ฉันจะทำให้ออสซิลเลเตอร์ขนาดเล็กทำงานที่ 31,891,269,116 µHz แม่นยำได้อย่างไร

ฉันกำลังมองหาเพื่อสร้างโมดูล RTC สำหรับ Arduino ที่ทำงานในเวลา Mars อัตราการแปลงคือ 1.0274912510 Earth seconds ถึง 1 Mars second

ในขณะที่ฉันจัดการเพื่อให้บรรลุผลทางโปรแกรมด้วยความละเอียด <2 วินาที (ซึ่งไม่เหมาะอย่างยิ่งฉันต้องการความแม่นยำมากกว่า 300 มิลลิวินาที) โดยใช้คณิตศาสตร์จุดคงที่ใน Arduino Uno ที่เชื่อมต่อกับโมดูล RTC ปกติฉัน สงสัยว่ามันจะเป็นไปได้หรือไม่ที่จะมีออสซิลเลเตอร์แรงดันต่ำบางชนิดทำงานที่แม่นยำ 31,891,269,116 µHz (31.891269116 kHz) ซึ่งจะมากหรือน้อยสามารถเปลี่ยนได้ด้วยคริสตัลนาฬิกามาตรฐาน 32 kHz (แต่ฉันจะเปิดให้แนวคิดอื่น ๆ ) ตราบใดที่มันไม่แพงอย่างเด็ดขาด)

ความคิดใด ๆ ที่อาจเป็นไปได้? อีกทางเลือกหนึ่งตัวจับเวลาบางประเภทที่ดับลงทุก ๆ 1.0274912510 วินาทีก็เป็นที่ยอมรับเช่นกัน

ใช้คริสตัล 32768kHz เหมือนคนอื่น แต่หารด้วย 33669 แทนให้ข้อผิดพลาด -5.08ppm (คุณสามารถลบได้โดยการตัดแต่งความจุในการโหลดหากคุณต้องการ)

มันไม่แม่นยำแต่สำหรับนาฬิกา Mars มันจะดีเหมือนนาฬิกาควอตซ์ Earth นั่นคือการเพิกเฉยปัญหาการชดเชยอุณหภูมิสำหรับอุณหภูมิรอบดาวอังคารผลึกนาฬิกาส่วนใหญ่จะถูกตัดเพื่อใช้กับโลกเว้นแต่คุณจะพบซัพพลายเออร์ของดาวอังคาร ...

ฉันจะใช้อุปกรณ์ต่อพ่วงแบบนับถอยหลังใน MSP430 เพื่อทำการแบ่งและ (สมมติว่าคุณกำลังขับนาฬิกากลไกกลไกควอทซ์มาตรฐาน) สร้างพัลส์ 30ms แบบไบโพลาร์บนพินออกทุกวินาทีโดยประมาณตามเวลาเดิมที่คุณสามารถ วัดออสซิลโลสโคป

Arduino หรือคล้ายกันจะทำงานได้ แต่ MSP สามารถนอนหลับระหว่างพัลส์ใช้พลังงานต่ำกว่า 1uA ด้วยการทำงานของ LF oscillator นี่คือตัวอย่างการออกแบบพร้อมซอร์สโค้ดและ PCB สำหรับนาฬิกา - เฉพาะเวลา Earth จนถึงขณะนี้อาจแก้ไขได้ด้วยการเปลี่ยนค่าคงที่

คุณทำได้ดีกว่าคำแนะนำของ Brian Drummond แม้ว่าอาจเป็นความจริงที่ว่าออสซิลเลเตอร์ของคุณเป็นแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดที่ใหญ่ที่สุดในระบบ แต่ก็ไม่มีเหตุผลที่จะเพิ่มข้อผิดพลาดที่เป็นระบบเพิ่มเติมเมื่อมันง่ายพอที่จะไม่ทำ

ตั้งค่าช่วงเวลาตัวจับเวลาของคุณเป็น 33668 เห็บเริ่มตัวนับที่ 0 และทุก ๆ ตัวจับเวลาขัดจังหวะเพิ่มตัวนับ 6754

หากหลังจากเพิ่มขึ้นตัวนับคือ> = 8105 จากนั้นลบ 8105 และตั้งค่าช่วงเวลาตัวจับเวลาสำหรับวินาทีต่อไปนี้เป็น 33669 เห็บ

