diplomovÁ prÁca peter kovÁČdiplom.utc.sk/wan/684.pdf · 2006. 9. 11. · Žilinská univerzita...
TRANSCRIPT
Digitálny merač frekvencie s kalibráciou
DIPLOMOVÁ PRÁCA
PETER KOVÁČ
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií
Študijný odbor: RÁDIOKOMUNIKÁCIE
Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Rudolf Hronec, PhD.
Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: 19.5.2006
ŽILINA 2006
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta,
Katedra telekomunikácií
_____________________________________________________________
ANOTAČNÝ ZÁZNAM – DIPLOMOVÁ PRÁCA
Priezvisko a meno: Peter Kováč Rok 2005/2006
Názov diplomovej práce: Digitálny merač frekvencie s kalibráciou
Počet strán text. časti: 55 Počet obrázkov: 21 Počet tabuliek: 5
Počet grafov: 0 Počet strán príloh: 8 Počet použ. lit.: 37
Anotácia:
Cieľom diplomovej práce je nájsť spôsob pre spresnenie výsledkov merania frekvenčných
čítačov. Nosná časť je venovaná nestabilite kryštálových oscilátorov a výrobe normálovej
frekvencie pomocou systému GPS.
Annotation:
The object of this thesis is to find technique how to improve measured results of
frequency counters. The main part deals with unstability of crystal oscillators and
producting frequency standard through the use of GPS system.
Kľúčové slová: frekvenčný čítač, oscilátor, stabilita, presnosť, synchronizácia, GPSDO
Vedúci práce: doc. Ing. Rudolf Hronec, PhD.
Recenzent: Ing. Vladimír Hottmar, PhD.
Dátum: 19. 5. 2005
Abstrakt. Projekt sa zaoberá problematikou merania frekvencií z hľadiska presnosti
merania, objasňuje výhody, resp. nevýhody rôznych meracích metód a chyby merania.
Výsledkom práce je frekvenčný čítač s časovou základňou synchronizovanou
s atómovými hodinami družíc satelitnej navigácie GPS NAVSTAR.
I
Obsah
1. ÚVOD.................................................................................................................................................... 1 2. MERAČ FREKVENCIE – FREKVENČNÝ ČÍTAČ VŠEOBECNE.............................................. 2
2.1. METÓDY MERANIA FREKVENČNÝMI ČÍTAČMI A CHYBY METÓD .................................................... 2 2.1.1 Meranie inverznej periódy....................................................................................................... 2 2.1.2 Meranie počtu impulzov v známom čase (konvenčná metóda) ................................................ 3 2.1.3 Meranie periódy známeho počtu impulzov (recipročná metóda)............................................ 4
2.2. CELKOVÁ CHYBA MERANIA........................................................................................................... 4 2.3. ELIMINÁCIA CHÝB MERANIA ......................................................................................................... 5 2.4. INÉ PARAMETRE FREKVENČNÉHO ČÍTAČA ..................................................................................... 6
2.4.1 Rozlíšenie................................................................................................................................. 6 2.4.2 Rozsah...................................................................................................................................... 6
3. METROLÓGIA ČASU A FREKVENCIE........................................................................................ 8 3.1. ZÁKLADNÉ POJMY......................................................................................................................... 9 3.2. HISTÓRIA MERANIA ČASU............................................................................................................ 12
3.2.1 Kalendár ................................................................................................................................ 12 3.2.2 Meranie času na báze striedania dňa a noci ......................................................................... 13 3.2.3 Čas založený na dynamike slnečného systému....................................................................... 14 3.2.4 Atómové meranie času........................................................................................................... 14 3.2.5 Koordinovaný univerzálny čas – UTC................................................................................... 16
3.3. NESTABILITA ČASU A FREKVENCIE.............................................................................................. 17 3.3.1 Spôsoby merania nestability .................................................................................................. 17 3.3.2 Allanova odchýlka ................................................................................................................. 18
3.4. ETALÓNY FREKVENCIE................................................................................................................ 19 3.4.1 Etalóny s kryštálom kremíka.................................................................................................. 20 3.4.2 Rubídiové etalóny .................................................................................................................. 23 3.4.3 Céziové etalóny...................................................................................................................... 24 3.4.4 Vodíkové masery.................................................................................................................... 25
3.5. SPÔSOBY POROVNÁVANIA ČASU ................................................................................................. 25 3.5.1 Transport hodín ..................................................................................................................... 25 3.5.2 Jednosmerný prenos elektromagnetických signálov .............................................................. 26 3.5.3 Obojsmerný prenos elektromagnetických signálov................................................................ 27
3.6. SYSTÉMY NA PRENOS ČASU ......................................................................................................... 28 3.6.1 Zvukové časové signály.......................................................................................................... 29 3.6.2 Časová služba cez telefón ...................................................................................................... 29 3.6.3 Časová služba cez Internet .................................................................................................... 29 3.6.4 Rozhlasové a televízne vysielanie .......................................................................................... 30 3.6.5 Rádiové časové signály.......................................................................................................... 31 3.6.6 CDMA mobilné siete.............................................................................................................. 31 3.6.7 GPS NAVSTAR ...................................................................................................................... 32 3.6.8 TWSTFT................................................................................................................................. 34
3.7. NADVÄZNOSŤ ČASU A FREKVENCIE ............................................................................................ 35 4. VÝBER ČASOVEJ ZÁKLADNE PRE FREKVENČNÝ ČÍTAČ................................................. 36
4.1. MOŽNOSTI VZDIALENEJ SYNCHRONIZÁCIE ČASOVEJ ZÁKLADNE ................................................. 37 4.2. VÝHODY GPS SYNCHRONIZÁCIE ČASOVEJ ZÁKLADNE ................................................................ 38
5. FREKVENČNÝ ČÍTAČ S GPS KALIBRÁCIOU.......................................................................... 39 5.1. BLOKOVÁ KONCEPCIA OBVODU .................................................................................................. 39 5.2. FREKVENČNÝ ČÍTAČ.................................................................................................................... 39 5.3. ČASOVÁ ZÁKLADŇA SYSTÉMU .................................................................................................... 40 5.4. TEPLOTNÁ STABILIZÁCIA ČASOVEJ ZÁKLADNE ........................................................................... 41 5.5. MERAČ FÁZOVÉHO ROZDIELU GPS A ČASOVEJ ZÁKLADNE ......................................................... 42 5.6. ČINNOSŤ SOFTVÉRU PRE FÁZOVÚ SYNCHRONIZÁCIU ................................................................... 45 5.7. ZOBRAZOVACIA JEDNOTKA......................................................................................................... 47 5.8. KOMUNIKÁCIA ............................................................................................................................ 48
II
5.9. OVLÁDANIE................................................................................................................................. 49 6. VÝVOJOVÉ PROSTREDIE CODEVISIONAVR ......................................................................... 51 7. MOŽNOSTI VYUŽITIA................................................................................................................... 51 8. ZÁVER ............................................................................................................................................... 52 ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY..................................................................................................... 54
III
Zoznam obrázkov a tabuliek
Obr. 2.1 Meranie frekvencie s čítačom s preddeličkou ......................................................6 Obr. 2.2 Meranie frekvencie s čítačom s heterodynom ......................................................7 Obr. 2.3 Meranie frekvencie s čítačom s fázovým závesom PLL ......................................7 Obr. 3.1 Vzťah medzi dlhodobou a krátkodobou nestabilitou............................................9 Obr. 3.2 Vzťah medzi presnosťou a nestabilitou ..............................................................10 Obr. 3.3 Schematické znázornenie merania časovej nestability .......................................17 Obr. 3.4 Typický priebeh závislosti Allanovej odchýlky σy(τ) od τ ................................19 Obr. 3.5 Závislosť frekvencie od teploty pri TCXO oscilátore ........................................21 Obr. 3.6 Principiálna schéma TCXO oscilátora................................................................21 Obr. 3.7 Principiálna schéma OCXO oscilátora ...............................................................22 Obr. 3.8 Porovnanie teplotnej charakteristiky kryštálov s rezom AT a SC......................22 Obr. 3.9 Principiálna schéma MCXO oscilátora ..............................................................23 Obr. 3.10 Principiálna schéma rubídiového oscilátora .....................................................24 Obr. 3.11 Princíp porovnávania času metódou common view .........................................27 Obr. 3.12 Záznam fázovej odchýlky GPS prijímača pred a po zrušení SA......................34 Obr. 3.13 Porovnanie dvoch hodín pomocou TWSTFT...................................................34 Obr. 3.14 Pyramída nadväznosti času a frekvencie ..........................................................35 Obr. 3.15 Reťaz nadväznosti času a frekvencie pri kalibrácii cez GPS............................35 Obr. 5.1 Bloková schéma frekvenčného čítača s GPS synchronizáciou...........................39 Obr. 5.2 Časové priebehy pri meraní fázy medzi PPS a VCXO.......................................43 Obr. 5.3 Formát paketu, ktorým komunikujú mikropočítače ...........................................48
Tab. 2.1 Parametre niektorých preddeličiek .......................................................................6 Tab. 3.2 Prehľad rôznych typov oscilátorov.....................................................................20 Tab. 3.2 Prehľad systémov na prenos času a normálovej frekvencie ...............................28 Tab. 3.3 Presnosť systémy GPS........................................................................................33 Tab. 3.4 Metódy časovej a frekvenčnej synchronizácie pri systéme GPS........................33
IV
Zoznam skratiek a symbolov
μP microprocessor
mikroprocesor
AM Amplitude Modulation
amplitúdová modulácia
BIH Bureau International de l'Heure
medzinárodné ústredie pre čas
BIPM Bureau International des Poids et Mesures
medzinárodný úrad pre miery a váhy
C/A code Coarse Acquisition Code
kód pre hrubé určenie pozície v GPS
CDMA Code Division Multiple Access
viacnásobný prístup s kódovým delením
DOCXO Double Oven Controlled Crystal Oscillator
kryštálový oscilátor v dvojitej teplotnej komore
DPS Doska Plošného Spoja
ECL Emitter Coupled Logic
tranzistorový obvod viazaný emitorom
EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
elektricky mazateľná pamäť ROM
EFC Electric Frequency Control
frekvencia riadená elektricky (napätím)
FIR Finite Impulse Response
filter s konečnou impulzovou odozvou
FM Frequency Modulation
frekvenčná modulácia
GLONASS GLObal NAvigation Satellite System
globálny satelitný navigačný systém
GMT Greenwich Mean Time
greenwichský čas
GPS Global Positioning System globálny polohový systém
V
GPSDO GPS Disciplined Oscillator
oscilátor riadený s GPS
GSM Global System for Mobile comunication
globálny systém pre mobilné komunikácie
IC Integrated Circuit
integrovaný obvod
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
inštitút elektrotechnických a elektronických inžinierov
IERS International Earth Rotation Service
medzinárodná služba pre rotáciu Zeme
IIR Infinite Impulse Response
filter s nekonečnou impulzovou odozvou
ISP In-System Programming
štandard umožňujúci programovanie mikropočítačov v pôvodnej aplikácii
ITU International Telecommunication Union
medzinárodný telekomunikačný zväz
JD Julian Date
Juliánsky dátum
KO Klopný Obvod
MASER Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation
mikrovlnné zosilňovanie, pracujúce na základe vzbudenej emisie žiarenia
atómov
MCXO Microcomputer-Compensated Crystal Oscillator
kryštálový oscilátor stabilizovaný mikropočítačom
MJD Modifiend Julian Date
modifikovaný Juliánsky dátum
NASA National Aeronautics and Space Administration
národný úrad pre letectvo a kozmonautiku
NAVSTAR NAVigation Satellite for Timing And Ranging
navigačný satelit pre časové a polohové služby
NF Nízka Frekvencia
NIST National Institute of Standards and Technology
národný inštitút normalizácie a techniky
VI
NTP Network Time Protokol
protokol pre synchronizáciu vnútorných hodín počítačov po paketovej sieti
s premenným spoždením
OCXO Oven Controlled Crystal Oscillator
kryštálový oscilátor v teplotnej komore
OEM Original Equipment Manufacturer
výrobca originálnych zariadení
P code Precision Code
kód pre presnejšie určenie pozície v GPS
PLL Phase Locked Loop
slučka fázového závesu
PPB Part Per Billion
čiastka z miliardy (109)
PPM Part Per Million
čiastka z milióna (106)
PPS Precise Positioning Service
služba pre presné určenie polohy v GPS
PPS Pulse Per Seccond
impulz za sekundu (signál s frekvenciou 1Hz)
PRN Pseudo–Random Noise
pseudonáhodný šum
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
fyzikálno – technický ústav v Mainflingene pri Hanau
PWM Pulse Width Modulation
modulácia šírky impulzu
RbXO Rubidium Crystal Oscillator
oscilátor s rubídiovým kryštálom
RDS Radio Data System
prenos doplnkových informačných údajov prostredníctvom FM rádia
RTC Real Time Clock
hodiny reálneho času
SA Selective Availability
zámerná chyba na znepresnenie GPS
VII
SI Système International d'unités
medzinárodná sústava jednotiek SI
SMÚ Slovenský Metrologický Ústav
SNAS Slovenská Národná Akreditačná Služba
SPS Standard Positioning System
služba pre štandardné určenie polohy v GPS
TAI Temps Atomique International
medzinárodný atómový čas
TCXO Temperature Compensated Crystal Oscillator
kryštálový oscilátor s teplotnou kompenzáciou
TEC Thermoelectric Cooler
polovodič, ktorý sa dokáže hriať aj chladiť v závislosti od polarity prúdu
TIC Time Interval Counter
merač časového intervalu
TWSTFT Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer
obojsmerný satelitný systém na prenos času a frekvencie
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
univerzálny mobilný telekomunikačný systém
USDOD United States Department Of Defense
ministerstvo obrany Spojených štátov
UT Universal Time
svetový čas
UTC Universal Coordinated Time
koordinovaný svetový čas
VCO Voltage Controlled Oscillator
napätím preladiteľný oscilátor
VCTCXO Voltage Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator
napätím preladiteľný kryštálový oscilátor s teplotnou kompenzáciou
VCXO Voltage Controlled Crystal Oscillator
napätím preladiteľný kryštálový oscilátor
VF Vysoká Frekvencia
XO Crystal Oscillator
kryštálový oscilátor
Úvod
1
1. Úvod Jednotka času sekunda patrí medzi základné jednotky SI sústavy. Je definovaná ako
doba trvania 9 192 631 770 periód svetelného žiarenia, ktoré zodpovedá prechodu medzi
dvoma hladinami veľmi jemnej štruktúry atómu Cézia 133 v základnom stave. Aj keď
sekunda má zo všetkých základných veličín najmenšiu neurčitosť definície (cca 10-15), jej
meranie v bežných podmienkach zďaleka nie je také presné.
Princíp merania je založený na porovnávaní neznámeho - meraného času so
známym časom, tzv. etalónom. To isté platí aj pre frekvenciu, keďže 1 Hz = 1s-1. Pre
bežnú potrebu merania času a frekvencie sa ako časové základne – etalóny používajú
oscilátory s kryštálom kremenného výbrusu, tzv. Quartz kryštály. Pri požiadavke
presného merania času a frekvencie sú parametre Quartz kryštálov s hľadiska presnosti
a stability nevyhovujúce. Preto je nutné siahnuť po iných alternatívach.
Táto práca popisuje všetky možné spôsoby stabilizácie kremenných kryštálov a tiež
„približuje“ tematiku presnejších oscilátorov – atómových hodín.
Základná časť z výsledku práce, oscilátor riadený atómovými hodinami z GPS, má
omnoho širšie využitie ako len časová základňa pre frekvenčný čítač. V kombinácii
s obvodom reálneho času RTC (Real Time Clock) môže tiež slúžiť ako etalón času.
Generátory ako etalóny času a frekvencie majú nezastupiteľné miesto v metrológii
času a frekvencie, v navigácii a v určovaní polohy vzdušných a pozemných objektov, vo
vojenskom sektore, telekomunikáciách, atď. Na báze týchto generátorov je založený
medzinárodný čas TAI, UTC ako aj v súčasnosti najprogresívnejší satelitný systém GPS.
Problematiku presného času objasňuje kapitola 3. metrológia času a frekvencie.
Merač frekvencie – frekvenčný čítač všeobecne
2
2. Merač frekvencie – frekvenčný čítač všeobecne Keďže v dnešnej dobe sa na meranie frekvencie používajú prevažne frekvenčné
čítače, táto práca je zameraná len na tento spôsob merania.
2.1. Metódy merania frekvenčnými čítačmi a chyby metód
V nasledujúcich odvodeniach a výpočtoch budú použité tieto symboly: N – počet impulzov v čítači po meraní
M – celočíselná hodnota ktorou sme delili meranú frekvenciu
Fk – známa frekvencia časovej základne
Fx – meraná frekvencia bez iných chýb v meraní
Fm – nameraná frekvencia
Finv – zmeraná frekvencia po vydelení metódou inverznej periódy
δ – chyba metódy merania
2.1.1 Meranie inverznej periódy
Je najjednoduchšie realizovateľnou metódou zo všetkých meracích metód.
Počet napočítaných impulzov v čítači po meraní bude :
alebo
podľa toho, či meraná frekvencia je fázovo synchronizovaná s časovou základňou čítača.
