HÍRADÁSTECHNIKA Nagypontosságú idő- és frekvenciamérés az OMH-ban* A cikk fő célja ismertetni a magyar mérésügy jelen legi helyzetét az idő- és frekvenciamérés tekintetében. A t u d o m á n y és technika rohamos fejlődésével az ipar egyre nagyobb területén igénylik az idő és a frek vencia pontos mérését. Ezen igények kielégítése is hivatalunk feladata. A metrológiában mind szélesebb területen alkalmazzák a frekvenciamérésre vissza vezetett mérési módszereket, mivel a frekvenciát t u d j u k mérni jelenleg a legnagyobb pontossággal. E z é r t van jelentősége a mérési módszerek és mérőeszközök állandó tökéletesítésének. A jelenleg nemzetközileg elfogadott „Nemzetközi Mértékegységrendszernek, az Sl-nek az egyik alap egysége az idő. Az idő mértékegysége a másodperc (jele: s). 1967-ben a Nemzetközi Súly és Mértékügyi Bizottság 13. közgyűlése a másodpercet a következők ben definiálta és tette meg az SI mértékrendszer idő alapegységévé: A másodperc az alapállapotú cézium atom — 133as tömegszám — k é t hiperfinom szintje k ö z ö t t i á t menetéhez rendelt rezgés 9192 631 770 periódusá nak i d ő t a r t a m a .
MIHALOVICS ORSZÁGOS MÉRÉSÜGYI HIVATAL
Az OMH-ban használt időalap-generátorok Időalap-generátorokról
általában
Az oszcillátor legfontosabb része a frekvenciameg határozó elem. Ezzel kell részletesebben foglalkoz nunk. A frekvenciameghatározó elem feladata, hogy az összes lehetséges frekvenciák közül egyet, vagy egy lehetőleg keskeny frekvenciasávot kiválasszon, amin a rendszer rezegni fog. A frekvenciamegha tározó elem fontos jellemzői a jóság, a stabilitás és a környezeti h a t á s o k k a l szembeni érzékenység. A j ó ság és stabilitás fokozása speciális frekvenciamegha tározó elemek a l k a l m a z á s á t kívánja meg. Az OMH-ban használt
kvarcoszcillátor
Hivatalunkban egy H e w l e t t - P a c k a r d 10 544 A t í p . oszcillátort alkalmazunk. A kvarcoszcillátor rezgésmeghatározó eleme, a k v a r c k r i s t á l y . A kvarcrezonátor elektromos helyette sítő k é p é t és az 2. ábrán, ahol L és C a frekvencia meghatározó elemek, J? a veszteséget reprezentáló ohmos tag és C _ _ a tokozás m i a t t i parazita ka pacitások. A C hangolókapacitás segítségével a kvarcrezonátor szűk h a t á r o k k ö z ö t t hangolható. Ezt v a r i k a p d i ó d á v a l is helyettesíthetjük, így egyenfe szültséggel nagyon finoman tudjuk hangolni az oszcil l á t o r u n k a t és így automatikus hangolókörbe k ö n n y e n beilleszthető az oszcillátor. A. hőmérséklet-változás x
1
x
Az idő mértékegységének, i l l . az ebből leszármazta t o t t frekvencia mértékegységének (hertz) f e n n t a r t á s á t hivatalunkban atomi oszcillátorokkal és nemzetközi összehasonlító mérések segítségével végezzük. * A T K I Ifjúsági Konferencián (1980. X I . ) elhangzott előadás alapján.
10
20
12
L
1. ábra Híradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983. 1. szám
1
káros h a t á s a ellen, állandó hőmérsékletű t e r m o s z t á tokba helyezik a k v a r c r e z o n á t o r t . A legjobb kristály oszcillátorok k b . k é t nagyságrenddel kisebb pontos sággal, stabilitással rendelkeznek, m i n t az atomi oszcillátorok. E z é r t ezek csak alapmérőeszközként kezelhetők. Az egység m e g h a t á r o z o t t pontosságú f e n n t a r t á s a szük ségessé teszi, a kristály hosszú idejű stabilitásától függően, atomi oszcillátorral t ö r t é n ő időnkénti össze hasonlítását. A z összehasonlítás á l t a l á b a n etalon adó állomások vételével k ö z v e t e t t módszerrel t ö r t é n i k . Az oszcillátor frekvenciapontosságának, -stabili t á s á n a k ellenőrzését etalonfrekvenciát sugárzó adó állomások jelével t ö r t é n ő összehasonlítással végez zük. A rendszeresen vett etalonadó az a l á b b i : Hívójel
DCF 77
Telephely Frekés koordinátái vencia (kHz)
Teljesít mény (kW)
Mainflingen, NSZK 50° V É , 9° 1' K
12
77,50
Hivatalunkban használt kvarcoszcillátor specifi kációja: 10 M H z ,
frekvencia frekvenciastabilitás - 5 5 - + 7 0 ° C között 0 - + 7 0 ° C között öregedés öregedés
1-10- , 3-10- , 5-10- /nap, l,5-10-'/év, 1-10-". 8
9
10
rövid idejű stabilitás Atomi oszcillátorok Az atom e l e k t r o n b u r k á b a n végbemenő rezonancia jelenséget felhasználó oszcillátorok az atomi oszcillá torok. Céziumsugár
oszcillátor
Az alapállapotú C 133 atom hiperfínom szerkezetét a 2. ábra mutatja. s
A folyamat az á b r á n lerajzolt
Az összehasonlítás céljára egy olyan berendezést fejlesztettünk k i , mely az oszcillátorunk és a vett je lek fázisát összehasonlítja, s a m é r t fáziskülönbséget kiírja. A méréseket n a p o n k é n t , azonos i d ő p o n t o k b a n végezzük. A kiértékelésnél az egynapi fázisváltozás sal számolunk. Mivel az így m é r t fázisértékeket a pil lanatnyi terjedési viszonyok befolyásolják, a t é n y leges érték megállapítását hosszabb időszak kiérté kelésével végezzük. R ö v i d idejű stabilitása viszont az összes oszcillátor fajtánál jobb. Kiválóan alkalmas másodlagos etalon céljára. Fontos szerepe van a kvarcrezonátornak az atomi generátorok működésében is, lévén azok frekvenciameghatározó eleme passzív, nem rezgő képes. Rezgések előállítására ott is kvarcoszcillátort alkalmaznak.
