Računalni brojač frekvencije HP 5360A
Danas je nabavljen računalni (kompjuterizirani) brojač frekvencije koji se sastoji od slijedećih modula:
- Computing Counter HP 5360A – glavno računalo sa digitalnom prikazom vrijednosti (nixie cijevi)
- Input Module 5365A – ulazni modul brojača frekvencije ili perioda
- Time Interval 5379A – modul za mjerenje vremenskih intervala, odnosno vremenskih odnosa između dva ulazna signala
- Keyboard 5375A – tipkovnica (programabilni kalkulator) za programiranje glavnog računala
Uređaj je proizvod je američke tvrtke Hewlett Packard iz 1969. godine.
Počeci tvrtke Hewlett Packard sežu u 1930-te godine, kada su dvojica elektrotehničara, Bill Hewlett i David Packard, započeli sa honorarnim radom u iznajmljenoj garaži. Njihovo partnerstvo je u 1940-tim i 1950-tim godinama inkorporirano u tvrtku Hewlett-Packard (HP). Prvi financijski uspješan proizvod tvrtke HP bio je audio oscilator čiju amplitudu je stabilizirala mala žaruljica sa žarnom niti, predstavljen 1939. godine. Zahvaljujući inovaciji sa stabilizatorskom žaruljicom njihovi oscilatori su bili bolji i stabilniji od konkurencije što im je omogućilo prodor na tržište. U 1940-tim godinama HP-ova proizvodna linija osim audio oscilatora, već je uključivala i valne analizatore, analizatore izobličenja, generatore audio signala i cijevne voltmetre, a zapošljavala je 200 ljudi. Danas je tvrtka HP jedna od najvećih svjetskih tehnoloških kompanija sa preko 330 000 zaposlenih. Ogromni proizvodni program tvrtke uključuje gotovo sva područja profesionalne i komercijalne elektronike, informatike (hardver i softver), telekomunikacija, električnih laboratorijskih i mjernih uređaja, audio i video elektronike i drugo.
Brojač frekvencije HP 5360A je općenito gledano bio konstruiran kao jedan od najpreciznijih i najbržih brojača frekvencije toga doba. Izrađen je prema najvišim standardima sa prioritetom na kvaliteti, performansama i preciznosti bez štednje na razvojnim i proizvodnim troškovima. Cijena osnovnog modela u maloprodaji je bila 6695 USD, za time interval modul 5379A trebalo je izdvojiti dodatnih 1000 USD, a tipkovnica 5375A je koštala 1570 USD. Time bi naš komplet koštao 9265 USD, a u to vrijeme se u Americi primjerice mogao kupiti novi Fordov kamionet za cijenu ispod 3000 USD. Današnja ekvivalentna vrijednost bila bi preko 75 000 USD. Naravno, ukoliko ste željeli koristiti vanjske memorije morali bi izdvojiti još 350 USD za diodne memorijske matrice ili preko 2000 USD za čitač bušenih kartica.
Modelom 5360A načinjen je ogroman iskorak u mjernom rasponu, rezoluciji i točnosti mjerenja u odnosnu na prethodne modele brojača frekvencije. To je postignuto implementacijom dvije posebne tehnologije:
- Recipročna metoda mjerenja frekvencije tehnikom interpolacije u ulaznom analognom dijelu (mjerenje vremena trajanja perioda umjesto broja frekvencijskih ciklusa) čime je omogućeno postizanje visoke rezolucije mjerenja bez potrebe da se obrađuje (broji) veliki broj frekvencijskih uzoraka signala.
- Digitalna računalna obrada i izračun rezultata kako bi se izvukla i 1000 puta veća preciznost od one koje se može dobiti osnovnim analognim mjerenjima.