มิฉะนั้นปล่อยให้เคาน์เตอร์อยู่คนเดียวและตั้งค่าช่วงเวลาการจับเวลาสำหรับวินาทีต่อไปนี้เป็น 33668

สิ่งนี้จะทำให้คุณ (สมมติว่าเป็นคริสตัลที่สมบูรณ์แบบ 32.768kHz) ช่วงเวลาเฉลี่ยของ

(33668 + 6754 / 8105) / 32768 ~= 1.0274912510006

วินาที (ข้อผิดพลาดน้อยกว่าหนึ่งส่วนต่อล้านล้านเทียบกับ 1.0274912510) แทน 1.0274963378906 วินาที (เกือบ 5 ส่วนต่อล้านข้อผิดพลาด) ซึ่งหมายความว่าความแม่นยำในระยะยาวของนาฬิกาของคุณจะขึ้นอยู่กับความแม่นยำของออสซิลเลเตอร์อย่างแท้จริง ข้อผิดพลาดเนื่องจากคณิตศาสตร์จะช่วยให้เกิดข้อผิดพลาดน้อยกว่าหนึ่งขีดต่อปี แม้ว่าความยาวของวินาทีเดียวจะมีข้อผิดพลาดสัมพัทธ์สูงสุดถึง 25ppm แต่ช่วงเวลาเฉลี่ยโดยเฉลี่ยจะนานกว่าและนานกว่านั้นข้อผิดพลาดจะหายไป

นี่เป็นอัลกอริทึมของ Bresenham ที่ใช้กับการบอกเวลาและพบเศษส่วน 6754/8105 ดังนี้

32768 * 1.027491251 = 33668.833312768

เศษส่วนต่อเนื่องที่แน่นอนของ 33668.833312768 คือ [33668; 1, 4, 1, 1349, 1, 7]

การลดคำศัพท์สุดท้ายให้ค่าประมาณ 33668 + 6754/8105 ซึ่งมีชิ้นส่วนทั้งหมดที่พอดีเป็น 16 บิต

$10^{-10}$$10^{-14}$

มันสามารถทำได้ด้วยรูบิเดียมหรือนาฬิกาอ้างอิงอะตอมอื่นที่ 10MHz หรืออาจเป็น PLL ให้ (พูด) 100MHz แล้วนับด้วยแอมป์เฟสสะสม ~ 36 บิตเพื่อให้ความละเอียด 0.001Hz หลังสามารถทำได้ด้วย FPGA ขนาดเล็ก

คุณสามารถอ่านวิธีการ Direct Digital Synthesis (DDS) ได้ มีชิปที่ทำ DDS แต่อาจไม่กว้างเท่านี้เลย

โมดูลนาฬิกา Rubidium มีวางจำหน่ายในตลาดส่วนเกินหรือจากผู้ผลิตเช่น Microsemi

คุณไม่ได้นิยาม "แพง" ดังนั้นนี่เป็นภาพของความมืด

เริ่มต้นด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเชิงพาณิชย์ (รวมถึง eBay) 10 MHz รูบิเดียมมีให้เลือกมากมาย แต่ไม่ว่าคุณจะได้รับความแม่นยำเท่าใดก็ตาม

ตอนนี้สร้างตัวแบ่ง progammable ความยาว 28 บิต ด้วยความเร็ว 10 MHz คุณสามารถใช้ตรรกะแบบ 74HC CMOS ได้ แต่คุณจะต้องใช้การตั้งค่าที่รวดเร็ว ผลลัพธ์ยังทำให้เกิดการหารด้วย flip-flop สองตัวซึ่งให้บิต 29

ตัวหารสามารถเรียกใช้ในอัตรา 10,274,912 หรือ 10,274,913 ขึ้นอยู่กับสถานะของบิต 29 สำหรับการป้อนข้อมูล 10 MHz ที่สมบูรณ์แบบช่วงเวลาเอาต์พุตที่มีประสิทธิภาพสำหรับบิต 28 จะเป็น 1.02749125 วินาทีซึ่งมีความแม่นยำประมาณ 1 ppb หรือประมาณ 30 มิลลิวินาที / ปี แน่นอนว่าการป้อนข้อมูลที่แม่นยำน้อยลงนั้นจะสร้างเอาต์พุตที่แม่นยำน้อยลง