Z tohto vieme určiť meranú frekvenciu podľa :
Po dosadení za N dostaneme
alebo alebo
Po zjednodušení
alebo alebo
Chybu merania môžeme určiť ako:
x
k
FFN =
NFF k
m =
1±=x
k
FFN
1+=
x
k
km
FF
FF
x
k
km
FFFF =
1−=
x
k
km
FF
FF
xk
xkm FF
FFF+
=*
xm FF =xk
xkm FF
FFF−
=*
x
xm
FFF −
=δ
Merač frekvencie – frekvenčný čítač všeobecne
3
Čiže,
ak je meraná frekvencia synchronizovaná s časovou základňou:
Fm=Fx ,
alebo ak nie je meraná frekvencia synchronizovaná s časovou základňou:
pre Fm>Fx
pre Fm>Fx
Z chyby tejto meracej metódy vidíme, že metóda inverznej periódy je vhodná
predovšetkým na meranie nízkych frekvencií, pričom Fk>>Fx.
2.1.2 Meranie počtu impulzov v známom čase (konvenčná metóda)
Táto metóda je najviac používanou metódou na meranie frekvencie.
Počet napočítaných impulzov v čítači po meraní bude :
alebo
Z tohto vieme určiť meranú frekvenciu podľa :
Po dosadení dostaneme:
alebo alebo
Po úprave sa výrazy zjednodušia:
alebo alebo
Chybu merania tejto metódy určíme ako:
Zo zápisu chyby je zrejmé, že táto metóda je vhodná pre meranie vysokých frekvencií,
pričom Fk<<Fx.
k
x
FFN =
NFF km *=
1±=k
x
FFN
xk
x
xk
k
x
xxk
xk
FFF
FFF
F
FFFFF
−=−
−=
−−= 1
*
δ
xk
x
xk
k
x
xk
xkx
FFF
FFF
FFFFFF
+=
+−=+
−= 1
*
δ
0=δ
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−= 1*
k
xkm F
FFF ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+= 1*
k
xkm F
FFF⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
k
xkm F
FFF *
kxm FFF −= xm FF = kxm FFF +=
x
k
x
xkx
x
xm
FF
FFFF
FFF
=−±
=−
=δ
Merač frekvencie – frekvenčný čítač všeobecne
4
2.1.3 Meranie periódy známeho počtu impulzov (recipročná metóda)
Táto metóda je kombináciou predchádzajúcich dvoch metód. Používa dva čítače.
Prvý adaptívny čítač vydelí meranú frekvenciu na požadovanú hodnotu a druhý čítač
meria periódu tejto podelenej frekvencie. Meranú frekvenciu určíme potom ako násobok
frekvencie získanej pri meraní periódy hodnotou, ktorou sme pred tým frekvenciu
podelili. Táto metóda však kladie veľké nároky na hardvér, hlavne na rýchlosť
hradlovacích obvodov a čítačov. Nevýhodou je dlhšia doba merania, lebo sa musí nájsť
vhodná hodnota M.
Chyba metódy:
Keďže táto metóda používa adaptívne delenie frekvencie, je preto vhodná na meranie
nízkych ako aj vysokých frekvencií s veľmi malou chybou.
Dalo by sa povedať, že recipročná metóda je tou správnou voľbou, ale zložitosť
merania, vysoká cena a nedostupnosť vhodných súčiastok zaraďujú túto meraciu metódu
do kategórie prístrojov, ktoré sú vyrábané len špičkovými výrobcami ako sú napr.
ANRITSU či WAVETEK a sú cenovo pre väčšinu užívateľov nedostupné.
2.2. Celková chyba merania
Okrem chyby samotnej meracej metódy sa do merania vnášajú aj iné chyby.
Najhlavnejšie sú:
• chyba ±1 číslo (pre všetky metódy merania frekvenčnými čítačmi)
• chyba hradlovacích obvodov
• chyba nepresnosti časovej základne.
Celková chyba = chyba meracej metódy + chyba ±1 číslo + chyba hradlovania + chyba
časovej základne
MFF invm *=
xk
x
xk
x
FFMF
MF
F
MF
−=
−=
*δ
Merač frekvencie – frekvenčný čítač všeobecne
5
2.3. Eliminácia chýb merania
Možnosti eliminácie chýb sú obmedzené.
Chybu ±1 číslo je možné odstrániť jedine synchronizovaním meranej frekvencie
s časovou základňou čítača. Znie to možno jednoducho, ale v praxi je to veľký problém,
hlavne pri vyšších frekvenciách. V skutočnosti sa nesynchronizuje samotný oscilátor
časovej základne s meranou frekvenciou, ale synchronizované je spúšťanie čítača na
nábežnú, resp. dobežnú hranu meranej frekvencie. Na to je potrebné použiť obvody, ktoré
sú veľmi rýchle a sú schopné pracovať do vysokých frekvencií.
Tohto roku sa dostali na trh ECL obvody, ktoré nesú označenie ECLinPS™ od firmy
ON Semiconductors®. Táto rada obvodov sa vyznačuje tým, že sú veľmi rýchle (rádovo
ps) a sú schopné pracovať do frekvencií aj niekoľko GHz. Tieto obvody by boli ideálne
pre stavbu frekvenčného čítača. V našich podmienkach sú zatiaľ nedostupné.
Chybu hradlovacích obvodov spôsobuje fakt, že všetky obvody spôsobujú určité
oneskorenie signálu. Najcitlivejšie miesto kde sa táto chyba prejaví je vstupné hradlo.
Keďže toto oneskorenie je takmer konštantné a malé, vnáša to do merania zanedbateľnú
systematickú chybu. Chyba sa dá znížiť použitím rýchlejších obvodov. Úplne sa odstrániť
nedá.
Nepresnosť časovej základne vnáša do merania najväčšiu chybu. Príklad:
Bežné kryštálové oscilátory majú dlhodobú nestabilitu 100ppm (10-4). Ak máme časovú
základňu čítača s frekvenciou napr. 16MHz, tak jeho povolená frekvenčná odchýlka je
±1600Hz. Pri konvenčnej meracej metóde merajme frekvenciu 100MHz s rozlíšením
1Hz, t.j. musíme použiť dobu merania 1s, ktorú odvádzame z časovej základne. Ak však
náš oscilátor sa odladí na 16001600Hz, čo je ešte pri jeho predpísanej stabilite povolené,
tak namiesto 1s vygenerujeme čas 999,9ms. Pri meraní 100MHz, teda napočítame:
MHzeeN 99,999,999*100 36 == −
čo zodpovedá chybe 10,000Hz, alebo 100ppm. Vidíme, že chyba časovej základne sa
prenesie v rovnakej miere na výsledok merania. Je na zamyslenie, či má vôbec zmysel
merať s rozlíšením 1Hz, keďže pri vyšších frekvenciách, ako napr. 10 MHz , 3 posledné
číslice už nie sú vierohodné. Takáto chyba je pre mnohé aplikácie netolerovateľná,
a preto je v týchto prípadoch nutné použiť namiesto bežného kryštálového oscilátora
niektorý z dokonalejších typov oscilátorov.
Merač frekvencie – frekvenčný čítač všeobecne
6
2.4. Iné parametre frekvenčného čítača
2.4.1 Rozlíšenie
Rozlíšenie frekvenčného čítača závisí od niekoľkých okolností ako sú:
• použitá meracia metóda
• frekvencia časovej základne
• voľba času merania (tzv. GATE)
Rozlíšenie je však zhora obmedzené počtom bitov použitých binárnych čítačov.
2.4.2 Rozsah
Maximálna frekvencia je daná medznou frekvenciou binárnych čítačov
a hradlovacích obvodov.
Merací rozsah je možné dodatočne rozšíriť použitím:
1. preddeličky
Obr. 2.1 Meranie frekvencie s čítačom s preddeličkou
Najjednoduchším spôsobom sa rozšírenie meracieho rozsahu robí preddeličkou.
Preddelička je v princípe binárny čítač s vysokou medznou frekvenciou, zvyčajne viac
ako 1GHz a má vyvedený len najvyšší bit. Je to monolitický integrovaný obvod.
Niektoré z najpoužívanejších preddeličiek sú:
Označenie Púzdro fmax deliaci pomer N
U664 DIL8 1,1 GHz 64,128SAB6456 DIL8 1,3 GHz 64,128MB506 DIL8 2,6 GHz 64,128,256MC12095 SMD 2,7 GHz 2,4U834 SMD 3,4 GHz 4
Tab. 2.1 Parametre niektorých preddeličiek
Použitie preddeličky zhorší rozlíšenie čítača N – krát. Meranú frekvenciu určíme ako:
nameranámeraná fNf *=
vstup
zosilňovač delička
k čítaču
Merač frekvencie – frekvenčný čítač všeobecne
7
2. heterodynu
Tento spôsob zväčšenia rozsahu frekvenčného čítača využíva heterodynné
zmiešavanie meraného signálu s frekvenciou N-tej harmonickej časovej základne čítača
pre zmenu vstupnej meranej vysokej frekvencie na frekvenciu nižšiu, ktorú je už možné
priamo merať frekvenčným čítačom.
Obr. 2.2 Meranie frekvencie s čítačom s heterodynom
Výstupnú frekvenciu po zmiešavaní vypočítame ako:
3. slučkou fázového závesu PLL
Princíp merania frekvencie pomocou fázového závesu je znázornený na obrázku:
Obr. 2.3 Meranie frekvencie s čítačom s fázovým závesom PLL
Podstatou je uzavretá slučka fázového závesu meraného signálu s oscilátorom
nízkej frekvencie VCO. Takto nameraná hodnota je potom N – krát menšia ako hodnota
frekvencie meraného signálu, kde N je stupeň harmonickej frekvencie na ktorú je
oscilátor VCO „zavesený“. Potom je možné takto vytvorený signál merať frekvenčným
čítačom s menším rozsahu ako je meraný signál.
Takýto spôsob rozšírenia rozsahu frekvenčného čítača má dve nevýhody. Prvou je,
že rozlíšenie je N – krát nižšie ako v prípade priameho merania frekvencie čítačom
s potrebným rozsahom. Druhou nevýhodou je problematické udržanie slučky PLL
v prípade, že meraný signál je frekvenčne modulovaný (FM).
zmiešavač zosilňovač
PLL filter
k čítaču
vstup
hrebeňový filter
vstup
zmiešavač zosilňovač
hrebeňový filter
k čítaču
oscilátor časovej základne čítača
základňáčasvstupvýstup fNff .*−=
Metrológia času a frekvencie
8
3. Metrológia času a frekvencie Čas je jednou zo siedmich veličín medzinárodnej sústavy jednotiek SI (Système
International d'Unités) [1]. V tomto systéme je to dnes veličina, ktorú sme schopní merať
a generovať s najmenšou chybou zo všetkých základných jednotiek. Chyba v rádoch 10-15
[2] a menej nám umožňuje počítať s realistickými výsledkami. Oblasť výskumu
a vedeckého skúmania zaoberajúcou sa spôsobom a technikami merania fyzikálnych
veličín nazývame metrológiou.
V súvislosti s témou práce sa v tejto vede sústredíme práve na časti týkajúce sa
veličín času a frekvencie. Meranie času alebo frekvencie je dnes každodennou rutinou a
tvorí základ viacerých technológií. Aby metrológia mohla merať a porovnávať jednotlivé
veličiny, musí mať definovaný etalón – zhmotnenú mieru, referenčný materiál alebo
merací systém určený na definovanie, realizovanie, či uchovávanie tej ktorej jednotky.
Etalóny, majúce na určenom mieste vo všeobecnosti najvyššiu metrologickú kvalitu a od
ktorých sa odvodzujú tam vykonané merania, budeme nazývať referenčné. Etalón, uznaný
oficiálnym rozhodnutím, aby slúžil v štáte ako základ na odovzdávanie hodnôt iným
etalónom príslušnej veličiny, nazývame štátny (národný) etalón.
Čas, ako fyzikálna veličina, je veličina protenzívna. Veličina, ktorá sa trvale mení a
ktorú nemôžeme spätne priamo fyzikálne reprodukovať. Je to veličina, ktorá nemôže byť
(práve tak ako priestor) oddelená od hmoty a pohybu. Čas zobrazuje stálu zmenu stavu
predmetov a zmenu stavu hmoty. Čas a priestor sú definované ako základné formy
existencie hmoty. Preto aktuálny čas je možné určiť jedine odvodením z referenčného
etalónu času, čo je v princípe oscilátor s veľmi veľkou presnosťou a stabilitou.
Etalóny času nám poskytujú tri základné typy informácie. Prvým je dátum a čas v
rámci dňa. Pomocou nich si takmer každý deň pripomíname dátumy narodenia, výročí a
iných udalostí, plánujeme stretnutia a robíme svoj denný plán. Ďalším typom je časový
interval – množstvo uplynutého času medzi dvoma udalosťami. Náš vek je časový
interval od narodenia, sme platení za odpracovaný čas, platíme za množstvo
pretelefonovaných minút. Jeho jednotkou je sekunda. Posledným typom je frekvencia.
V sústave SI je odvodenou veličinou od času a predstavuje mieru, s akou sa nejaká
udalosť opakuje. Denne o nej hovoríme, či už sa rozprávame o rýchlosti procesora,
prenosovej linky alebo si ladíme rádio. Všetky tri typy sú spolu úzko previazané.
Počítaním sekúnd vieme určiť dátum a čas a počítaním udalostí v časovom intervale,
môžeme zmerať ich frekvenciu. .
Metrológia času a frekvencie
9
krátkodobá stabilita
dlhodobá stabilita alebo
starnutie
počet dní od kalibrácie
Δf f
3.1. Základné pojmy
Najpoužívanejším zariadením v metrológii času a frekvencie ale i bežnom živote je
oscilátor. Budeme tak hovoriť zariadeniu periodicky sa nachádzajúcemu v presne
definovanom stave. Ich hlavnou úlohou je produkovať čo možno najvernejší sínusový
alebo impulzný signál s určitou frekvenciou blížiacou sa k nominálnej frekvencii
oscilátora, ktorá predstavuje ideálny stav.
Mieru zhodnosti nameranej hodnoty frekvencie s jej nominálnou hodnotou
označujeme termínom presnosť (accuracy).
Starnutie zapríčiňuje vnútorné zmeny rezonátora a ostatných súčiastok a spôsobuje
zmenu frekvencie oscilátora. Zmena frekvencie starnutím podlieha času a nie vonkajším
vplyvom prostredia, napájaniu, teplote a podobne.
Systematická zmena frekvencie oscilátora spôsobená starnutím a inými vonkajšími
zmenami vplývajúce na oscilátor sa nazýva drift.
Na chod každého oscilátora vplýva jeho okolie, ktoré spôsobuje jeho nestabilitu.
Pod pojmom frekvenčná nestabilita (frequency instability) budeme rozumieť fluktuácie
vo frekvencii oscilátora v okolí jeho nominálnej frekvencie zapríčinené zmenami teploty
prostredia, starnutím rezonátora, šumom jeho alebo okolitých elektronických častí,
šumom samotného rezonátora v oscilátore a inými zmenami. Udáva sa ako pomer
veľkosti fluktuácií k nominálnej frekvencii za určité obdobie. Vo všeobecnosti
rozlišujeme krátkodobú(t<100 s) a dlhodobú (t>100 s) nestabilitu hodnoty frekvencie.
Vzájomný vzťah medzi krátkodobou a dlhodobou nestabilitou ilustruje Obr. 3.1.
Obr. 3.1 Vzťah medzi dlhodobou a krátkodobou nestabilitou
Metrológia času a frekvencie
10
Vzťah medzi presnosťou a nestabilitou je ilustrovaný na obr. 3.2.
Obr. 3.2 Vzťah medzi presnosťou a nestabilitou
Súhrn všetkých vplyvov na parametre oscilátora: [3]
• čas - krátkodobý (šum) - stredne dlhodobý (spôsobený fluktuáciami teplotnej komory pri OCXO) - dlhodobý (starnutie)
• teplota - statická závislosť teploty a frekvencie - dynamická závislosť teploty a frekvencie (zahrievanie pri zapnutí OCXO, teplotný „šok“)
• akcelerácia - gravitácia - vibrácie - akustický hluk - náraz
• žiarenie - v ustálenom stave - pulzujúce - fotóny (X-žiarenie, γ-žiarenie) - častice (neutróny, protóny, elektróny)
• iné - napájacie napätie - atmosférický tlak (nadmorská výška) - vlhkosť - magnetické pole - výstupná záťaž
Stabilné ale nie presné
Nestabilné a nepresné
čas
Presné ale nestabilné
Presné aj stabilné
Stabilné ale nie presné
Nestabilné a nepresné
Presné ale nestabilné
Presné aj stabilné čas čas čas
Metrológia času a frekvencie
11
Nestabilita (frekvenčná alebo časová) môže byť náhodná alebo deterministická.
V druhom prípade predpokladáme, že je funkciou externých parametrov (teplota
prostredia, vek oscilátora a pod.), a tak je možnosť ju odmerať a redukovať. Vlastnosti
nestability sa dajú charakterizovať v časovej alebo frekvenčnej doméne. V časovej
doméne sa sledujú vzorky priemernej frekvencie za rôzne časové intervaly. Vo
frekvenčnej doméne sú využívané vlastnosti Furiérovej transformácie funkcie
reprezentujúcej zmeny vo frekvencii alebo čase. Náhodné frekvenčné fluktuácie rozdeľujeme do piatich kategórií ktoré ich spôsobujú [2]:
• biely frekvenčný šum (white frequency noise)
• biely fázový šum (white phase noise)
• blikavý frekvenčný šum (flicker frequency noise)
• blikavý fázový šum (flicker phase noise)
• náhodný šum (random walk noise)
Na rozlíšenie systematických chýb akým je frekvenčný drift a stochastických zmien
frekvencie boli vynájdené špeciálne metódy, ktorým sa budeme venovať v kapitole 3.3.
