Jak najlepiej uzyskać dokładny czas dla zegarka z RTC DS3231? DCF77, NTP, GPS?

Sat Oct 25, 2014 7:00 pm   

Pisałem tu kiedyś o zegarku z dokładnym układem RTC DS3231. Chciałem,
żeby zegarek miał własny wzorzec czasu, niezależny od zewnętrznych
źródeł. Np. po to, żeby sprawdzić dodawanie "sekundy przestępnej".
Zegarek działa dobrze: https://www.youtube.com/watch?v=MxKDGn6pe3Y
(zegarek z DS3231 jest na dole, u góry - zegarek "komputerowy").

Ale mimo "bardzo dokładnego wzorca" i tak spóźnia się - niedokładność
jest rzędu maksymalnego obiecywanego błędu (ok. 1 sekunda na tydzień).
Można oczywiście korygować czas ręcznie, jednak przy założonej
rozdzielczości 0,1 sekundy jest to trochę uciążliwe. Chciałbym
mieć możliwość ustawienia czasu automatycznie (na wyraźnie
życzenie użytkownika zegara oczywiście). Jaki jest najpewniejszy sposób
uzyskania dokładnego czasu? Myślałem o takich:

- DCF77
- sygnał z Frankfurtu na 77,5 kHz. Problemem może być niski
poziom sygnału i zakłócenia;

- protokół NTP
1) wymaga połączenia z Internetem (wspomnianym ESP8266?)
2) testy z klientem dla Windows wykazały, że nie jest to zbyt
dokładny sposób - odchyłki wynosiły kilkaset ms;

- GPS
- moduły GPS można kupić za ok. 20$. Wątpliwa jest możliwość
uzyskania z takiego odbiornika dokładności 0,1 s. Po pierwsze,
w komunikacie NMEA podawany jest tylko czas z dokładnością
do pełnej sekundy. Po drugie, szybkość transmisji szeregowej
wynosi tylko 9600 bps i znacząco wpływa na synchronizację.
Po trzecie, antena GPSa musiałaby widzieć niebo;

- sygnał na 10,000 MHz
- podobnie jak DCF77

- GSM
- aktualny czas podają sieci komórkowe. Nie wiem, z jaką dokładnością
i jak łatwo do tego się dostać (oczywiście w niezależnym urządzeniu,
a nie z poziomu programu działającego na smartfonie).

Najdokładniejszy czas w warunkach domowych można prawdopodobnie uzyskać
z zegarków radiowych DCF77, bezpośrednio po dokonanej synchronizacji.
Na wszelki wypadek biorę kilka różnych zegarków, resetuję je
(wyjmuję i wkładam baterię) i po kilku minutach mam w miarę wiarygodny
czas. Kilka różnych zegarków potrzeba, aby wynik był "pewniejszy".
Jeśli zegarki nie przełączają sekund w (prawie) tej samej chwili,
to coś się nie udało. Na przykład jeden z zegarów konsekwentnie
spóźnia się o ok. 0,2 sekundy względem pozostałych (bezpośrednio
po synchronizacji) - uznałem, że autorzy coś sobie uprościli
w dekoderze (impulsy DCF77 mają od 0,1 s do 0,2 s, ale sekunda
zaczyna się na ich początku, a nie końcu - może stąd wynika
spóźnienie).


Można jeszcze próbować ciągłej synchronizacji z częstotliwością sieci
zasilającej 50 Hz albo radia 225 kHz, ale to nie jest niezależny wzorzec
czasu.

Czy jest możliwe, że w okolicach sekundy przestępnej te wzorce (np. 50 Hz)
"rozciągają się"? Podobno tak robi Google z NTP ("leap smear"):
http://googleblog.blogspot.in/2011/09/time-technology-and-leaping-seconds.html
Czyli protokół NTP nie jest wiarygodny jako wzorzec czasu (u samego
źródła, pomijając nawet wspomniane problemy z synchronizacją).
Innych źródeł też chyba nie można być pewnym.

Ulepszyć zegar mógłby mini-wzorzec atomowy, ale na razie jest za drogi
(ok. 1500$).



P.

Sat Oct 25, 2014 8:53 pm   

On 25-10-2014 21:00, Piotrne wrote:

Skorzystaj z GPS i końcówki 1pps na module. Z tanich rozwiązań nie znam
dokładniejszego wzorca.