การใช้ 74HC161s มาตรฐาน bog คุณสามารถทำได้ด้วย 8 ไอซีและถ้าคุณระวังคุณอาจใช้บอร์ดต้นแบบต้นแบบมาตรฐานแม้ว่าคุณจะต้องระวังเรื่องการโค่นระบบพื้น Perfboard จะมีราคาถูกกว่ากะทัดรัดและทนทานกว่า แต่การเดินสายจะสะดวกกว่าเพราะคุณจะต้องประสานการเชื่อมต่อ จากนั้นคุณสามารถใส่ลงในบางอย่างเช่น RTV ระดับอิเล็กทรอนิกส์ (ไม่ใช่ RTV ที่คุณซื้อที่ร้านฮาร์ดแวร์) สำหรับขนาดโมดูลสุดท้ายในช่วง 2 x 2 x 1/2 นิ้วไม่นับ oscillator

แก้ไข

โปรดทราบว่ามาตรฐานประสิทธิภาพของคุณซึ่งเชื่อมโยงกับ "ปกติ" RTCs นั้นอยู่ในช่วงความแม่นยำ 1 วินาที / วันซึ่งแย่กว่าวิธีนี้ 30 เท่า ดังนั้นก่อนอื่นคุณสามารถทำได้ด้วยบิต 29 สเตจหรือแบ่ง 10 MHz ของคุณเป็น 5 MHz และใช้อัตราส่วน 5,137,456 อัตรานาฬิกาที่ต่ำกว่าที่เคาน์เตอร์จะช่วยให้โครงสร้างการพกพาง่ายขึ้นหลีกเลี่ยงการพกพาที่รวดเร็วซึ่งจำเป็นที่ 10 MHz ตอนนี้ความแม่นยำของคุณอยู่ที่ 60 มิลลิวินาทีต่อปีสำหรับนาฬิกาที่สมบูรณ์แบบ

แก้ไขเพิ่มเติม

ดูอย่างรวดเร็วที่ eBay แสดง OCXOs ขนาด 10 MHz จำนวนน้อยกว่า 20 bucks โดยทั่วไปจะมีความเสถียร 1 ppb หรือดีกว่าโดยมี 0.2 ppb เป็นข้อมูลจำเพาะทั่วไป รับหนึ่งเหล่านี้และคุณควรจะอยู่ในสภาพดี คุณต้องการยืมเครื่องวัดความละเอียด / ความถี่รอบระยะเวลาที่ค่อนข้างสูงเพื่อกำหนดความถี่เอาท์พุทที่แท้จริงจากนั้นปรับอัตราส่วนการหารให้ตรงกัน

$10^{-11}$$10^{-14}$$10^{-11}$

$10^{-6}$

PLL ประเภท "N N synth" ใช้เพื่อให้ได้อัตราส่วนของการอ้างอิงเช่น 10Mhz จากหน่วย GPS บางตัว

หาก TCXO oscillator มีความเสถียร 1ppm ก็สามารถปรับได้มากกว่านี้เพียงเล็กน้อยและไม่สามารถชดเชยออฟเซ็ต 2.07% จาก 1 pps หรือ 1.0274912510 Hz ดังนั้น PLL ที่มีชิป N แบบเศษส่วนเป็นวิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้ด้วย VC-OCXO หรือฝาครอบเชิงกลปรับ OCXO

เพิ่ม - เพื่อสร้าง 1pps ในเวลา MARs แล้วอัตราส่วนหารคือ 26,337.44856 โดยใช้ตัวเลขจำนวนเต็ม 5 ตัวและส่วนที่เหลือ 5 หลัก

• หากคุณสามารถปรับแต่ง Xtal เป็น 0.01 ppm มันจะมีความเสถียรเพียง 1ppm เท่านั้นยกเว้นในกรณีที่มีอุณหภูมิประมาณ 30 องศาเซลเซียสเนื่องจาก Tempco นั้นปกติจะมีอุณหภูมิรอบร่างกายสำหรับ XTALS บางตัวซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้ MEMs หากไม่มี Vcc และ temp อยู่ภายใน 0.1 องศาเซลเซียสอะไรก็ตามที่พยายามแก้ไขข้อผิดพลาดของสารตกค้างที่ดีกว่า 0.01 ppm นั้นเป็นไปไม่ได้แม้แต่ 0.1 ppm ก็ยากในระยะสั้นและในระยะยาวจะมีอย่างน้อย 1ppm ต่อปี