Dôležité však bude zistiť, kedy v oscilátore prevláda biely frekvenčný šum, ktorý má zo
štatistického pohľadu normálne rozdelenie s priemernou hodnotou μ = 0 a dovoľuje
klasickým aparátom štatistiky určiť výsledok merania.
Najnižšiu dosiahnuteľnú hodnotu fluktuácií frekvencie oscilátora nazývame jeho
spodnou hranicou šumu (noise floor).
Pri vyhodnocovaní merania budeme rozlišovať medzi jeho chybou a neistotou.
Rozdiel výsledku merania a skutočnej (pravej) hodnoty veličiny predstavuje chybu
merania (measurement error). Neistota merania (measurement uncertainty) je parameter
priradený k výsledku merania, ktorý charakterizuje rozptyl hodnôt, ktoré sa môžu
zdôvodnene priraďovať k meranej veličine. Takýmto parametrom môže byť smerodajná
odchýlka alebo šírka intervalu spoľahlivosti.
Okrem týchto nás bude ešte zaujímať odchýlka (ofset, deviation), pod ktorou
budeme rozumieť rozdiel hodnoty a referenčnej hodnoty.
Napriek tomu, že budeme hovoriť o čase, nedefinovali sme nikde jeho presnosť.
Je to tým, že Slovenská technická norma takýto termín nepozná. Pod presnosťou sa
rozumie neistota alebo správnosť. Ak máme hodiny s „presným“ časom, v súlade s STN
hovoríme o ich správnom čase (o tesnosti zhody času hodín a skutočného (referenčného)
času).
Metrológia času a frekvencie
12
Posúdiť „presnosť“ hodín môžeme len do takej miery, akú nám dovolí metóda jej
merania, pričom každá metóda vykazuje určitú neistotu merania. Nato aby sme boli
schopní vzájomne porovnávať dva vzdialené etalóny (kapitola 3.5) bude potrebný prenos
signálu z jedného etalónu k druhému (kapitola 3.6). Pri opise možných spôsobov
realizácie prenosu sa budeme stretávať s pojmom prenosové oneskorenie. Predstavuje
časový interval potrebný na prenesenie signálu – informácie z jedného miesta na druhé.
Jeho zrejmou príčinou je konečná rýchlosť šírenia signálu. Prenos časovej informácie
medzi hodinami nám umožní spustiť proces nastavenia dvoch alebo viacerých hodín na
rovnaký čas – ich synchronizáciu.
3.2. História merania času
3.2.1 Kalendár
Zmeny v prírode, nočná obloha, striedanie dní a nocí boli v pozornosti ľudstva už
od počiatku. S rozvojom astronomického pozorovania však nastala potreba,
zaznamenávať čas, aby bolo možné popísať dráhu nebeských telies a robiť predpovede.
Vznikali prvé kalendáre rozdeľujúce čas do väčších úsekov s využitím prírodných javov.
Najkratší prirodzený časový úsek bol deň alebo mesiac. Známe a dodnes používané
kalendáre sú islamský, židovský či Gregoriánsky. Práve posledne menovaný je používaný
aj na Slovensku. Do platnosti vstúpil roku 1582 reformou pápeža Gregora XIII. Delenie
dní na hodiny, minúty a sekundy sme zdedili bo Babylóňanoch. Tento komplexný systém,
v ktorom jednotky nemajú voči sebe konštantný vzťah, kde rok môže mať 365 alebo 366
dní a deň, normálne trvajúci 86 400 sekúnd, od roku 1971 niekedy o jednu menej či viac,
sa ukázal nevhodný pre astronómov. Za účelom zjednodušenia práce bol zavedený
Juliánsky dátum (Julian Date - JD) [4]. Je založený na kontinuálnom počte dní od roku
4713 p.n.l., pričom deň začína o dvanástej hodine na poludnie. Rozširuje sa pridaním
desatinnej časti dňa. V metrologickej praxi, pri výskume rotácie Zeme alebo vesmírnych
skúmaniach sa však častejšie používa modifikovaný Juliánsky dátum (Modified Julian
Date - MJD) definovaný ako:
5,2400000−= JDMJD
Jeho výhodou je kratší zápis a presunutie začiatku dňa na polnoc.
Metrológia času a frekvencie
13
3.2.2 Meranie času na báze striedania dňa a noci
Tento spôsob merania času má svoj pôvod v delení dňa a noci od východu slnka po
západ, resp. naopak na 12 hodín. Je zrejmé, že dĺžka trvania jednej hodiny počas dňa je
iná ako počas noci, je závislá na ročnom období (od toho aj jeho názov - sezónny čas) a
polohe pozorovateľa, ale astronómovia ho používali až do 15. storočia.
Zlepšenie prišlo s pravým slnečným časom, ktorý definuje hodinu ako 15°
slnečného uhla v mieste pozorovateľa. Ani tento čas však nebol uniformný.
Nerovnomernosti zapríčinené eliptickou dráhou zeme a kývaním sa zemskej osi, a
ktorých amplitúda dosahovala až 30 minút v priebehu roka, boli odstránené zavedením
stredného slnečného času (mean solar time) [4].
S nástupom železníc v druhej polovici 19 stor. prišla požiadavka na jednotnú
definíciu hodiny aspoň na národnej úrovni, keďže interval jednej hodiny stredného
slnečného času je stále závislý od poludníka, na ktorom sa slnko pozoruje. Vo veľkom
počte krajín sa zaviedol stredný slnečný čas poludníka, ktorý prechádzal hlavným mestom
zvýšený o 12 hodín. V štátoch s veľkými rozdielmi v zemepisnej dĺžke však aj takéto
riešenie bolo nepraktické.
V roku 1870 prišiel Ch. Dowd v USA s myšlienkou časových pásiem – rozdelením
územia na pásma líšiace sa o jednu celú hodinu, tak aby slnečné poludnie nastalo
približne o 12 h. Tento koncept bol najprv prijatý kanadskými železnicami.
Dohoda o medzinárodnom zjednotení času a vzniku univerzálneho času (Universal
Time - UT) prišla až v roku 1884. Vybraný bol stredný slnečný čas na greenwichskom
poludníku (Greenwich Mean Time - GMT), keďže už bol dlho používaný ako počiatok
zemepisných dĺžok na námorných mapách. Rovnako sa prijalo, že univerzálny deň začína
o polnoci na greenwichskom poludníku. Krása tejto jednoty bola narušená v roku 1916.
Francúzsko, neskôr nasledované ďalšími krajinami medzi inými aj
Československom, zaviedlo zimný a letný čas. Až do roku 1970 sa mechanické či iné
hodiny používali ako okamžitá aproximácia UT času v reálnom čase. Po každom
astronomickom pozorovaní boli vyrátané ich nové korekcie, aby ich časová stupnica
vykazovala čo najmenšie odchýlky od UT. Rozvoj vedy a techniky najmä v oblasti šírenia
elektromagnetických vĺn však prinášal ďalšie potiaže.
Keď rádiové vlny boli schopné prekonať Atlantik okolo roku 1910, vedci zistili, že
technická realizácia univerzálneho času napriek jeho jednoznačnej definícii je značne
zložitá. Merania ukázali odchýlky jednej až dvoch sekúnd. V roku 1913 preto vznikol
Metrológia času a frekvencie
14
úrad BIH (Bureau international de l'heure). Jeho hlavným cieľom bolo poskytnúť jedinú
aproximáciu univerzálneho času - definitívny čas. Tento úrad sa v roku 1988 rozpadol na
BIPM (Bureau international des poids et mesures), ktorý má na starosti meranie
atómového času a IERS (International Earth Rotation Service) zastávajúci aktivity v
oblasti astronómie a geodézie.
Do roku 1960 sa jedna sekunda chápala ako trvanie 1/86 400 slnečného dňa. Táto
definícia však nebola nikdy oficiálne prijatá.
3.2.3 Čas založený na dynamike slnečného systému
Iným spôsobom merania času bolo pozorovanie orbitálnych pohybov vesmírnych
telies. Dogma pretrvávajúca z antického Grécka, že rotácia zeme je uniformná sa začala
rozpadať až s príchodom Keplera. V 1825 Laplace napísal, že od roku asi 125 p.n.l. sa
dĺžka dňa nezmenila o viac ako 0,00864(dnešných) sekúnd [5]. Presvedčivý dôkaz
priniesol až rok 1927, po ktorom bolo jasné, že rotácia zeme nie je dobrým oscilátorom.
Efemeridový čas bol definovaný v roku 1952 na základe pohybov slnka
analyzovaných od roku 1900. Jeho prínosom bola značne komplikovaná definícia
sekundy v rokoch 1960 až 1967 ako 1/31556925,9747 tropického roku pre 0. január 1900
o 12:00 efemeridového času [5]. Prednosťou efemeridnej časovej stupnice sú jej z
dlhodobého hľadiska malé odchýlky v stabilite. Nevýhodou je jeho zlá kvalita
odčítavania. Používa sa už len v astronómii.
3.2.4 Atómové meranie času
Ku koncu 19. storočia vedci dávno akceptovali, že látky sa skladajú z molekúl
zložených z atómov. Podarilo sa nájsť vzťah medzi štruktúrou vyžarovaného spektra
látky zloženej z molekúl a atómov excitovaných plynov. Už v roku 1873 Maxwell a
neskôr v roku 1879 Kelvin navrhli použiť vlnovú dĺžku spektrálnej čiary a periódu
prislúchajúceho žiarenia na definíciu metra resp. sekundy. Tieto návrhy boli vskutku
nadčasové, ak si uvedomíme, že takáto definícia metra bola prijatá až v roku 1960.
K vzniku prvých atómových hodín bolo treba vybádať veľa poznatkov z oblasti
elektromagnetizmu, kvantovej fyziky a spektroskopie, ku ktorým prispeli najmä Planck,
Einstein, Bohr, Hertz, De Broglie s Heisenbergom a Schrödingerom, Stern a ďalší.
Na konci 2. svetovej vojny boli vedci schopní vyrobiť rádiové vlny o kmitočte 30 GHz a
zmerať ich frekvenciu.
Metrológia času a frekvencie
15
Odtiaľ bol len kúsok ku skonštruovaniu prvých atómových hodín roku 1948 v USA
v laboratóriu dnešného NIST-u (National Institute of Standards and Technology). Ako
referencia bola použitá absorpčná čiara molekúl amónia v oblasti frekvencií okolo 24
GHz. Molekulárna rezonancia riadila frekvenciu kryštálového oscilátora, ktorý generoval
časové značky. Prechod medzi dvoma veľmi jemnými hladinami základného stavu atómu
cézia 133 bol známy už v roku 1940 a možnosti využitia magnetickej rezonancie
diskutované od roku 1939. Avšak spoľahlivých céziových atómových hodín sa svet
dočkal až v roku 1955, kedy ich prvýkrát postavili páni Essen a Perry vo Veľkej Británii.
Ďalším skúmaným princípom pre konštrukciu hodín bolo mikrovlnné zosilňovanie,
pracujúce na základe budenej emisie žiarenia atómov – maser (Microwave Amplification
by Stimulated Emission of Radiation). Skúmaný bol v rovnakom čase ako v USA, tak i v
ZSSR. Prvé amoniakové masery sa objavili v roku 1955. Vodík ako základný prvok pre
maser sa začal využívať o päť rokov neskôr. Relatívne odchýlky vo frekvencii prvých
céziových hodín dosahovali hodnoty 10−9 (maserov 10−10). Určenie presnej frekvencie
prechodu medzi dvoma úrovňami základného stavu atómu v céziových hodinách bolo
vykonané až v roku 1958. Essen a Perry používali v čase vývoja sekundu odvodenú od
stredného slnečného času, ktorá bola dostupná v reálnom čase. Efemeridná sekunda už
bola v tom čase definovaná (aj keď nie medzinárodne prijatá ako SI jednotka), ale jej
realizácia si vyžadovala dlhotrvajúcu analýzu. Tú previedol Markowitz a stanovil
frekvenciu prechodu na 9 192 631 770±20 Hz. Jednotka Hz teda bola závislá na
efemeridnej sekunde a neistota ±20 Hz skoro celá zapríčinená chybou jej realizácie.
Samozrejme, že vedecká obec zaoberajúca sa skúmaním atómových frekvenčných
etalónov si priala jednoznačnú hodnotu.
Keď relatívne frekvenčné odchýlky týchto etalónov dosiahli 10−12 v roku 1967,
astronomicky definovaná sekunda bola predefinovaná kvantovou definíciou ako trvanie
9 192 631 770 periód žiarenia prislúchajúcemu prechodu medzi dvoma veľmi jemnými
hladinami základného stavu atómu cézia 133. Od tých čias sa relatívna nestabilita
najlepších céziových etalónov posunula k hodnotám 10-15/deň. Problémy s realizáciou
atómového času, keď rôzne laboratória udržujú rôzne časové stupnice, sú rovnaké ako pri
UT stupnici a aj riešenie bolo rovnaké. Definovaná bola časová stupnica TAI (Temps
atomique international) ako časová referenčná súradnica ustanovená medzinárodným
ústredím pre čas – BIH na základe meraní atómových hodín prevádzkovaných v
rozličných ustanovizniach v súlade s definíciou sekundy, jednotkou času v systéme SI.
Metrológia času a frekvencie
16
3.2.5 Koordinovaný univerzálny čas – UTC
Vznik časovej stupnice UTC [4] bol podnietený úsilím koordinovať vysielanie
rádiových časových signálov (vysielaný bol UT čas). S príchodom atómových hodín a
predefinovaním sekundy s využitím efemeridovej časovej stupnice prišli vedci k zisteniu,
že atómové časové stupnice bežia rýchlejšie oproti UT. Nastala potreba zavedenia
relatívnej frekvenčnej korekcie yU. UTC bol matematicky presne definovaný v roku 1965
BIH rovnicou
BTAITAIyTAIUTC U +−=− )( 0 ,
kde TAI0 je ľubovoľne zvolený počiatok a B konštanta menená v skokoch, aby platila
nerovnosť:
ε≤−UTUTC
Korekcia yU na rádiových vysielačoch času však častokrát musela byť riešená
dolaďovaním oscilátorov. Dôvod nevysielania času TAI namiesto UT predstavovalo
námorníctvo využívajúce tieto služby, pretože navigácia bola stále založená na pohybe
nebeských telies, a tak by vznikla potreba zadávať korekciu pri každom určovaní polohy,
čo sa zdalo ako príliš riskantné. Spor sa vyriešil až v roku 1970, kedy sa stanovilo, že
UTC bude definované s yU = 0 a B rovným celému násobku sekúnd, takým aby nerovnosť
platila najskôr pre ε = 0, 7 s a od roku 1974 ε = 0, 9 s [5]. Prestupná sekunda sa pridáva
alebo odoberá na konci mesiaca prednostne decembra alebo júna, inak na konci
septembra či marca. Ak sa sekunda pridáva, jej začiatok bol dohodou stanovený na 23 h
59 m 60 s a koniec na 0 h 0 m 0 s nasledujúceho dňa. Pri takomto spôsobe nenastane
nejednoznačnosť v označovaní udalostí v čase. Bohužiaľ to však spôsobuje
nejednoznačnosť v iných systémoch, napríklad používajúcich zlomky dňa. Dátum N,000
005 79 môže znamenať deň (N-1) o 23 h 59 m 60,5 s , alebo aj deň N o 0 h 0 m 0,5 s.
Nejednoznačnosť nenastáva ak sa má sekunda odobrať. Avšak pravdepodobnosť tejto
potreby je takmer nulová. Dátumy zavedenia prestupnej sekundy stanovuje IERS a sú
oznamované najmenej 8 týždňov vopred. Pretože na realizácii UTC sa podieľajú
metrologické ústavy všetkých vyspelých krajín sveta, možno ho považovať za
medzinárodný etalón času a frekvencie.
Metrológia času a frekvencie
17
3.3. Nestabilita času a frekvencie
Každý dej v prírode je ovplyvňovaný podmienkami prostredia, v ktorom prebieha.
Taktiež oscilátory sú nimi zasiahnuté a pod zmenami prostredia sa mení aj ich perióda
kmitania a stávajú sa tak nestabilnými. Preto si priblížime základné metódy merania a
vyhodnocovania ich nestability.
3.3.1 Spôsoby merania nestability
Každé meranie v metrológii spočíva na porovnávaní s etalónovou alebo konvenčne
skutočnou hodnotou. Meranie nestability si vyžaduje aspoň dva oscilátory. Jednak je to
oscilátor, ktorý chceme zmerať a jednak referenčný etalón, ktorý musí mať aspoň takú
kvalitu ako oscilátor podliehajúci meraniu. V meraní sa porovnávajú metrologické kvality
týchto dvoch oscilátorov. V prípade, že referenčný etalón má lepšiu stabilitu, nameraná
nestabilita sa celá chápe ako nestabilita meraného oscilátora.
Meranie nestability času v časovej doméne
Schematické znázornenie zapojenia aparatúry je naznačené na obr. 3.3. Referenčný
oscilátor je pripojený na prvý vstup intervalometru a meraný na druhý. Intervalometer
spustí meranie časového intervalu s príchodom pulzu na prvom vstupe a zastaví s
príchodom pulzu na vstupe druhom. Výsledkom je množina hodnôt xi meraných v
rovnakých časových rozostupoch τ . Tieto hodnoty sú ovplyvnené oneskoreniami
zapríčinenými dobou prechodu pulzu z oscilátora do intervalometru. Pokiaľ je toto
oneskorenie konštantné, potom nemá vplyv pri štatistickom určovaní nestability.
