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

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

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

Gunnel Pålsson
för 8 år sedan
Visningar:

1 Tid- och frekvensmätning - inför laborationen 2 - Ola Jakobsson Johan Gran per.augustsson@elmat.lth.se johangran@gmail.com

2 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.

3 4.6 Mätning av höga frekvenser >1GHz (mikrovågor) TV, markbundet ~ 800 MHz Mobiltelefoni ~ 1-2 GHz TV, satellit ~ 1-2 GHz Radar, radiolänk ~ GHz

4 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)

räknarens mätbara område Heterodyne Converter - blandar

5 Prescaler 3-5 GHz f in Ingångssteg Prescaler f in /10 Räknare Display * 10

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

7 Heterodyne Converter (upp till 30 GHz)

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

9 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

10 Kamgenerator Lokaloscillatorns utgångspunkt är tidbasen (t.ex. 10MHz) uppmultiplicerad till t.ex. 200 MHz, som skickas in i en kamgenerator 100 taggar i kammen => 100 x 200MHz=20GHz

11 YIG-filter

12 Heterodyne Converter Klarar frekvenser upp till 30 GHz, upptäcker om signalen innehåller olika frekvenser Sveper smalbandigt igenom frekvensområdet (tar tid)

13 Mätning av höga frekvenser (repetetion) 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)

14 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

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

16 Piezoelektrisk effekt

17 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

18 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)

fintrimmningskondensator 1 ppm frekvensändring 0-50 C (ca 10Hz) Ugnsstabiliserade oscillatorer (OCXO) kristallen

19 Vilken är den mest exakta klocktypen idag?

20 p2bxau6wzi8

21 Atomklocka (Cesiumoscillator) Magnetfält RF-fält Magnetfält Cs 133 Upphettas Har olika energitillstånd Detektor Sveper RF-fältet så att maximal detektion uppnås RF-svep Hz

22 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!!!

23 Olika oscillatorers noggrannhet ja, i princip 1 sekund motsvarar svängningar av ljuset från en av övergångarna i Cesium 133 Referensoscillatorer

24 4.8 Övriga mätfunktioner (universalräknaren) Fasskillnadsmätning Perioden T Fördröjningen t Hur? Fasskillnaden = 360 x ( t/t)

25 Fasskillnadsmätning Fel i fasskillnaden p.g.a. hysteresbandets bredd Felet minimeras genom hystereskompensering

26 Pulskvot Dimensionslös (anges som värde mellan 0-1 eller i %)

27 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

28 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)

29 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

30 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

31 Triggerfel p.g.a. brus Termiskt brus, hagelbrus (shot noise), yttre störningar

32 Triggerpunktens inställningsosäkerhet Osäkerhet i hysteresbandets bredd Osäkerhet i triggernivån

33 Skillnad Frekvens och Tid (från igår)

34 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

35 Kort om tid&frekvens labben Labb-dugga (5 frågor, minst 3 rätt) Om ni går igenom listan läsanvisningar i labbhäftet kommer ni med hög sannolikhet att klara duggan! Kort labb-rapport

36 Att kunna till Labben 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

38 Stimulanskort 5V Start/Stop-signal ut Stoppknapp Motor

39 Djupmätning i vatten Pulsgenerator Oscilloskop/räknare h t

40 Lektionsfrågor

41 Varför använder man räknare när oscilloskopen är så bra?

42 Ett oscilloskop har 3 4 siffrors noggrannhet som bäst. En räknare kan ha upp till 9 siffrors noggrannhet. Tidsupplösningen begränsar inte mättiden. Dvs. man kan mäta långa förlopp med hög upplösning.

43 Denna frekvensräknare kan lätt modifieras så att man mäter periodtid. Hur?

44 Rita om schemat ovan till en tidsintervallmätare med en SR-vippa. Skall klocksignalen delas ner? Skall huvudvippan vara med?

46 Om en klocka drar sig en minut på ett år, hur mycket drar den sig då på en sekund?

47 Om en klocka drar sig en minut på ett år, hur mycket drar den sig då på en sekund? Antal minuter på ett år: 365 * 24 * 60 = En minut är 1/ av ett år 1/ av en sekund är 1/ sekunder Svar: Klockan drar sig ca 1,9 µs per sekund

48 Klockan som nämns i förberedelseuppgift 4 har kanske en kvartskristall som tidbas. När klockan var ny hade kristallen en resonansfrekvens på 10 MHz och visade tiden helt korrekt. Vilken resonansfrekvens har klockans tidsbas nu?

49 Klockan som nämns i förberedelseuppgift 4 har kanske en kvartskristall som tidbas. När klockan var ny hade kristallen en resonansfrekvens på 10 MHz och visade tiden helt korrekt. Vilken resonansfrekvens har klockans tidbas nu? T kristall : periodttiden för resonansfrekvensen 1 s = T kristall_ny * N pulser => N pulser = , s = T kristall_nu * N pulser => T kristall_nu = 1, * 10-7 f nu = 9, MHz Eller T ny * f ny = T nu * f nu f nu = 10 MHz * 1 s / 1, s = 9, MHz

50 Tack för idag

Relevanta dokument

Tid- och frekvensmätning - inför laborationen del 2 -

Tid- och frekvensmätning - inför laborationen del 2 - Lars Wallman Johan Gran Lektionsplan Kapitel 4: Mätning av tid och frekvens - 4.6 Mätning av höga frekvenser (>1 GHz) - 4.7 Tidbasoscillatorn - 4.8