• ตามทฤษฎีแล้วถ้าคุณมีการปรับเทียบนาฬิกา 1ppm จาก GPS เพื่อปรับเวลาโลก 1ppm มันจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะคาดหวังความถูกต้องที่แม่นยำกว่าในการแก้ไขส่วนที่เหลือ

• ค่าความผิดพลาดตกค้างของตัวหารต่อวินาที คือ 44856/100000 (+26,337)

• การแปลง 44856 เป็นไบนารี = 1010111100111000

• สิ่งนี้ต้องการตัวนับส่วนที่เหลือเพื่อสลับระหว่าง / 44856 และ 45857

• เราทำการแบ่งส่วนตกค้างนี้โดยการตัดทอนเลขฐานสองเหลือ 8 บิตจากนั้นหมุนบิตเพื่อให้ MSB กลายเป็น LSB

• 10101111 กลายเป็น 11110101

• ทุกวินาทีตัวนับตกค้างจาก 11110101 และตำแหน่ง "n" บิต = 1 คือค่านับในไบนารี n ^ 2 โดยที่อัตราส่วนจำนวนเต็มหารคือ 45857 แทนที่จะเป็น 44856 ตั้งแต่ LSB = 1 มันหมายถึงทุกการเปลี่ยนครั้งที่ 2 จนกระทั่ง 101 วินาทีจากนั้นตัวเลือกตัวแบ่งจะถูกสลับเป็น 1pps ต่อไป นี่เป็นการทำซ้ำเพื่อเลือกตัวแบ่งที่จะใช้สำหรับวินาทีถัดไปจากนั้นตัวชี้เพิ่มขึ้นจนกว่าตัวชี้จะถึงจุดสิ้นสุดและรอนาฬิกา Earth 1pps ต่อไป

• กระบวนการนี้ถูกทำซ้ำสำหรับการนับจำนวนของไบนารี่ตกค้างที่หมุนได้ทั้งหมดนี้หรือ 10101111> 11110101 = 245 วินาทีเพื่อให้ตัวหาร N synth แบบเศษส่วนของ 1pps เวลา Mars ถูกสร้างขึ้นทุกวินาทีพร้อมการแก้ไขรอบ 245 วินาทีเพื่อให้ทันเวลา ในระยะยาว

- บางทีอัตราส่วนตัวแบ่งจุดลอยตัวสำหรับนาฬิกานั้นง่ายกว่า

คุณสามารถแก้ปัญหานี้ได้เล็กน้อยในซอฟต์แวร์โดยไม่ต้องเปลี่ยนฮาร์ดแวร์เลย (แม้ว่าคุณอาจต้องการความถี่อ้างอิงที่เสถียรกว่า) โดยใช้เศษส่วนไบนารีและคุณสามารถทำได้ด้วยวิธีที่ให้ความละเอียดระดับมิลลิวินาทีและสามารถทำให้ฟรีได้อย่างง่ายดาย มีข้อผิดพลาดในการแปลงมากพอที่จะให้คุณเห็นความถูกต้องพื้นฐานของแหล่งข้อมูลใด ๆ ที่คุณสามารถอ้างอิงได้รวมถึงนาฬิกาอะตอม

สิ่งที่คุณจะทำคือปรับเปลี่ยนตัวจับเวลาขัดจังหวะเพื่อสะสมในการลงทะเบียนที่กว้างมากและในแต่ละการขัดจังหวะจะเพิ่มมูลค่าที่ค่อนข้างยาวซึ่งจะแม่นยำเท่ากับการแสดงอัตราส่วนของมิลลิวินาทีโลกเป็นมิลลิวินาทีวินาทีตามที่คุณต้องการ

