1. Wstęp
Układ generacji akustycznych sygnałów czasu do Polskiego Radia jest urządze-niem elektronicznym generującym akustyczne sygnały synchronizowane z sygnałami czasu urzędowego z państwowego wzorca jednostek miar czasu i częstotliwości. Pre-zentowane urządzenie może być sterowane trzema różnymi częstotliwościami wzor-cowymi: 1, 5 lub 10 MHz pochodzącymi z wzorca państwowego. Urządzenie generuje sygnały akustyczne w postaci pięciu krótkich sygnałów i jednego długiego, którego początek oznacza początek kolejnego okresu półgodzinnego. Sygnały te są prze-syłane stałym łączem telefonicznym (analogowo) do Polskiego Radia, gdzie o peł-nych godzinach są retransmitowane na kanałach Polskiego Radia (np. o godzinie 12:00, tuż przed hejnałem z Wieży Mariackiej). Układ generacji akustycznych sygna-łów czasu został również wyposażony w funkcję sygnalizowania tzw. sekundy prze-stępnej, czyli dodatkowej sekundy wprowadzanej w zależności od potrzeb do czasu UTC (z reguły jest ona wprowadzana w ostatnim dniu czerwca lub grudnia danego roku, i wówczas ostatnia minuta takiego dnia trwa 61 s). W tym przypadku układ wy-generuje 5 krótkich sygnałów i 2 długie przy czym pierwszy długi sygnał będzie sy-gnalizował początek sekundy przestępnej, a dopiero drugi długi sygnał – początek nowej godziny.
__________
*Zakład Elektryczny, Laboratorium Czasu i Częstotliwości, Główny Urząd Miar, ul. Elektoralna 2, 00-139 Warszawa, e-mail: romanosmyk@gmail.com, szterkp@gmail.com
W Laboratorium Czasu i Częstotliwości Głównego Urzędu Miar obecnie pracuje układ opracowany w latach 70-tych XX w., przez dawnego pracownika Laboratorium Janusza Konopkę. Głównym uzasadnieniem budowy nowego układu było dodanie możliwości sygnalizowania sekundy przestępnej oraz unowocześnienie konstrukcji.
2. Funkcjonalność układu
Do głównych zadań układu generacji akustycznych sygnałów czasu do Polskiego Radia należą:
– generacja sygnałów akustycznych o częstotliwości 1 kHz według ustalonego formatu (czas trwania sygnału krótkiego 0,1 s, zaś długiego 0,3 s), co pół godziny i o pełnych godzinach, z możliwością przeprowadzenia testu działania w dowolnej chwili,
– odtworzenie sygnału 1 pps (pulse per second) z wejściowego sygnału sinu-soidalnego 1 MHz, 5 MHz lub 10 MHz,
– możliwość przesunięcia fazy sygnału wyjściowego z rozdzielczością 1 µs (ma to kluczowe znaczenie przy kompensacji wpływu opóźnienia toru stałego łącza telefoni-cznego w procesie dystrybucji sygnałów czasu),
– podgląd w czasie rzeczywistym czasu ustawionego w urządzeniu wraz z możli-wością jego korekty (założona rozdzielczość wyświetlania czasu wynosi 1 s),
– możliwość wprowadzenia sekundy przestępnej (przyjęto założenie, iż możliwe jest ustawienie niniejszej funkcji do kilku dni przed docelową datą – do sześciu dób).
Podczas przekazywania akustycznych sygnałów czasu z Laboratorium Czasu i Częstotliwości Głównego Urzędu Miar do Polskiego Radia, sygnał z państwowego wzorca jednostek miar czasu i częstotliwości jest podawany na wejście układu gene-racji akustycznych sygnałów czasu. Faza sygnału wyjściowego jest ustawiana wzglę-dem czasu urzędowego. Ustalenie zmiany fazy możemy podglądać oscyloskopem, albo czasomierzem cyfrowym. Na końcu należy ustawić wskazanie czasu w urządze-niu zgodnie z czasem urzędowym. Wygenerowane akustyczne sygnały są przesyłane dwoma niezależnymi liniami telefonicznymi do Polskiego Radia.
