Tid- och frekvensmätning - inför laborationen del 2 -

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Tid- och frekvensmätning - inför laborationen del 2 -"

Robert Hansson
för 4 år sedan
Visningar:

1 Tid- och frekvensmätning - inför laborationen del 2 - Lars Wallman Johan Gran Lektionsplan Kapitel 4: Mätning av tid och frekvens Mätning av höga frekvenser (>1 GHz) Tidbasoscillatorn Övriga mätfunktioner (universalräknare) Styrning av mätförlopp Mätosäkerhet -förberedelseuppgifter -labkort etc. 1

2 4.6 Mätning av höga frekvenser >1GHz (mikrovågor) Mobiltelefoni ~ 1-2 GHz TV, markbundet ~ 800 MHz TV, satellit ~ 1-2 GHz Radar, radiolänk ~ GHz Mätning av höga frekvenser Prescaler - delar ner frekvensen så att den neddelade frekvensen hamnar inom räknarens mätbara område Heterodyne Converter - blandar signalen med en lokaloscillator och mäter frekvensskillnaden (svävningen) 2

3 Prescaler 3-5 GHz f in Ingångssteg Prescaler f in /10 Räknare Display * 10 Prescaler 3-5 GHz f *10 HF-ingång (50 ) gör den bruskänslig (implementera nivådetektor) Bredbandig-kort söktid (jfr. Heterodyne converter) 3

4 Heterodyne Converter (upp till 30 GHz) Heterodyne Converter (upp till 30 GHz) f in Blandare f in +/-f LO LP f in -f LO Räknare Bandbredd 200 MHz f LO Ex: f in = 9,21 GHz, f LO = 9,2 GHz f uppmätt = 10 MHz display: f LO + f uppmätt = 9,21 GHz 4

5 Heterodyne Converter (upp till 30 GHz) f in Blandare f in -f LO f LO =N*200 MHz Räknare max 200 MHz Kamgenerator multiplar av 200 MHz N Lokaloscillator f*20 10 MHz Till mikroprocessor 4.7 Tidbasoscillatorn Vanligast är kvartskristall (SiO 2 ) Bygger på piezoelektrisk effekt Resonansfrekvensen beror bl.a. tjockleken, ytan och massan Problem; åldring, gravitation, stötar och retracing 5

6 Piezoelektrisk effekt Mekanisk stress ger upphov till ett elektriskt fält Pålagt elektriskt fält ger upphov till mekanisk rörelse Piezoelektrisk effekt 6

7 Temperaturberoende och åldring Resonansfrekvensen påverkas av temperaturen (även luftfuktighet och lufttryck) Kristallen åldras p.g.a. att främmande atomer diffunderar in i kristallen eller att atomer vandrar ut Tidbasoscillatorn Tre olika typer av kristalloscillatorer för olika krav Standardoscillatorer (UCXO) 10 ppm frekvensändring 0-50 C (ca 100Hz) Temperaturkompenserade oscillatorer (TCXO) en termistor styr en fintrimmningskondensator 1 ppm frekvensändring 0-50 C (ca 10Hz) Ugnsstabiliserade oscillatorer (OCXO) kristallen sitter i ett hölje/ugn som hålls vid konstant temperatur (70 C ± 0,01 ) av effekttransistorer 0,1-0,002 ppm frekvensändring 0-50 C (ca 1-0,02 Hz) 7

Atomklocka (Cesiumoscillator) Magnetfält RF-fält Magnetfält Cs 133

maximal detektion uppnås RF-svep 9 192 631 770 Hz Atomklocka

noggrannhet (1997) Numera ca 15 siffror och integrerad på chip (NIST)

8 Atomklocka (Cesiumoscillator) Magnetfält RF-fält Magnetfält Cs 133 Upphettas Har olika energitillstånd Detektor Sveper RF-fältet så att maximal detektion uppnås RF-svep Hz Atomklocka (Cesiumoscillator) x Enligt boken klumpiga och dyra med 12 siffrors noggrannhet (1997) Numera ca 15 siffror och integrerad på chip (NIST) NIST-F1: 1 sek per 20 millioner år High-Accuracy Al+ Optical Clocks: 1 sek per 3.7 miljarder år!!! 8

