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Time-Nuttery: facciamo ordine

Ogni tanto è utile fare un po’ di ordine (mentale, sul banco di lavoro proprio non ci riesco) per prendere la rincorsa ed affrontare nuove sfide con maggiore consapevolezza. Il punto è questo: ho parecchia carne al fuoco per migliorare le prestazioni del mio “timelab”. Si tratta di una serie di progetti che vanno nella stessa direzione ma… quale è la meta finale?

Lo scopo del gioco è fare delle misure di ADEV che siano sempre meno affette da rumore e che mi consentano di confrontare tra loro dispositivi piuttosto eterogenei. Ho a disposizione diversa strumentazione (non è il massimo sul mercato ma… è gratis) e devo ottimizzare tutto quello che “gira” intorno agli strumenti. Partiamo dalla base: cosa è la deviazione di Allan? Un articolo di John Ackermann (N8UR) spiega la cosa in modo delizioso e dimostra (se ce e fosse bisogno) che per spiegare bene alcuni concetti, è necessario essersi sporcati le mani ed averci speso molto tempo:
– articolo originale
– repository github
– il mondo “febo.com”

Per fare una misura di ADEV possono essere utilizzati apparati dedicati (spesso estremamente costosi) oppure dei normali frequenzimetri / contatori. In questo caso occorre stare attenti al modo in cui viene effettuata la misura: lavorare in frequenza può essere un problema per via degli algoritmi di averaging che sono implementati internamente ad alcuni frequenzimetri (HP53131/132), e che sono discussi QUI e documentati nella letteratura.

Malgrado il Time Counter non sia il modo migliore per fare questa misura, bisogna accontentarsi, sapendo quali sono i limiti della strumentazione (risoluzione 500ps, che sono 5E-10s) e cercando di lavorare nel tempo, usando cavi di buona qualità. Pertanto è necessario dotarsi di un dispositivo che converta il segnale sinusoidale a 10MHz di uscita da un generatore, in un segnale PPS ( 1 impulso al secondo, 1Hz), in modo da aggiungere meno rumore possibile alla catena.

Ci sono un paio di soluzioni a questo problema, una è quella di acquistare un prodotto “pronto” dal sito TAPR, il TADD-2 mini. Costa una sciocchezza, il funzionamento è comprovato e il form factor è davvero piccolo. Una ottima scelta, peccato che le spese di spedizione sia davvero folli.
Alternativa è quella di andare direttamente all’obbietivo usando un PIC senza troppa elettronica di contorno, come spiegato nella pagina del picDIV. Da notare che il TADD altro non è che i picDIV in un contenitore migliore e con un po’ di elettronica di contorno.
Ultima spiaggia è quella di replicare l’ottimo progetto di Anders Wallin, un metrologo che ha mille interessi e tanti bei progetti. In pratica ha realizzato un TADD aggiungendo uno stadio di alimentazione dignitoso e dei buffer di uscita. Il progetto si chiama PICDIV_Board_V3 ed è un peccato che non sia replicabile 1:1 in quanto alcuni componenti sono out-of-stock. Sto lavorando per crearne una versione reingegnerizzata, più piccola (meno costosa) e con componenti aggiornati.

In ultimo manca un buon oscillatore di riferimento. Ma per questo farò un post dedicato, visto che mi sono attrezzato con un oscillatore al rubidio che non ho ancora avuto modo di accendere (giuro che ne riparleremo).

La destinazione è chiara: misurare decentemente ADEV con il counter. I limiti sono noti (500ps di risoluzione – cavi di segnale non adeguati), gli strumenti che mancano sono in via di approvvigionamento/definizione. Piano piano… arriveranno anche i risultati.

time-nuttery – parte 3

In un interessante documento trovato in rete “Clock Measurements Using the TimePod 5330A with TimeLab and Stable32” si parla in modo molto diffuso del parametro di “sampling interval” del software timelab.
In pratica è un numero che influenza completamente il comportamento del software, definendo la ENBW (Equivalent Noise Bandwidth) ed il numero di campioni che sono necessari per completare la misura. Nello specifico del 53131 e simili: “specifies the gate or other measurement interval for which the counter is configured. This period is treated as the tau0 basis, which defines the leftmost edge of any deviation plots”.