3. Działanie układu
Na rys. 1 pokazano schemat blokowy układu generacji akustycznych sygnałów. Jest to dość złożone urządzenie, które wykorzystuje wiele ciekawych rozwiązań kon-strukcyjnych. Składa się ono z następujących bloków:
Komparator MAX912 – zamienia sinusoidalny sygnał wejściowy z wzorca czasu na prostokątny sygnał zgodny ze standardem TTL. Oczywiście na wejście układu można podać także prostokątny sygnał.
Dzielnik częstotliwości – dzieli częstotliwość z komparatora MAX912 do warto-ści 1 MHz. Stopień podziału ustalany jest przez mikrokontroler ATmega128 za po-mocą trzech linii sterujących. Istnieje możliwość wyboru podziału częstotliwości wej-ściowej przez 1, 5 lub 10. Wybór podziału ustala się przyciskiem umieszczonym w tylnej ściance obudowy urządzenia, zaś wartość podziału sygnalizowana jest zapale-niem jednej z trzech diod.
Asynchroniczny 20-bitowy licznik z wpisem równoległym – zbudowany z pięciu 4-bitowych asynchronicznych liczników asynchronicznych (wejście zlicza-nych impulsów podłączone do każdego rejestru zliczającego), posiadających wejścia do realizacji wpisu równoległego. Do jego głównych zadań należy odtworzenie sy-gnału 1 pps z sysy-gnału wejściowego 1 MHz oraz implementacja funkcji przyspiesza-nia/opóźniania sygnału wyjściowego 1 pps. Są to szybkie liczniki, których graniczna częstotliwość pracy wynosi ok. 100 MHz.
20-bitowy rejestr szeregowo-równoległy – zbudowany z trzech 8-bitowych reje-strów szeregowo-równoległych (szeregowe wejście, równoległe wyjście). Jest to blok łączący mikrokontroler ATmega128 z 20-bitowym licznikiem z wpisem równole-głym. Dzięki niemu redukuje się zużycie linii mikrokontrolera z 20 do zaledwie dwóch. Należy mieć świadomość, że zmieniać wartości rejestrów można wyłącznie po wygenerowaniu zbocza 1 pps przez układ. Wtedy bowiem mikrokontroler ATmga128 ma relatywnie dużo czasu (kilkaset ms) na dokonanie wpisu. Nowa wartość rejestru będzie miała wpływ na czas trwania dopiero następnego cyklu zliczania (odtworzenia kolejnej „sekundy‟).
Generator przebiegów czasowych – 8-bitowa pamięć EEPROM, która adresowa-na jest wartością aktualnie zadresowa-najdującą się adresowa-na wyjściu 20-bitowego licznika z wpisem równoległym. Przy jej pomocy wytwarzane są sygnały czasowe określające czas trwa-nia sygnału akustycznego oraz częstotliwość próbkowatrwa-nia przetwornika C/A będące-go częścią syntezera 1 kHz. Należy zaznaczyć, że czas trwania sygnału akustycznebędące-go odwzorowany jest z dokładnością 1 s, czyli z okresem trwania sygnału zegarowego dołączonego do asynchronicznego 20-bitowego licznika z wpisem równoległym.
Selektor czasu trwania sygnału – układ elektroniczny, za pomocą którego można wybrać czas trwania pojedynczego sygnału akustycznego wytworzonego przez synte-zer 1 kHz. Mamy możliwość wyboru następujących czasów trwania sygnału: 0 s – brak sygnału, 0,05 s, 0,1 s, 0,15 s, 0,2 s, 0,25 s, 0,3 s, 0,35 s. Sygnały wytwarzane są przez wspomniany wyżej generator przebiegów czasowych. W mikrokontrolerze AT-mega128 zaimplementowano zegar czasu rzeczywistego, którego wskazanie kory-gowane jest zewnętrznymi przyciskami. Zegar ten synchronizowany jest narastającym zboczem sygnału 1 pps wytworzonym przez układ generacji akustycznych sygnałów. Mikrokontroler, w oparciu o informację o czasie z zegara czasu rzeczywistego, z
od-powiednim wyprzedzeniem ustawia selektor czasu trwania sygnału, a w następnej se-kundzie widoczny jest tego efekt w postaci braku lub odpowiednio długo trwającego sygnału akustycznego.
