Время радиоприемник. Эталонные частоты и сигналы точного времени

Простой калибратор частоты/частотомер/образцовые часы

Автор:
Опубликовано 11.09.2014
Создано при помощи КотоРед.

Разработка этого устройства началась с того, что для калибровки точности хода часов мне понадобилось измерить частоту 512 Гц с точностью не хуже 10 -6 . Входной сигнал — прямоугольные импульсы ТТЛ. Измерять было нечем, источника образцовой частоты тоже не было. Пришлось думать, где взять образцовую частоту и как измерить низкую частоту за короткое время с высокой точностью. Обе этих проблемы были успешно решены, и теперь у меня калибровка часов занимает менее одной минуты по времени.

Итак, нужен был частотомер, имеющий достаточно высокую точность измерения и калибрующийся в домашних условиях без использования специальной аппаратуры.

Образцовую частоту можно получить путем сравнения частоты кварцевого генератора с какой-либо известной. Использование каких либо калибраторов было исключено.

Возможные бытовые источники известных частот в порядке снижения точности —

Сигнал GPS – импульсы частотой 1 Гц, наиболее точный из всех. Кроме того, импульсы со стабильной частотой позволяют автоматически вычислить частоту кварцевого генератора нашего частотомера. Как недостаток — требуется специальное аппаратное обеспечение (приёмник GPS, антенна GPS, всё это должно находится в прямой видимости хотя бы на один спутник).
Как источник образцовой частоты можно было бы принять и сигнал точного времени DCF-77, который передаётся из Германии, и имеет высокую долговременную точность, но как и GPS, приём его был невозможен.
Сигналы точного времени передаваемые как по сетям сотовой связи, так и по радио или телевидению.

Для меня выбор был очевиден – калибровать частотомер по сигналам точного времени.

В Беларуси (как в прочем и в других государствах) в начале каждого часа по государственным каналам радио передаётся сигнал проверки времени или в простонародье «шесть точек», который формируется автоматически от государственного эталона частоты и времени. Этот сигнал представляет собой шесть прямоугольных радиоимпульсов с частотой заполнения 1000Гц. Первые пять импульсов имеют длительность 100мс, а последний, шестой передаётся строго с началом часа и прибавляет по 20мс каждый час. Несмотря на то, что задержка распространения этого сигнала для каждой местности разная, но эта задержка является постоянной, что и позволяет использовать этот сигнал для калибровки.

Собственно, сам частотомер выполнен по технологии «Reciprocal counter». Особенность этого метода – высокая точность измерения частоты по всему рабочему диапазону прибора.

В отличие от частотомеров с прямым счётом (Direct counters), прибор подсчитывает не сами импульсы за заданное время, а импульсы заполняющей частоты, и импульсы входного сигнала одновременно в течении определенного периода времени, что позволило обеспечить достаточную точность измерения частоты, в том числе и достаточно низкой, за короткий интервал времени.

Для интересующихся принципами измерения частоты ниже выложен файл, с кратким описанием различных методов измерения.

Долговременную стабильную опорную частоту для работы частотомера задаёт самодельный термостатированный на 70 градусов кварцевый генератор. Использовался обычный кварцевый резонатор в металлическом корпусе РГ-06 с частотой 1000кГц. Резонатор помещён в пенопластовый корпус, в котором так же размещены два нагревателя (резисторы МЛТ-2), цифровой термодатчик/терморегулятор и ключ, управляющий подачей питания на нагреватель. В качестве термометра был применён кремниевый датчик LM75.
Этот датчик кроме измерения температуры содержит аппаратный программируемый термостат, поэтому всё участие процессора в поддержании температуры резонатора сводится только к правильной настройке LM75 при подаче питания.

Теперь о том, почему я делал сам этот генератор, а не купил готовый — четыре года назад настоящего OCXO генератора под рукой не было, PAYPAL толком ещё не работал, купить нормальный термостатированный генератор по вменяемой цене было крайне трудно. Советские «Гиацинты» хоть и предлагались, но достаточно дорого, поэтому пришлось делать генератор из того, что было под рукой. Сейчас, с распространением PAYPAL и EBAY, будет значительно проще купить за относительно небольшую сумму готовый термостатированный кварцевый генератор, подключить его к микроконтроллеру через делитель частоты и не «парить» себе голову изобретением «на коленке» колеса.