Twój wzorzec ma dokładność około 1ppm, czyli jak na pierwsze podejście
do tematu, całkiem nieźle. Dokładność wzorca opartego na generatorze
kwarcowym można znacznie poprawić stabilizując temperaturę i napięcie
zasilania, które powinno być z jak najmniejszymi szumami.
Stabilizacja temperatury powinna działać w sposób ciągły, czyli
regulacja dwustawna odpada.
Pozostanie jeszcze niemały błąd wynikający ze starzenia się kwarcu,
rzędu 1ppm/rok, ale po kilku latach problem się zmniejszy.
K.

Sun Oct 26, 2014 10:22 am   

W dniu 25.10.2014 o 22:53, John Smith pisze:



Dodam jeszcze, że znaczenie ma jakość kwarcu, rodzaj cięcia - dla
pewnych cięć współczynnik temperaturowy zmienia znak przy określonej
temperaturze, więc temperatura stabilizowana przez termostat też jest
ważna. Powinna być taka, przy której współczynnik temperaturowy jest
zbliżony do 0.


--
Cezary Grądys
czarekgr@wa.onet.pl

Sun Oct 26, 2014 5:22 pm   

On 26-10-2014 10:22, Cezary Grądys wrote:

Cięcie kwaru według płaszczyzny AT, "oczywista oczywistość", dlatego
nawet nie pisałem.
Po kwarce warto zwrócić się tu: www.omig.com.pl
K.

Sun Oct 26, 2014 6:29 pm   

W dniu 2014-10-25 22:53, John Smith pisze:


Do ciągłego użycia GPS jest raczej niewygodny (antena poza mieszkaniem,
ciągłe zasilanie odbiornika GPS). Wzorzec czasu chciałem mieć "niezależny"
- wbudowany w zegar.


W DS3231 temperatura mierzona jest co 64 sekundy i odpowiednio dokonywana jest
korekta częstotliwości.


Tam jest jeszcze dodatkowy rejestr do zapisu wartości kalibracji
w zakresie -12,7 do +12,7 ppm co 0,1 ppm. Czyli powinno dać się
"dokalibrować" do około 1 sekundy na kwartał. Może kilka takich
dokładniej skalibrowanych DS3231 działających jednocześnie
(z uśrednianiem czasu) dałoby jeszcze jakąś poprawę.

GPS może być przydatny jako wzorzec czasu do dokładnego częstościomierza.
Fabryczne w cenie rzędu kilkuset złotych mają błąd rzędu kilku ppm,
czyli nie nadają się do kalibrowania DS3231 (skoro chcę uzyskać 0,1 ppm).

Czy takie wyjście sekundowe z modułu GPS daje rzeczywiście impulsy
równo co jedną sekundę (np. z błędem kilkudziesięciu nanosekund)?
Jeśli tak, można byłoby użyć takiego wzorca do pomiaru częstotliwości
z rozdzielczością i dokładnością nieco lepszą niż 0,1 ppm.
A może to jest 0,1 ppm, ale tylko w długim odcinku czasu?

Do kupienia są np. moduły GPS za ok. 13$:
http://www.ebay.com/itm/390631684988
Jest tam wyjście "Timepulse", ale muszę doczytać czy nadaje się to
jako wzorzec 1 Hz z dokładnością 0,1 ppm.

Z opisu NEO-6T:

============
1.7.2 Timepulse and frequency reference
NEO-6T comes with a timepulse output which can be configured from
0.25 Hz up to 10 MHz. The timepulse can either be used for time
synchronization (i.e. 1 pulse per second) or as a reference frequency
in the MHz range. A timepulse in the MHz range provides excellent
long-term frequency accuracy and stability.

1.7.3 Time mark
NEO-6T can be used for precise time measurements with sub-microsecond
resolution using the external interrupt (EXTINT0). Rising and falling
edges of these signals are time-stamped to the GPS or UTC time
and counted. The Time Mark functionality can be enabled with the
UBX-CFG-TM2 message.
============


Napisano "...provides excellent long-term frequency accuracy",
czyli "short-term" niekoniecznie jest "excellent"? Częstościomierz
potrzebuje raczej short-term...


P.

Sun Oct 26, 2014 6:52 pm   

W dniu 2014-10-26 18:29, Piotrne pisze:

Nie jest moim zdaniem konieczne ciągłe trzymanie GPSa pod napięciem.
Używając wyjścia PPS z GPS i identycznego ze swojego zegara jesteś w
stanie określić dryft zegara i wpisać mu odpowiednie wartości do
rejestru kalibrującego sprawiając, że będzie on powoli zbiegał się do
ideału.
Uruchamiasz GPS raz na kilka dni, albo raz dziennie na minutę lub kilka
w zależności od warunków i przyjętego algorytmu.

--
AWa.