Syntezer 1 kHz – układ generujący sinusoidalny przebieg czasowy o częstotliwo-ści 1 kHz. Rozdzielczość użytego w syntezerze przetwornika C/A wynosi 8 bitów, zaś częstotliwość taktowania (próbkowania) – 50 kHz. Syntezer ma możliwość ustawienia amplitudy generowanego sygnału akustycznego. W syntezerze wykorzystana jest cała rozpiętość dynamiczna przetwornika C/A (256 poziomów) w celu osiągnięcia jak największego stosunku sygnału do szumu.
Rys. 1. Schemat blokowy układu generacji akustycznych sygnałów
Wzmacniacz mocy – wzmacniacz Hi-Fi o mocy znamionowej 20 W; pracuje w klasie AB. Wzmacnia on sygnał wytworzony z syntezera 1 kHz, dzięki czemu moż-liwe jest wysterowanie głośnika dynamicznego i transformatora separującego.
W stopniu wyjściowym wzmacniacza pracują dwa przeciwsobne tranzystory MOS-FET o wydajności prądowej do 10 A.
Separator – transformator z rdzeniem ferrytowym, którego wyjście typowo podłą-czone jest do stałego łącza telefonicznego. Zadaniem separatora jest zapewnienie izo-lacji galwanicznej pomiędzy łączem telefonicznym a układem do generacji akusty-cznych sygnałów czasu.
Zasilacz impulsowy – przetwornica impulsowa typu push-pull wytwarzająca na-pięcia niezbędne do poprawnej pracy urządzenia. Nana-pięcia 20 V i –20 V wykorzysty-wane są przez wzmacniacz mocy, +15 V i –15 V – przez komparator MAX912 i syn-tezer 1 kHz, +8 V – przez elementy cyfrowe. Całe urządzenie zasilane jest z napięcia stałego 16–25 V. Napięcia wyjściowe z zasilacza impulsowego są stabilizowane (zwłaszcza napięcie 20 V).
Moduł RS232 – zapewnia komunikację urządzenia z komputerem klasy PC. Moduł wyświetlaczy siedmiosegmentowych wraz z siedmioma diodami LED oraz przyciskami umożliwia nastawę i podgląd wszystkich parametrów urządzenia. Dzięki odpowiednio przygotowanemu programowi zaszytemu w mikrokontrolerze ATmega128 zmiana nastaw jest bardzo prosta i intuicyjna.
Zasada generacji sygnału 1 pps jest następująca. Przy przepełnieniu asynchronicz-nego 20-bitowego licznika z wpisem równoległym (zliczeniu 220 impulsów), nastę-puje wysterowanie linii przepełnienia OV (overflow), której narastające zbocze wy-zwala wejście PE (parallel enable), realizujące wpis równoległy. Wartość wpisu rów-noległego jednoznacznie określa, ile będzie trwał kolejny cykl zliczania (zazwyczaj 1 s). Podanie innej wartości wpisu nie odpowiadającej 1 s jest równoznaczny ze skró-ceniem odtwarzanej sekundy, tzn. zmieniając wartość wpisu równoległego można z rozdzielczością 1 µs spowalniać/przyspieszać odtwarzany sygnał 1 pps. Czas trwa-nia cyklu zliczatrwa-nia (1 pps) jest zatem kontrolowany wyłącznie przez mikrokontroler ATmega128. Założono regulację skoku fazy sygnału 1 pps o: 1 µs, 10 µs, 100 µs, 1 ms, 10 ms i 100 ms.
Rys. 2. Schemat blokowy syntezera
Dzięki możliwości zmiany fazy odtwarzanego sygnału 1 pps możliwe jest skom-pensowanie opóźnienia wnoszonego przez stałe łącze telefoniczne, którym transmito-wany jest sygnał akustyczny. Możemy zatem z dokładnością do 1 µs ustawić moment pojawienia się sygnału akustycznego w Polskim Radiu.