KOMPUTEROWY SYSTEM DO SPRAWDZANIA CZĘSTOŚCIOMIERZY CYFROWYCH

Transkrypt

1 MWK'2003 KOMPUTEROWY SYSTEM DO SPRAWDZANIA CZĘSTOŚCIOMIERZY CYFROWYCH dr ż. Elgusz Pałosk STRESZCZENIE W pracy przedstaa sę schemat blokoy układu pomaroego oraz sposób przetarzaa daych umożlające spradzae geeratoró częstotlośc zorcoych. Algorytm przetarzaa daych ykorzystuje metodę ajmejszych kadrató. Prezetuje sę yk pomaró zrealzoaych rzeczystych układach. ABSTRACT Ths paper presets block dagram of the measuremets crcuts ad data processg for calbrato tme-base oscllators of uversal electroc couters. The proposed method s based o the least error squares fttg techque. The algorthm as tested usg data recorded from real frequecy sources.. WPROWADZENIE Częstoścomerz cyfroy stao spółcześe podstaoy przyrząd do pomaru częstotlośc czasu. O dokładośc realzoaych za jego pomocą pomaró decyduje zaczącym stopu zastosoay m geerator częstotlośc zorcoej. Geeratory częstotlośc zorcoych poszeche stosoae obece częstoścomerzach cyfroych ykorzystują rezoator karcoy posadają parametry etalou III rzędu ystarczające praktyce do ększośc zastosoań [], [6]. Ze zględu a dryft długotermoy efekty starzea rezoatora karcoego koecze jest okresoe spradzae parametró geeratora. Zalecaa jest do tego celu fazoa metoda poróaa częstotlośc spradzaego geeratora z częstotloścą geeratora zorcoego yższego rzędu [2], [6], [7]. Metoda ta zapea ysoke dokładośc poróaa, jest jedak stosukoo ucążla stosoau ze zględu a sposób ykoyaa pomaró opracoyaa ykó. Zastosoae komputera umożla automatyzację ezbędych pomaró oraz realzację bardzej zaaasoaych algorytmó oblczeń dających precyzyjejsze yk. 2. FAZOWA METODA PORÓWNYWANIA CZĘSTOTLIWOŚCI Fazoa metoda poróaa częstotlośc zalecaa jest do spradzaa geeratoró zorcoych przez przepsy krajoe [6] ych państ [2]. Zasadę pomaru lustrują przebeg czasoe przedstaoe a rys.. W kolejych chlach czasoych t, t 2,..., t dokouje sę pomaru czasó τ, τ 2,..., τ pomędzy kolejym arastającym zboczam sygału geeratora zorcoego o częstotlośc F spradzaego o częstotlośc F g. Katedra Automatyk Metrolog Poltechk Lubelskej

2 E. Pałosk Koleje artośc czasó τ, τ 2,..., τ reprezetują zmaę fazy ϕ sygału geeratora spradzaego zględem sygału zorcoego. t t = t t t 2 t... 3 t - t F g F τ τ 2 τ 3... τ - τ Rys.. Przebeg czasoe metodze fazoej poróaa częstotlośc Nezbędym arukem dokoaa pomaru oblczeń jest: F F g. Względe odstrojee δf g częstotlośc geeratora spradzaego F g od częstotlośc geeratora zorcoego F yższego rzędu zgode z strukcją [6] ależy oblczać g zoru (): F F F τ τ τ g g δ Fg = = = =. () Fg Fg t t t 3. ALGORYTM PRZETWARZANIA DANYCH POMIAROWYCH Na podstae otrzymaych z pomaró artośc czasó τ, τ 2,..., τ yzaczoych chlach t, t 2,..., t ależy oblczyć zględe odstrojee spradzaego geeratora δf g. Zasadę tych oblczeń zlustroao a rys.2. Zgode ze zorem () strukcja [6] przeduje uzględee oblczeach jedye ykó pomaró ykoaych chl początkoej t końcoej t, z pomęcem ykó pośredch, których takm przypadku moża e ykoyać. Przy stałej artośc odstrojea δf g faza ϕ jest loą fukcją czasu t, a ykres artośc czasó τ, τ 2,..., τ zględem t, t 2,..., t moża aproksymoać lą prostą y=ax+b. W takm przypadku spółczyk kerukoy a prostej aproksymującej jest róy zględemu odstrojeu δf g : τ a = δ Fg =. (2) t W praktyce jedak częstotlość F g geeratora podlega fluktuacjom yk (2) oblczoy a podstae tylko skrajych pomaró może zacze odbegać od rzeczystośc. Lepsze rezultaty moża uzyskać uzględając yk szystkch pomaró, aproksymując je lą prostą y=a x+b (rys.2). Otrzymaa te sposób artość a jest artoścą średą odstrojea δf g za czas pomaru. Wyraz oly b realzoaych pomarach jest bez zaczea e ma potrzeby jego yzaczaa. Współczyk kerukoy a l prostej y=a x+b aproksymującej zbór daych pomaroych zaerający par lczb x, y może być yzaczoy metodą ajmejszych kadrató g zaej zależośc (3):