Bežnými intervalometrami, ako napr. HP 53132A používaným v Slovenskom
metrologickom ústave (SMÚ) na tieto účely, sa dajú merať intervaly už od 150 ps.
Obr. 3.3 Schematické znázornenie merania časovej nestability
Metrológia času a frekvencie
18
3.3.2 Allanova odchýlka
Allanova odchýlka (Allan deviation) je štatistický ukazovateľ (podobne ako
smerodajná odchýlka) vyrátavaný z dát získaných meraním v časovej doméne [2]. Pre
väčšinu iných meraní možno s úspechom použiť odhad smerodajnej odchýlky definovaný
ako
2
1)(
11 ∑
=
−−
=N
ii xx
Ns
kde N≥ 2 je počet vzoriek a
∑=
=N
iix
Nx
1
1
je ich priemerná hodnota. Odhad smerodajnej odchýlky je však funkciou množstva
vzoriek N a navyše ak sú v oscilácii oscilátora prítomné aj iné typy šumu ako biely
frekvenčný, nevykazuje požadované správanie.
Spomínané nedostatky odstraňuje Allanova odchýlka prijatá aj ako IEEE štandard
pre špecifikáciu stability v časovej doméne. Ak označíme namerané časové intervaly
intervalometrom ako xi, 1≤ i≤ M +1 a
τ
iii
xxy −= +1
kde τ je časový interval medzi dvoma po sebe nasledujúcimi meraniami (typicky 1 s),
potom Allanova odchýlka je definovaná rovnicou:
∑−
=+ −
−=
1
1
21 )(
)1(21)(
M
iiiy yy
Mτσ
Zaujímavé je ako sa Allanova odchýlka správa pre rôzne intervaly τ . Podstatné na
Allanovej odchýlke je, že dokáže vypovedať aká forma šumu prevláda počas danej
priemerovanej periódy τ . Za týmto účelom je závislosť σy(τ) na τ vynesená do grafu
(obr. 3.4.) pre rôzne hodnoty τ s logaritmickými stupnicami na oboch osiach. Predtým je
ale nutné z nameraných hodnôt odstrániť systematické chyby (napr. lineárnu závislosť a
pod.).
Určiť prevládajúci typ šumu možno potom podľa sklonu grafu na základe tab. 3.1
Metrológia času a frekvencie
19
Tab. 3.1 Vzťah medzi sklonom σy(τ) a prevládajúcim typom šumu
Allanova odchýlka sa dá využiť aj pri určovaní synchronizačného intervalu dvoch
hodín. Najprv intervalometrom odmeriame časové odchýlky voľne bežiacich hodín voči
referenčnému etalónu (viď kap. 3.3.1), odstránime systematické chyby a zakreslíme
výslednú σy(τ) do grafu. Ak má Allanova odchýlka na grafe sklon -1, prevládajúci typ
šumu je biely alebo blikajúci fázový, čo nám napovedá, že šum v nameraných dátach je
viac spôsobený samotným procesom merania ako fluktuáciami frekvencie meraných
hodín. Bolo by chybou tieto namerané hodnoty použiť pre poopravenie času hodín,
pretože stabilita frekvenčného oscilátora hodín je lepšia ako pozorované fluktuácie.
Pre predikciu frekvenčných fluktuácií je najvhodnejší biely frekvenčný šum.
Obr. 3.4 Typický priebeh závislosti Allanovej odchýlky σy(τ) od τ
3.4. Etalóny frekvencie
V kapitole 3.1 sme definovali nominálnu frekvenciu oscilátora. V tejto kapitole sa
zaoberáme vnútornou stavbou oscilátora, v ktorom je vždy použitá nejaká sústava
schopná periodickej zmeny stavu (napr. atómy cézia) s prirodzenou rezonančnou
frekvenciou (pre cézium 9,192 631 770 GHz). Na výstupe oscilátora (ako elektronického
zariadenia) sa však objavuje v ideálnom prípade nominálna frekvencia (typicky 1, 5 alebo
10 MHz).
Sklon Typ šumu -1 biely alebo blikajúci fázový šum
- 1/2 biely frekvenčný šum 0 blikajúci frekvenčný šum
1/2 náhodný frekvenčný šum
Metrológia času a frekvencie
20
Pri hľadaní stabilných etalónov pre použitie je rozhodujúcim faktorom ich kvalita.
Kvalita Q oscilátora je podiel jeho prirodzenej rezonančnej frekvencie a jej rezonančnej
šírky. Rezonančná šírka je rozsah hodnôt prirodzenej rezonančnej frekvencie, na ktorých
bude oscilátor oscilovať. Vo všeobecnosti teda platí, že čím vyššia je kvalita oscilátora
tým bude menšia nestabilita.
Dnes sa v praxi využívajú 4 typy oscilátorov (tab. 3.2) [3]. Kryštálové oscilátory
dosahujú najvyššej kvality spomedzi všetkých mechanických. Vodíkové masery spolu s
rubídiovými a céziovými etalónmi sú založené na dejoch na atómovej úrovni. Ich kvalita
je rádovo vyššia ako mechanických oscilátorov.
Kryštálové oscilátory Atómové oscilátory TYP
TCXO MCXO OCXO DOCXO Rubidium RbXO Cesium Hydrogen Maser
Rezonančná frekvencia rôzna rôzna rôzna rôzna 6,834682608
GHz 6,834682608
GHz 9,192631770
GHz 1,420405752
GHz
Kvalita 104 až 106 106 106 106 107 107 108 109
Presnosť (za rok) 2x10-6 5x10-7 1x10-8 1x10-8 5x10-10 7x10-10 1-2x10-11 1x10-12
Starnutie (za rok) 5 x 10-7 2 x 10-8 5x10-9 2 x 10-9 2x10-10 2x10-10 0 1 x10-12
Teplotná stabilita
(rozsah °C)
5x 10-7 (-55/+85)
3x 10-8 (-55/+85)
1x 10-9 (-55/+85)
2x 10-10 (-30/+70)
3x 10-10 (-55/+68)
5x 10-10 (-55/+85)
1-2x10-11 (-28/+65)
Stabilita σ(τ), τ =1s 1 x 10-9 3 x 10-10 2 x 10-12 1 x 10-12 5 x10-12 5 x 10-12 5 x 10-11 1x10-13
Veľkosť (cm3) 10 30 20-200 100 150-400 1000 6000 70000
Doba zahrievania (min / σ(τ))
0,1 (2x10-6)
0,1 (2x10-8)
4 (1x10-8)
8 (1x10-8)
3 (5x10-10)
3 (5x10-10)
20 (1-2x10-11)
10 hod po synchro.
Spotreba po zahriatí
(W) 0,04 0,04 0,6 2 až 3 8 až 12 0.65 30 140
Cena (USD) 10-100 1k 200-2k 500 1k-5k <10k 30k-60k 60k-100k
Tab. 3.2 Prehľad rôznych typov oscilátorov
3.4.1 Etalóny s kryštálom kremíka
Oscilátory na báze kryštálu kremíka (quartz crystal oscillators) patria k
najbežnejšiemu typu. Ročne sa ich vyrobí niekoľko miliárd a nájdeme ich takmer v
každých náramkových hodinách či iných elektronických obvodoch. Dokonca sú
základom aj ostatných ďalej popisovaných atómových oscilátorov. Kremíkový kryštál
(pre ich masové nasadenie najčastejšie syntetický) v oscilátore je rezonátorom, ktorý sa
privedením napätia vratne deformuje (zväčší alebo zmenší).
Metrológia času a frekvencie
21
Jeho rezonančná frekvencia je závislá od veľkosti, rezu, veku, ako i stavu okolitého
prostredia, najmä teploty a vibrácií. Preto boli vyvinuté rôzne technológie ako túto
závislosť kompenzovať. Pre rôzne aplikácie kryštálových oscilátorov sa vyberajú vhodné
rezy kryštálu [6][7], ktoré majú odlišné vlastnosti.
TCXO (temperature compensated crystal oscillator) sú oscilátory, ktoré majú
obvod teplotnej korekcie s inverznou teplotnou charakteristikou ako má kryštál (obr. 3.5
a 3.6). Tento obvod dolaďuje napätie na kapacitnej dióde, ktorá „rozlaďuje“ kryštál tak,
aby výsledná teplotná závislosť frekvencia bola čo najmenšia. Tento spôsob teplotnej
stabilizácie je najjednoduchší a najlacnejší. Poskytuje teplotnú stabilitu 106 až 107, čo je
asi 50 až 500 krát lepšie ako v prípade bežného nekompenzovaného kryštálového
oscilátora XO. Používa sa ako referenčný oscilátor GSM telefónov alebo vysielačiek
s úzkopásmovou moduláciou, kde sa vyžaduje vyššia stabilita oscilátora.
Obr. 3.5 Závislosť frekvencie od teploty pri TCXO oscilátore
Obr. 3.6 Principiálna schéma TCXO oscilátora
OCXO (oven controlled crystal oscillator) (obr. 3.7) sú ďalším typom kryštálového
oscilátora. Majú kryštál umiestnený v teplotne regulovanej komore. Pri jeho zapnutí je
potrebný čas na zahriatie, pokiaľ sa teplota v komore stabilizuje. Pre oscilátory typu
OCXO sa používajú predovšetkým kryštály rezu SC, ktoré majú plochejšiu teplotnú
charakteristiku (obr. 3.8). Pre ešte väčšie nároky na stabilitu sa používa prevedenie
frek
venc
ia
frek
venc
ia
teplota teplota
kryštál kompenzačný
obvod výsledná teplotná charakteristika
oscilátora
senzor teploty
kompenzačný obvod
XO
Metrológia času a frekvencie
22
DOCXO (dual oven controlled crystal oscillator). Obsahuje dve teplotné komory, kde
jedna je umiestnená v tej druhej. Takto sa dá dosiahnuť väčšia odolnosť zmeny frekvencie
voči okolitej teplote. Takouto úpravou oscilátora sa dá zväčšiť teplotná stabilita až 106
krát voči bežnému XO. Príkladom veľmi kvalitného OCXO je [8].
Obr. 3.7 Principiálna schéma OCXO oscilátora
Obr. 3.8 Porovnanie teplotnej charakteristiky kryštálov s rezom AT a SC
MCXO (Microcomputer Compensated Crystal Oscillator) patria medzi osobitnú
kategóriu kryštálových oscilátorov. Princíp je znázornený na obr. 3.9. MCXO obsahuje
kryštálový oscilátor s rezom SC, ktorý poskytuje dva výstupy f1 – základnú rezonančnú
frekvenciu kryštálu a f3 – tretiu harmonickú. Princíp teplotnej kompenzácie spočíva
v tom, že tieto dva výstupy nie sú úplne rovnako frekvenčne závislé [9]. V intervale,
ktorý prislúcha fázovému posunu týchto dvoch výstupov sa počítajú čítačom impulzy,
ktoré následne vyhodnocuje mikropočítač a pomocou korekčného obvodu doladí výstup
oscilátora f0. Podľa spôsobu korekcie rozlišujeme dva typu oscilátorov MCXO:
1. s metódou odstraňovania impulzu (pulse deletion method)
2. s metódou frekvenčného súčtu (frequency summing method)
Výhodou oproti TCXO je, že ich nie je nutné po výrobe kalibrovať, pretože sa o to
postará mikropočítač. Majú tiež lepšie parametre stability a starnutia ako TCXO.
Podrobnejšie sa týmto typom oscilátorov venuje [9][11].
riadenie vyhrievania senzor
teploty
XO
teplotná komora
frek
venc
ia k
ryšt
álu
teplota
bod naladenia
bod naladenia
SC rez
AT rez
Metrológia času a frekvencie
23
Obr. 3.9 Principiálna schéma MCXO oscilátora
Zhrnutie:
Oscilátory s kremíkovým kryštálom dosahujú vynikajúcu krátkodobú stabilitu (až
10−12/sec pre DOCXO) . Dlhodobá stabilita je limitovaná najmä starnutím kryštálu, kedy
sa vekom mení jeho rezonančná frekvencia. Tieto typy oscilátorov sú základom hodín
používaných v dnešných počítačoch. Ich dlhodobá stabilita sa pohybuje na úrovni 10−4 a
pri použití špecializovaných rozširujúcich kariet s TCXO oscilátormi okolo 10−6/deň.
3.4.2 Rubídiové etalóny
Prirodzená rezonančná frekvencia 6 834 682 608 Hz atómu rubídia 87Rb riadi
kremíkový kryštálový oscilátor. Mikrovlnné žiarenie, ktorého frekvencia je odvodená z
kryštálového oscilátora, udržuje atómy rubídiovej pary v stave s určitou energiou.
Cez túto paru je vyslaný optický lúč generovaný rubídiovou lampou a fotobunkou sa
meria množstvo pohlteného žiarenia, ktoré slúži na doladenie frekvencie kryštálového
oscilátora, tak aby množstvo pohlteného žiarenia bolo maximálne. Nominálna frekvencia
etalónu je teda odvodená od kryštálového oscilátora (ako aj v ostatných typoch). Posuny
rezonančnej frekvencie sú spôsobené najmä znečistením rubídiovej pary atómami iných
prvkov.
Výhodou rubídiových etalónov je ich lepšia krátkodobá stabilita ako kryštálových
oscilátorov, menšie rozmery a cena oproti céziovým. Z triedy atómových oscilátorov
patria k najkompaktnejším.
Principiálna schéma je znázornená na obr. 3.10.
μP korekčný obvod
recipročný čítač
zmiešavač
násobič DUAL MODE XO
krýštál rez SC
Metrológia času a frekvencie
24
Obr. 3.10 Principiálna schéma rubídiového oscilátora
3.4.3 Céziové etalóny
Céziové oscilátory [12] sú primárnymi etalónmi, odkedy bola v SI sústave
definovaná sekunda na základe rezonančnej frekvencie atómu cézia 133, ktorá je
9 192 631 770 Hz. Dnes sú známe dva návrhy ako využiť ich rezonanciu – céziový lúč a
céziová fontána. Oscilátory na báze céziového lúča (caesium beam) pracujú podobne ako
rubídiové.
Atómy cézia 133 sú najprv zahrievané a potom ako plyn vstupujú do vákuovej
trubice v úzkom lúči. Tento je vystavený mikrovlnnému žiareniu, odvodeného od
frekvencie kryštálového oscilátora, ktoré mení stav atómov. Počet atómov, ktorým
mikrovlnné žiarenie zmenilo stav sa snažíme maximalizovať dolaďovaním frekvencie
kryštálového oscilátora. Dĺžka vákuovej trubice je okolo 50 cm v bežne dostupných
etalónoch a rýchlosť céziového lúča väčšia ako 100 m/s. To ohraničuje čas pozorovania
na stovky milisekúnd a výslednú rezonančnú šírku na pár sto hertzov.
Spomaliť atómy cézia, a tak zmenšiť rezonančnú šírku sa snaží návrh céziovej
fontány (caesium fontain). Pri tejto konštrukcii je plyn z atómov cézia vypúšťaný do
vákuovej komory. Tam sú sústavou laserov atómy podchladené na teplotu pár stotín nad
absolútnou nulou a stlačené do malého priestoru. Ďalšie lasery ich potom vytláčajú do
výšky asi jedného metra, odkiaľ po ich vypnutí padajú pôsobením gravitačnej sily a sú
vystavené mikrovlnnému žiareniu. Tie, ktoré zmenili svoj stav pod vplyvom
mikrovlnného žiarenia, po ožiarení laserom emitujú fotón. Ich počet sa opäť snažíme
maximalizovať doladením kryštálového oscilátora, od ktorého je odvodená frekvencia
mikrovlnného žiarenia.
Rubídiová lampa
zásobník plynu Rb85
tienená dutina
zásobník plynu Rb85
optický detektor
servopohon- sp. väzba
QUARTZ oscilátor
frekvenčná syntéza
Metrológia času a frekvencie
25
Kvalita etalónov na báze céziovej fontány je asi sto násobne vyššia ako kvalita
etalónov céziového lúča a pohybuje sa v rádoch 1010. Stabilita oboch typov je však lepšia
ako 1×10-12 /deň. Význačné je, že zmena frekvencie starnutím je nulová.
3.4.4 Vodíkové masery
Vodíkové masery [9][10] (Microwave Amplification by Stimulated Emission of
Radiation) pracujú na rezonančnej frekvencii vodíka 1 420 405 752 Hz. Princíp ich
činnosti je založený na vysielaní plynu vodíka cez magnetické pole, ktoré vytriedi atómy
s určitým stavom. Tie vstupujú do banky, v ktorej niektoré prejdú do stavu s nižšou
energiou a vyžiaria fotóny mikrovlnného žiarenia. Tieto fotóny spôsobia prechod iných
atómov, a takto je v banke tvorené mikrovlnné žiarenie. Výsledný mikrovlnný signál sa
používa na riadenie kremíkového kryštálového oscilátora. Napriek tomu, že rezonančná
frekvencia vodíku je nižšia ako u cézia, rezonančná šírka je obyčajne iba niekoľko
hertzov. Preto kvalita týchto oscilátorov je rádovo 109.
Ich krátkodobá stabilita je rovnako lepšia ako pri céziových (typicky < 10-13/s), ale
pri meraniach dlhších ako pár dní alebo týždňov sú céziové oscilátory stabilnejšie.