Olika oscillatorers noggrannhet ------ 11-15 ---- ja, i princip 1 sekund motsvarar 9 192 631 770 svängningar av ljuset från en av övergångarna i Cesium

9 Olika oscillatorers noggrannhet ja, i princip 1 sekund motsvarar svängningar av ljuset från en av övergångarna i Cesium 133 Referensoscillatorer 4.8 Övriga mätfunktioner (universalräknaren) Fasskillnadsmätning Perioden T Fördröjningen Hur? t Fasskillnaden = 360 x ( t/t) 9

10 Fasskillnadsmätning Fel i fasskillnaden p.g.a. hysteresbandets bredd Felet minimeras genom hystereskompensering Pulskvot Dimensionslös (anges som värde mellan 0-1 eller i %) 10

11 4.9 Styrning av mätförloppet (frekvens) Mättid och dödtid (freerunning) Kontinuerlig mätning används sällan Extern Arming använder en arming signal på separat ingång, bra för bursts Arming Delay för att undvika instabilitet Styrning av mätförloppet, trigger hold-off (tidmätning) Under en Hold-Off-tid ignorerar räknaren alla stopptriggningar, den stoppar först på första negativa flanken efter Hold-off tidens utgång Hold-off sätts antingen som en tid (Time Delay) eller som ett visst antal triggerhändelser (Event Count Delay) 11

12 4.10 Mätosäkerheten De fem vanligaste osäkerhetsfaktorerna för frekvens- och tidintervallmätning är: Mätningens upplösning (kvantiseringsfelet) Triggerfel p.g.a. brus Tidbasoscillatorns osäkerhet Triggerpunktens inställningsosäkerhet Skillnader mellan ingångskanaler Mätningens upplösning Konventionell frekvensräknare (+/- en count): Absolut: QE = 1 / mättiden Relativ: QE / fsignal = signalperiod / mättid Reciprok frekvensräknare (+/- en klockperiod): Absolut: QE = klockpulsperiod * fsignal / mättid Relativ: QE / fsignal = klockpulsperiod / mättid Konventionell -> Osäkerhet i antal pulser Reciprok -> Osäkerhet i tidmätning Förvirring 12

13 Triggerfel p.g.a. brus Termiskt brus, hagelbrus (shot noise), yttre störningar Triggerpunktens inställningsosäkerhet Osäkerhet i hysteresbandets bredd Osäkerhet i triggernivån 13

14 Skillnad Frekvens och Tid (från igår) Skillnader mellan ingångskanaler T.ex. vid tidintervallmätning då flera kanalingångar används v = c*2/3 = 2*10 8 m/s ; ds = 0,1 m ; dt = 0,1/2/10 8 = 0,5 ns 14

15 Konventionell, reciprok och interpolerande räknare De fem vanligaste mätfelsorsakerna vid frekvens- och tidintervallsmätning Det s.k. ±1 felet vid frekvensmätning Relativ och absolut noggrannhet för konventionell och reciprok frekvensräknare Period- och tidintervallsmätare Olika sätt att öka upplösningen vid tidintervallsmätning Påverkan av hysteresbandets bredd för triggerns känslighet och när olika bredd på hysteresband används SR-vippans funktion i en räknare Stigtid, falltid, amplitud, periodtid, frekvens och pulslängd för en pulsliknande signal DC-kopplad resp. AC-kopplad ingång på frekvensräknare resp. periodtidsmätare Tre typer av kristalloscillatorer och kunna rangordna dem efter noggrannhet Prescaler- och heterodynetekniken för mätning av höga frekvenser och deras föroch nackdelar Fasskillnadsmätning Pulskvot 15

16 Stimulanskort 5V Start/Stop-signal ut Stoppknapp Motor Ljudhastighet, vatten Pulsgenerator Oscilloskop/räknare h t 16

Relevanta dokument

Tid- och frekvensmätning - inför laborationen 2 - Ola Jakobsson Johan Gran

Tid- och frekvensmätning - inför laborationen 2 - Ola Jakobsson Johan Gran per.augustsson@elmat.lth.se johangran@gmail.com Lektionsplan Kapitel 4: Mätning av tid och frekvens - 4.6 Mätning av höga frekvenser