Sun Oct 26, 2014 8:15 pm   

Jak przenośny, to bardziej podatny na czynniki zewnętrzne. Pamiętaj,
przy dokładnościach jakie chcesz osiągnąć, nawet drgania mechaniczne
będą miały wpływ na dokładność.


Korekta to nie to samo co wyeliminowanie zjawiska. Co 64 sekundy masz
błędy dynamiczne, które metodą zaimplementowaną w DS3231 nie
skorygujesz. Wyjściem byłoby ... umieszczenie DS3231 w termostacie.

[...]

GPS ma stabilność długotrwałą jak w zegarach atomowych na orbicie.
Końcówka 1pps dostarcza puls co 1 sekundę z jitterem 1us a nowych
modułach znacznie mniej. Korzystając z tej właściwości, *teoretycznie*,
można w domu za niewielkie pieniądze zrobić wzorzec częstotliwości
zbliżonym do zegara atomowego.


Chyba nie znasz tego terminu: http://pl.wikipedia.org/wiki/Jitter

W pierwszym z brzegu module:
http://www.tme.eu/pl/details/org1218-r01/moduly-gsmgps/origin-gps-ltd/#
deklarują jitter <30ns.
K.

Mon Oct 27, 2014 6:59 am   

Dnia Sun, 26 Oct 2014 18:52:31 +0100, Andrzej W. napisał(a):

Dokladnosc tego wyjscia jest nieokreslona, a kolega jest gdzies w
okolicach 1ppm - porownanie moze byc trudne.
Za to GPS dostarcza tez dokladny czas, wiec mozna i skorygowac
aktualny i poprawic kalibracje. Ale ta antena.

J.

Mon Oct 27, 2014 7:37 am   

Dnia Sat, 25 Oct 2014 21:00:27 +0200, Piotrne napisał(a):

O ile kojarze, to dostarcza dokladny czas. Moze niekoniecznie
wyswietlanego na komorce, ale wyswietla.

Nawiasem mowiac - separacja kanalow GSM jest 200kHz.
Do odbioru wypadaloby miec lepsza dokladnosc wstepnego dostrojenia, a
do nadawania chyba jeszcze lepsza, zeby nie siac po innych kanalach.

20kHz w pasmie 1.8GHz to ~10ppm ... kwarc moze nie starczyc, siec
odgornie pomaga.


Tak ogolnie to nikt nie lubi "przeskakiwania" czasu, bo to nie wiadomo
czy sie jakiejs akcji nie pominie, lub nie powtorzy (np doliczenie
odsetek do konta). Stad "rozciaganie".
siec 50Hz bodajze ma byc dlugookresowo dokladna, wiec tez musi te
sekundy uwzgledniac, a turbiny nie zatrzymasz na sekunde, ani nie
przyspieszysz.

GPS chyba najlepszy, bo on nie uwzglednia ... ale na drugim poziomie
uzwglednia i nie wiadomo co dostajesz :-)

P.S. zegarek tranzystorowy
http://hackaday.com/2010/01/11/194-transistor-clock-will-blow-your-mind/

J.

Mon Oct 27, 2014 9:15 am   

On 25/10/2014 20:00, Piotrne wrote:


Wygugluj "GPSDO"

c.

Mon Oct 27, 2014 9:58 am   

W dniu 2014-10-27 o 06:59, J.F. pisze:

Co to znaczy "nieokreślona"?
Śmiertelnik ma dostęp do SPS (Standard Positioning Service), dla którego
czas określony jest z dokładnością nie gorszą niż 337 ns w stosunku do UTC.
Jeśli teraz ma 1s na tydzień to by utrzymać swój zegar na +/- 1us
wystarczy, że włączy GPS co 6 godzin.
Potem jeśli będzie miał poprawny algorytm wyliczania korekcji to
synchronizacje mogą być coraz rzadsze.

--
AWa.

Mon Oct 27, 2014 10:31 am   

On 27-10-2014 06:59, J.F. wrote:

Jest określona, wystarczy spojrzeć w pdf.
Co ważne, spodziewam się też rokładu Gaussa, choć nie pamiętam
podania w sposób jawny takiej informacji.
K.

Mon Oct 27, 2014 10:49 am   

Użytkownik "Piotrne" <piotr12ne@poczta.onet.pl> napisał w wiadomości
news:m2gs0b$lrc$1@node1.news.atman.pl...


co 1s). Założyłem, że ta nośna jest kalibrowana wzorcem atomowym (no bo
dlaczego miałaby nie być) i porównałem z nią wzorce w dwóch posiadanych
częstościomierzach.
Wszystko robiłem z rozdzielczością 0,1ppm co nie znaczy, że uzyskałem taką
dokładność.
Podobno warunki atmosferyczne mogą wpływać na czas propagacji więc też na
faktyczną długość tak mierzonej sekundy.
P.G.

