Procedimiento específico: PEE62 CALIBRACIÓN DE OSCILADORES, CONTADORES Y FRECUENCÍMETROS. Copia No Controlada

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1 Instituto Nacional de Tecnología Industrial Centro de Desarrollo e Investigación en Física y Metrología Procedimiento específico: PEE62 CALIBRACIÓN DE OSCILADORES, CONTADORES Y FRECUENCÍMETROS. Revisión: Enero 2017 Este documento se ha elaborado con recursos del Instituto Nacional de Tecnología Industrial. Sólo se permite su reproducción sin fines de lucro y haciendo referencia a la fuente.

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3 PEE62 Índice: Enero 2017 NOMBRE DEL CAPÍTULO REVISIÓN Página titular Enero 2017 Lista de enmiendas Enero 2017 Índice Enero 2017 CALIBRACIÓN DE OSCILADORES, CONTADORES YFRECUENCÍMETROS. Enero 2017

4 1. Objetivo Establecer los métodos de calibración para osciladores, generadores de funciones, contadores y frecuencímetros. 2. Alcance Este procedimiento es aplicable a toda medición de frecuencia comprendida en el rango de 1Hz a 225 MHz. 3. Definiciones y abreviaturas Δf/f = Desviación fraccional de frecuencia 2 σ y (τ) = Varianza de Allan σ y (τ) = Desviación de Allan τ = Tiempos de promediación o de compuerta 4. Referencias [1] Sullivan, Allan, Howe and Walls, Characterization of clocks and oscillators ( [2] J. Mauricio López R., Estimación de incertidumbres en calibración de Osciladores, Encuentro nacional de metrología eléctrica ( 5. Responsabilidades Personal a cargo de la ejecución de las calibraciones del laboratorio de Tiempo y Frecuencia. El Coordinador de la UT Electricidad verifica que se siguen los procedimientos y comprueba los resultados. 6. Instrucciones 6.1. Adquisición de datos Inicialmente se procederá a realizar una inspección visual del dispositivo bajo prueba (DBP) con el objeto de verificar que el mismo no presente evidencias de golpes u otras anormalidades. Posteriormente, se lo mantendrá encendido en condiciones normales de uso dentro del laboratorio donde se realizará la medición, al menos 24 horas antes de iniciar la misma al solo efecto de lograr una aclimatación del equipo con las condiciones ambientales del laboratorio. La medición se realizará en forma automática utilizando un contador universal marca Agilent modelo 53132A, reemplazando su base de tiempo interna a un Oscilador de Referencia Primaria de Cesio, marca Symmetricom modelo 5071 ( ver Figura 1). Figura 1 Esquema de medición para la calibración en frecuencia de un dispositivo bajo prueba. 1 de 6

5 La calibración consistirá en determinar la frecuencia promedio, la desviación fraccional de frecuencia y la estabilidad de la señal de frecuencia de salida del equipo en medición. Configuración del contador universal utilizado como referencia: Teniendo en cuenta la opción de controlar en forma remota su configuración, el contador universal de referencia se conectará a una computadora identificada Mediciones T&F a través de su interfaz GPIB, al solo efecto de registrar los valores obtenidos mediante un programa de adquisición de datos especialmente diseñado en el laboratorio. Presionando el ícono Adquisición de datos.vi en el escritorio del monitor de la computadora se accede a la siguiente pantalla: Figura 2 Pantalla de control de para la configuración del contador 53132A Una vez obtenida la pantalla que se observa en la Figura 2, se procederá a configurar el contador universal desde la computadora como se indica a continuación: Dirección de la placa GPIB: Seleccionar la dirección del contador Agilent 53132A, en este caso GPIB::3: Ajuste de los valores de disparo: TRIG. LEVEL (V) SLOPE SENSIVITY GATE TIME (s) de acuerdo con la amplitud de la señal a medir POS LOW Selecciona el tiempo de disparo. Es importante mencionar que el mismo depende del posterior análisis de los datos según el procedimiento PO5, puesto que se desea apreciar el mínimo de la varianza de Allan. Es aconsejable configurar un 2 de 6

