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Hallo,

ich habe zwei RS-Flipflops aus NAND-Gattern gebaut. Die erste Variante basiert auf dem Typ 74HC00(NAND). Die zweite Variante besteht aus 74HC132(NAND mit Schmitt Trigger).

Das Ziel dieser FlipFlops war es diese auf Metastabilität zu untersuchen indem die Eingangssignale gleichzeitig gesetzt werden. Beide Varianten haben unter verschiedenen Testbedingungen meta-stabiles Verhalten gezeigt. Jedoch sind die Phänomene zwischen den beiden Logik-Typen unterschiedlich. Gleiche Eingangsbedingungen erzeugt unterschiedliches metastabiles Verhalten.

Durch was wird das verursacht? Meine erste Vermutung bezieht sich auf die zwei offensichtlichen Unterschiede. Zum einen ist die Signallaufzeit im 74HC132 höher und zum anderen hat dieser Typ feste Schaltschwellen (mit Hysterese). Das 74HC00 hat keine Hysterese.

Jedoch fehlt mir ein wenig Theorie um diese Vermutungen zu begründen. Vielleicht liegt die Ursache aber auch ganz woanders.

Das war zwar recht allgemein, eine detaillierte Beschreibung würde aber zu lang ausfallen.

Falls mir jemand die Gründe für das Unterschiedliche Verhalten erklären kann, wäre ich sehr dankbar.

Gruß
Jens

Hallo

beim metastabilen Zustand von FF ist natürlich die Eingangscharakteristik der verwendeten Gatter entscheidend.
Diese ist beim HC00 und beim HC132 logischerweise recht unterschiedlich, weil der HC132 Schmitt-Trigger Eingänge hat.
Dass die unterschiedlichen Signallaufzeiten eine Rolle spielen ist ebenfalls möglich, das wird man aber erst im hohen MHz-Bereich feststellen können.

Mit vielen freundlichen Grüssen Thomas Kuster

Beim metastabilen Zustand werden durch die (verbotenen) Eingangszustände beide Ausgänge gesetzt (rückgesetzt (je nach Gattertyp des Aufbaus)

Nun sollen GLEICHZEITIG die beiden Eingänge zurückgesetzt werden. Was du als gleichzeitig empfindest, ist aber lange noch nicht gleichzeitig. Länge der Verbindungen, kapazitive Belastung der Pins, unterschiedliche interne Laufzeiten usw ergeben kleine Unterschiede, die nicht beherrschbar / voraussehbar sind.

Diesen Zustand im Betrieb einer Schaltung zu erzeugen, sollte durch die Schaltungsauslegung sowieso ausgeschlossen werden. Dieser Zustand ist auch zu nichts nützlich. Deine Untersuchung daher eher akademischen Charakters. Willst du auf etwas bestimmtes raus?

hws

» Beim metastabilen Zustand werden durch die (verbotenen) Eingangszustände
» beide Ausgänge gesetzt (rückgesetzt (je nach Gattertyp des Aufbaus)
»
» Nun sollen GLEICHZEITIG die beiden Eingänge zurückgesetzt werden. Was du
» als gleichzeitig empfindest, ist aber lange noch nicht gleichzeitig. Länge
» der Verbindungen, kapazitive Belastung der Pins, unterschiedliche interne
» Laufzeiten usw ergeben kleine Unterschiede, die nicht beherrschbar /
» voraussehbar sind.
»
» Diesen Zustand im Betrieb einer Schaltung zu erzeugen, sollte durch die
» Schaltungsauslegung sowieso ausgeschlossen werden. Dieser Zustand ist auch
» zu nichts nützlich. Deine Untersuchung daher eher akademischen Charakters.
» Willst du auf etwas bestimmtes raus?
»
» hws

Danke schon mal für die Antwort.
Du hast recht, diese Untersuchung ist akademischen Charakters.
Das parasitäre Effekte (z.B. Kapazitäten) die Gleichzeitigkeit erschweren ist soweit klar. Das ist aber nicht das Problem. Ich habe bereits beide Varianten in den metastabilen Zustand gebracht. Jedoch sehen diese beim 74HC00 und beim 74HC132 unterschiedlich aus. Der Grund dafür scheint mir im Aufbau dieser Gatter zu liegen, nicht z.B. in der Länge der Zuleitungen (diese sind im meinem besonderen Fall auch gleich).

Ich vermute das der Unterschied in der Eingangscharakteristik der beiden Typen liegt. Jedoch kann ich das nicht vernünftig argumentieren, weil mir hier das tiefe Wissen fehlt.

Anbei sind zwei Messungen (ein Bild vom 00 und eins vom 132).