3.5. Spôsoby porovnávania času
Pre vytvorenie nadväznosti [13] je nutné podľa definície vytvoriť neprerušený
reťazec porovnaní. Iba málo prípadov je však takých, že etalón s vyššou metrologickou
kvalitou sa nachádza na tom istom mieste ako ten, s ktorým ho chceme porovnať. Preto si
teraz priblížime rôzne spôsoby ako vzdialené etalóny porovnať.
3.5.1 Transport hodín
Transport hodín najstarším spôsobom porovnávania a patrí medzi nižšie popísanú
common view metódu. Keďže u vysokokvalitných etalónov je nemysliteľné narúšať
akýmkoľvek spôsobom ich pracovné prostredie z dôvodu degradácie stability, používali
sa na tento účel prenosné porovnávacie etalóny. Ak je treba porovnať dva etalóny, jeden v
mieste A a druhý v mieste B, prenosné hodiny sa najprv zosynchronizovali s etalónom v
bode A a určil sa rozdiel hodnôt výstupných frekvencií medzi nimi. Následne sa fyzicky
transportovali do bodu B, kde sa porovnali s miestnym etalónom. Nakoniec sa opäť
previezli do bodu A, kde bolo uskutočnené kontrolné meranie voči miestnemu etalónu.
Výhodou tohto spôsobu je malá chyba (1 ns v čase, a 10−14 pre frekvenciu) merania a
nízke nároky na zdroje. Pre rôzne administratívne prekážky (napr. bezpečnostné pravidlá
Metrológia času a frekvencie
26
leteckej prepravy) a dostupnosť iných porovnateľne výkonných spôsobov sa dnes už táto
metóda takmer nepoužíva.
3.5.2 Jednosmerný prenos elektromagnetických signálov
Pri jednosmernom prenose signálov je časový signál jedného z porovnávaných
etalónov vysielaný v podobe elektromagnetických signálov jednosmerným
komunikačným kanálom. Kritickým v tejto súvislosti je určiť prenosové oneskorenie
signálu, spôsobené konečnou a variabilnou rýchlosťou šírenia sa časovej informácie v
komunikačnom kanále. V ideálnom prípade sa táto šíri konštantnou rýchlosťou, pričom
najvyššia možná je rýchlosť svetla. Pri tejto rýchlosti odpovedá na 1 kilometer prenosové
oneskorenie 3,336 μs. Najčastejšie sa na vysielanie časového signálu používajú
rádiostanice (DCF77, WWWV a iné) alebo satelity (GPS, Glonass). Pri použití rádiových
alebo satelitných signálov tento prestupuje premenlivým prostredím - atmosférou a
rýchlosť šírenia závisí od jeho stavu pozdĺž trajektórie (napr. teploty, tlaku vzduchu,
vlhkosti, stavu ionosféry a pod.).
Celkové oneskorenie je teda viac výsledkom výpočtov nad matematickým modelom
ako skutočným meraním. Zlepšenie odhadu oneskorenia poskytuje vysielanie na dvoch
odlišných nosných frekvenciách, keďže rýchlosť šírenia elektromagnetického vlnenia v
atmosfére je závislá aj na jeho vlnovej dĺžke. Pri väčšine systémov platí, že ak je už raz
vysielač uvedený do činnosti časovú informáciu je schopný doručiť neobmedzenému
množstvu prijímačov, čo je nespornou výhodou.
Metóda "Common view" [10]
Ak dvoje hodiny, ktoré majú byť porovnané, nie sú v priamej viditeľnosti, tj.
vysielaný signál z hodín A nie je možné zachytiť na mieste hodín B a naopak, možno na
ich porovnanie použiť signál vysielaný z hodín S viditeľný oboma hodinami A i B. V
rovnakom čase sa uskutoční porovnanie hodín A voči S a hodín B voči S. Pri kombinácii
týchto meraní sa vplyvy hodín S na meranie vyrušia. V prípade, že hodiny S sú
dostatočne stabilné, nemusia tieto porovnania prebehnúť v rovnakom čase. Ak signál
hodín S prestupuje atmosférou nehodno zabúdať na jej vplyv a zmenu atmosférických
podmienok, ktoré sa môžu za tú dobu zmeniť. Pre dosiahnutie čo najlepších výsledkov je
nutné dbať na to, aby vzdialenosť medzi A - S a B - S bola rovnaká a tým aj prislúchajúce
oneskorenia.
Metrológia času a frekvencie
27
V súčinnosti so systémom GPS (Global Positioning System) je dnes common view
(obr. 3.11) najpoužívanejšou metódou pri porovnávaní etalónov medzi jednotlivými
národnými laboratóriami. S jej nasadením sa dosahujú neistoty merania v priemere okolo
20 ns pri vzdialenostiach nad 1000 km.
Obr. 3.11 Princíp porovnávania času metódou common view
3.5.3 Obojsmerný prenos elektromagnetických signálov
Obojsmerný prenos sa snaží odstrániť potrebu modelovania prenosového kanálu a
odhadovania oneskorenia. Prenosové oneskorenie je priamo odmerané vyslaním signálu z
jedného miesta na druhé, kde je okamžite preposlaný spätnou linkou naspäť. Jednosmerné
oneskorenie sa potom určí ako polovica celkového. Preto je dôležité, aby bol prenosový
kanál čo najsymetrickejší. Rozlišujeme tri základné spôsoby realizácie obojsmernej linky:
Pri časovom multiplexovaní sa striedavo mení tok prenosu dát na jednej linke.
Táto sa javí ako obojsmerná, ale v skutočnosti sa informácia v každom okamihu šíri iba
jedným smerom. Takúto linku nazývame half-duplexnou. Miera nesymetrickosti kanála je
úmerná veľkosti fluktuácií oneskorenia v jednotlivých smeroch.
Frekvenčné multiplexovanie moduluje signál pre každý smer na inú frekvenciu,
čím umožňuje simultánnu komunikáciu v oboch smeroch na danej linke. Takúto linku
budeme nazývať full-duplexnou. Nesymetrickosť prenosového kanála je mierou rozdielu
rýchlosti šírenia signálu s rôznou frekvenciou. Typickým príkladom sú satelitné
komunikačné linky, či telefónne modemy.
ionosféra
troposféra
Hodiny A Hodiny B
výmena informácií
Metrológia času a frekvencie
28
Tretím spôsobom je vytvoriť pre každý komunikačný smer samostatnú prenosovú
linku. Dáta sú tak prenášané po dvoch úplne nezávislých, nominálne identických
jednosmerných kanáloch. Nesymetrickosť je daná iba schopnosťou vybalancovať tieto
dve linky a mierou závislosti fluktuácií medzi nimi. Príkladom sú napr. telekomunikačné
linky na stredné vzdialenosti realizované optickými vláknami.
Typickým príkladom porovnania času obojsmerným prenosom je TWSTFT
(kapitola 3.6.8).
3.6. Systémy na prenos času
V histórii nájdeme len málo systémov, ktoré boli primárne postavené za účelom
porovnávania metrologických vlastností hodín. Častejšie sú využívané systémy navrhnuté
pre zabezpečenie iných služieb ako napr. navigačných či komunikačných.
V predchádzajúcej časti popísané spôsoby preto úzko súvisia so systémami, ktoré sú
v dnešnom čase k dispozícii. Zosumarizovanie výkonnosti predstavovaných systémov
uvádza tab. 3.2 [14].
Typ prenosu spôsob prenosu neistota času
(za deň)
neistota frekvencie
(za deň)
Zvukové časové signály telefón/rádio < 1 ms -
Časová služba cez telefón telefónna prípojka, modem, počítač, softvér < 5 ms -
Časová služba cez Internet počítač, softvér, internetové pripojenie < 100 ms -
Rozhlasové vysielanie rozhlasový prijímač s RDS (87 - 108 MHz) < 100 ms 1 × 10−5
VF prijímač (2 - 15 MHz) < 500 μs 10−5 až 10−8 Rádiové časové signály (DCF77)
NF prijímač (20 - 80 kHz) < 500 ns 10−10 až 10−12 Analógové televízne vysielanie televízny prijímač 100 ms 1 × 10−5
CDMA mobilná sieť CDMA mobilná sieť, prijímač 1 až 10 μs 1 × 10−12 GPS GPS prijímač 10 až 100 ns 10−11 až 10−13 TWSTFT prijímač a vysielač < 5 ns < 1 × 10−13
Tab. 3.2 Prehľad systémov na prenos času a normálovej frekvencie
Metrológia času a frekvencie
29
3.6.1 Zvukové časové signály
"Oznam o presnom čase" je označenie zvukových signálov vysielaných v programe
rozhlasu. Okrem toho, že je to informácia pre poslucháčov, využíva sa aj na zabezpečenie
nadväznosti jednotlivých programov, ktoré môžu byť preberané z inej rozhlasovej
stanice. Slovenský rozhlas ich zaraďuje do vysielania od roku 1926.
Informácia o čase je sprostredkovaná hlásateľom ústne pred alebo po odvysielaní
časového signálu. Ten pozostáva zo šiestich pulzov o frekvencii 1kHz. Prvých päť má
dĺžku 100 ms (medzera 900 ms) a šiesty, začínajúci v čase oznámenom hlásateľom, je
dlhý 500 ms (medzera 500 ms). Identické je vysielanie zvukovej časovej informácie po
telefóne. Neistota v čase v priemere za 1 deň sa pohybuje okolo 1 ms. Spôsobená je
zmenou prenosového oneskorenia rozhlasového resp. telefónneho signálu.
3.6.2 Časová služba cez telefón
S rozširovaním výpočtovej techniky vznikala potreba synchronizácie času
jednotlivých počítačov/serverov. Existujúca telefónna sieť sa zdala ako vhodným
prenosovým kanálom. Časovú službu cez telefón zabezpečuje na strane jej poskytovateľa
server synchronizovaný s referenčným etalónom (často s národným etalónom).
Telefonické spojenie je realizované štandardnými modemami.
Používateľ, ktorý chce svoj čas na počítači s pripojeným modemom
synchronizovať, vytočí s využitím na to určeného softvéru telefónne číslo poskytovateľa.
Po spojení server začne vysielať v sekundových intervaloch informáciu o správnom čase.
Formát správy by sa mal riadiť odporúčaním Medzinárodnej telekomunikačnej únie
ITU-R TF583.4. Prijatý čas zo servera je vysielaný v predstihu. Správnym je v okamihu
príjmu presne definovaného znaku v tejto správe.
Neistota v čase pri jednodennom priemerovaní sa pohybuje v rádoch milisekúnd a
je ovplyvnená variáciou prenosového oneskorenia a oneskorením spracovania.
3.6.3 Časová služba cez Internet
NTP (Network Time Protocol) je najpoužívanejším zo série protokolov pre
synchronizáciu času pomocou siete Internet. Poskytuje momentálne najlepšie algoritmy
na minimalizáciu chýb spôsobených asymetrickým a nestálym prenosovým kanálom
akým Internet je. Dnes je dostupný už v štvrtej verzii, avšak štandardom je zatiaľ len
tretia.
Metrológia času a frekvencie
30
Servery poskytujúce časovú informáciu tvoria hierarchiu podľa toho k akému
zdroju času sa synchronizujú. Jednotlivé úrovne tejto hierarchie sa nazývajú stratum.
Najvyššie sú stratum 1 servery, ktoré sa synchronizujú k vonkajšiemu zdroju času
(referenčný etalón, GPS prijímač. . .). Servery na úrovni stratum n sú synchronizované so
servermi úrovne n − 1. Stratum 1 servery synchronizované často i k národným etalónom
majú svoje služby zväčša voľne prístupné.
Klient žiadajúci o synchronizáciu vysiela v pravidelných intervaloch žiadosť o
synchronizáciu na viaceré prednastavené servery. Zabudovaný algoritmus sa snaží z
pomedzi nich vybrať ten najvhodnejší – taký, ku ktorému prenos správy od klienta na
server a späť trvá čo najkratší časový interval a jednotlivé rozdiely v týchto intervaloch sú
čo najmenšie. Krátke prenosové oneskorenie správy dáva totiž predpoklad, že v spojení
medzi klientom a serverom je len málo smerovačov, prepínačov, opakovačov a iných
sieťových prvkov spôsobujúcich oneskorenia a nepravidelnosti intervalu potrebného na
prenos správy. Získa sa tak lepší odhad prenosového oneskorenia. Neistota v čase v
jednodennom priemere sa pohybuje od desiatok po stovky milisekúnd a je silne závislá
najmä od vyťaženia spojenia medzi serverom a klientom, jeho asymetrickosti a
oneskorením plynúcim zo spracovania.
3.6.4 Rozhlasové a televízne vysielanie
Každá rozhlasová a televízna stanica musí podľa zákona udržať stabilitu svojej
nosnej frekvencie na úrovni 10−5, aby bolo zaručené, že sa jednotlivé stanice nebudú
rušiť. Táto nosná frekvencia sa dá využiť ako referencia pre jednoduchú kalibráciu.
Zvyčajne na mieste referenčného oscilátora z ktorej sa odvodzuje nosná frekvencia je
umiestnený rubídiový oscilátor.
FM rozhlasové prijímače môžu získať časovú informáciou z RDS (Radio Data
System) správ, ktoré vysiela väčšina rozhlasových staníc. Aj keď časová informácia
nepatrí k povinným, ktoré by mali byť vysielané a jej vysielanie nemá slúžiť čo najlepšej
synchronizácii, dosiahnutá neistota v čase je obyčajne menšia ako 100 ms. Časová správa
obsahuje MJD dátum, UTC hodinu a minútu a posun miestneho času voči UTC. Je
vysielaná každú minútu.
Podobne je informácia o správnom čase vysielaná v televíznom vysielaní pomocou
teletextu.
Metrológia času a frekvencie
31
3.6.5 Rádiové časové signály
Vysielanie časových signálov na rádiových vlnách patrí medzi najstaršie spôsoby
prenosu časovej informácie. Od roku 1957 do 1996 bol v prevádzke aj Československý
vysielač v Libliciach OMA [15] vysielajúci na frekvencii 50 kHz. Signály rôznych
vysielačov sú vysielané na nosných frekvenciách od 20 kHz do 20 MHz. Na Slovensku
máme možnosť príjmu signálu z vysielača DCF77.
DCF77
Vysielač DCF 77 vysiela na frekvencii 77.5kHz normálovú frekvenciu, čas a dátum
v miestnom čase NSR na základe údajov spolkového fyzikálne technického ústavu (PTB)
v Braunschweigu. Poloha vysielača v Mainflingene pri Hanau je určená zemepisnými
súradnicami 50°01’N (severnej šírky) a 09°00’E(východnej dĺžky). Vyžiarený výkon sa
udáva 38 kW a signál je údajne možné prijímať až do vzdialenosti 2000km.
Časová informácia sa vysiela poklesom výkonu nosnej na 25% nominálnej hodnoty
(AM). Počiatok každého poklesu označuje počiatok sekundy. Každú minútu sú v
binárnom kóde prenášané čísla reprezentujúce minúty, hodiny, deň v mesiaci, deň v
týždni, mesiac a rok prostredníctvom modulácie šírky impulzov (PWM) sekundových
značiek. Tieto telegramy platia vždy pre nasledujúcu minútu. Pokles nosnej frekvencie
77.5 kHz na 25% nominálnej hodnoty znamená pri dĺžke 100 ms log0 a pri dĺžke 200ms
log1.
Pri použití tohto spôsobu prenosu času, je nutné poznať vzdialenosť prijímača od
vysielača, aby bolo možné výsledky merania korigovať o prenosové oneskorenie.
Pre nízkofrekvenčné vysielače (20-80 kHz) neistota dosahuje v priemere za 1 deň
niekoľko 100μs v čase a 10-10 až 10−12 vo frekvencii odvodenej od nosnej frekvencie [14].
3.6.6 CDMA mobilné siete
Prenos CDMA mobilnou sieťou je najmladším spôsobom prenosu časovej
informácie a frekvencie. Samotná skratka CDMA (Code Division Multiple Access)
označuje spôsob, akým môže komunikovať viacero zariadení na spoločnej prenosovej
linke. Vysielané signály zariadení sú voči sebe ortogonálne, a tak sú ľahko rozlíšiteľné.
Tento spôsob prístupu využívajú nové mobilné siete. Na zabezpečenie ich bezchybnej
prevádzky je nutná dobrá synchronizácia času základových staníc a stabilita nosnej
frekvencie.
Metrológia času a frekvencie
32
Štandard UMTS pre CDMA mobilné siete akceptuje chybu v najhoršom prípade 2,5
μs pre čas a nestabilitu frekvencie lepšiu ako 5×10−8 [16]. Najľahším a najjednoduchším
spôsobom ako to dosiahnuť je použitie GPS disciplinovaného oscilátora na každej
základovej stanici NODE B.
Neistota v čase je opäť závislá na vzdialenosti od základovej stanice. Tá je obyčajne
tým menšia, čím hustejšie je osídlené okolie.
3.6.7 GPS NAVSTAR
Tento systém bol postavený Americkou armádou v spolupráci s NASA pre účely
určovania polohy a času s vysokou presnosťou kdekoľvek na Zemi. Celý systém je
prevádzkovaný ministerstvom obrany Spojených štátov (United States Department of
Defense – USDOD). V súčasnosti obieha okolo Zeme 29 satelitov [17] (z toho je
niekoľko záložných) vo výške 20 200km nad Zemou.
GPS je pasívny dĺžkomerný systém a preto poskytovať správny čas je pre jeho
funkčnosť viac než kritické, pretože poloha prijímača sa vypočítava zo vzdialenosti k
jednotlivým satelitom. Tie sa určujú z prenosového oneskorenia signálov vysielaných
satelitmi.