|
F = 4
m = Q,
F=3,
m = 0,
F
hiperfínom szintek k ö z ö t t megy végbe. Céziumsugár
oszcillátor működési
blokkvázlata
A 3. ábra szerint a céziumsugár áthalad az állapot szelektorok k ö z t . A felső hiperfínom energianívón levő atomok kerülnek az üregbe, az alsón levőket az állapotszelektor szétszórja. A mikrohullámú üreg alján elhelyezett hurok csa tolja be a mikrohullámú energiát, amely a stimulátoremissziót létrehozza. A z üregből kilépő cézium sugár á t h a l a d az analizátoron, ami azokat az atomo k a t szórja szét, amik nem estek á t a stimulált emiszszión, azaz a felső hiperfínom szinten maradtak. A m a r a d é k atomok, amelyek jele a VCO-t vezérli, mely a szintetizáló révén előállítja a szükséges etalon frekvenciát.
mágneses hiperfínom
szintek
2. ábra 2
Híradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983. 1. szám
árnyékolás analizátor kályha
E-
1
|
detektor
m'ikrohullamu üreg
állapot szelektor
—r/nC-field
KI |H 7 8 9 -3 1
3. ábra A homogén teret (C-field) előállító tekercs á r a m a szabályozható, amely révén az első á b r a szerinti á t menet energiatávolsága, és ezzel a frekvencia kiállít ható. Az átmenethez rendelt m i k r o h u l l á m ú frekvencia 9 192 631 770 H z . E z t a frekvenciát a frekvencia szintetizáló á r a m k ö r állítja elő, a feszültséggel han golt 5 MHz-es kvarcoszcillátor jeléből. A hangolófészültségét a detektor szolgáltatja. A céziumsugár oszcillátor frekvenciájának hosszú idejű stabilitása nagyon jó, öregedési (drift) tulaj donságot nem mutat. Egyetlen korlátozó tényező a céziumcső, é l e t t a r t a m a 4—5 év. Hivatalunkban az idő etalon f e n n t a r t á s á r a hasz n á l t céziumsugár frekvencia standard főbb stabilitás jellemzői: t í p u s : H e w l e t t - P a c k a r d 5601 A frekvenciapontosság 0—50 °C hosszú idejű stabilitás rövid idejű stabilitás 10- s 1 s 10 s 10 s 3
2
4
Rubidium gázcellás
+ 1-10- , ±5-10- , 11
1 2
±8-10- , + 5,5-10- , + 8-10- , ±8-10- . 1 0
5 MHz, 5-lO^Vhónap, 1- 1 0 - , 2- 1 0 - / ° C . 11
12
u
1 3
oszcillátor
8 7
XXXIV.