6 tiempo de promediación tao= 1s. COUPLING AC ( implica un ancho de banda del contador de 1 MHz a 225 MHz) (*) LP FILTER Off 50 Ω On (se deberá comprobar la adaptación de impedancias entre los equipos) ATT x10 Off ; esta opción provoca que la señal de entrada no resulte atenuada RESETEAR? On ( el contador se resetea antes de iniciar un nueva medición) Referencia Tipear el modelo del equipo de referencia Instr. A medir Tipear el modelo del dispositivo a medir (*) para analizar valores de frecuencias por debajo de 1MHz, se deberá utilizar acoplamiento DC. Una vez ingresada la configuración anterior, cliquear la flecha de inicio que aparece en la es quina superior izquierda de la pantalla y luego el botón EMPEZAR El programa responderá colocando el contador en condición remota e iniciará el registro y almacenamiento de los datos de la medición en la carpeta C:\Mediciones-HP53132A en un archivo *.csv que será identificado automáticamente con el siguiente formato: Fecha_Hora_Referencia_ vs_inst.amedir(gate Time).csv, permitiendo de este modo una fácil identificación de los archivos de las mediciones realizadas. Cuando se lo considere oportuno, se detendrá el registro de datos presionando sucesivamente el botón DETENER y el control de stop en la barra de herramientas (de color rojo mientras el programa está en ejcecución Análisis de datos Una vez detenido el proceso, el programa de adquisición de datos generará automáticamente un archivo con extensión csv, el cual deberá ser analizado según el procedimiento PO5. A partir de dicho análisis se obtiene la desviación de Allan σy(τ) para distintos tiempos de promediación (τ). La misma mide la inestabilidad en frecuencia del equipo bajo prueba Análisis de incertidumbres La incertidumbre de medición será expresada en términos de la incertidumbre combinada definida en la Guía BIPM/ISO para la expresión de incertidumbre de medición. Para el cálculo de la misma,se tomarán en cuenta las distintas fuentes de incertidumbre que intervienen en el proceso de calibración, como por ejemplo: las incertidumbres en el tiempo de compuerta y en el nivel de disparo del sistema de medición (en este caso un contador Agilent 53132A), la incertidumbre debida a la inestabilidad de la frecuencia de los osciladores bajo calibración, etc. Para obtener la incertidumbre combinada, las distintas fuentes de incertidumbre deberán ser integradas siguiendo el criterio de la suma cuadrática. Sin embargo, como se menciona en Referencias puntos [1] y [2], cuando se utiliza la varianza de Allan para estimar la estabilidad en frecuencia con un número elevado de mediciones (en un día, con un τ τ de 1 segundo se tienen mediciones), el valor que entrega la varianza de Allan ya incluye la incertidumbre asociada a cada medición, es decir, que ya se toma en cuenta la incertidumbre debida al nivel de disparo del contador, al tiempo de compuerta, etc. Por lo tanto, para la estimación de la incertidumbre combinada para tiempos de promediación que corresponden al tiempo entre toma de mediciones, no se requiere sumar en cuadratura la varianza de Allan con la incertidumbre de cada medición, puesto que la varianza de Allan ya la considera. Esto también es válido para tiempos de promediación mayores que el tiempo entre mediciones. También es importante destacar que la varianza de Allan obtenida a través de mediciones directas de frecuencia (como es el caso de este procedimiento), mide la inestabilidad relativa entre el instrumento bajo calibración y el patrón de referencia del laboratorio, es decir: 3 de 6

7 σ yc 2 (τ) = σ y 2 (τ) σ r 2 (τ) Donde σ y 2 (τ) es la varianza de Allan calculada a partir de las mediciones de frecuencia según el procedimiento PO5, σ r 2 (τ) es la varianza de Allan del reloj de Cesio y σ yc 2 (τ) es la varianza de Allan del instrumento bajo calibración Ejemplo Se realiza la medición de la frecuencia de la base de tiempo interna de un contador de intervalos de tiempos según el diagrama de conexionado mostrado en la figura 1. Se utiliza un τ τ de 1 segundo y se lo mide con el programa Adquisición de datos.vi durante 15 hs, teniendo un total de mediciones. Al archivo csv generado, se lo analiza según el procedimiento PO5 para calcular la desviación de Allan, obteniendo los siguientes resultados: 1-Estabilidad en frecuencia τ [S] σ Y(τ) 1 6.6E E E E E E E E E E E E E E E-11 Tabla 1 Raíz de la Varianza de Allan en función del tiempo de promediación 4 de 6

8 Figura 1 Estabilidad en frecuencia de la señal de salida del contador bajo prueba Como, según lo detallado en el punto 6.3, la varianza de Allan ya toma en consideración a la incertidumbre asociada en cada medición y por lo tanto es directamente la incertidumbre combinada, y como la inestabilidad del Cesio es de por lo menos un orden de magnitud menor a la del instrumento bajo prueba, entonces, puede expresarse la frecuencia promedio de la base de tiempo con su respectiva dispersión de la siguiente manera: 2 - Frecuencia promedio = ,044 (1 ± 2 σ y (τ)) Hz También es conveniente expresar la desviación fraccional de frecuencia en términos de la frecuencia nominal: 3 - Desviación fraccional de frecuencia f = 4,39 E-09 ± 2 σ y (τ) f 0 f f donde : f f f = 0 f 0 f0 f = frecuencia del equipo bajo prueba f 0 = frecuencia nominal Nota: como ejemplo para el supuesto caso de un valor τ=16s, la desviación fraccional de frecuencia según la expresión anterior sería: 5 de 6

9 f = 4,39 E-09 ± 2 *1.6E-11 f 0 Donde el factor 2 en la desviación de Allan es el factor de cobertura descripto en la Guía BIPM/ISO para la expresión de incertidumbre de las mediciones. 4 De lo anterior se desprende que la frecuencia, f, del instrumento bajo calibración puede obtenerse como: f = 1 + 4, 39 x 10 9 ± 2σ y (τ) f 0 Con, f = frecuencia del instrumento bajo calibración. f 0 = frecuencia nominal. 7. Apéndices y anexos No aplicable 6 de 6