Na jednotlivých satelitoch sa preto nachádzajú až štyri atómové hodiny (najčastejšie
kombinácia céziových a rubídiových) [17], ktorých chod je neustále monitorovaný
niekoľkými riadiacimi stanicami a národným ústavom pre štandardizáciu NIST.
Všetky satelity vysielajú na dvoch rovnakých frekvenciách L1 = 1575,42 MHz a
L2 = 1227,6 MHz s vyžitím CDMA technológie tzv. pseudonáhodný kód PRN (Pseudo-
Random Noise), ktorým sa zároveň aj každý satelit identifikuje. Rozlišujú sa dva typy
PRN kódov a to kód C/A pre „hrubé“ určenie polohy s čipovou rýchlosťou 1023 č/s a P
kód s čipovou rýchlosťou 10230 č/s na „presné“ určenie polohy. C/A kód je vysielaný len
na nosnej L1 a P kód oboma nosnými [17].
GPS poskytuje dve úrovne služieb a to službu SPS – verejný signál na „hrubé“
určenie polohy. Je vysielaná len nosnou L1. Ďalším typom služby je PPS – umožňuje
určiť polohu a čas s vyššou presnosťou.
Na využívanie služby PPS je potrebné poznať P kód, ktorý nie je verejný a vláda
USA ho poskytuje len vybraným používateľom.
Presnosť, akú poskytujú služby SPS a PPS sú v tab. 3.3 [17].
Metrológia času a frekvencie
33
služba presnosť určenia polohy časová presnosť
vzhľadom k UTC horizontálna vertikálna SPS 100m 156m 340ns PPS 22m 27,7m 200ns
Tab. 3.3 Presnosť systémy GPS
Frekvencie boli zvolené tak, aby prenos v súčinnosti s CDMA bol minimálne
ovplyvnený atmosférou. Neistoty 10 − 100 ns v čase a 10−11 až 10−13 vo frekvencii sú tak
malé, že tento spôsob prenosu je vhodný takmer pre každú aplikáciu. Ovplyvnené sú
najmä stavom ionosféry, ktorá má najväčší efekt na zmeny prenosového oneskorenia.
Pri systéme GPS prichádza do úvahy niekoľko metód časovej a frekvenčnej
synchronizácie, sú uvedené v tab. 3.4. Podľa [18] metódu viac kanálová – common view
a sledovanie fázy nosnej – common view možno použiť len v prípade využívania služby
PPS, čiže je nutné poznať P kód.
Tab. 3.4 Metódy časovej a frekvenčnej synchronizácie pri systéme GPS
Dôležitým momentom pre účely časovej synchronizácie a určenia polohy bol deň
2.5.2000, keď USDOD rozhodlo o zrušení zámernej chyby (SA) vnesenej do prijímacieho
signálu, ktorá spôsobovala nepresnosť vyhodnotených údajov.
Na obr. 3.12 je záznam fázy GPS signálu prijímaného komerčným GPS prijímačom
na prelome dňa 2.5. 2000.
technika porovnania
časová nepresnosť (za 24hod)
frekvenčná nepresnosť (za 24hod)
jednosmerná <20ns 2.10-13 jedno kanálová Common-View ≈10ns 1.10-13 viac kanálová Common-View <5ns 5.10-14 sledovanie fázy nosnej Common-View <500ps 5.10-15
Metrológia času a frekvencie
34
Obr. 3.12 Záznam fázovej odchýlky GPS prijímača pred a po zrušení SA
3.6.8 TWSTFT
TWSTFT (TWSTFT - Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer) spojenie
je priame prepojenie dvoch koncových staníc satelitnou linkou (geostacionárne satelity),
pomocou ktorého sa posielajú časové signály jednej stanice k druhej a naopak.
Základom tejto techniky je meranie časových intervalov pomocou TIC (Time
Interval Counter) na oboch pozemných staniciach. TIC sú spúšťané signálom PPS
odvodený z lokálneho oscilátora (hod. A, resp. hod. B) a zastavené prijatým signálom zo
vzdialeného oscilátora (hod. B, resp. hod. A). Tento proces sa vykonáva súčasne na oboch
pozemných staniciach a namerané hodnoty časových intervalov si obe pozemné stanice
zaznamenávajú a medzi sebou vymieňajú.
TWSTFT predstavuje najpresnejší spôsob prenosu času a frekvencie na veľké
vzdialenosti. Neistoty sú menšie ako 5 ns v čase a 1×10−13 vo frekvencii pri jednodennom
priemerovaní. Nevýhodou je veľmi vysoká cena prevádzky.
Obr. 3.13 Porovnanie dvoch hodín pomocou TWSTFT
vysielač
prijímač
hod. A
TIC TIC
hod. B vysielač
prijímač
Duplexer a filtre
satelit
pozemná stanica A
pozemná stanica B
Metrológia času a frekvencie
35
3.7. Nadväznosť času a frekvencie
Nadväznosť (traceability) [13] v metrológii predstavuje vlastnosť výsledku merania
alebo hodnoty etalónu, ktorá má vzťah k určeným referenčným etalónom, všeobecne k
štátnym (národným) alebo medzinárodným etalónom prostredníctvom neprerušeného
reťazca porovnaní s určenými neistotami.
Jednotlivé laboratóriá tvoria hierarchiu, ktorej vrcholom je BIPM. Spravuje
medzinárodnú sústavu jednotiek SI teda aj jednotku času – sekundu. Priamo na BIPM sú
nadviazané národné metrologické ústavy udržujúce nadväznosť svojich primárnych
etalónov na medzinárodnú sústavu. Takto je zabezpečená nadväznosť na medzinárodnej
úrovni.
V rámci jedného štátu sú referenčné etalóny v kalibračných a testovacích
strediskách porovnávané s národným etalónom.
Referenčné etalóny slúžia účelu kalibrácie pracovných etalónov a úplne na spodku
sú koncové zariadenia určené ku každodennej práci ako napríklad parkovacie hodiny
alebo policajné radary.
Takáto pyramída nadväznosti je znázornená na obr. 3.14.
Obr. 3.14 Pyramída nadväznosti času a frekvencie
Obr. 3.15 Reťaz nadväznosti času a frekvencie pri kalibrácii cez GPS
ostatné metrologické ústavy
UTC (BIPM)
USNO NIST
vysielaný GPS signál
výstup z GPSDO
Výber časovej základne pre frekvenčný čítač
36
Vo viacerých metrologických ústavoch vo svete ako aj v štátnom metrologickom
ústave na Slovensku SMÚ sa používa GPS ku medzinárodnému porovnávaniu atómových
hodín (obr. 3.15). Takto sa určí priemerný čas z viac ako 200 atómových hodín a ten je
prehlásený za medzinárodný čas UTC.
4. Výber časovej základne pre frekvenčný čítač Z kapitoly 2.3 je zrejmé, že použitie bežného kryštálového oscilátora ako
referenčný oscilátor pre presný merač frekvencie nie je vhodné riešenie.
Lepšie parametre nám ponúkajú oscilátory, ktoré majú nejakým spôsobom
vyriešenú teplotnú kompenzáciu a starnutie alebo použiť atómové oscilátory:
• TCXO
Výhodou je ich relatívne nízka cena. Majú však stále dosť vysokú nestabilitu
a nepresnosť.
• OCXO
Majú vynikajúce parametre fázového šumu, dostatočne dobrú stabilitu, avšak
z dlhodobého hľadiska kvôli starnutiu je nutná občasná kalibrácia s etalónom.
Nevýhodou je dosť vysoká cena.
• Rubídiové atómové oscilátory
Poskytujú vynikajúce parametre krátkodobej stability aj starnutia. Nevýhodou je
vysoká cena.
• Céziové atómové oscilátory
Ich nominálna frekvencia nie je ovplyvnená starnutím. Nevýhodou je veľmi
vysoká cena.
Z uvedených alternatív najlepším kompromisom pomeru cena/výkon je asi voľba
OCXO. V niektorých aplikáciách však kompromisy na úkor stability a presnosti
nemôžme hľadať.
Existuje však aj možnosť, že by sme použili oscilátor menšej stability ako atómové
oscilátory (napr. OCXO) a ten by sme nejakým spôsobom synchronizovali s frekvenčným
normálom.
Výber časovej základne pre frekvenčný čítač
37
4.1. Možnosti vzdialenej synchronizácie časovej základne
Ako vzdialený zdroj signálu frekvenčného normálu pri synchronizácii časovej
základne môžeme použiť:
• synchronozačnú zmes TV vysielačov
TV vysielače odvádzajú nosnú frekvenciu väčšinou z Rubídiových oscilátorov,
ktoré majú dosť vysokú stabilitu. Synchronizačné impulzy s f=15625Hz sa dajú
jednoducho sfázovať s lokálnym oscilátorom pomocou PLL. V minulosti sa často
prevádzala kalibrácia práve týmto spôsobom.
Nevýhodou sú časté odstávky vysielačov a limity, ktoré obmedzujú dosahovanú
presnosť synchronizácie.
• DCF77 – vysielač presného času
Dnes je to jediný vysielač na dlhých vlnách, ktorý má pokrytie aj na Slovensku.
Presnosť hodín tohto systému je neustále monitorovaná PTB. Priamo na vysielacom
mieste normálne pracujú tri céziové – atómové hodiny. Frekvenčná synchronizácia sa dá
vyriešiť slučkou fázového závesu PLL na nosnú 77,5kHz.
Výhodou je možnosť príjmu signálu vo vnútri budov.
Nevýhodou je, že vplyvom ionosféry sa signál degraduje, čo spôsobuje veľký drift.
• systém GPS NAVSTAR – družicový navigačný systém
V súčasnosti je najpoužívanejším médiom na prenos časovej informácie s najväčšou
presnosťou. Ako bolo zmienené v kapitole 3.6.7, na frekvenčnú synchronizáciu môžeme
použiť jednokanálovú common-view metódu. Na to nám postačí bežný komerčný GPS
prijímač, tzv. GPS OEM modul.
GPS OEM moduly sú špeciálne určené pre vývoj nových zariadení. Takéto moduly
majú vyvedené okrem sériovej zbernice aj PPS (Pulse Per Second) výstup, na ktorom sa
generujú impulzy s periódou 1s. Nábežná hrana tohto impulzu je ideálnom prípade vždy
synchronizovaná s atómovými hodinami na palube GPS satelitu, čo sa dá využiť pre
sfázovanie nášho „pozemského“ oscilátora (OCXO alebo RbXO) s GPS atómovými
hodinami.
Lacné GPS moduly, majú však presnosť tohto PPS impulzu značne degradovanú
tzv. GPS jitterom. Je to spôsobené hlavne nestabilitou oscilátora GPS modulu a zlým
odladením softvéru modulu, ktorý je za činnosť celého modulu zodpovedný.
Výber časovej základne pre frekvenčný čítač
38
Existujú na trhu špeciálne GPS moduly vyvinuté špeciálne pre potreby vysoko
presných časových aplikácií. Najpoužívanejšie z nich pre výrobu frekvenčných normálov
sú:
• Motorola M12 T Oncore (presnosť 6ns) [20]
• Navman Jupiter T (presnosť 10-20ns) [21]
• Trimble Resolution T (presnosť 15ns) [22]
Pre zaujímavosť, na porovnanie, GARMIN GPS18 [23], ktorý používam v tejto
práci, má presnosť PPS výstupu 1μs. Samozrejme tento prijímač nie je určený pre časové
aplikácie.
V dnešnej dobe existujú už hotové profesionálne prístroje frekvenčných etalónov
synchronizovaných práve systémom GPS cez PPS signál [24][25]. Cena týchto prístrojov
je však dosť vysoká. Napr. Fluke 910 [25] stojí cez $12 000.
Oscilátor, ktorý je riadený GPS systémom sa označuje GPSDO.
4.2. Výhody GPS synchronizácie časovej základne
Podľa vyjadrenia firmy QUARTZLOCK, ktorá je popredným výrobcom
frekvenčných normálov, má GPSDO unikátne vlastnosti [26], pretože pri vhodnom
návrhu, spája vynikajúce vlastnosti OCXO, resp. Rb oscilátora, u ktorých je
charakteristická vynikajúca krátkodobá stabilita a vlatnosti Céziových atómových hodín,
ktoré „netrpia“ procesom starnutia.
Frekvenčný čítač s GPS kalibráciou
39
5. Frekvenčný čítač s GPS kalibráciou Navrhnutý prístroj sa skladá z dvoch hlavných častí:
• frekvenčný čítač tvorený mikropočítačom ATMEGA8515 [27]+ pomocné obvody
• merač fázy s vysokým rozlíšením tvorený mikropočítačom ATMEGA32 [28] +
pomocné obvody
5.1. Bloková koncepcia obvodu
Obr. 5.1 Bloková schéma frekvenčného čítača s GPS synchronizáciou
5.2. Frekvenčný čítač
Moje riešenie frekvenčného čítača používa konvenčnú metódu merania, čiže priame
počítanie impulzov v známom čase. Umožňuje vygenerovať štyri meracie časy 10ms,
100ms, 1s a 10s, čím je zabezpečené rozlíšenie merania od 100Hz po 0,1Hz v rozsahu
merania do 100MHz. Pre vyššie frekvencie do 1,3 GHz je nutné použiť preddeličku.
Mikropočítač vygeneruje odvodením z časovej základne VCXO nastavený čas
merania a cez vstupné hradlo (IC8B) v tomto presne definovanom čase „prepúšťa“
impulzy do binárneho čítača.
Na akumuláciu napočítaných impulzov je použitý 30 bitový binárny čítač.
14bit externý(IC7) s výplachom + 8bit interný(μP) + 8bit softvérový
RX
TX
TX RX
14bit čítač
&NAND
GATE(0,1)
VSTUP-frekvencia do 100Mhz
16bit Interný čítač
RESET
Napätím doladitelný
OCXO
12,8MHz
Teplotné Čidlo DS18b20
PPS z GPS Pulse per seccond
12,8MHz
R/S &NAND
Oscilator 24MHz
8bit Čítač
16bit PWM Riadi vykon vyhrievania
16bit PWM Doladuje frekvenciu oscilatora
GATE(0,1)
8bit Internýčítač
RESET
Blok merača fázy.
Kryštál 10MHz
CLK
interrupt DISPLEJ
Klávesy Gate,Func Hore,dole Potvrdenie
UART
ATMEGA32 ATMEGA8515
Delička 4096
vf prepínač
Delička 64
VSTUP-frekvencia do 1Ghz
PPS
Frekvenčný čítač s GPS kalibráciou
40
Metóda výplachu čítača znamená, že k mikropočítaču je pripojený čítač len s
najvyšším bitom MSB a jeho stav sa zisťuje tak, že sa pripočíta k jeho aktuálnemu stavu
cez hradlo IC8D toľko prídavných impulzov, kým čítač „nepretečie“. Čiže keď vieme, že
náš čítač je 14 bitový, tak jeho max. hodnota môže byť 16383. Potom počet
naakumulovaných impulzov po meraní vypočítame ako :
,
kde N – stav čítača po meraní
M – počet prídavných impulzov z mikropočítača.
Takéto riešenie značne zjednoduší zapojenie, pretože namiesto 14 bitovej paralelnej
zbernice sa použije len 1bitová sériová zbernica + 1 vstup pre „výplach“. Toto však
samozrejme na úkor zložitosti softvéru.
Medzná frekvencia hradlovacieho obvodu (IC8) a binárneho čítača (IC7) je cca.
100MHz.
Meranú frekvenciu mikropočítač vyráta ako:
],,[ sHzTNf
G
m −= ,
kde TG je doba merania – GATE
Nameraný údaj je však posielaný po sériovej linke ako reťazec v jednotkách kHz.
Najviac netradičné pre tento čítač je použitie špeciálnej termostatizovanej časovej
základne s GPS synchronizáciou namiesto bežného QUARTZ kryštálu a výpis
nameraných výsledkov cez druhý mikropočítač, s ktorým komunikuje po sériovej linke
UART.
5.3. Časová základňa systému
Ako základ samotného oscilátora som použil VCTCXO, tepelne kompenzovaný
kryštálový oscilátor s napäťovým dolaďovaním. Oscilátor kmitá na 12,8MHz a má
stabilitu 2,5ppm v rozsahu teplôt -20 až +70°C [29].
Pre zvýšenie jeho stability som ho umiestnil do termostatizovanej komory, ktorá je
zvnútra obalená polyestrom hrúbky 9mm a zvonka je celý blok chránený medeným
obalom z DPS, čo zabezpečí aj vysokú odolnosť voči elektromagnetickému rušeniu.
V puzdre sa okrem sa okrem samotného oscilátora nachádzajú:
• tepelne kompenzovaný stabilizátor napätia
MN −=16383
Frekvenčný čítač s GPS kalibráciou
41
• sieť pre doladenie EFC (Electronic Frequency Control)
• teplotné čidlo s digitálnym prenosom dát (nie je nutná kompenzácia vodičov)
• vyhrievanie
Krabička je mechanicky skonštruovaná tak, aby sa blok ako celok dal osadiť na DPS.
Na spodnej strane sú 2 skrutky na upevnenie a 3 otvory na:
• hrubé doladenie nominálnej frekvencie
• jemné doladenie nominálnej frekvencie
• nastavenie citlivosti EFC
Ručne je možné preladiť VCXO až o 15ppm, čo je približne 200Hz. Preladenie
prostredníctvom EFC je maximálne 25Hz (5Hz/1V) a minimálne 2Hz (0,4Hz/1V).
