифрового триггера пройдет гораздо больше 50 сигм - так зачем городить дополнительно что-то?

[SM]

Сергей, успокойтесь. Никто Вам мозги не парит. Вы просто не понимаете. Дело в том, что не важно, существует такой сигнал или нет, как Вы спрашивате - важно, что Вы заблуждаетесь, когда думаете, что одной гарантированной минимальности длительности импульса сброса входного триггера достаточно, чтобы не пролезла метастабильность в цифровую схему, которую эта схема сбрасывает. Еще нужно, чтобы этот имульс сброса первого триггера не пришел слишком поздно перед сэмплироанием входа вторым, а Ваша схема это гарантировать с нулевой вероятностью не может.

Да нет, я-то как раз все это понимаю, а Вы забываете условия, при которой работает схема. Я говорю про предыдущие каскады, формирующие импульс ее запуска. Она, эта схема, гарантирует импульс сброса именно до семлирования выхода вторым триггером. Более того, второй триггер с этой схемой не нужен, можно сразу ветвить в логику выход первого, так как он будет 100% в нуле при любой опасности метастабильности, и занулится он через задержку, определяемую суммой времен распространения через одновибратор №1, запускаемый клоком, элемента И и данного триггера Шмитта. Это время очень невелико в реальной схеме, которая отнюдь не на LM324. Таким образом импульс сброса не может поступить раньше фронта клока, что гарантирует защелкивание текущего состояния триггера следующими каскадами, и его длительность рассчитана так, что он закончится за достаточное время до прихода следующего фронта клока. И, так как сброс асинхронный, то он произойдет практически мгновенно (относительно периода клока) после фронта клока, на котором обнаружена опасность метастабильности, и (я думаю Вы знакомы со схемами CMOS-триггеров) независимо от того, в каком состоянии триггер находился, включая метастабильное.

10 микросекунд и LM324 это лишь для примера было, реальный цифры там совсем другие.