Опорная частота. Стариков о

РадиоКот :: Простой калибратор частоты/частотомер/образцовые часы

Опорная частота. Стариков о
Добавить ссылку на обсуждение статьи на форумеРадиоКот >Конкурсы >null >

Теги статьи:Добавить тег

Простой калибратор частоты/частотомер/образцовые часы

Разработка этого устройства началась с того, что для калибровки точности хода часов мне понадобилось измерить частоту 512 Гц с точностью не хуже 10-6. Входной сигнал — прямоугольные импульсы ТТЛ.

Измерять было нечем, источника образцовой частоты тоже не было. Пришлось думать, где взять образцовую частоту и как измерить низкую частоту за короткое время с высокой точностью.

Обе этих проблемы были успешно решены, и теперь у меня калибровка часов занимает менее одной минуты по времени.

Итак, нужен был частотомер, имеющий достаточно высокую точность измерения и калибрующийся в домашних условиях без использования специальной аппаратуры.

Образцовую частоту можно получить путем сравнения частоты кварцевого генератора с какой-либо известной. Использование каких либо калибраторов было исключено.

Возможные бытовые источники известных частот в порядке снижения точности — 

  •  Сигнал GPS – импульсы частотой 1 Гц, наиболее точный из всех. Кроме того, импульсы со стабильной частотой позволяют автоматически вычислить частоту кварцевого генератора нашего частотомера. Как недостаток — требуется специальное аппаратное обеспечение (приёмник GPS, антенна GPS, всё это должно находится в прямой видимости хотя бы на один спутник).
  •  Как источник образцовой частоты можно было бы принять и сигнал точного времени DCF-77, который передаётся из Германии, и имеет высокую долговременную точность, но как и GPS, приём его был невозможен.
  •  Сигналы точного времени передаваемые как по сетям сотовой связи, так и по радио или телевидению.

Для меня выбор был очевиден – калибровать частотомер по сигналам точного времени.

В Беларуси (как в прочем и в других государствах) в начале каждого часа по государственным каналам радио передаётся сигнал проверки времени или в простонародье «шесть точек», который формируется автоматически от государственного эталона частоты и времени.

Этот сигнал представляет собой шесть прямоугольных радиоимпульсов с частотой заполнения 1000Гц. Первые пять импульсов имеют длительность 100мс, а последний, шестой передаётся строго с началом часа и прибавляет по 20мс каждый час.

Несмотря на то, что задержка распространения этого сигнала для каждой местности разная, но эта задержка является постоянной, что и позволяет использовать этот сигнал для калибровки.

Собственно, сам частотомер выполнен по технологии «Reciprocal counter». Особенность этого метода – высокая точность измерения частоты по всему рабочему диапазону прибора.

В отличие от частотомеров с прямым счётом (Direct counters), прибор подсчитывает не сами импульсы за заданное время, а импульсы заполняющей частоты, и импульсы входного сигнала одновременно в течении определенного периода времени, что позволило обеспечить достаточную точность измерения частоты, в том числе и достаточно низкой, за короткий интервал времени.

Для интересующихся принципами измерения частоты ниже выложен файл, с кратким описанием различных методов измерения.

Долговременную стабильную опорную частоту для работы частотомера задаёт самодельный термостатированный на 70 градусов кварцевый генератор. Использовался обычный кварцевый резонатор в металлическом корпусе РГ-06 с частотой 1000кГц.

Резонатор помещён в пенопластовый корпус, в котором так же размещены два нагревателя (резисторы МЛТ-2), цифровой термодатчик/терморегулятор и ключ, управляющий подачей питания на нагреватель. В качестве термометра был применён кремниевый датчик LM75.

Этот датчик кроме измерения температуры содержит аппаратный программируемый термостат, поэтому всё участие процессора в поддержании температуры резонатора сводится только к правильной настройке LM75 при подаче питания.

Теперь о том, почему я делал сам этот генератор, а не купил готовый — четыре года назад настоящего OCXO генератора под рукой не было, PAYPAL толком ещё не работал, купить нормальный термостатированный генератор по вменяемой цене было крайне трудно.

Советские «Гиацинты» хоть и предлагались, но достаточно дорого, поэтому пришлось делать генератор из того, что было под рукой.