Читать еще: Как восстановить удалённые стандартные приложения на iPhone или iPad

Теперь самое интересное. Как сделать частотомер – понятно, но как его калибровать? Учитывая, что использованный кварцевый резонатор не рассчитан на работу в термостатированном режиме, и его частота, по крайней мере, первые несколько лет будет меняться — потребуется частая калибровка. Кроме того, частота абсолютно неизвестна. Таскать прибор за сотню километров в лабораторию ЦСМ каждый год — такая перспектива меня абсолютно не радовала. Но и не калибровать нельзя — иначе, зачем всё это затевалось.

Из всех вышеописанных методов калибровки единственно доступным на момент разработки прибора была только калибровка по сигналам точного времени. Соответственно, к частотомеру делаем ещё и образцовые часы .

Принцип калибровки такой: Сто раз в секунду вызывается прерывание по переполнению таймера. В прерывании производится сам отсчёт времени и отсчёт длительности калибровочного интервала с дискретностью 0.01 секунды. По началу шестого сигнала точного времени запускается калибровка, при этом обнуляется переменная длительности интервала калибровки, и эта переменная начинает увеличиваться на единицу сто раз в секунду. Так как частота генератора будет практически гарантированно не равна 1МГц, то и часы и счётчик длительности калибровочного интервала будут или отставать или спешить по отношению к сигналам точного времени. Через некоторое время второй раз по началу шестого сигнала производится завершение калибровки. Счётчик длительности калибровочного интервала содержит неточное системное время, прошедшее между началом и концом калибровки. Так как сигналы точного времени привязаны строго к началу часа, то можно легко вычислить, сколько реально прошло времени между началом и концом калибровки, при условии, что за это время часы ушли не более чем на ±30 секунд. Зная точную длинну калибровочного интервала меду двумя сигналами точного времени(ti), время, насчитанное часами(tc) и текущую частоту опорного генератора(fr) можно вычислить новую текущую частоту опорного генератора по формуле frновая=fr*(tc/ti). Чем более длительный интервал времени используется для калибровки, тем более точно можно вычислить частоту опорного генератора.

Новая опорная частота записывается в регистры делителя частоты часов и передаётся в блок частотомера.

В этом приборе часы нужны для упрощения процесса и визуальной оценки точности калибровки. Так же часы используются для хранения и выдачи эталонного времени. Время, измеренная частота генератора и информация о работе устройства выводится на алфавитно-цифровой жидкокристаллический индикатор 2 строки по 16 символов. Информация на индикатор выводится в двух разных вариантах — двухстрочном и однострочном. В двухстрочном варианте в первой строке выводится текущее время и температура в термостате. В нижней строке в режиме часов выводится информации о актуальной частоте кварцевого генератора и о текущей длительности калибровочного интервала. В режиме частотомера в нижней строке выводится режим измерения частоты и измеренная частота.

В однострочном режиме для улучшения читаемости времени на индикатор выводится только время специальным шрифтом «BigFont».

Принципиальная схема устройства приведена на рисунке.

Схема предельно проста. Прибор собран на макетной плате навесным монтажом. К этой же плате приклеена коробка из твёрдого экструдированного пенополистирола, внутри которой размещены элементы относящиеся к термостату. На принципиальной схеме эти элементы обведены в рамки. Прибор выполнен на микроконтроллере ATMEGA162. Его выбор обусловлен наличием двух шестнадцати разрядных таймеров, а так же тем, что он лежал на тот момент в тумбочке и был в корпусе DIP. Так как измеряемая частота имеет логический уровень ТТЛ, в качестве входного формирователя использован обычный инвертор. Так же, инвертор используется для развязки выходов контроллера от нагрузки. Для функционирования устройства заняты два шестнадцатирарядных таймера. Таймер 1 используется для частотомера, таймер 3 — для подсчёта времени и формирования образцовой частоты 1Гц. Так же, в прерывании таймера 3 формируется сигнал «шесть точек».

Выход асинхронного интерфейса (UART) планируется использовать для выдачи текущего времени на другие устройства по стандарту IF482. Описание этого формата приведено в литературе ниже.

Жидкокристаллический индикатор подключен к разъёму Х3. Может быть использован любой алфавитно цифровой индикатор с размером 2 строки по 16 символов и контроллером совместимым с HD44780.

