ZESPÓŁ BADAWCZY METROLOGII CZASU

Transkrypt

1 BADANIA W DZIEDZINACH WYSOKICH TECHNOLOGII WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA WYDZIAŁ ELEKTRONIKI ZESPÓŁ BADAWCZY METROLOGII CZASU Zespołem kieruje prof. Józef Kalisz, a w jego skład wchodzą obecnie (2010) dr Ryszard Szplet, dr Zbigniew Jachna i mgr Krzysztof Różyc. We wcześniejszych okresach pracowali w zespole prof. Ryszard Pełka i doktorzy: Michał Pawłowski, Tomasz Kaźmierski (University of Southampton), Jerzy Pasierbiński, Andrzej Poniecki, Kari Määtta (University of Oulu), Rafał Szymanowski, Tomasz Orżanowski i inni. Efektami tych prac były w szczególności rozprawy doktorskie. Prof. Józef Kalisz ( Zespół badawczy metrologii czasu Obszerne omówienie problemów pikosekundowej metrologii czasu znajduje się w artykule prof. J. Kalisza Review of methods for time interval measurements with picosecond accuracy, dostępnego ze strony Na początku lat 80-tych ub. w. opracował on dwustopniowy wzmacniacz odcinka czasu, czyli ekspander wydłużający mierzony odcinek czasu z bardzo dużym współczynnikiem ekspansji (10 4 ). W oparciu o tę zasadę, wspólnie z dr M. Pawłowskim i dr R. Pełką został zbudowany interpolacyjny licznik czasu o rozdzielczości 1 ps, co w czasie publikacji (1985, 1987) było najlepszym wynikiem na świecie. Opracowana w zespole nowa, statystyczna metoda 1

2 automatycznej kalibracji umożliwiła uzyskanie wysokiej stabilności i dokładności pomiarów w czasie długich sesji badawczych. Dr Ryszard Szplet zajmuje się projektowaniem liczników scalonych FPGA a Dr Zbigniew Jachna projektowaniem oprogramowania i modeli sprzętowych Mgr Krzysztof Różyc zajmuje się projektowaniem i testowaniem liczników czasu i generatorów odcinka czasu 2

3 Do końca lat 80-tych precyzyjne liczniki czasu były oparte o analogowe przetworniki czas-czas lub czas-amplituda. Wadą tych rozwiązań była niestabilność w czasie i temperaturze, co wymagało częstych kalibracji. W miarę postępu technologii mikroelektronicznych zaczęły się jednak rysować możliwości bezpośredniej konwersji czasliczba. W połowie lat 90-tych prof. J. Kalisz opracował koncepcję nowego, całkowicie cyfrowego konwertera czas-liczba, wykonanego w technologii CMOS FPGA (pasic - QuickLogic). Mgr R. Szplet w ramach swej pracy doktorskiej zaprojektował i wykonał konwerter o rozdzielczości 200 ps przy pomiarach pojedynczych i 1 ps przy pomiarach z uśrednianiem. Wyniki zostały opublikowane w trzech artykułach w IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement w 1997 roku. W tym samym roku twórcy licznika i Wojskowa Akademia Techniczna zostali uhonorowani Złotym Medalem z Wyróżnieniem na Światowej Wystawie Wynalazczości 46th World Exhibition of Innovation, Research and New Technology EUREKA 97 w Brukseli. Był to pierwszy, scalony licznik FPGA na świecie o tak wysokiej precyzji i dużym zakresie pomiarowym, który jednocześnie miał bardzo małe rozmiary, wagę i moc strat, niski koszt i wysoką niezawodność. Układy te były stosowane w Anglii do produkcji nowoczesnych systemów dalmierzy laserowych, stosowanych do celów nawigacyjnych w portach morskich. Kolejne generacje scalonych liczników czasu zostały opracowane w nowocześniejszej technologii CMOS FPGA (Spartan-3, Xilinx). Stanowią one bazę dla projektowanych w zespole precyzyjnych liczników czasu i częstotliwości jako kart komputerowych z interfejsem PCI. Wraz z własnym oprogramowaniem karty tworzą uniwersalne urządzenia pomiarowe. Widok takiego licznika pokazany jest niżej. Wykorzystuje on nową metodę konwersji czas-liczba przez dwie niezależne linie kodujące w dwustopniowym układzie interpolacyjnym. Dzięki temu w pomiarze odcinka czasu uzyskano rozdzielczość równą 25 ps i precyzję (odchylenie standardowe) poniżej 35 ps, co w 2010 roku stanowiło najlepszy wynik na świecie w tej kategorii urządzeń pomiarowych. Liczbowe wyniki pomiarów mogą być uzyskiwane z dokładnością do 14 cyfr. Liczniki te są stosowane m.in. w laboratoriach Polskiej Akademii Nauk oraz w zagranicznych laboratoriach, zajmujących się wytwarzaniem i dystrybucją globalnej skali czasu. Nowy licznik ma również wbudowane zaawansowane tryby pomiaru częstotliwości (w zakresie do 3,5 GHz). W szczególności do zastosowań telekomunikacyjnych ważne jest szacowanie miar jakości sygnałów zegarowych, takich jak dewiacja Allana, TIE, MTIE i TDEV. Możliwe jest również szybkie próbkowanie częstotliwości (do 2 MSa/s), m.in. do wykrywania szkodliwych modulacji sygnałów. 3