Сейчас, с распространением PAYPAL и EBAY, будет значительно проще купить за относительно небольшую сумму готовый термостатированный кварцевый генератор, подключить его к микроконтроллеру через делитель частоты и не «парить» себе голову изобретением «на коленке» колеса.

Теперь самое интересное.

Как сделать частотомер – понятно, но как его калибровать? Учитывая, что использованный кварцевый резонатор не рассчитан на работу в термостатированном режиме, и его частота, по крайней мере, первые несколько лет будет меняться — потребуется частая калибровка. Кроме того, частота абсолютно неизвестна. Таскать прибор за сотню километров в лабораторию ЦСМ каждый год — такая перспектива меня абсолютно не радовала. Но и не калибровать нельзя — иначе, зачем всё это затевалось.

Из всех вышеописанных методов калибровки единственно доступным на момент разработки прибора была только калибровка по сигналам точного времени. Соответственно, к частотомеру делаем ещё и образцовые часы .

Принцип калибровки такой: Сто раз в секунду вызывается прерывание по переполнению таймера. В прерывании производится сам отсчёт времени и отсчёт длительности калибровочного интервала с дискретностью 0.01 секунды.

По началу шестого сигнала точного времени запускается калибровка, при этом обнуляется переменная длительности интервала калибровки, и эта переменная начинает увеличиваться на единицу сто раз в секунду.

Так как частота генератора будет практически гарантированно не равна 1МГц, то и часы и счётчик длительности калибровочного интервала будут или отставать или спешить по отношению к сигналам точного времени. Через некоторое время второй раз по началу шестого сигнала производится завершение калибровки.

Счётчик длительности калибровочного интервала содержит неточное системное время, прошедшее между началом и концом калибровки. Так как сигналы точного времени привязаны строго к началу часа, то можно легко вычислить, сколько реально прошло времени между началом и концом калибровки, при условии, что за это время часы ушли не более чем на ±30 секунд.

Зная точную длинну калибровочного интервала меду двумя сигналами точного времени(ti), время, насчитанное часами(tc) и текущую частоту опорного генератора(fr) можно вычислить новую текущую частоту опорного генератора по формуле frновая=fr*(tc/ti). Чем более длительный интервал времени используется для калибровки, тем более точно можно вычислить частоту опорного генератора.

Новая опорная частота записывается в регистры делителя частоты часов и передаётся в блок частотомера.

В этом приборе часы нужны для упрощения процесса и визуальной оценки точности калибровки. Так же часы используются для хранения и выдачи эталонного времени. Время, измеренная частота генератора и информация о работе устройства выводится на алфавитно-цифровой жидкокристаллический индикатор 2 строки по 16 символов.

Информация на индикатор выводится в двух разных вариантах — двухстрочном и однострочном. В двухстрочном варианте в первой строке выводится текущее время и температура в термостате. В нижней строке в режиме часов выводится информации о актуальной частоте кварцевого генератора и о текущей длительности калибровочного интервала.

В режиме частотомера в нижней строке выводится режим измерения частоты и измеренная частота.

В однострочном режиме для улучшения читаемости времени на индикатор выводится только время специальным шрифтом «BigFont».

Принципиальная схема устройства приведена на рисунке.

Схема предельно проста. Прибор собран на макетной плате навесным монтажом. К этой же плате приклеена коробка из твёрдого экструдированного пенополистирола, внутри которой размещены элементы относящиеся к термостату. На принципиальной схеме эти элементы обведены в рамки.

Прибор выполнен на микроконтроллере ATMEGA162. Его выбор обусловлен наличием двух шестнадцати разрядных таймеров, а так же тем, что он лежал на тот момент в тумбочке и был в корпусе DIP.

Так как измеряемая частота имеет логический уровень ТТЛ, в качестве входного формирователя использован обычный инвертор. Так же, инвертор используется для развязки выходов контроллера от нагрузки. Для функционирования устройства заняты два шестнадцатирарядных таймера.

Таймер 1 используется для частотомера, таймер 3 — для подсчёта времени и формирования образцовой частоты 1Гц. Так же, в прерывании таймера 3 формируется сигнал «шесть точек».

Выход асинхронного интерфейса (UART) планируется использовать для выдачи текущего времени на другие устройства по стандарту IF482. Описание этого формата приведено в литературе ниже.