To záleží od nastavenia citlivosti EFC.
Oscilátor s takýmito úpravami má vlastnosti ako oscilátory typu OCXO.
5.4. Teplotná stabilizácia časovej základne
Kvalitné oscilátory typu OCXO používajú na reguláciu teploty Peltierov článok,
tzv. TEC (Thermal Electric Cooler). TEC umožňuje okrem vykurovania aj chladenie.
Preto vie takýto systém veľmi rýchlo reagovať na zmeny teploty a umožňuje veľmi
precíznu reguláciu teploty. Mne sa TEC článok nepodarilo zohnať, preto som použil iné
najlepšie dostupné spôsoby.
Mechanické riešenie teplotnej stabilizácie je vysoká izolačná schopnosť od
okolitého prostredia a po elektrickej stránke to je precízna regulácia teploty v úlohe
digitálneho PID regulátora.
Ako teplotný senzor som zvolil typ DS18B20 [30], ktorý posiela digitálnu správu
o teplote s rozlíšením až 0,0625°C! Jeho konečná presnosť samozrejme nie tak vysoká
(0,2°C), ale pre túto aplikáciu to ani nie je podstatné. Pre nás je dôležité rozoznať
minimálnu odchýlku od požadovanej teploty, čo udáva rozlíšenie čidla.
Na vyhrievanie sú použité dva výkonové tranzistory, ktorým veľkosť prúdu
reguluje výkonný MOSFET tranzistor v SMD puzdre. Je schopný zopnúť aj niekoľko
ampérov bez toho aby sa zahrial. Riadenie MOSFETU je riešené prostredníctvom 16bit
PWM generátora, čím sa dajú dosiahnuť takmer nulové straty. Minimálne straty sú
spôsobené „zbytkovým“ odporom MOSFETu.
Frekvenčný čítač s GPS kalibráciou
42
5.5. Merač fázového rozdielu GPS a časovej základne
Tento blok je najzložitejšou časťou celého zariadenia a spolu so softvérom tvorí
hlavnú časť tejto práce.
V podstate je to digitálna forma slučky fázového závesu PLL s veľmi dlhou
časovou konštantou. Takáto PLL by sa analógovou technikou zhotoviť nedala, kvôli
veľmi dlhej integračnej dobe.
Počas celého chodu zariadenia tento systém neustále monitoruje fázový rozdiel
medzi PPS signálom prichádzajúceho z GPS prijímača a frekvencie našej časovej
základne (ďalej len VCXO).
Popis obvodu:
Výstup z VCXO je privedený do vstupného zosilňovača (IC11) a potom je podelený
4096 krát (IC13). Výstup z čítača je privedený do rýchleho R/S klopného obvodu (IC12)
spolu so signálom PPS. Výstup z klopného obvodu (IC12) „hradluje“ čítač, ktorý takto
ráta impulzy z 24MHz oscilátora (XO1) v čase trvania impulzu medzi nábežnou hranou
PPS a VCXO.
Oba IC11 a IC12 sú rovnakého typu 74HCT4046A [31] a napriek tomu vykonávajú
úplne odlišné úlohy, na ktoré ani nie sú primárne výrobcom navrhnuté. Obvod je zložený
z viacerých častí ako citlivý vf zosilňovač, VCO a troch fázových komparátorov.
Našťastie každý z týchto blokov má vyvedené vývody na puzdro obvodu, a preto je
možné ich použiť samostatne. Toto obvodové riešenie vstupného zosilňovača a R/S
klopného obvody je prebraté z [32].
Vo funkcii hradlovaného čítača je duálny 4bitový binárny čítač (IC10), ktorý je
zapojený ako jeden 8bitový a ešte je rozšírený o ďalších 8bitov prostredníctvom
mikropočítača. Takouto úpravou som získal plnohodnotný 16bitový čítač, ktorého stav sa
jednoducho odčíta 8bitovou paralelnou zbernicou na porte A (spodných 8bitov) a horných
8bitov je uložených ako hodnota premennej v mikropočítači.
Počet impulzov napočítaných čítačom je priamo úmerný fázovej odchýlke.
Činnosť tohto merača fázy je znázornená na obr. 5.2.
Frekvenčný čítač s GPS kalibráciou
43
Obr. 5.2 Časové priebehy pri meraní fázy medzi PPS a VCXO
Princíp merania je založený na fakte, že výsledok frekvencie VCXO po delení bude
celé číslo len vtedy, ak VCXO bude kmitať presne na svojej nominálnej frekvencii
12800000Hz alebo (12800000±n.4096)Hz, kde n je celé číslo 0,1,2, ...
Keďže náš oscilátor VCXO má stabilitu v najhoršom prípade 2,5ppm, tak pre nás
platí len tá prvá možnosť. Ak bude VCXO kmitať čo i len „kúsok“ mimo jeho nominálnej
frekvencie, bude sa fáza s časom zväčšovať alebo zmenšovať, pretože výsledok po delení
bude zlomkové číslo. Inými slovami, ak bude fáza dlhodobo konštantná, tak vieme, že
VCXO kmitá presne (limitne sa blíži) na svojej nominálnej frekvencii.
Príklad:
Dôležité parametre pre tento systém fázomera sú:
fVCXO = 12,8MHz podelené 4096 = 3125Hz
fXO = 24MHz
Maximálny počet impulzov napočítaných v čítači potom bude:
768010*24*3125
1* 6 === XOfTN ,
kde T je maximálny fázový rozdiel medzi VCXO a PPS (GPS).
Minimálny počet impulzov je samozrejme 0.
Ako už bolo vyššie zmienené, tak frekvenčnú odchýlku (offset) VCXO od svojej
nominálnej hodnoty vieme určiť ako deriváciu fázového odchýlky podľa času. Čiže ak by
v nekonečne dlhom čase bol fázový rozdiel stále konštantný, tak by to znamenalo, že
VCXO kmitá absolútne presne na 12 800 000 Hz.
PPS
VCXO podelené 4096
výstup z R/S KO
čítač ráta pulzy
Frekvenčný čítač s GPS kalibráciou
44
Príklad:
Mikropočítač zmeral zmenu fázovej odchýlky 120ns za čas 30s. Frekvenčnú odchýlku
VCXO vieme následne určiť zo vzťahu:
],,,[* ssHzHzt
dTfdf =
kde df je rozdiel frekvencie VCXO od svojej nominálnej hodnoty v Hz
f je nominálna frekvencia VCXO v Hz
dT je zmena fázovej odchýlky VCXO a PPS v sek. Prepočíta sa ako N/24.106
t je čas, za ktorý nastala zmena fázovej odchýlky v sekundách
Čiže po dosadení dostaneme
Hzdf 0512,030
10*120*10*8,129
6 ==−
,
čo by znamenalo pri 12,8 MHz chybu 0,004ppm alebo 4ppb.
Stále však nevieme, či frekvenčná odchýlka df je kladná, alebo záporná. To vieme
určiť z toho, či rozdiel fázy sa časom zväčšuje alebo zmenšuje. Ak sa teda rozdiel fázy
zväčšuje, VCXO kmitá „nižšie“ a ak sa zmenšuje, tak VCXO kmitá „vyššie“.
Možno je tak trocha čudné, že na generovanie impulzov do čítača je použitý bežný
24MHz oscilátor a nie náš vysoko stabilný VCXO. Totižto z dlhodobého hľadiska nie je
veľmi potrebné, aby tento XO mal vysokú stabilitu, lebo fázová odchýlka sa meria každú
sekundu a dôležité sú len dve merania po sebe a okrem toho, tým, že 24MHz XO
„driftuje“ nezávisle na VCXO získame odstránenie chyby merania ±1 číslo
priemerovaním.
Čím je vyššia frekvencia tohto oscilátora, tým je vyššie aj rozlíšenie fázomera.
Horná hranica je obmedzená medznou frekvenciou čítača, čo je cca 68MHz.
Obsah napočítaných impulzov mikropočítač spracováva každú sekundu a podľa
určitých parametrov zaisťuje spätnú väzbu vo forme doladenia EFC pomocou napätia,
tvoreného v 16 bitovom PWM generátore, tak aby nameraná fázová odchýlka bola
krátkodobo aj dlhodobo konštantná. Túto nie jednoduchú úlohu rieši softvér
mikropočítača.
Frekvenčný čítač s GPS kalibráciou
45
5.6. Činnosť softvéru pre fázovú synchronizáciu
Pre správnu funkčnosť fázovej synchronizácie bolo nutné naprogramovať niekoľko
algoritmov:
• limiter fázy
Opravuje chybný výpočet fázového rozdielu dvoch po sebe idúcich meraní. Pri
parametroch merača fázy (VCXO=12,8MHz, delenie=4096, XO=24MHz) sa môže
hodnota fázy (počet napočítaných impulzov) pohybovať len v intervale 0 – 7680
impulzov. Ak však presiahneme niektorú hranicu napr. o 1 impulz, tak by sa to
vyhodnotilo ako rozdiel 7679 impulzov, čo by znemožnilo celý proces regulácie.
• oknový FIR filter
Podľa veľkosti okna spriemeruje vstupný údaj o fáze. V princípe počíta len
aritmetický priemer fázovej odchýlky za definovaný čas (okno). Tento filter je dôležitý
pre zredukovanie jitteru PPS signálu. Bez tohto filtra by bolo možné doladiť VCXO len
s presnosťou 1ppm. (presnosť PPS použitého GPS modulu [23]). Stredná hodnota jitteru
z dlhodobého hľadiska je približne nulová [19].
• vyraďovací algoritmus
Podľa zadaných kritérií ak výstup z FIR filtra je značne odlišný ako predchádzajúci,
tak sa to vyhodnotí ako náhodná chyba. Táto nová hodnota sa nahradí predchádzajúcou
dovtedy, až kým sa fázová odchýlka neustály alebo až po 3. vyradenie. Vtedy sa už
predpokladá, že veľké skoky vo fázovej odchýlke sú správne a sú spôsobené nejakým
vonkajším vplyvom na VCXO (napr. veľký teplotný „šok“, čo by termostat VCXO
nedokázal včas vyregulovať).
• nastavenie setpointu (referenčnej hodnoty fázy)
Tento algoritmus nastaví hodnotu fázového rozdielu VCXO a PPS do stredu fázového
intervalu. Táto hodnota – 4000 slúži ako referenčná fáza (set point), podľa ktorej sa
sleduje dlhodobá fázová odchýlka. Setpoint sa nastavuje nastavením EFC buď na
maximálnu alebo minimálnu hodnotu podľa toho, či je potrebné fázovú odchýlku
VCXO – PPS „stlačiť“ alebo naopak „zdvihnúť“. Ak hodnota fázy dosiahne žiadanú
Frekvenčný čítač s GPS kalibráciou
46
hodnotu – setpoint, tak sa EFC v okamžiku prestaví na hodnotu, ktorá bola určená
v režime auto setup, resp. na hodnotu, ktorá je zapísaná v pamäti EEPROM.
• proporcionálno – integračný regulátor naprogramovaný ako IIR filter
2)1()(
1)()1()(
VnFinFi
VnFinFonFo −−
++−= ,
kde FO(n) je aktuálny výstup z filtra
FO(n-1) je predchádzajúci výstup z filtra
Fi(n) je aktuálny vstup do filtra
Fi(n-1) je predchádzajúci vstup do filtra
V1,V2 sú váhové koeficienty.
Takýto filter proporcionálne (skokovo) reaguje na fázovú odchýlku dvoch po sebe
idúcich meraniach (dôležité z hľadiska krátkodobej stability) a integruje veľkosť fázovej
odchýlky od počiatočnej hodnoty (setpointu) (dôležité z hľadiska dlhodobej stability).
Za týmto blokom nasleduje
• dodatočné exponenciálne filtrovanie, tzv. post alpha filter
alphanFonFinFonFo )1()()1()( −−
+−=
Funkcia tohto filtra sa prejavuje najviac v prípade, keď dve výstupné hodnoty z IIR
filtra sú dosť odlišné. To sa predpokladá za nejakú náhodnú chybu (GPS jitter), a preto
ALPHA filter exponenciálne „uberie“ na váhe zmeny EFC, ktorú by mikropočítač urobil
pre doladenie VCXO.
• limiter PWM generátora
Keďže na generovanie PWM signálu sa používa 16 bitový čítač, tak je možné nastaviť
hodnotu tohto signálu len v intervale 0 až 65535. V predchádzajúcich krokoch, kde sa
počítala hodnota EFC ako výstup z IIR filtra, alpha filtra alebo auto setup mode, mohla
byť vypočítaná taká hodnota, ktorá by prekročila tento interval. Preto je dôležité
obmedziť výstupné hodnoty z filtrov, tak aby „ležali“ v tomto intervale, lebo ináč by
nastalo „pretečenie“ registra, ktorý prislúcha 16 bitovému čítaču.
Frekvenčný čítač s GPS kalibráciou
47
• nastavenie hodnoty napätia pre EFC
Na tomto mieste sa už len nastaví hodnota PWM generátora, ktorý vygeneruje
správnu veľkosť jednosmerného napätia (po filtrácii) pre doľadenie EFC, čo je ako spätná
väzba sústavy. Týmto sa uzatvára regulačná slučka.
Ďalšie algoritmy slúžia na hrubé – rýchle nastavenie VCXO na jeho nominálnu
hodnotu.
• manuálne nastavenie (manual setup)
Proces automatickej synchronizácie cez filtre a algoritmy sa dá použiť len v prípade,
ak máme VCXO naladené s chybou max. ±2Hz, čo je limit pre možnosť doladenia EFC .
Toto dosiahneme manuálnym naladením EFC siete (trimre) cez otvory vo VCXO za
pomoci navigácie mikropočítača (kapitola 5.9).
• automatické nastavenie (auto setup)
Nastaví EFC „zhruba“, tak aby IIR filter mohol začať s malou chybou v regulačnom
procese. Týmto sa dosiahne rýchlejšie zachytenie slučky PLL. Tento mód sa ukončí
automaticky keď 3 merania za sebou (1meranie=30s) vykážu chybu VCXO max. 0,1ppm.
5.7. Zobrazovacia jednotka
Ako zobrazovač som zámerne nepoužil bežný alfanumerický displej, pretože jeho
max. rozmery by boli limitujúcim faktorom pre prehľadné zobrazenie údajov. Preto som
siahol po veľkom grafickom displeji [33] s rozlíšením 160x128bodov.
Ďalším dôvodom voľby tohto displeja bolo to, že som chcel robiť dlhodobý záznam
z procesu synchronizácie a zobraziť ho na displeji ako graf. To však vyžaduje pamäť
veľkej kapacity, tak som sa toho vzdal. Riešením by bolo pripojiť nejakým spôsobom
externú pamäť veľkej kapacity, napr. SD kartu, ktoré sa používajú v digitálnych
fotoaparátoch.
Momentálne je displej využitý len v textovom režime.
Frekvenčný čítač s GPS kalibráciou
48
Na displeji je zobrazené (od hora smerom dole):
• akčná veličina pre teplotný regulátor
• menu
• meraná frekvencia
• teplota
• nastavený mód GPS synchronizácie (popr. hlásenie chybného stavu pri výpadku
PPS)
• namerané údaje z procesu synchronizácie:
• aktuálny fázový rozdiel medzi VCXO a PPS (GPS)
• rozdiel medzi aktuálnou a predchádzajúcou hodnotou fázového rozdielu
VCXO a PPS
• hodnota fázového rozdielu medzi VCXO a PPS za čas zodpovedajúci
veľkosti FIR okna.
• rozdiel medzi aktuálnou a predchádzajúcou hodnotou fázového rozdielu
medzi VCXO a PPS za čas zodpovedajúci veľkosti FIR okna.
• akčná veličina GPS synchronizácie (priamo úmerné EFC)
• počet operácií v aktuálnom móde (dá sa z toho určiť ako dlho sa už „pracuje“
v nastavenom móde.
5.8. Komunikácia
Keďže systém je zložený z 2 mikropočítačov a merač frekvencie nemá svoju
zobrazovaciu jednotku a naopak systém fázovej synchronizácie nemá vlastnú klávesnicu
na ovládanie, musia preto mikropočítače medzi sebou komunikovať. Komunikácia je
riešená cez UART so softvérovou podporou zabezpečenia dát. Je zavedená paketová
prevádzka. Formát paketu je na obr. 5.3.
Obr. 5.3 Formát paketu, ktorým komunikujú mikropočítače
V hlavičke sa prenáša údaj o aký paket sa jedná. Napr. pre informáciu že sa posiela
správa o stlačení klávesy, tak hlavička=1. Ak sa posiela údaj o nameranej frekvencii, tak
hlavička=2. Viac možností som zatiaľ nepotreboval.
V okienku dĺžka sa posiela dĺžka užitočných dát medzi MSB a LSB.
HLAVIČKA DĹŽKA MSB ... LSB CRC
Frekvenčný čítač s GPS kalibráciou
49
Nakoniec sa vyráta kontrolný súčet CRC celého paketu.
Na prijímacej strane sa na základe týchto informácií robí bitová a rámcová
synchronizácia a následne sa vykonávajú príslušné príkazy.
Bolo by možné tiež paralelne pripojiť PC na monitorovanie zariadenia tak, že
voľbou hlavičky by sa oznámilo, ktorému zariadeniu správa patrí. Zariadenie, ktorému
správa nepatrí jednoducho paket „zahodí“.