4 Karta licznikowa PCI ze scalonym, interpolacyjnym licznikiem CMOS FPGA (w środku) Wirtualna płyta czołowa licznika czasu o precyzji pikosekundowej W ramach projektu rozwojowego MNiSW ( ) zostały opracowane prototypy nowych liczników jako moduły z interfejsem USB i z interfejsem bezprzewodowym WiFi. Są to pierwsze na świecie liczniki o tak wysokiej precyzji, wykonane jako miniaturowe moduły pomiarowe. 4

5 Licznik czasu o precyzji pikosekundowej w wersji z interfejsem USB Komplementarnym zadaniem dla precyzyjnych pomiarów odcinka czasu jest generacja odcinków czasu o wysokiej precyzji. Prof. J. Kalisz zaproponował metodę składania takich odcinków z całkowitej liczby okresów sygnału o precyzyjnie dobranej częstotliwości. W oparciu o tę metodę zostały opracowane prototypy generatorów odcinka czasu w trzech wersjach: jako karta komputerowa z interfejsem PCI (widok poniżej), oraz moduły z interfejsem USB i WiFi. Są to pierwsze na świecie takie generatory, które zapewniają precyzję (odchylenie standardowe) wytwarzanego odcinka czasu poniżej 20 ps w zakresie od 10 ns do 50 ms, wybieranego z krokiem 5 ps. Generator odcinka czasu o precyzji pikosekundowej w wersji z interfejsem PCI 5

6 W zespole przyjęto zasadę, że prowadzone prace badawcze powinny być na tyle wartościowe, aby ich wyniki były publikowane w prestiżowych czasopismach naukowych, indeksowanych w znanej bazie ISI Web of Knowledge. Przykładowe wskaźniki bibliometryczne z tej bazy są dla dwu członków zespołu następujące (listopad 2010): prof. J. Kalisz 34 publikacje, 247 cytowań, wskaźnik Hirscha h = 8 dr R. Szplet 12 publikacji, 114 cytowań, wskaźnik Hirscha h = 5 Osiągnięcia zespołu są regularnie prezentowane na międzynarodowych konferencjach naukowych, w tym na dwóch najważniejszych w dziedzinie: Precise Time and Time Interval Systems and Applications Meeting (USA) i European Frequency and Time Forum (Europa). Dzięki temu prace zespołu są znane i cenione na świecie, zwłaszcza w zespołach badawczych, pracujących nad podobnymi problemami metrologicznymi. Nawiązana została współpraca z zespołem badawczym na uniwersytecie w Oulu (Finlandia), kierowanym przez prof. Juha Kostamovaara, co m.in. zaowocowało wzajemnymi stażami naukowymi. Laboratorium badawcze zespołu nie ustępuje pod względem wyposażenia innym ośrodkom na świecie, zajmującym się precyzyjną metrologią odcinka czasu. Bazę stanowi niemal wyłącznie nowoczesna aparatura wiodących producentów amerykańskich. Metrologia czasu wysokiej precyzji stanowi frapującą dziedzinę badań naukowych. Zespół ma dużą satysfakcję, że wniósł polski wkład do światowego dorobku naukowego w tej dziedzinie. 6