Жидкокристаллический индикатор подключен к разъёму Х3. Может быть использован любой алфавитно цифровой индикатор с размером 2 строки по 16 символов и контроллером совместимым с HD44780.

Клавиатура состоит из пяти клавиш – «+», «-», «SEL», «>00», где хххх — число измеряемых полных периодов входного сигнала.

Устройство производит осчёт времени. Время отсчитывается в виде «чч мм сс.с». Календарь отсутствует. Время отображается на индикаторе во всех режимах работы.

В однострочном режиме время отображается большим шрифтом.

Отображается время и частота задающего генератора Отображается время и длительность калибровочного интервала

В двухстрчном режиме в верхней строке отображается время, в нижней — частота или параметры устройства.

Установка времени производится нажатием кнопки «SEL» и затем кнопками «+» «-» устанавливается значение часов. Следующее нажатие кнопки «SEL» переходит к изменению минут. Нажатие «SEL» в тертий раз завершает установку времени. При этом секунды не обнуляются. Для коррекции секунд нажмите и удерживайте кнопку «>00000

Источник: https://www.radiokot.ru/konkursCatDay2014/30/

Радиолюбительские измерения: когда нет частотомера

Опорная частота. Стариков о

В радиолюбительской практике, в силу ограниченности бюджета, часто возникает ситуация, когда тот или иной нужный для работы прибор недоступен. В такой ситуации приходится вычислять нужный параметр по результатам косвенных измерений, т.е. «сверлить пилой и пилить буравчиком».

В процессе отладки разрабатываемого мной устройства возникла необходимость провести калибровку цифрового синтезатора частоты в составе этого устройства. Задача является тривиальной при наличии частотомера электронно-счётного (ЭСЧ).

Проблема же заключалась в том, что «взять взаймы» частотомер мне не удалось.

Если описать работу применённого в устройстве синтезатора частоты совсем просто, он образует на выходе сигнал с частотой Fs путём обработки входного сигнала от опорного генератора с частотой Fxo: В качестве частотозадающего элемента опорного генератора был использован недорогой кварцевый резонатор с маркировкой на корпусе «TXC 25.0F6QF». Точное значение частоты сигнала опорного генератора известно не было. В настройках синтезатора опорная частота была указана константой 25000000 Hz. Сам синтезатор частоты был запрограммирован на вывод сигнала частотой 9996 kHz.

Проверка работоспособности схемы

Для проверки работоспособности синтезатора был использован цифровой осциллограф Rigol DS1102E. В настройках канала было включено измерение частоты. Осциллограф на выводах кварцевого резонатора показал измеренное значение 25.00 MHz, а на выходе синтезатора – 10.00 MHz. В принципе, это уже было неплохо: схема работала.

Метод биений частоты

Аналогом калибровки частотозадающих цепей методом биений является методика настройки музыкальных инструментов по камертону. Звук, извлекаемый из инструмента, накладывается на звук камертона.

Если тоны не совпадают, возникают хорошо заметные на слух «биения» частоты. Подстройка тона музыкального инструмента производится до появления «нулевых биений», т.е.

состояния, когда частоты совпадают.

Применение радиоприёмника с панорамным индикатором

Проще всего калибровку синтезатора частоты методом биений было провести с использованием радиоприёмника с панорамным индикатором и сигнала радиостанции RWM в качестве контрольного сигнала.

В качестве контрольного приёмника использовался SoftRock RX Ensemble II с программой HDSDR. Шкала приёмника была ранее откалибрована по сигналам радиостанции RWM на всех трёх частотах: 4996000, 9996000 и 14996000 Hz.

В качестве контрольного сигнала использовался сигнал радиостанции RWM на частоте 9996000 Hz.

На скриншоте виден приём секундных меток RWM на частоте 9996000 Hz и приём выходного сигнала синтезатора на частоте, примерно, 9997970 Hz. При задании частоты синтезатора использовалась константа 25000000 Hz (номинальная частота кварцевого резонатора).

При проведении калибровки эта константа была умножена на отношение частот 9997970 Hz и 9996000 Hz. В результате было получено значение реальной частоты запуска кварцевого резонатора 25004927 Hz. Это значение было занесено константой в прошивку устройства.

На скриншоте показан результат проведения калибровки:

Частота выходного сигнала синтезатора 9996 kHz точно соответствует частоте приёма секундных меток RWM на частоте 9996000 Hz.