3 Komputeroy system do spradzaa częstoścomerzy cyfroych, = = 2 = = 2 ( x ) = a =. (3) x y x Uzględając że rozpatryaych pomarach artośc x są róe kolejym artoścom t, t 2,..., t, róo odległym od sebe o okres sygału zorcoego T, a artośc y są róe kolejym artoścom zmerzoych układze czasó τ, τ 2,..., τ : x y x = T, y = τ, (4) oraz stosując zae zory a sumy szeregó lczboych skończoych, po odpoedch przekształceach [4] poszukay spółczyk kerukoy a prostej aproksymującej, róy zględemu odstrojeu spradzaego geeratora δf g (2) moża przedstać jako: a, F g 6 = δ Fg = = τ. (5) F T ( ) ( ) ( 2 ) + = Nezbęde oblczea sproadzają sę ęc do zsumoaa z odpoedm agam szystkch kolejych artośc zmerzoych układze czasó τ, τ 2,..., τ przemożeu tak uzyskaej sumy przez ułamek uzględający lczbę ykoaych pomaró oraz okres sygału zorcoego T. τ t = t - t t - t τ τ = τ - τ τ t t 2 t 3 Rys.2. Zasada yzaczaa zględego odstrojea δf g metodze fazoej poróaa częstotlośc t 4. ZREALIZOWANY UKŁAD POMIAROWY Wykoae pomaró ezbędych do realzacj algorytmu przedstaoego zależoścą (5) ymaga zastosoaa komputera sterującego układem pomaroym, garatującego zapamętyae szystkch ykó pomaru czasó τ, τ 2,..., τ chlach t, t 2,..., t oraz realzującego koecze oblczea. Układ pomaroy, którego schemat blokoy przedstaoy jest a rys.3, zrealzoao oparcu o uersaly lczk HP533A zaprogramoay do pomaró czasu pomędzy

4 E. Pałosk arastającym zboczam sygałó podaych do jego ejść. Czasomerz dołączoy jest do komputera klasy PC poprzez terfejs RS232. Nezbędy do realzacj pomaró sygał częstotlośc zorcoej F uzyskay jest z odpoedego odborka radoego [3], [4], [5]. Na potrzeby układu zbudoao da odbork: Krajoej Częstotlośc Wzorcoej 225 khz adaaej a fal ośej I programu Polskego Rada oraz częstotlośc zorcoej emeckego adajka DCF 77,5 khz kotroloaego przez PTB [5]. W obu przypadkach dostępy jest sygał częstotlośc zorcoej spełający ymagaa etalou II rzędu [7]. 0 Odbork I PR 225 khz Odbork DCF 77.5 khz Programoala pętla PLL Spradzay częstoścomerz F F g Dzelk częstotlośc STOP START HP 533A Czasomerz cyfroy RS232 PC Rys.3. Schemat blokoy układu pomaroego do fazoej metody poróyaa częstotlośc Wybray do stosoaa sygał częstotlośc zorcoej F poday jest astępe do mkroprocesoroej pętl PLL, której zadaem jest popraa jakośc odebraego sygału radoego oraz jego cągła kotrola. W przypadku ystąpea zakó sygału chloego rozsychrozoaa sę pętl, sta te jest zapamętyay sygalzoay operatoro systemu celu umożlea potórzea pomaró. Zbudoay układ pętl PLL zrealzoay jest oparcu o steroay apęcoo geerator karcoy VCXO zespół lczkó programoalych I-8253 steroaych mkroprocesorem AT89C205. Układ kotrol sychrozacj spradza pojaae sę aprzemee zboczy sygałó a obu ejścach detektora fazy, co śadczy o popraej sychrozacj pętl. Kolejym elemetem układu są programoale dzelk częstotlośc, których zadaem jest podzelee częstotlośc zorcoej F częstotlośc spradzaego geeratora F g do takej samej artośc Hz. Zbudoay układ dzelkó częstotlośc zaera da take same tory zrealzoae z lczkó I-8253, steroaych mkroprocesorem AT90S8535. Każdy z toró ma programoaly ezależe stopeń podzału tak, aby możle było uzyskae a obu ch yjścach tej samej częstotlośc Hz, ezależe od artośc częstotlośc zorcoej F spradzaej F g. Podzeloy do Hz sygał częstotlośc spradzaej F g dołączoy jest do ejśca (START) czasomerza jego arastające zbocza rozpoczyają pomar czasu. Podobe, podzeloy do Hz sygał częstotlośc zorcoej F dołączoy jest do ejśca 2 (STOP) czasomerza jego arastające zbocza kończą pomar czasu. Wszystke koleje yk pomaró czasó τ, τ 2,..., τ odczytyae są poprzez terfejs RS232 do komputera PC przypsae kolejym chlom czasoym t, t 2,..., t róo odległym od sebe o jede okres sygału zorcoego T. Wyk te są zapamętyae po zakończeu procedury pomaró przeproadzae są oblczea edług przedstaoego cześej algorytmu.

