Vibrograf

[Petr Styx]

Možná píšu trochu offtopic, ale zabývám dost odlišnou činností, než hodinky, ale jedno mám společné. Vše co dělám, vyžaduje přesné frekvence a čas. Většinu času se pohybuji v extrémních přesnostech, jako ppb a fázovým šumem <1ps, které pro Váš účel hodinek zbytečné, ale protože jsem řešil korekci času i pro běžné hodinové obvody s menšími nároky, byl jsem krůček k nápadu, seřízení starých samo natahovacích hodinek Citizen, jako bobříka odvahy.

Mám projekt levné časové základny, postavené na FPGA, která pomocí matematiky a trocha triků, generuje referenční hodinové signály a měří PPS hodinových obvodů s odchylkou 0,01ppm. Výhoda tohoto řešení je, že systém se sám kalibruje a využívá levného XO a faktu, že při stabilní teplotě má minimální drift a se změnou teploty je známý, takže provádí korekce. Po dvou dnech, se systém sám ustálí na vlastní odchylce 0,05-0,01ppm. Signál z hodinek, nebylo těžké zpracovat a vlastně už dokážu poměrně přesně určit chybu, ale mám dvě věci.

 

Nemohl jsem si nevšimnout, že samy hodinky mají svůj jitter a teplotní šum, takže naladit je na 1ppm asi nebude možné. Řekl bych, že budu rád, když se mi to povede na 10ppm, ale otázka zní, jestli takový teplotní drift je normální. Druhá věc je, že zatím jsem je pouze měřil a odchylku mají 30sec/den a měřil jsem pouze drift těch hodinek v čase. Každopádně vím, že ta chyba není konstantní a od toho se odvíjí moje dvě otázky.

 

Na kolik se dají mechanické hodinky seřídit a jak dlouho takovou přesnost udrží a ta druhá otázka je, že jsem se díval na ceny Vibrografů a zadarmo to tedy není a tak mě napadlo, že by šlo, to co mám, využít. Časová základna je velmi přesně kalibrovaná po síti pomocí dlouhého fázování (několik dnů) a má výstupní signál pro ladění hodinových krystalů, nebo vstup pro měření chyby a teď jsem tam dodělal ADC na mikrofon pro ty hodinky, ale používal jsem to spíše na elektroniku a předpokládám, že pro hodináře, budou potřeba trochu jiné data, tak mě zajímá, jestli je vůbec šance,  takovou věc prodat, pokud by cena byla cca do 4000Kč, ale mohlo by to být výrazně levnější, pokud bych to zjednodušil a jestli by mi někdo poskytl praktické rady, co je třeba.

 

A snad do třetice. Je mi jasné, že na jemné seřízení nebudu mít v rukách cit, takže otázka zní, jestli lze udělat nástroj, který by univerzálně provedl seřízení hodinek (u těch citizen jsem přemýšlel o převodovaném motorku a nástroji na uchycení), nebo je to scifi. Podotýkám, že jsem zcela mimo obor a tak mě nekamenujte. Navíc předpokládám, že co hodinky, to bude asi trochu jinak.

 

Pro pochybovače, mohu říct, že jsem zkoušel XO na levném tang nano 4k a bez korekce teploty jej dokážu dostat pomocí ESP na cca +/- 0.1ppm. Neplést s krystalem, kde se vám projeví mnoho jevů a běžně plavou +/- 3ppm (špatné kapacitní přizpůsobení, trasa od krystalu a další nectnosti běžných krystalů). TCXO nejsou vhodné na malé teplotní změny a OCXO a DOCXO stojí jiné peníze.

Upraveno 9. září uživatelem Petr Styx

[Petr Styx]

Ještě bych rád doplnil, že dlouhý čas prvotního sync je nutný ze dvou důvodů. Zaprvé NTP přes ESP není schopno generovat dostatečně přesný signál v krátkém čase a hlavně takové PPS kromě velkého jitteru, obsahuje skoky plynoucí ze synchronizace na NTP.  Na druhou stranu GPS není vhodná, protože v dlouhodobých měřeních se vám promítnou všechny parazitní jevy související se šířením takového signálu a NTP má dlouhodobě lepší výsledky.

[Petr Styx]

Jinak 1s/den je chyba 11.5ppm. Díval jsem se, že většina vibrografů používá běžnou součástkovou základnu, kde výrobní tolerance krystalů jsou běžně +/- 20ppm, často i horší, ale protože se používají běžné krystaly, tak se promítnou všechny parazitní jevy do jitteru a udržet takový vibrograf v limitu, abych určit odchylku  dlouhodobě stabilní +/- 10ppm, je prakticky nemožné. Taktéž jsem si všiml, že samotné mechanické hodinky mají značnou schopnost utíkat v závislosti na náklonu a to hodně. Klidně i 80ppm, takže to měřím ve vodorovné poloze.