5.9. Ovládanie
Celý prístroj sa ovláda pomocou 5 tlačidiel:
• GATE – voľba rozlíšenia merača frekvencie
• FUNCTION – prechod cez menu:
1. manual setup? <0,1>
2. auto setup? <0,1>
3. IIR filter mode <1 až10>
4. FIR window size <15, 30, 45, 60>
5. filter gain <1 až 32>
6. post alpha? <0,1>
7. save EFC now? <0,1>
8. set temperature <30 až 60>
• MINUS uberá parameter funkcie
• PLUS pridáva parameter funkcie
• ENTER uloží nastavený parameter (len po uložení sa ráta s novým parametrom)
Po zapnutí prístroja je možné okamžite merať frekvencie. Rozlíšenie sa volí
tlačidlom GATE. Všetky ostatné funkcie nastavujú parametre GPS synchronizácie.
Menu sa zobrazí len vtedy, ak je prítomný PPS signál. Na vizuálnu kontrolu PPS
signálu bliká červená LED s periódou 2s. Ak počas behu GPS synchronizácie „vypadne“
PPS signál na viac ako 5s, tak sa na displeji vypíše chybové hlásenie a následne sa
„stratí“ menu pre nastavovanie GPS synchronizácie.
Pri prvom zapnutí, alebo dlhodobej odstávke je nutné, aby sa najprv manuálne
nastavilo VCXO. Tento mód sa zapína sa nastavením manual setup na 1 a potvrdí sa
ENTEROM. Orientovať sa pri nastavovaní VCXO môžeme najprv podľa hodnoty
rozdielu fáz po sebe dvoch meraní. Cieľom je nastaviť túto hodnotu čo najbližšie k 0.
Frekvenčný čítač s GPS kalibráciou
50
Pre presnejšie nastavenie sledujeme LED diódy. Ich stav sa mení každých 30s, čo
vyžaduje značnú trpezlivosť pri nastavovaní. Keď svieti žltá LED, znamená to, že VCXO
kmitá pod jeho nominálnou frekvenciou (nutné zvýšiť frekvenciu). Ak svieti zelená LED
znamená to, že VCXO kmitá nad jeho nominálnou frekvenciou (nutné znížiť frekvenciu).
Ak zhasnú obe LED znamená to, že sme ručne naladili VCXO s presnosťou 0,1ppm.
Aby sme prešli do automatického režimu synchronizácie, musíme vypnúť režim
manual setup.
Ak je nastavený mód auto setup na 1, systém kontroluje či je VCXO naladené
s presnosťou minimálne 0,1ppm, tak ako to je popísané v kapitole 5.6.
Ukončením módu auto setup systém prejde do režimu nastavenia referenčnej fázy –
setpointu.
Po tomto sa spustí hlavná časť GPS synchronizácie – IIR filter mode 1, čím sa
začína veľmi jemné dolaďovanie VCXO. Podľa kvality (stability) použitého VCXO
a GPS prijímača môžeme zvýšiť hodnotu IIR filter mode. Pre GPS prijímač [23], ktorý
som používal pri vývoji je možné použiť max. IIR filter mode 2. Čím je vyššia hodnota
mode, tým je filtrácia „precíznejšia“ a pri menej kvalitných VCXO či GPS moduloch sa
môže hodnota fázy zmeniť (nestabilitou oscilátora alebo jitterom GPS prijímača) tak
veľmi, že si už potom s tým filter nevie „poradiť“.
Ak by sa stalo, že sa v IIR móde rozsvieti zelená LED, znamená to, že je možný
výpadok slučky PLL, čiže presnosť naladenia VCXO je diskutabilná.
Ďalším nastaviteľným parametrom je FIR window size, čo určuje počet hodnôt
fázových odchýlok VCXO–PPS, z ktorých sa berie priemer. Keďže hodnoty prichádzajú
každú sekundu, tak parameter FIR window size znamená aj to, že po koľkých sekundách
sa má spracovávať informácia pre výpočet novej hodnoty EFC.
Parametrom filter gain sa nastavuje celkové zosilnenie sústavy. Zatiaľ nastavujem
len experimentálne.
Funkciou post alpha? sa zapína, resp. vypína exponenciálny filter na výstupe
regulačného reťazca.
Ak sa nastaví parameter save EFC now? na 1, uloží sa aktuálne nastavená hodnota
EFC do pamäte EEPROM. Po vypnutí a opätovnom zapnutí prístroja sa táto hodnota
spätne nastaví ako predvolená.
Posledným nastaviteľným parametrom je set temperature, ktorým nastavíme
požadovanú teplotu na akú chceme vyhrievať VCXO.
Vývojové prostredie
51
6. Vývojové prostredie CodeVisionAVR
Softvér pre obidva mikropočítače je napísaný vo vývojovom prostredí
CodeVisionAVR. Toto prostredie umožňuje písanie kódu v jazyku C aj assembler.
Je veľkou výhodou možnosť kombinovania týchto dvoch jazykov. Jazyk C je výhodné
používať pri zložitých podmienkových algoritmoch a ovládaní rôznych periférií, ktoré má
už prostredie CodeVisionAVR zadeklarované a vie s nimi jednoducho komunikovať.
Assembler je potrebný pri rýchlych a jednoduchých operáciách a pri potrebe redukovania
veľkosti kódu. Pri tvorbe softvéru som čerpal informácie z [34][35][36].
CodeVisionAVR umožňuje kompiláciu kódu a naprogramovanie preloženého kódu
do mikropočítača cez programátor. Mikropočítače boli naprogramované prostredníctvom
ISP (In-System Programming).
Ukážka z programu CodeVisionAVR je v prílohe č.5.
7. Možnosti využitia Okrem aplikácie presného frekvenčného čítača je možné využitie tohto zariadenia
ako zdroj normálovej frekvencie a s použitím PLL je možné vygenerovať rovnako
stabilné signály s rôznymi frekvenciami. Využitie: mikrovlnné spoje
na riadenie dátového toku pri vysokorýchlostných asynchrónnych dátových
tokoch (QoS).
pri systémoch SFN (Single Frequency Network – rádiové systémy pracujúce s 1
nosnou frekvenciou). SFN sa používa aj pri vysielaní štandardu DVB-T.
pri rozšírení tohto prístroja o ďalšiu teplotnú komoru by sa mohla posudzovať
kvalita iných oscilátorov – teplotná závislosť. Meraný oscilátor by sa umiestnil do
teplotnej komory, v pomalých krokoch by sa menila teplota v komore a týmto
frekvenčným čítačom by sa zaznamenávala frekvenčná odchýlka oscilátora od
jeho nominálnej hodnoty. Mikropočítač by mohol z celého procesu zaznamenať
priebeh.
Záver
52
8. Záver Cieľom tejto diplomovej práce bolo zhrnúť problémy súvisiace s meraním
frekvencií frekvenčnými čítačmi a ponúknuť riešenie pre spresnenie nameraných
výsledkov.
V prvých kapitolách sa diplomová práca zaoberá s meracími metódami
používaných pri frekvenčných čítačoch a ich chybami. Ďalej popisuje všetky možné
chyby – ich príčiny v meracom procese a možnosti minimalizácie týchto chýb.
Tretia kapitola objasňuje súvislosť frekvencie a času, popisuje oscilátory používané
ako etalóny času, ako aj ich vzájomné porovnanie. Tiež popisuje metódy na porovnávanie
času a systémy na prenos času.
Ďalšia kapitola sa venuje výberu najvhodnejšej časovej základni pre frekvenčný
čítač a poukazuje na výhody vzdialenej synchronizácie oscilátorov.
Piata kapitola už popisuje konkrétne riešenie frekvenčného čítača s GPS
synchronizáciou, vďaka ktorej dosahuje tento čítač vysokej presnosti bez nutnosti
občasnej kalibrácie s nejakým frekvenčným etalónom.
Prínosom tejto diplomovej práce je, že takéto riešenie GPS synchronizácie u nás
nebolo ešte nikdy publikované a doteraz to bol tromf len niektorých špičkových
výrobcov na výrobu frekvenčných normálov.
Presnosť naladenia nominálnej frekvencie oscilátora som nemal možnosť overiť,
pretože som ani etalón frekvencie ani žiadny merač frekvencie s potrebnou presnosťou
nemal k dispozícii. Presnosť som však približne určil výpočtom na 4ppb, tak ako to
uvádza príklad v kapitole 5.5. Výsledok práce by bolo dobré overiť v štátnom
metrologickom ústave SMÚ, kde by sa dala overiť presnosť systému synchronizácie
VCXO a GPS. Miesto PPS (Pulse Per Second) signálu z GPS prijímača je možné pripojiť
PPS odvodené priamo z atómových hodín SMÚ a tým by sa vylúčila chyba GPS
prijímača.
S perspektívneho hľadiska je výhodné použiť PPS signál pre synchronizáciu,
pretože dnes je štandardom všetkých frekvenčných etalónov a v budúcnosti sa presnosť
PPS signálu bude len zlepšovať. Už dnes sú vo výhľade nové optické atómové hodiny,
ktoré sú až tisíc krát presnejšie ako tie najlepšie dnešné [37]. V roku 2010 sa spustí nový
Európsky navigačný systém GALILEO, ktorého satelity budú mať na palube
najpresnejšie atómové hodiny, aké kedy boli vypustené do vesmíru. To znamená, že
Záver
53
kdekoľvek na Zemi bude zdarma k dispozícii presnejší PPS signál ako poskytuje
v súčasnosti systém GPS.
Zoznam použitej literatúry
54
Zoznam použitej literatúry [1] Barry N. Taylor: The international system of units (SI), NIST special publication
330 2001 Edition, 2001 *
[2] Michael A. Lombardi: Fundamentals of time and frequency, NIST, 2002 *
[3] Stephen R. Cantor: Clock technology, The MITRE Corporation, 2002 *
[4] H. de Boer, J. Bortfeldt and B. Kramer: Realization of the SI units, 2002 *
[5] Marek Doršic: Kontrola správnosti času autorít časových pečiatok, Univerzita
Komenského, katedra informatiky, 2005 *
[6] Fundamentals of Quartz Oscillators, Application note, Hewlett-Packard Co., 2002 *
[7] Jerry A. Lichter: Crystals and oscillators, 1997 *
[8] DATASHEET: HP10811, Hewlett-Packard Co., 2000 *
[9] John R. Vig: Quartz Crystal Resonators and Oscillators For Frequency Control and
Timing Applications - A Tutorial, 2005 *
[10] ONLINE PUBLIKÁCIA: Special Issue on Time and Frequency Standard, 2004
<http://www2.nict.go.jp/kk/e414/shuppan/kihou-journal/journal-vol50no1.2.htm>
[11] Hitoshi Sekimoto and Yasuaki Watanabe: Ultra-Stable Crystal Oscillators for
Mobile Communications, 2001 *
[12] D. B. Sullivan and others: Primary Atomic Frequency Standards at NIST, Journal of
Research, 2001 *
[13] Nadväznosť meracích a skúšobných zariadení na národné etalóny, Metodické
smernice na akreditáciu, SNAS, 1998 *
[14] Michael A.Lombardi: Traceability in Time and Frequency Metrology, NIST, 1999 *
[15] ONLINE PUBLIKÁCIA: Šíření časových signálů v ČR, OMA 50, 2002
<http://home.zcu.cz/~poupa/oma50.html>
[16] Testing Synchronization in UMTS Networks, Application Note,
TrendCommunications, 2002 *
[17] ONLINE PUBLIKÁCIA: USNO GPS Timing Operations
<http://tycho.usno.navy.mil/gps.html>
[18] Michael A. Lombardi and others: Time and Frequency Measurements Using the
Global Positioning System, NIST, 2001 *
[19] Staffan Johansson: Traceable calibration of a GPS Disciplined Oscillator, Pendulum
Instruments AB, 2000 *
Zoznam použitej literatúry
55
[20] DATASHEET: Motorola M12+ Timing Oncore GPS Receiver *
[21] DATASHEET: Navman Jupiter-T GPS timing receiver module *
[22] DATASHEET: Trimble Resolution T GPS Timing Receiver *
[23] DATASHEET: Garmin GPS18 receiver module *
[24] DATASHEET: Fluke 910/910R GPS Controlled Frequency Standard *
[25] DATASHEET: Tycho GPS Frequency Reference *
[26] GPS, and its use in Time and Frequency, Quartzlock, 2004 *
[27] DATASHEET: ATMEGA8515, ATMEL, 2005 *
[28] DATASHEET: ATMEGA32, ATMEL, 2005 *
[29] DATASHEET: NKG3001B, NDK *
[30] DATASHEET: DS18B20, Dallas Semiconductor *
[31] DATASHEET: 74HCT4046A, Philips *
[32] Brooks Shera: A GPS-Based Frequency Standard, 1998 *
[33] DATASHEET: TLX-1013, Toshiba *
[34] Vladimír Váňa: Mikrokontroléry ATMEL AVR – Popis procesorů a instrukční
soubor, BEN Praha, 2003. ISBN 80-7300-083-0
[35] Vladimír Váňa: Mikrokontroléry ATMEL AVR – Programování v jazyce C – Popis a
práce ve vývojovém prostředí CodeVisionAVR C, BEN Praha, 2003.
ISBN 80-7300-102-0
[36] Mann Burkhard: C pro mikrokontroléry, BEN Praha, 2003. ISBN 80-7300-077-6
[37] Time – New Atomic Clock Could Be 1,000 Times Better Than Today’s Best
< http://www.nist.gov/public_affairs/update/upd010723.htm#Time>
* - dokument je na priloženom médiu
ČESTNÉ VYHLÁSENIE
Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod
odborným vedením vedúceho diplomovej práce doc. Ing. Rudolfa Hronca, PhD.
a používal som len literatúru uvedenú v práci.
Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.
V Žiline dňa ..............................
POĎAKOVANIE
Touto cestou by som sa chcel poďakovať doc. Ing. Rudolfovi Hroncovi, PhD. za
odborné vedenie a pripomienky, ktorými mi pomohol skvalitniť túto diplomovú prácu
a Bc. Michalovi Lokšovi za cenné rady pri programovaní v jazyku C. Veľká vďaka patrí
aj mojim rodičom za finančnú a morálnu podporu počas celého štúdia. Tiež by som sa
rád poďakoval Ing. Robertovi Hudecovi, PhD. za zapožičanie potrebného GPS modulu.
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta
Katedra telekomunikácií
Digitálny merač frekvencie s kalibráciou Prílohová časť
Peter Kováč
2006
Zoznam príloh: Príloha č.1 – schémy zapojenia............................................................................................1 Príloha č.2 – zoznam súčiastok............................................................................................4 Príloha č.3 – vývojové prostredie CodeVision AVR...........................................................5 Príloha č.4 – pohľad na vyhotovené VCXO ........................................................................6 Príloha č.5 – vývojový panel ...............................................................................................8 Príloha č.6 – médium CD
Príloha č.1 – schémy zapojenia
1
Príloha č.1 – schémy zapojenia
Obr. P1.1 Obvodová schéma – napájací zdroj
Príloha č.1 – schémy zapojenia
2
Obr. P1.2 Obvodová schéma – VCXO
Obr. P1.3 Obvodová schéma – frekvenčný čítač
Príloha č.1 – schémy zapojenia
3
Obr. P1.4 Obvodová schéma – GPS synchronizácia
Príloha č.2 – zoznam súčiastok
4
Príloha č.2 – zoznam súčiastok
rezistory kondenzátory R1 1k8 C1 100n R2 4k7 C2 100n R3 3k9 C3 470μF/25V R4 22k C4 220μF/25V R5 27k C5 22n R6 1k C6 1n R7 1k C7 10μF/50V R8 1k5 C8 10μF/50V R9 250k C9 100n R10 10k C10 100n R11 100R C11 470μF/25V R12 470R C12 220μF/25V R13 5k C13 100n R14 4k7 C14 100n R15 100R C15 100n R16 330R C16 22p R17 330R C17 22p R18 330R C18 1n R19 10k C19 10μF/16V R20 10k R21 20k
Tab. P2.1 Zoznam súčiastok
diódy kryštály a oscilátory D1 - D7 1N4148 X1 10MHz HC49 30ppm ZD1 8V2 / 0,5W XO1 VCTCXO NKG3001B
tranzistory XO2 FOX F5C 24.000000MHz T1 RFD8P05 ostatné T2 BD140 S1 - S5 mikrospínače T3 BD140 LED1 LED žltá T4 BC557C LED2 LED červená
integrované obvody LED3 LED zelená IC1 LM555 displej TLX-1013 TOSHIBA IC2 L7805 GPS GARMIN GPS18LVC IC3 L7805 IC4 L7805L IC5 DS18B20 IC6 ATMGEGA8515 16PI IC7 74HC4020 IC8 74HC132 IC9 ATMEGA32 16PI IC10 74HC4520 IC11 74HCT4046AN IC12 74HCT4046AN IC13 74HCT4040
Príloha č.3 – vývojové prostredie CodeVision AVR
5
Príloha č.3 – vývojové prostredie CodeVision AVR
Obr. P3.1 Ukážka z vývojového prostredia CodeVision AVR
Príloha č.4 – pohľad na vyhotovené VCXO
6
Príloha č.4 – pohľad na vyhotovené VCXO
Obr. P4.1 Pohľad na VCXO – DPS zo strany súčiastok
Obr. P4.2 Pohľad na VCXO – DPS zo strany spojov
Príloha č.4 – pohľad na vyhotovené VCXO
7
Obr. P4.3 Pohľad na VCXO – teplotná izolácia
Obr. P4.2 Pohľad na hotový VCXO
Príloha č.5 – vývojový panel
8
Príloha č.5 – vývojový panel
Obr.P5.1 Pohľad na vývojový panel