Kod klasičnih mjerača frekvencije, frekvencija se mjeri izravno jednostavnim brojanjem perioda u jedinici vremena. Broje se periodi (pretvoreni u impulse) ulazne frekvencije koji u zadanom vremenskom okviru (vremenska baza) prođu na brojač. Točnost mjerenja frekvencije ovisi o točnosti vremenske baze koju obično proizvodi kvarcni oscilator. Kod boljih mjerača frekvencije kvarcni oscilator je temperaturno kompenziran (TCXO – Temerature Compensated Crystal Oscillator) ili se nalazi u temperaturno stabilnoj komori gdje se grijačem i termostatom održava konstantna temperatura (OCXO – Oven Cotrolled Crystal Oscillator). Kod 5360A, kako ćemo kasnije vidjeti, ne koristi se kristalni oscilator već oscilatori sa operacijskim pojačalima također smješteni u grijanu termostabilnu komoru. Međutim, osim pogreške oscilatora, kod takvih jednostavnih digitalnih brojača frekvencije uvijek postoji i tzv. pogreška kvantizacije od ±1 znamenke. Ona nastaje zbog toga jer faza signala kojeg mjerimo nije sinkronizirana sa fazom internog oscilatora vremenske baze, pa ovisno na kojoj točki se ulazni signal “uhvati” na izlazu se može izbrojati jedan impuls više ili manje. Mogućnost ove pogreške je to veća što je ulazna frekvencija niža, odnosno što je odabrana vremenska baza duža. Tako bi za veću točnost (kao i rezoluciju) odabrana vremenska baza morala biti što kraća, odnosno interni oscilator biti što veće frekvencije. Jasno je da će ovo biti najviše nepovoljno za niže frekvencije jer tu vremenska baza ne smije biti kratka, svakako ne kraća od vremena trajanja jedne periode ulaznog signala. Zato je za precizno mjerenje niskih frekvencija pogodnije mjeriti trajanje periode, a iz poznatog vremena trajanja periode onda se lako matematički (recipročna vrijednost) izračuna frekvencija.
Mjerenje frekvencije brojanjem perioda je najjednostavniji način mjerenja frekvencije, no točnost i najveća moguća rezolucija mjerenja ovisi o frekvenciji ulaznog signala i frekvenciji vremenske baze. Također, uvijek postoji mogućnost pogreške kvantizacije od ±1 znamenke kao što se vidi na grafičkom prikazu. Čak i kad je vremenska baza vrlo stabilna i uvijek istog vremena trajanja, zbog nesinkronizacije faza ulaznog signala i vremenske baze moguća je pogreška od jednog impulsa, odnosno jedne izbrojane znamenke. U prvom mjerenju obuhvaćena su tri impulsa, dok su u drugom mjerenju obuhvaćena i izbrojana samo dva impulsa iako je ulazna frekvencija kao i frekvencija vremenske baze ostala konstantna.
Recipročnom metodom mjerenja se umjesto brojanja perioda mjeri vrijeme trajanja perioda ulaznog signala. S obzirom da je period recipročan frekvenciji, brojači frekvencije koji se baziraju na principu mjerenja periode zovu se recipročni brojači.
Recipročnim brojačem uvijek se izdvaja točno određen broj perioda signala te je isključena pogreška kvantizacije kao kod konvencionalnih brojača. Također, za precizno mjerenje je dovoljna svega jedna perioda ulaznog signala pa rezolucija i točnost mjerenja ne ovise o ulaznoj frekvenciji.
Blok shema prikazuje prvu generaciju recipročnih brojača frekvencije. Vidimo da ima dva interna brojača. Jedan broji broj ulaznih perioda (ciklusa), a drugi broji impulse kojima se određuje vrijeme trajanja tih perioda. Sinkronizirana logička vrata simultano kontroliraju oba brojača. Ovdje za razliku od običnog brojača, vrijeme trajanja mjerenja nije određeno fiksnim vremenom trajanja vremenske baze nego vremenom trajanja određenog broja punih perioda ulaznog signala. Kroz jedan brojač će se propustiti točno određen broj perioda ulaznog signala, a drugi brojač će pomoću generatora takta mjeriti vrijeme trajanja te grupe cijelih perioda. To znači da se vrata otvaraju sinkronizirano sa ulaznim signalom, a zatvaraju se okidnim impulsom koje pošalje brojilo kad se izbroji određeni broj cijelih perioda. Frekvencija se zatim dobiva dijeljenjem izbrojenog broja perioda sa proteklim vremenom.
Ovdje je važno primijetiti da rezolucija i točnost mjerenja ne ovise o ulaznoj frekvenciji jer je dovoljno mjeriti vrijeme trajanja svega jedne periode ulaznog signala da se već dobije maksimalna rezolucija mjerenja. Rezolucija i točnost ovdje ovise isključivo o frekvenciji i stabilnosti generatora takta. Što je frekvencija generatora takta veća, to će više impulsa sudjelovati u mjerenju vremena i mjerenje će biti preciznije (veće rezolucije). Također, s obzirom da mjernim brojačem uvijek dobivamo točan broj ulaznih perioda pogreška kvantizacije od ± 1 znamenke je ovdje isključena.