สมมุติว่าคุณต้องการการแก้ปัญหาแบบ 32 บิตสำหรับการแปลง คุณสามารถใช้ตัวสะสม 64- บิตกับ 32 บิตที่ต่ำกว่าแทนเศษส่วนที่คุณจะทำคือหาค่าที่เหมาะสมน้อยกว่า 2 ^ 32 เล็กน้อยซึ่งแสดงถึงปัจจัยการแปลง ทุกครั้งที่ Earth ของคุณเกิดการขัดจังหวะการยิงคุณเพิ่มมูลค่านี้ไปยังตัวสะสม เมื่อใดก็ตามที่คุณต้องการสอบถามนาฬิกาคุณจะส่งคืน 32 บิตบนซึ่งเป็นจำนวนมิลลิวินาทีวินาทีที่ผ่านไปทั้งหมดในขณะที่ 32 บิตต่ำกว่าจะถูกเก็บไว้ภายในเท่านั้นเพื่อหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดในการปัดเศษ

การใช้เศษส่วนไบนารีแบบยาวเช่นนี้ทำให้คุณสามารถทำการแปลงได้อย่างแม่นยำมากที่สุดเท่าที่คุณต้องการ 32 บิตนั้นยาวเกินไปสำหรับเศษส่วนในขณะที่ 32 บิตสำหรับมิลลิวินาทีทั้งหมดอาจสั้นเกินไป แต่คุณสามารถปรับได้ตามต้องการ

อนึ่งเทคนิคการสะสมในการลงทะเบียนที่ยาวนาน แต่การรายงานจำนวนบิตที่สำคัญที่สุดจำนวนหนึ่งคือวิธีการสังเคราะห์ดิจิตอลโดยตรงสามารถสร้างความละเอียดความถี่สูงมากได้

คุณสามารถลองทำส่วนหนึ่งของการแปลงโดยการเปลี่ยนอัตราส่วนของตัวแบ่งจาก 8 หรือ 16 MHz ระบบนาฬิกาเป็นมิลลิวินาทีขัดจังหวะย้ายมันใกล้กับช่วงเวลาของ "Mars มิลลิวินาที" โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าคุณต้องการบางสิ่งที่แม่นยำกว่าคริสตัลราคาถูกคุณอาจต้องรับมือกับการอ้างอิง 10 MHz ที่มีระเบียบวินัยโดย GPS หรือมากกว่าโดยตรงจากนาฬิกาอะตอมดังนั้นคุณสามารถแทนที่แหล่งกำเนิดสัญญาณนาฬิกา AVR 8/16 MHz ตามปกติและทำการคำนวณใหม่ อัตราส่วนแบ่งตาม

การสังเคราะห์ดิจิตัลโดยตรง (DDS) หรือออสซิลเลเตอร์ควบคุมเชิงตัวเลขเป็นวิธีที่ง่ายในการรับความละเอียดระดับความถี่เอาท์พุทที่ต้องการโดยไม่ต้องพึ่งพาความถี่สัญญาณนาฬิกา

ด้วยวิธีนี้คุณจะมีตัวสะสมเฟสความละเอียดสูง ทุกลูปรอบตัวคุณเพิ่มการเพิ่มเฟสซึ่งมีความละเอียดดี เอาต์พุตเป็นบิตสะสมสูงสุด

เมื่อใช้มันเพื่อให้ squarewave ขอบสามารถเปลี่ยนได้ด้วยนาฬิกาอินพุต (หรืออัตราการวนรอบซอฟต์แวร์) ดังนั้นขอบกระวนกระวายใจจากที่มันควรจะเป็น แต่เมื่อเวลาผ่านไปไม่มีข้อผิดพลาดสะสม - คุณสามารถแก้ไขเป็น สูงตามที่คุณต้องการ

คุณสามารถทำได้ในซอฟต์แวร์ค่อนข้างง่าย (เช่นบน AVR) และตอนนี้ micros บางตัวมีฮาร์ดแวร์ NCO http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/90003131A.pdf PIC ขนาดเล็กสามารถทำได้ในฮาร์ดแวร์ที่มีความละเอียด 20 บิต (1ppm) จาก 32kHz xtal หรือจากเตาอบ 10MHz ที่แม่นยำ

ดูว่าการรับผลึกควอทซ์ที่กำหนดเองในเตาอบทำงานด้วยความถี่ที่คุณต้องการ พวกเขาไม่เสียค่าใช้จ่ายมากไปกว่าความถี่มาตรฐาน เว็บค้นหา "คริสตัลควอตซ์แบบกำหนดเอง"