После проведения калибровки осциллограф показал на выводах кварцевого резонатора – 25.00 MHz, а на выходе синтезатора – 10.00 MHz, т.е. те же самые значения, что и до калибровки.

Использование сигналов вещательных радиостанций

В Перми в светлое время суток стабильно принимается сигнал RWM на частоте 9996 kHz, а в тёмное время суток – на частоте 4996 kHz. Если прохождение радиоволн нестабильно, и сигналы RWM не принимаются, на сайте hfcc.

org можно найти частоты и расписание работы вещательных радиостанций.

Несущие сигналы вещательных станций тоже можно, при необходимости, использовать в качестве контрольных, т.к.

они обычно имеют отклонение частоты не более 10 Hz от частоты вещания.

Краткие выводы

Наиболее простой и точный способ измерения частоты сигнала в радиодиапазоне — измерение частоты электронно-счётным частотомером.

Получить приблизительное значение частоты сигнала можно, приняв его на контрольный приёмник с калиброванной шкалой.

Получить при использовании контрольного приёмника точное значение частоты сигнала можно по «нулевым биениям» измеряемого сигнала с контрольным сигналом, полученным от эталонного источника.

Необходимые дополнения:

Калибровку синтезатора можно было бы провести:

  1. Конечно же, с помощью ЭСЧ.
  2. Методом биений с помощью профессионального приёмника без панорамного индикатора, например, Р-326, Р-326М, Р-250М2 и т.п. и сигналов RWM «на слух».

    Это было бы не так наглядно, как с панорамным индикатором, и заняло бы больше времени.

  3. С помощью калиброванного генератора и осциллографа по фигурам Лиссажу. Выглядит очень эффектно, но требует дополнительного недешёвого оборудования.

И ещё, область применения радиолюбителями радиоприёмников, упомянутых выше, очень широка. Они применяются для наблюдения за эфиром, для контроля прохождения радиоволн, для контрольного прослушивания сигналов при настройке радиостанций и т.п.

  • diy или сделай сам
  • измерение частоты

Источник: https://habr.com/post/439108/

#Звукостудия 1: Частотные диапазоны инструментов или что нужно знать при отстройке звука — DRIVE2

Опорная частота. Стариков о

При решении задач подзвучивания, наличие базовых знаний о характеристиках музыкальных инструментов может оказаться очень полезным. Я бы даже сказал необходимым.

Сразу скажу, что лучше строить на слух и именно на ваш вкус. И если технически вы доверяете настройку профессионалу, то пусть он это делает в вашем присутствии и с вашими коррективами. Так как слышите вы звук по разному и предпочтения у каждого свои.

Все же сталкивались с ситуацией когда вроде и компоненты нормальные и звук плоский или где-то гитара не так звучит и т.п.

Инструменты и другие источники звука характеризуются их частотным спектром, направленностью звука и динамическим диапазоном.

В дебри мастеринга даваться не будем, а рассмотрим только, то что может понадобиться обычному пользователю при отстройке и эквалайзенге системы в том числе и в авто. Это частотные диапазоны наиболее встречающихся инструментов.

Для начала о частотах…
1) Низкие басы (от 10 Гц до 80 Гц) — это самые низкие ноты, от которых резонирует комната, а провода начинают гудеть. Если ваша звуковоспроизводящая аппаратура не воспроизводит эти частоты, вы должны ощутить потерю насыщенности и глубины звука. Естественно, при записи и сведении потеря этих частот вызовет тот же эффект.

2) Верхние басы (от 80 Гц до 200 Гц) — это верхние ноты басовых инструментов и самые низкие ноты таких инструментов, как гитара.

Если потерять этот регистр, то вместе с ним потеряется и ощущение силы звука.

А ведь именно в этих частотах содержится энергия звука, которая заставляет вас пританцовывать под музыку, недаром основная энергия ритм-секции сконцентрирована именно в этом регистре.

3) Низкие средние (от 200 Гц до 500 Гц) — здесь размещается почти весь ритм и аккомпанимент, это регистр гитары.

4) Средние средние ( от 500 Гц до 2.500 Гц) — соло скрипок, соло гитар, фортепиано, вокал. Музыку, в которой не хватает этих частот обычно называют “занудной” или “смурной”.