Читать еще: Игровые наушники с микрофоном. Как выбрать хорошие наушники для игр

Клавиатура состоит из пяти клавиш – «+», «-», «SEL», «>0 0 -7 . Режим измерения отображается в нижней левой части индикатора – «Рхххх>», где хххх — число измеряемых полных периодов входного сигнала.

Устройство производит осчёт времени. Время отсчитывается в виде «чч мм сс.с». Календарь отсутствует. Время отображается на индикаторе во всех режимах работы.

В однострочном режиме время отображается большим шрифтом.

Отображается время и частота задающего генератора Отображается время и длительность калибровочного интервала

В двухстрчном режиме в верхней строке отображается время, в нижней — частота или параметры устройства.

Установка времени производится нажатием кнопки «SEL» и затем кнопками «+» «-» устанавливается значение часов. Следующее нажатие кнопки «SEL» переходит к изменению минут. Нажатие «SEL» в тертий раз завершает установку времени. При этом секунды не обнуляются. Для коррекции секунд нажмите и удерживайте кнопку «>0 0 -6 , после второй — 3*10 -7 , и после третьей — лучше чем 1*10 -7 . Максимальная длительность калибровочного интервала—99999999 секунд, или около 1157 суток, но на практике такая длительность абсолютно не требуется.

Выбрав источник образцового времени приступаем к калибровке. Установите время. Далее нажмите и держите нажатой «>0 0 0 -6 .

Для примера, при подготовке статьи автором специально была произведена рекалибровка устройства с «нуля». Изначально, откалиброванная в течении 60 дней частота равнялась 1000207.39Гц. С такой калибровкой часы шли исключительно точно. За один миллион секунд расхождение часов и сигналов точного времени визуально заметно не было. Далее, частота генератора была установлена на 1000000,00Гц, и после этого была произведена опытная калибровка длительностью 34 часа или 122400 секунд. После такой калибровки новая частота генератора стала 1000208.16Гц. Как видим, калибровка даже за такое короткое время дала ошибку -7*10 -7 Гц, чего, собственно, уже достаточно для точного измерения частоты.

При эксплуатации устройства кроме несомненных достоинств были выявлены следующие недостатки и требуется улучшение:

Сделать вывод времени по формату IF482
Невозможность измерения частот выше 4кГц (хоть это для меня не важно).
Всё таки более правильным было бы разделить “мухи и котлеты” – частотомер и калибратор, на два различных устройства, т.к. по сути их совместная работа в одном устройстве сильно влияет на п.1
С учётом того, что покупка всяких GPS сейчас доступна как никогда, в планах есть сделать автокалибровку от GPS.

Собственно, на мой взгляд, это то, что можно ещё улучшить. Но, от себя могу сказать, что работа прибора в том виде, в каком он представлен меня абсолютно устраивает и не вызывает никаких нареканий.

На сей позитивной ноте, позвольте откланяться.

Эталонные частоты и сигналы точного времени

Калибраторы, предназначенные для использования в радиоаппаратуре, либо в измерительной аппаратуре, нуждаются в предварительной установке и регулярной корректировке частоты. Проверка точности калибратора и необходимая подстройка осуществляются путем сравнения частоты, генерируемой калибратором, с эталонной частотой. Сигналы эталонных частот передают радиостанции Государственной службы времени и частоты. Работа каждой радиостанции ведется по особой программе, в которой, как правило, чередуется передача позывных, неманипулированной несущей и сигналов времени.

Радиостанции стандартных частот и времени
кГц кВт Страна Позывной сигнал

2500 50 UZB УЛВ4 (Ташкент)
4996 50 RUS РВМ (Москва)
5000 50 UZB УЛВ4 (Ташкент)
5004 RUS РИД (Иркутск)
9996 50 RUS РВМ (Москва)
10000 RUS РТА (Новосибирск)
10000 50 UZB УЛВ4 (Ташкент)
10004 RUS РИД (Иркутск)
14996 50 RUS РВМ (Москва)
15000 RUS РТА (Новосибирск)
15004 RUS РИД (Иркутск)
(Источник : WRTH-2003)

Эталонные сигналы частоты и времени предназначены для передачи размеров единиц времени и частоты и шкалы координированного времени от государственного первоначального эталона к образцовым и рабочим средствам измерения с целью обеспечения единства измерения в стране. Для передачи эталонных сигналов государственная служба времени и частоты использует разветвленную сеть средств передачи, которая включает в себя радиостанции ОНЧ, НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов как специализированные, так и другого назначения (вещательные, навигационные и т.п., передающие эти сигналы на вторичной основе), а также телевидение и сеть звукового вещания.