Frekvencia Hosszú idejű stabilitás Rövid idejű stabilitás Hőmérsékletstabilitás
12
A rubidium gázcellás oszcillátor működéséhez az alap állapoton kívül, k é t gerjesztett állapotra is szükség van. Az R b energiaszintjeit a 4. ábra mutatja. Rubidium gázcellás oszcillátor felépítését az 5. áb rán mutatjuk be. Hiradástechnika
A spektrál l á m p á b ó l kilépő fénysugár á t h a l a d a szűrőn és belép a mágneses üregbe. Az üregben levő k v a r c t a r t á l y b a n r u b i d i u m g ő z t t a r t a l m a z ó nemesgáz van. Ebben t ö r t é n i k meg az állapotszelekció és a sti m u l á l t emisszió, az üregbe csatolt m i k r o h u l l á m ú energia h a t á s á r a . H a a stimulált emisszió létrejön a detektor érzékeli és ú g y szabályozza a VCO-t, hogy annak jeléből a szintetizátor a stimulált emiszszió stabil fenntartásához szükséges frekvenciát ál lítja elő. A frekvenciát a C-fielddel lehet állítani. A r u bidium igen m e g b í z h a t ó m ű k ö d é s ű , kis térfogatban elkészíthető, é l e t t a r t a m a gyakorlatilag korlátlan, öregedési (drift) tulajdonságot mutat. Driftje a kvar cokénál sokkal kisebb. Hivatalunkban használt Rohde Schwarz X S R H rubidium frekvencia s t a n d a r d j á n a k főbb adatai:
évfolyam 1983. 1. szám
Nemzetközi feladataink A cézium időskáláját (tick) kell összehasonlíta nunk m á s országok etalonjaival. E z t minden nap elvégezzük tv-láncon t ö r t é n ő mérésekkel. A Csehszlovák Televízió szinkronjeleit az ő cézium órájukhoz szinkronozzák, ezt a szinkronozott a d á s t m i vesszük tv-láncon keresztül és a képszinkron jelről megfelelő m ó d o n a minket érintő jelet levá3
•3
lasztjuk és hasonlítjuk össze a m i céziumóránk etalon jelével. Utazásos
mérések
1. Késleltetési idő kimérése Bp. és Pozsony k ö z ö t t . E z t figyelembe kell venni a tv-s mérések kiér tékelésénél. Minden évben elvégezzük ezt a m é rést. 2. Az idő egységét ezen a m ó d o n s z á r m a z t a t j u k á t a felhasználóknak. KGST-ben
vállalt
feladataink
E T A 6 kísérleti KGST időskála fenntartása etalon összehasonlítással ( N D K , L N K , CSSZK, SZU) tör ténik. BIH-val
való
— — — —
órák időskáláinak ellenőrzése, digitális idő- és frekvenciamérők vizsgálata, generátorok vizsgálata, stopperek vizsgálata.
Az órák időskáláinak
ellenőrzése
Ellenőrzésre 10 ns felbontású digitális időinterval l u m m é r ő t h a s z n á l h a t u n k (6. ábra).
kapcsolatunk
A tv-s mérések kiértékelt adatait 10 n a p o n k é n t meg küldjük a nemzetközi időhivatalba, ahová m á s or szágok is elküldik mérési eredményeiket. A B I H - b a n 4
az adatokat számítógéppel feldolgozzák és értesíte nek b e n n ü n k e t , hogy az UTC időskálához viszonyítva hol áll az óránk. Mindennapi feladataink közé tartozik, hogy normál frekvenciát szolgáltatunk a p o s t á n a k és mérjük a rá dió pontos időjelzését. Az idő és frekvencia területén a következő ellen őrző vizsgálatokat kell elvégezni:
Digitális frekvenciamérők
és időmérők
vizsgálata
Az időalapgenerátor frekvenciájának pontosítást u t á n — a kapuzási, számlálási és trigger hibák vizsHíradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983. 1. szán,
árnyékolás kvarc
kristály
mi krohullamu üreg
(EH
detektor
spektra I lámpa
X C -fleld
KI H789-5
5. ábra cézium t i c k el merendő tick H789-6
6. ábra
i - 10MHz
regisztráló etalon
merendő
0
n-16
analóg fázisszög mérő
v - 5 mm / m m l = 1 0 2 mm
H789-7
7. ábra g á l a t á t végezzük el. Az O M H frekvenciaetalonjáról s z á r m a z t a t o t t jel mérésekor a vizsgált műszeren le olvasható értékből közvetlenül s z á m í t h a t ó a fenti hibák eredője. Generátorok
vizsgálata
Az időalapgenerátorok vizsgálata során azok frek venciáját mérjük, ha szükséges pontosítjuk, majd stabilitásvizsgálatot végzünk. A frekvenciamérést közvetlenül á l t a l á b a n nem lehet elvégezni, mivel az időalapgenerátorok pontossági specifikációja olyan, hogy a megengedett frekvencia eltérés (abszolút hiba) a digitális frekvenciamérők felbontásán belül van. Időalapgenerátorok frekvenciájának mérésekor al Híradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983. 1. szám
kalmazott módszerünk a fázisszögmérésen alapszik (7. ábra). A mérést mintavételező elven m ű k ö d ő vektorvolt mérővel végezzük, amelynek k i m e n e t é n (fázisszög) a r á n y o s egyenfeszültség jelenik meg. A műszert, egy regisztrálóra kapcsolva kapjuk meg a 8. ábrán l á t h a t ó diagramot. A regisztráló kalibrált időalappal rendelkezik és a papírsebesség t ö b b foko zatban beállítható. H a a papírsebesség v = 60 mm/s, „n" teljes periódusa n-2, a r e g i s z t r á t u m hossza „l" f _
n-v
H a / = / , akkor d/dt 0-nak a regisztrátumon line árisan növekednie kell, ellenkező esetben csökkennie. 0
5