Quindi, se io volessi fare delle misure dei miei segnali a 10MHz usando un “sampling interval” maggiore (e sempre deterministico), dovrei alimentare il connettore di “external arming” con un segnale che possa triggerare la lettura e che abbia frequenza di 1Hz, 10Hz, 100Hz o 1000Hz. Perfetto. Vale la pena di fare un tentativo, mica sarà difficile generare un impulso. Nel documento “High Resolution Phase Measurement with Keysight 53230A” (sito www.efos3.com) si menziona un esperimento simile, nel quale, per realizzare il trigger per il counter, è stato usato un generatore HP di ottima qualità. Io devo arrangiarmi con quello che ho. I parametri della forma d’onda sono: ampiezza almeno 4V, durata dell’impulso 200ns.

Prima prova: uso il generatore interno dell’oscilloscopio Tektronix. Niente, non è possibile generare un impulso con durata inferiore a 10ms per via della limitazione in banda del sistema. Vabbè, prendo un pulse generator dall’armadio dei “dimenticati”. Trovo un HP 8011A, che vorrei mettere come soprammobile nel mio studio (lo farò), solo per le targhette di ispezione firmate a mano. Lo accendo ma l’unica cosa che genera è tanto calore. Andrebbe fatto un service molto accurato ma non è proprio il momento. Accanto a questo cimelio ho trovato un GwInstek del 1995 che non si accende. Inizio ad essere un po’ “frustrato” e chiedo in giro: un collega mi dice di avere usato uno strumento veramente versatile LiquidInstruments Moku:Go. Un “ciaffetto” che sta nel palmo della mano e consente di fare (SDR) un sacco di cose tra le quali la generazione di segnali arbitrari.

Moku:Go sia! Scarico il software, collego lo strumento al PC, aggiorno il firmware (20 minuti) e poi mi metto a fare delle prove di generazione, collegando ad una uscita l’oscilloscopio (controllato da rete) ed all’altra uscita il counter. Dopo qualche minuto sono in grado di controllare il trigger del counter, con estrema versatilità.

Schermata di controllo Moku:Go
Monitoraggio forma d’onda via web.

L’impulso generato è anche piuttosto “bello” da vedere e rispetta perfettamente i dati impostati dalla console.

Verifica impulso MoKu:Go. Notare rise time e durata

A questo punto non rimane che fare le misure ed aspettare, godendo dello spettacolo di tutti gli apparati.

Setup di misura.

Risultato delle misure: fare una misura con campionamento a 100Hz è uno stillicidio. Devono essere acquisiti 100000 campioni per finire il processo, cosa che richiede una discreta quantità di tempo (quasi un’ora). L’aumento del sample rate, ha come conseguenza il fatto che la ENBW aumenta, pertanto è lecito aspettarsi un comportamento peggiore per le curve acquisite con alto SR. In questo run sono poco apprezzabili.

tau / sgma(tau)1Hz10 Hz100 Hz
1 secondo8.73E-108,83E-108.06E-10
10 secondi8.62E-118.56E-118.03E-11
100 secondi8.67E-128.05E-128.03E-12

Durante il test sono cambiate le condizioni climatiche della stanza, con la temperatura che è salita di circa 1 grado. La misura effettuata con sampling a 100Hz mostra un andamento molto regolare, con il maggiore averaging che mitiga l’effetto del crosstalk presente, ma peggiora le prestazioni.

ADEV cambiando il valore del sample rate

Ci siamo quasi. Tutto è (quasi) pronto per fare una prima misura di un quarzo. Anche se sorgono notevoli interrogativi….

time-nuttery – parte 2

Preso dall’emozione nell’avere ricevuto una piacevole e motivante email da “Tom Van Baak” ( autore del sito leapsecond.com), ho voluto esplorare la possibilità di fare misure di ADEV direttamente con il segnale a 10MHz.