5 Komputeroy system do spradzaa częstoścomerzy cyfroych 5. PRZYKŁADOWE WYNIKI POMIARÓW Na rys.4 przedstaoo przykładoe yk pomaró uzyskae omaaym układze podczas spradzaa geeratora zorcoego GWM-5- częstoścomerza cyfroego KZ 2025A. Geerator te poe spełać ymagaa etalou III rzędu. Przepsy [6] określają maksymale zględe odstrojee częstotlośc dla takego geeratora a 6 ± 0. Jako źródło częstotlośc zorcoej ykorzystao odbork Krajoej Częstotlośc Wzorcoej 225 khz [3], który zgode z przepsam [7] jest Kraju etaloem II rzędu. Wykoao łącze 900 pomaró co sekudę, co trało 5 mut. Czasomerz cyfroy HP533A realzoał pomary czasu z rozdzelczoścą 00 s. Uzyskae yk pomaró czasó τ, reprezetujące zmaę fazy sygału geeratora spradzaego zględem zorca kolejych chlach t, przedstaa la cągła a rys.4. Lą przeryaą przedstaoo prostą aproksymującą uzyskae yk pomaró. Wyzaczoy edług zależośc (5) spółczyk a achylea prostej aproksymującej ma artość 5,72 x 0-8 jest róy zględemu odstrojeu δf g spradzaego geeratora od zorca. Z poróaa yka, że artość omaaego parametru dla spradzaego geeratora e przekracza artośc dopuszczalej 6 ± 0 [6]. Wyk pomaró czasu fazoej metodze spradzaa geeratora typu GWM-5- częstoścomerza KZ 2025A-2 0, , ,50540 y = -5,72E-08x + 5,05E-0 τ [s] 0, , ,5050 0, t [s] Rys.4. Wyk pomaró otrzymae metodą fazoego poróaa częstotlośc 6. PODSUMOWANIE Przedstaoy układ pomaroy realzuje zalecaą kraju [6] za gracą [2] metodę fazoą poróaa częstotlośc umożlającą spradzae geeratoró zorcoych etaloó III rzędu. Zastosoay algorytm przetarzaa daych ykorzystuje yk z ser pomaró ykoaych róych odstępach czasu yzacza metodą ajmejszych kadrató zględe odstrojee spradzaego geeratora zględem geeratora

6 E. Pałosk zorcoego. Układ pomaroy bazuje a frmoym czasomerzu cyfroym HP533A oraz ykorzystuje zbudoae a jego potrzeby odbork częstotlośc zorcoych (I PR 225 khz DCF 77,5 khz), mkroprocesoroą pętlę PLL oraz programoale dzelk częstotlośc. Pracą układu pomaroego steruje komputer klasy PC połączoy terfejsem RS232 z czasomerzem cyfroym. Odbork radoe dostarczają sygał częstotlośc zorcoej spełający ymagaa etalou II rzędu [3]. Przedstaoe przykładoe yk pomaró poterdzają praktyczą przydatość zrealzoaego układu. LITERATURA [] Kartaschoff P.: Częstotlość czas; WkŁ; Warszaa, 985. [2] Lombard M.: A Itroducto to Frequecy Calbratos; Tme ad Frequecy Dvso, NIST, USA. [3] Pałosk E.: Odbór radoych sygałó częstotlośc zorcoych ch zastosoaa; XXXII Mędzyuczelaa Koferecja Metrologó MKM 2000, Rzeszó-Jaor, , yd. Poltechk Rzeszoskej, str [4] Pałosk E.: Wspomagae komputeroo spradzae geeratoró częstotlośc zorcoych; V Szkoła-Koferecja Metrologa Wspomagaa Komputeroo MWK 200, Rya k/warszay, , yd. SOWA Sp. z o. o., str [5] Pałosk E., Referosk L., Śsulsk D.: Spradzae częstoścomerzy cyfroych układze z odborkem częstotlośc zorcoej DCF77; III Semarum Naukoe: Wybrae Zagadea Elektrotechk Elektrok WZEE 2002, Częstochoa-Złoty Potok, , yd. SIGMA NOT, Przegląd Elektrotechczy Nr 5s 2002, rok LXXVII, str [6] PKNMJ: Istrukcja o spradzau geeratoró częstotlośc zorcoych III rzędu; Dzek Normalzacj Mar r 8 / 976, poz. 59 [7] PKNMJ: Układ spradzań arzędz do pomaró czasu częstotlośc; Dzek Normalzacj Mar r 3 / 982, poz. 26