DIPLOMOVÁ PRÁCA PETER KOVÁČdiplom.utc.sk/wan/684.pdf · 2006. 9. 11. · Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií _____ ANOTAČNÝ

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


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


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


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.


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


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. .


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


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


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).


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.


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


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.


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.


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.


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


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


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


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).


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


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


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


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


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


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.


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


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


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.


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.


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.


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].


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


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


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.


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.


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


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


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.


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.


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


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.


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


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.


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.


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


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.


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


Obr. P1.1 Obvodová schéma – napájací zdroj


2

Obr. P1.2 Obvodová schéma – VCXO

Obr. P1.3 Obvodová schéma – frekvenčný čítač


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


Obr. P4.1 Pohľad na VCXO – DPS zo strany súčiastok

Obr. P4.2 Pohľad na VCXO – DPS zo strany spojov


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

Documents

DIPLOMOVÁ PRÁCA PETER KOVÁČdiplom.utc.sk/wan/684.pdf · 2006. 9. 11. · Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií _____ ANOTAČNÝ