Il setup di misura è il consueto: segnale sinusoidale a 10MHz generato da uno dei GPSDO, inviato ad un power splitter, poi due cavi (RG58) di lunghezza diversa. Il percorso corto alimenta il canale 1, quello lungo il canale 2. Stavolta, giusto per non fare lo stesso errore, una rapida occhiata con l’oscilloscopio:

Segnali in ingresso al counter.

Ampiezza del segnale 400mV nella semionda positiva, posso mettere il trigger comodamente a 200mV sul rising edge. Impedenza di ingresso 50 ohm.

Una volta configurato lo strumento, imposto la modalità “T1 to T2” e via. Il problema è che l’acquisizione da parte di TimeLab è triggerata dallo strumento che funziona in “auto arming”. In pratica le misure vengono effettuate nel modo più veloce possibile. Questo comporta che selezionando un periodo di acquisizione di 1000 secondi, i 1000 punti vengono acquisiti in pochissimo tempo (circa 30 secondi). La curva che si ottiene non rispecchia (se non nel numero di punti) il principio temporale dell’acquisizione. Per come la interpreto io, questo tipo di approccio dovrebbe dare risultati sbagliati, in quanto non è chiaro l’intervallo temporale con il quale vengono acquisiti i campioni, aspetto fondamentale della misura di ADEV.

Come è possibile “frenare” lo strumento e limitare il numero delle acquisizioni al secondo? Nel pannello posteriore dello strumento è presente un connettore “External ARM” che ha la funzione di trigger per la misura che si intende fare. Ho deciso di pilotare il “ext ARM” con il segnale PPS proveniente da un altro GPSDO che condivide con il primo la stessa antenna. In questo modo l’acquisizione del segnale è decisamente più lenta e rispecchia quello che avviene con il segnale PPS in ingresso. Il grafico che si ottiene ha forma e caratteristiche che lo rendono facilmente confrontabile con il PPS.

Misure comparative.

In questa figura:
Rosa – Misura di noise floor effettuata con due segnali PPS in ingresso allo strumento;
Blu – Misura di noise floor effettuata con due segnali 10MHz in ingresso allo strumento, trigger esterno;
Verde – Misura di noise floor effettuata con due segnali 10MHz in ingresso allo strumento, trigger automatico.
La curva BLU è molto tormentata rispetto alla “parente” rosa. Il significato delle oscillazioni è da cercare nel CROSSTALK che si ha tra i cavi (che sono banalissimi RG58 a singola schermatura). Le oscillazioni sono molto più marcate in quanto il crosstalk aumenta con la frequenza, pertanto, lavorando ad 1Hz si hanno effetti molto mitigati rispetto al caso 10MHz. La curva verde non mi convince. E’ stata acquisita in meno di 30 secondi ed ha un andamento troppo “smooth” per potere essere di una qualche valore. al pendenza c’è ma manca il contenuto informativo.

Counter HP 53131A

Da qualche tempo, in ufficio, ho un counter HP 53131A. Leggendo nella lista time-nuts, ho scoperto che non è un fenomeno nella misura della frequenza, soprattutto a 10MHz. Malgrado questo, vorrei provarlo con i software di KE5FX, pertanto mi sono dotato di una interfaccia GPIB – USB della National Instruments ed ho provato a fare colloquiare il PC con il counter.

Malgrado i mille tentativi non sono mai riuscito nell’impresa fino a quando mi è sorto un atroce dubbio: vuoi vedere che l’adattatore non fa contatto con la presa sullo strumento? Questo malgrado io abbia serrato completamente le viti di bloccaggio dell’adattatore stesso. Pertanto ho recuperato due vecchi cavi GPIB, ho tolto la abbondante polvere ed ho collegato l’adattatore: tutto perfettamente funzionante.

Inutile sottolineare il mio disappunto per questa cosa. Il lato positivo è che adesso ho collegato sia il counter che il multimetro via GPIB e posso, con un po’ di fantasia, controllarli da LabView per fare qualche misura “long term”. Da questo punto di vista è molto utile avere LabView su una macchina virtuale nella WorkStation dell’ufficio, in modo che possa lavorare anche quando non sono sulla scrivania. Nei prossimi giorni qualche considerazione su un GPSDO che non vuole saperne di funzionare!