Viděl jsem používat běžné PC se zvukovou kartou, ale  tam si o chybě hodin takové zvukové karty myslím svoje. Takové korekce se nikdy nemohou dobrat rozumných výsledků. Možná postačující pro přibližné naladění mechanických hodinek, ale bez stabilní a přesné reference jsou veškeré měření tohoto druhu u quartz strojků vlastně zbytečné. U hodinových krystalů, pokud jejich chybu kompenzuji se dostanu na +/- 3ppm, ale v běžných quartz hodinkách něco takové nečekám. Na druhou stranu, pokud chci chybu určit, potřebuji sám být dostatečně přesným zdrojem a nemohu provádět měření 12s a brát ho za bernou minci. Tím spíše, že takový signál hodinového strojku po průchodu mikrofonem a zpracováním je také zatížen značnou nestabilitou.  Mají quartz hodinky někde vytaženou frekvenci krystalu, nebo její derivát. Případně něco jako PPS signál, aby to šlo brát elektronicky?

[Petr Styx]

Jinak, mohu předvést jak moc takové ESP přes NTP plave. Tato deska už byla kalibrovaná a korekce byla vypočítaná na +8.54ppm. Tato korekce se projeví na výstupních referenčních signálech. Takže reference 10MHz/1MHz/32768Hz/16384Hz/512Hz + 1kHz + 100Hz už je na výstupu přesná. Stejně tak měření už obsahuje tuto korekci, která se od zapnutí průběžně upravuje jednou za dva dny, pokud je třeba. Oproti GPS totiž to NTP vypadá škaredě na krátkém časovém úseku. Projevuje se tam sklon hodin toho ESP, SW Interpolace a jednotlivé resync toho NTP, ale po dvou dnech se najednou chyba díky nejistotě krásně ustálí a hodiny toho XO by bez externí synchronizace prakticky udržely tak 1s za půl roku a korekce už vlastně probíhá v úsecích delších jak týden a o setiny PPM. Jinak od zapnutí si to XO sedne na +/- 0,05ppm asi za 5 minut. Podmínka je jen stabilní teplota okolí +/- 2 stupně celsia, což doma běžně je.

Vše jsem ověřoval podle svého přesného normálu, který tu běží už 15let stabilně a dlouhodobě, ale pokud chci, aby zařízení bylo autonomní a nepotřebovalo pravidelnou kalibraci, považuji tuto cestu za přijatelně levné řešení, tak aby bylo cenově dostupné. 

Pokud bych použil GPS signál, tak v krátkém časovém úseku by příchod PPS vypadal dokonale, ale po čase by začal plavat a prakticky na přesné dovození chyby bych potřeboval týdny, až měsíce, protože vlivy prostředí na šíření signálu mohou zamávat korekcí i v jednotkách PPM.

Krátkodobý drift toho ESP vůči FPGA přikládám v logu, ale algoritmus už předběžně podle skoků odhaduje korekce a je schopen odvodit chybu svojí, toho ESP a jitter už asi za 8 hodin. Myslím si, že to je pro Vibrograf velmi slušný základ. Navíc na průběžné výsledky má deska 8MB RAM, takže lze poměrně obstojně sledovat jak se hodnoty měnili v čase.

Na výrobní kalibraci, abych nemusel čekat dva dny, používám signál 10Mhz, který už je po korekci.

Jinak to correct  ukazuje okamžitou chybu a to lastdiff díky skew obsahuje mnohem přesnější korekci za delší časový úsek a tak je mnohem dříve stabilnější. Dala by se použít tedy tato predikce už po 8 hodinách provozu, ale jistota je jistota a fyzickou korekci, pokud systém nazná odchylku větší jak 0.02 ppm až po dvou dnech.

Upraveno 10. září uživatelem Petr Styx

[Petr Styx]

Původní projekt byl určen na kalibraci telekomunikačních zařízení, protože to co mám doma je poněkud extrém, který na ladění této techniky je zbytečně předimenzován a používám ho na jiné účely. Tím, že totolze realizovat poměrně levně a z dostupných součástek, vibrograf mě napadl, jako zajímavé využití.

FPGA bylo nutné, protože běžnými prostředky bych nedokázal provádět fraktční kalibrace výstupů a stejně by mi u těch malých MCU nestačila paměť a zdroje na matematiku. Na druhou stranu, dnes už jsou některá FPGA tak levná, že se to v ceně nijak významně nepromítne.