Читать еще: Программа раскраска для картин по номерам. Раскраска

Обычно позывные эталонных станций передаются несколько раз в течение каждого часа. Все радиостанции, за исключением RW-166, несущая которой промодулирована широковещательной программой (модуляция — амплитудная), работают в телеграфном режиме. Передача сигналов времени осуществляется одним из следующих типов манипуляции: короткими ежесекундными посылками, посылками с частотой 10 гц, ритмическими посылками. Начало минуты или секунды выделяется удлинением либо пропуском соответствующей посылки. Радиостанции, которые имеют несколько рабочих частот, работают на них попеременно.

За исключением коротких ежедневных перерывов на техосмотр и одного-двух перерывов в месяц для проведения профилактики, рабиостанции работают в эфире круглосуточно. Относительная погрешность излучаемой частоты очень мала.

Сигналы которые позволяют калибровать звуковую карту передаются на частотах 4996, 9996, 14996кГц. Передатчик имеет мощность 5кВт и находится в московской области. Здесь указаны нулевые биения частот, поэтому вы должны настраиваться на 4995, 9995, 14995кГц для USB, чтобы услышать тон.

Частоты достаточно легко совместить с точностью до десятка герц.

Использование в любительских условиях низких эталонных частот или эталонных частот, которые не кратны 100 кгц (например, 14996 кгц) затруднено, так как необходимой точности уже нельзя достичь без применения специальной аппаратуры.

Время радиоприемник. Эталонные частоты и сигналы точного времени

Эталонные сигналы частоты и времени

Эталонные сигналы частоты в радиолюбительской практике обычно используют при настройке различной радиолюбительской аппаратуры и конструкций. Так наиболее широкое применение эталонные частоты нашли при настройке гетеродинов и шкал приемников и трансиверов.

Для передачи эталонных сигналов государственная служба времени и частоты использует разветвленную сеть средств передачи, которая включает в себя радиостанции ОНЧ, НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов как специализированные, так и другого назначения (вещательные, навигационные и т.п., передающие эти сигналы на вторичной основе), а также телевидение и сеть звукового вещания.

Радиостанции стандартных частот и времени

Работает радиостанция одновременно на трех частотах, кроме первой среды первого месяца квартала для 4996 кГц, второй среды первого месяца квартала для 9996 кГц, третьей среды каждого нечетного месяца для 14996 кГц 0800-1600.

Позывной сигнал радиостанции РВМ (RWM)
Координаты расположения передатчика: 55°48′ с.ш.38°18′ в.д

Сигналы времени 56, 57, 58, 59-й секунд, следующие после 9,14,19,24,29,39,44,49,54 и 59-й минуты, пропускаются.

ОБОЗНАЧЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЙ .
N0N – немодулированные несущие колебания ;
A1 – излучение с амплитудной модуляцией несущих колебаний квантованными сигналами без применения модулирующих поднесущих колебаний A2 – излучение с амплитудной модуляцией несущих колебаний квантованными сигналами с применением поднесущих колебаний ;
A1N (A2N) – излучение типа А1 (А2), не содержащее информации изменяющегося характера ;
A1Х (A2X) – излучение типа А1 (А2), содержащее информацию нестандартного вида ;
A3E – излучение с амплитудной модуляцией несущих колебаний аналоговыми сигналами радиовещательной программы ;
D1X – излучение, при котором несущие колебания модулируются в определенной последовательности по амплитуде и по фазе квантованными сигналами без применения поднесущих колебаний и содержащее информацию нестандартного вида ;
DXXXW – излучение, при котором несущие колебания модулируются в определенной последовательности по амплитуде и по фазе сложным сигналом путем комбинации частотного и временного уплотнения и содержащее информацию нестандартного вида.
F1 – излучение с частотной модуляцией несущих колебаний квантовынными сигналами без применения модулирующих поднесущих колебаний.

голоса

Рейтинг статьи