5) Вехние средние (от 2.500 Гц до 5 кГц). Хотя в этом диапазоне мало нот, только самые верхние ноты фортепиано и некоторых других инструментов, здесь много гармоник и обертонов. Усиление этой части спектра позволяет достичь яркого, искрящегося звука, создающего эффект присутствия.

Однако, если энергия этой полосы частот чрезмерна, то это режет слух. Это и называется “слушательской утомляемостью” и является проблемой большинства недорогих аккустических систем, которые искуственно усиливают данную часть спектра для “яркости” звучания.

Ну это уже коммерческие штучки!

6) Низкие высокие (около 5 кГц до 10 кГц), где мы встречаемся с самым сильным искажением высоких частот и где шипение пленки (для любителей кассетной записи) становится самым заметным, так как здесь очень мало других звуков, способных скрыть это. Хотя люди, теоретически могут слышать и более высокие тона, эти частоты считаются пределом восприятия. Но по большому счету, для хорошего звука — это маловато.

7) Верхние высокие (около 10 кГц до 20 кГц) наша последняя октава, это самые тонкие и нежные высокие частоты. Если этот диапазон частот будет неполноценен, то вы ощутите некий дискомфорт при прослушивании записей (если, конечно, медведь не наступил вам на ухо).

Итак… Диапазоны инструментов:
● Гитара 70-1000 Гц (обертона 1000-8000 Гц);● Бас 40-250 Гц (обертона 250-1000 Гц);● Бас гитара 40-800 Гц;● Бас бочка или Большой барабан 40-250 Гц и щелчок во время удара — от 1000 Гц и выше (у злых афро нижний диапазон может быть глубже);● Тарелки 300-15000 Гц;● Литавры 300-200 Гц (обертона 200-4000 Гц);● Скрипка 180-3500 Гц (обертона 3500-18000 Гц);● Флейта 250-2030 Гц (обертона 2030-15000 Гц);● Клавишные, струнные и перкуссия — важная область 400-1000 Гц;

● Вокал. Диапазон 80-10000 Гц.

Кроме непосредственно частотного диапазона в звуке того или иного инструмента присутствуют обертона, которые распределены в пределах более высоких частот и без которых звучание получается глухим и невыразительным.

Важно знать, что слух человека наилучшим образом воспринимает звук частотой 2000-3000 Гц. От наличия обертонов в пределах этих частот в голосе создаёт его полётность и звонкость.

Касаемо вокала:— Бас 82-349 Гц;— Баритон 110-392 Гц (Чтобы подчеркнуть баритон, нужно повысить уровень в диапазоне 2500-3000 Гц);— Тенор 132-523 Гц (Чтобы подчеркнуть тенор, нужно повысить уровень в диапазоне 300-600 Гц);— Контральто 165-692 Гц;— Меццо-сопрано 220-880 Гц;— Сопрано 262-1046 Гц;

— Колоратурное сопрано 1397 Гц.

Уровень каких частот корректировать для получения прозрачности звука?
● 5000 Гц — регулирование приближения/удаления;● 8000 — 20000 Гц — воспринимаемое качество звучания, глубина, пространство;● 31 — 50 Гц — создают ощущение силы и мощности;● 80 — 125 Гц — слишком много этих частот приводит к появлению нежелательного гудения;

● 160 — 250 Гц — часть басового спектра. Недостаточный уровень частот этого диапазона — отсутствие теплоты и мягкости, избыток — скучный звук.

При сравнении частотного диапазона музыкальных инструментов и человеческого голоса, последний имеет самый широкий диапазон частот (если не считать фортепиано и рояль).
При отстройке так же необходимо учитывать силу звучания (динамический диапазон) данных инструментов.

Динамический диапазон гитары составляет 15 дБ; органа — 35 дБ; рояля — 45 дБ; женский голос 20-35 дБ; мужской голос 20-45 дБ, эстрадного оркестра 45-55 дБ, симфонический оркестр 60-75 дБ.

А человеческий голос имеет диапазон звучания от 75 до 1100 Герц, который так или иначе перекрывает (заглушает, смешивается) с любым музыкальным инструментом (оптимальная точка — 300 Герц). Поэтому при отстройке и эквализации под инструменты, вокал будет реагировать на это очень сильно.

Источник: https://www.drive2.ru/b/464442783617253427/

WikiHelpProstuda.Ru
Добавить комментарий