Jinak pokud tím kalibruji hodinové obvody, které stejně mají +/- 3ppm, jsem schopen udělat kalibrační mapu pod 10s, protože pokud přivedu výstup 32768Hz, mohu nejistotu vyrušit prakticky ihned. Zpracování mikrofonem poněkud přidává jitter, ale pro účely běžných hodinek, je to více než postačující.

Upraveno 10. září uživatelem Petr Styx

[Petr Styx]

Zkoušel jsem samozřejmě konkurenci, ale zatím co jsem viděl a četl, tak sází na výrobní kalibraci nějaké časové reference, jako je krystal a neobsahuje to žádné korekce, takže stačí jen změna nadmořské výšky, nebo rozdíl teploty prostředí ve které kalibrace probíhala a už to někam utíká. Navíc tím že jsou používány často běžné krystaly a jednoduché MCU, sází většinou veškeré měření na jednoduché interní časovače, které nejsou vůbec schopny provést nějaké vnitřní korekce a jen se výpočet, opravuje o výrobní kalibraci.

[juk]

Vůbec netuším o čem píšeš, ale pokračuj. Mohlo by z toho být zajímavé a poučné vlákno.

A vítej na foru 

[Petr Styx]

Teplota okolí je samozřejmě součástí korekci, ale pokud je v pásmu 20-30 stupňů celsia, její vliv je tak nepatrný, že se korekce v jitteru nijak významně neprojeví. Zkoušel jsem to doma, ale žádné rodeo vlivů je tam neprojevovalo.

[Petr Styx]

před 6 minutami, juk napsal:

Vůbec netuším o čem píšeš, ale pokračuj. Mohlo by z toho být zajímavé a poučné vlákno.

A vítej na foru 

Teď jsi mě dostal. Hint byl v prvním příspěvku. Napadlo mě udělat si vibrograf, abych si mohl sám seřídit staré hodinky Citizen a protože si troufnu tvrdit, že čas je moje hobby (ne hodinky), mohlo by něco takové zajímat ty, co hodinkami žijí a starají se o ně. Jinak děkuji za milé přivítání. 

Současně jsem doufal, že pokud bych se to rozhodl dělat, mohou mi ti zkušenější poradit, co potřebují vědět, aby něco takové mělo širší spektrum využití.

[Petr Styx]

Jinak jsem na tom trošičku obsedantně závislý, takže doma mám prakticky lepší zdroj času jako běžné atomové hodiny. Ty Rubidiové používám jen na dlouhodobou korekci, protože jinak mají šílený jitter. Potřeboval jsem fázový šum pod 1ps a dlouhodobou stabilitu mám lepší jak 0,3 ppb. Takže zdroj je skvělé DOCXO s korekcí fázového šumu a stárnutí. To si ovšem hodinář nepořídí, tak jsem dělal něco méně přesného a přenosnějšího, protože  to co používám, má nepříznivou cenu a složitější provoz. Prakticky se to nevypíná, je to dlouhodobě zálohované a má to vlastní kumbál, kam se nechodí.

Samozřejmě bych si  rád pořídil mřížkové atomové hodiny, ale i kdybych přežil loupež v bance a prošlo by mi to, dorazila by mě moje žena, protože cena není úplně přátelská a i to co používám, nebylo zrovna za lidovku, i když jsem si to dělal sám.

Upraveno 10. září uživatelem Petr Styx

[STRKKT]

Na přesnost kalibru má vliv poloha hodinek, okolní teplota, magnetismus, otřesy, stav maziv, samotná konstrukce a i způsob nošení. I když moderní materiály většinu vlivů zmírňují, tak fyzikální princip zůstává stejný – mechanický strojek nikdy nebude absolutně přesný, jen se dá regulovat, aby odchylky byly co nejmenší. 
I když to v jedné poloze perfektně nastavíš, stačí změnit polohu, teplotu nebo vzít hodinky na ruku a můžeš začít znova. Nastavení je vždy kompromis a osobně si proto nejsem jistý, jestli je nutné se honit za co nejvyšší přesností vibrografu, když nejužší místo ve finále není měřidlo, ale hodinky.

Upraveno 10. září uživatelem STRKKT

[Bert]

.... Na přesnost kalibru .... neeeee, takový píčoviny tady fakt nechci číst. To je horší, než ciferník.

[Petr Styx]

Odpověděl a já pochopil. To bohatě stačí pro mojí vděčnost. Stejně jsem to asi špatně uchopil a možná to zkusím jinak. Udělám pořádný tišťák, aby to nebyl prototyp, krabičku asi vezmu 3D tiskem a zkusím najít nějakého hodináře, aby to vyzkoušel a pomluvil mi to.