Jens

http://www.elektronik-kompendium.de/forum/upload/20091120132545.zip

Hallo hws,

» hws schrieb:
» Beim metastabilen Zustand werden durch die (verbotenen) Eingangszustände
» beide Ausgänge gesetzt (rückgesetzt (je nach Gattertyp des Aufbaus)

Das ist richtig, aber metastabile Zustände können auch durch nicht verbotene Eingangszustands-Änderungen hervorgerufen werden, z.B. durch (mehr oder weniger) gleichzeitige - aber nicht als solche geplante bzw. vorhersehbare - Änderungen an synchronen und asynchronen Eingängen. Natürlich könnte man solche Zustandsänderungen auch als "verboten" betrachten, aber sie lassen sich eben nicht immer vermeiden, man denke nur an hoch-priorisierte Interrupt-Eingänge.

» Diesen Zustand im Betrieb einer Schaltung zu erzeugen, sollte durch die
» Schaltungsauslegung sowieso ausgeschlossen werden.

Da bin ich mir nicht sicher, ob das immer möglich ist.

» Dieser Zustand ist auch zu nichts nützlich. Deine Untersuchung daher eher akademischen Charakters.

Nützlich ist ein solcher Zustand keineswegs. Aber da er sich nicht grundsätzlich vermeiden lässt, macht es m.E. durchaus Sinn, sich damit zu befassen, insbesondere die Dauer solcher unerwünschten Zustände in Abhängigkeit von externen Zuständen zu ergründen. Da solche metastabilen Zustände eben nicht absolut vermeidbar sind, sollte man zumindest Bescheid wissen, nach welcher (max.) Zeit sie wieder geklärt sind, sodass das FF wieder bereit ist. Ganz wichtig ist diese Angelegenheit in der Kernmesstechnik, wo es darauf ankommt, ultraschnelle Vorgänge nicht zu mis-interpretieren, aber auch nicht zu viel Zeit zu verlieren. Nicht umsonst werden in Industrie-Datenblättern gelegentlich entsprechende Angaben gemacht.
Bin deshalb der Meinung, dass solche Untersuchungen nicht nur akademischen Charakter haben.

Jetzt fällt mir noch ein ganz billiger Vergleich ein: Brände sind ebenfalls äußerst unerwünscht (man könnte auch sagen: verboten). Aber eine rein akademische Feuerwehr würde wohl nicht viel dagegen ausrichten

--
Gruß, erikl

hi erikl,

» Bin deshalb der Meinung, dass solche Untersuchungen nicht nur akademischen
» Charakter haben.
»
» Jetzt fällt mir noch ein ganz billiger Vergleich ein: Brände sind
» ebenfalls äußerst unerwünscht (man könnte auch sagen: verboten). Aber eine
» rein akademische Feuerwehr würde wohl nicht viel dagegen ausrichten

Passt!

Gerade in den elektronischen "Grenzgebieten" ist das Wissen um die Metastabilität eine wichtige Angelegenheit.

Also, ich möchte nicht haben, dass mir ein Satellit auf den Kopf fällt!

In eigenen Links der Halbleiterhersteller - Logiken-Hersteller findest einiges an Infos
über die verwendeten Materialien, die ja entscheidend mitspielen.

Ein Spielzeug für einen Bastler ist egal, wie es hüpft,
aber ein Spaceshuttle oder ok, näher, die Bahn -
da möchte ich nicht dabei sein, wenn die Bremse versagt.

Ein Auszug:
http://embsys.technikum-wien.at/staff/balog/documents/course-material/metastab_1996.pdf

Wie bekommt man es in einem FPGA in den Griff:
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/35-Einsynchronisieren

"Auiso... 'Einsinkronisiearn?!"
"Des mochst gaunz afoch so, dasst die'ch Zrucklahnst und hepp dei'n Six-Pack hochhebst!"
Daun bist automatisch in ana stabiln Lage - gnucnk gluck,, sich'st! passt scho..!" prost, skol....


Grüße
Gerald

--
...und täglich grüßt der PC:
"Drück' ENTER! Feigling!"

» Varianten in den metastabilen Zustand gebracht. Jedoch sehen diese beim
» 74HC00 und beim 74HC132 unterschiedlich aus.

Für den 00 und 132 sollte sich evtl die Innenschaltung finden lassen. Bei den 74LS Typen war das kein Problem, bei den 74HC fällt mir im Moment nix ein.

Kannstt du mit Spice (evtl speziell LT-Spice) umgehen? Dann könntest du die Schaltung simulieren.

Bei LT Spice kriegst du eine Gleichzeitigkeit hin. Ein astabiler Multivibrator schwingt z.B. nicht an, weil er vollkommen symmetrisch aufgebaut ist und keine Störung, Rauschen u.ä. eingekoppelt wird (wenn man's nicht explizit selber macht)

» Der Grund dafür scheint mir im Aufbau dieser Gatter zu liegen

Ja, logisch. Die "Zuleitung" hört ja nicht am IC-Beinchen auf, dann kommen die Eingangstransistoren / FET's ... und intern hast du auch unterschiedliche FF-Schaltung.