Mon Oct 27, 2014 10:56 am   

Hello Piotr,

Monday, October 27, 2014, 10:49:16 AM, you wrote:


77.5kHz leci falą przyziemną - praktycznie zerowy wpływ propagacji.

--
Best regards,
RoMan
Nowa strona: http://www.elektronika.squadack.com (w budowie!)

Tue Oct 28, 2014 12:42 am   

W dniu 2014-10-27 10:49, Piotr Gałka pisze:


Do tego właściwie służy "krajowa częstotliwość wzorcowa":
http://pl.wikipedia.org/wiki/Krajowa_cz%C4%99stotliwo%C5%9B%C4%87_wzorcowa

Do okresowego synchronizowania zegarka domowego chyba użyję DCF. W ciągu
kilku dni powinno dać się wyznaczyć korektę dla zegara DS3231 i wpisać ją tam.
Przy okazji każdej korekty można sprawdzać, jaka ona była i jak zmienia się
w czasie. Kalibracja jest możliwa z rozdzielczością 0.1 ppm, czyli
jednej sekundy na kwartał. Mam kilka modułów DS3231, ustawię jeden
i schowam do wiosny.


Przy okazji pomiarów czasu: kiedyś na grupie "fizyka" była dyskusja
o pomiarze prędkości światła. Nie wszyscy wierzyli, że jest stała
i że nie ma "eteru". Twierdzili, że obserwowana na Ziemi prędkość
zależy od tego, czy światło porusza się zgodnie z kierunkiem ruchu Ziemi
po orbicie czy przeciwnie. Różnica ma wynosić 30 km/s (albo 2 razy więcej).

Ponieważ klasyczny interferometr w doświadczeniu MM nie wszystkich
przekonał, proponowałem eksperymentalne sprawdzenie w inny sposób.
Nawet znalazł się chętny do sponsorowania eksperymentu (ale tylko
częściowo :)

Okazuje się, że bardzo trudno jest zmierzyć prędkość światła "w jedną
stroną". (Prawie) zawsze mierzy się średnią prędkość na drodze "tam i z powrotem".
Pomiaru jednokierunkowego właściwie nigdy nie można być pewnym z powodu
problemów z synchronizacją zegarów na obu końcach drogi (synchronizowane
mogą być światłem podlegającym zmianom, które chcemy zmierzyć).
Szansę na pomiar daje użycie do synchronizacji precyzyjnego zegara
przenoszonego "wolno".

Propozycja pomiaru możliwego (?) w warunkach amatorskich jest następująca:
1. Mierzymy fale radiowe zamiast światła;
2. Przygotowujemy dwa dokładne generatory 1 GHz;
3. Jeden nadaje swój sygnał ze stacjonarnego nadajnika, drugi zabieramy
do samochodu wyposażonego w odbiornik;
4. Doprowadzamy (w samochodzie) do interferencji odbieranego sygnału
i sygnału z lokalnego generatora - powstaje "fala stojąca", której
węzły będziemy liczyć;
5. Odstęp między węzłami to długość fali emitowanej z nadajnika. Zmierzymy
tę długość i znając częstotliwość wyznaczymy prędkość fali (światła);
6. Jeśli ma wykryć się 30 km/s przy 300000 km/s, potrzeba dokładności 1/10000
7. Zmierzymy dokładnie długość fali zliczając 50000 węzłów, czyli
około 16 kilometrów;
8. Jedziemy samochodem oddalając się od nadajnika i odliczamy węzły aż do 50000;
9. Zatrzymujemy się, zaznaczamy miejsce. Możemy sprawdzić na mapie dokładną
odległość, ale nie jest to konieczne;
10. Czekamy, aż Ziemia odpowiednio obróci się i mierzymy jeszcze raz.
Albo przenosimy nadajnik do tego punktu i mierzymy ponownie jadąc
w przeciwnym kierunku.

"Amatorskie" (tzn. dostępne dla amatorów, np. rubidowe) wzorce częstotliwości
mogą mieć dokładność 10^-12. Zakładając, że nie chcemy zgubić podczas eksperymentu
więcej niż jednego okresu fali 1 GHz, możemy mieć ich 1000 razy więcej = 10^12.
Czyli na przejechanie 16 kilometrów mamy 1000 sekund - powinno wystarczyć.
Liczbę węzłów policzymy co do jednego, mamy rozdzielczość 1/50000. W razie
potrzeby odległość odczytamy z mapy / GPS i policzymy sobie prędkość
światła z błędem 6 km/s.

Czy to jest realne ? :)


P.