» Jedoch kann ich das nicht vernünftig argumentieren, weil mir
» hier das tiefe Wissen fehlt.

Das Wissen worüber? Wenn du die Innenschaltung hättest, was wäre dann besser?
Wohin willst du denn argumentieren. Bzw die Frage meines vorigen Beitrages:
» » Willst du auf etwas bestimmtes raus?

» Anbei sind zwei Messungen (ein Bild vom 00 und eins vom 132). http://*.zip

Argghh - ein Archiv. Muss ich ja erst speichern und entpacken, bevor ich's ansehe. Und unbekannte Archive hab ich nicht gern, weil ich nicht weiss, welche Viren drin lauern. Aber ok, das sind genau die Bildchen, die man mal in der Vorlesung gezeigt bekmmen hat.
Bevor sich die beiden Schaltungshälften einig sind, wer welchen Zustad annimmt, schwingen die erstmal rum. Soll ja nicht nur in der Elektronik vorkommen

hws

Zweimal bin ich mit metastabilen Zuständen konfrontiert worden:
Einmal im Studium daher mein Ausdruck "akademisch"
Und dann nochmal auf einem Lttice Seminar über Gal's (als die noch nagelneu waren). Da war was mit "adjactend nodes"

Ansonsten hab ich "praktische Schaltungen" gemacht wo ich über metastabile Zustände nicht nachdenken musste.

hws

» Zweimal bin ich mit metastabilen Zuständen konfrontiert worden:
» Einmal im Studium daher mein Ausdruck "akademisch"
» Und dann nochmal auf einem Lttice Seminar über Gal's (als die noch
» nagelneu waren). Da war was mit "adjactend nodes"
»
» Ansonsten hab ich "praktische Schaltungen" gemacht wo ich über metastabile
» Zustände nicht nachdenken musste.
»
» hws


----
hi,

Ja, stimmt. Mir ging es genauso.
Mit Lattice im Seminar, informativ (Downloads) auch mit Xilinx
und sonst theoretisch früher in der Berufsschule.

Ein paar mal spielte ich, um da was auszureizen.
War mir aber immer Zeit raubend.

Sonst brauchte ich beruflich praktisch auch nicht darüber nachdenken.
Im Hinterkopf ists zwar, jedoch kannst es eh gleich mit einfließen lassen
in den Entwicklungen, um das Wichtige aussen vor halten zu können.
Wennst weißt, wie und was der Hersteller empfiehlt, und du dich danach hältst,
kannst davon ausgehen, dass solche Störungen so gut wie "nie" auftreten.
Sonst.... ". - naja, die Garantie ist eh schon abgelaufen..!"

Fehlt nur noch das "Alpha"-Teilchen; das "Alpha"-Gate


Grüße
Gerald

--
...und täglich grüßt der PC:
"Drück' ENTER! Feigling!"

» Kannstt du mit Spice (evtl speziell LT-Spice) umgehen? Dann könntest du
» die Schaltung simulieren.
Ja, parralel habe ich immer alles in LT-Spice simuliert. Allerdings ist es nicht ganz dasselbe, weil dort die Nebeneffekte nicht auftreten. Mir geht es auch nicht darum zu zeigen, wie sich die beiden Gatter verhalten. In erster Linie möchte ich verstehen wieso sie sich unterschiedlich verhalten.

» Das Wissen worüber? Wenn du die Innenschaltung hättest, was wäre dann
» besser?
» Wohin willst du denn argumentieren. Bzw die Frage meines vorigen
» Beitrages:
» » » Willst du auf etwas bestimmtes raus?
Ok, ich versuch es mal etwas konkreter zu beschreiben. Wie in den Bildern zu sehen ist, schwingt die Eine Schaltung während des kompletten Low-Pegels (74HC132) und die andere Schaltung stabilisiert sich nach kurzer Zeit(74HC00). Die Schaltung die sich stabilisiert konnte ich nicht dazu kriegen sich wie die andere Schaltung zu verhalten. Das ist im Wesentlichen was ich verstehen möchte.

Achso.... das zip war, weil ich zwei Dateien zeigen wollte. Danke das du das Risiko auf dich genommen hast

Gruß
Jens

» Wie in den Bildern zu sehen ist, schwingt die Eine Schaltung ...

Versuche, die Innenschaltung der beiden IC's zu bekommen. Vielleicht kann man daraus was erkennen - vielleicht auch nicht.

Solange du das Gatter nur als BlackBox siehst, kannste nicht viel drüber aussagen.

» Achso.... das zip war, weil ich zwei Dateien zeigen wollte...

Du kannst auch 2 Dateien hochladen. (ich glaube, dann sogar 2x 150000 Bytes?)

hws