Brojač frekvencije 5360A, koliko smo mogli iščitati iz dostupnih HP žurnala, koristi naprednije metode recipročnih brojača. To je recipročni brojač sa analognom interpolacijom. Već smo rekli da rezolucija i preciznost recipročnog brojača ovisi o frekvenciji generatora takta kojim se mjeri vrijeme periode. Ovo je posve razumljivo jer će u određenom vremenskom okviru mjerenje biti to preciznije što je to vrijeme uzorkovano na više impulsa. Interpolatorima se na specifičan način zapravo značajno povećava ta osnovna frekvencija generatora takta, tako da se u konačnici dobiju puno veće rezolucije mjerenja.
Analognom interpolacijskom tehnikom povećanom rezolucijom mjerenja mjere se razlike vremena trajanja perioda između ruba ulazne frekvencije i početnog ruba (start) frekvencije generatora takta (referentne frekvencije) na početku i na kraju ciklusa mjerenja. Jednom kad se povećanom rezolucijom izmjere ti rubni (nepoklapajući) dijelovi impulsa, kasnije je lako matematički pridodaju preostala vremena cijelih referentnih impulsa između njih.
Na našem primjeru se vidi kako je interpolacijskom metodom mjerenje nepoklapajućih rubnih dijelova impulsa produženo 10 puta, čime smo dobili 9,3 puta veću rezoluciju mjerenja nego bi to bilo sa periodama čistog referentne frekvencije. U praksi se interpolacijom vrijeme mjerenja produžuje i do 1000 puta.
Mjerenje tih vrlo kratkih rubnih vremena povećanom rezolucijom vrši se pretvaračem vremena u napon pomoću kondenzatora. Kondenzator se u tom vrlo kratkom vremenu razlike linearno puni konstantnom strujom tako da je napon na koji se napuni izravno proporcionalan razlici vremena između dvaju rubova impulsa. Nakon što se kondenzator napunio (T1 i T2), slijedi njegovo polagano pražnjenje također konstantnom strujom kako bi pražnjenja bilo linearno (T1′ i T2′). Na našem grafičkom prikazu može se uočiti kako vrijeme pražnjenja uvijek odgovara višestruko većem broju referentnih impulsa. Tako je početni (start) impuls originalnog trajanja 0,4 ciklusa razvučen na četiri puna impulsa, a završni (stop) impuls trajanja 0,1 ciklus razvučen je na jedan puni impuls. Time je rezolucija mjerenja tih malih segmenata referentnih impulsa povećana deset puta. To povećanje rezolucije mjerenja zapravo predstavlja odnos između struje punjenja i struje pražnjenja kondenzatora i mi smo ga označiti konstantom Q. U praksi ta povećanja iznose nekoliko stotina pa i tisuću puta. S obzirom da između tih dijelova vremena imamo samo čiste pune referentne impulse, oni se onda lako matematički pribroje rubnim vremenima. Tako se u konačnici dobiva Q puta veća rezolucija mjerenja čitavog mjernog ciklusa.
Prednost analogne interpolacijske tehnike je što ne moramo raditi stabilne referentne oscilatore vrlo visokih referentnih frekvencija (reda nekoliko GHz) što je zahtjevno i skupo, već oscilatorima relativno niskih frekvencija postižemo rezolucije usporedive sa višestruko višim frekvencijama.
Prema podacima iz HP žurnala, osnovna frekvencija kvarcnog generatora takta (OCXO) je 5 MHz, no interpolacijskom metodom se dobivaju točnosti mjerenja usporedive sa taktom od 1 GHz i rezolucije mjerenja usporedive sa taktom od 10 GHz kod konvencionalnih brojača (rezolucija je reda 100 ps, a točnost reda 1 ns). Kad smo već kod usporedbi, spomenimo i podatak da se zahvaljujući recipročnoj interpolacijskoj i računalnoj metodi rada HP-ovog brojača frekvencije 5360A, za vrijeme mjerenja od svega jedne sekunde dobiva ista rezolucija mjerenja za koju bi konvencionalnom brojaču trebalo vrijeme mjerenja preko 28 sati. Nadalje, zbog temperaturno stabilne komore u koju su smješteni oscilatori takta (OCO – Oven Cotrolled Oscillator), stabilnost tijekom 24-satnog razdoblja rada zadržana je u granicama ispod 5 dijelova na 10 milijardi što je nekoliko razina veća točnost od tadašnjih najboljih mjerača frekvencije.
Najveća brzina mjerenja je 300 mjerenja frekvencije u sekundi, no na toj brzini maksimalna rezolucija je 6 znamenki. Praktično gledano, HP 5360A može izmjeriti bilo koju frekvenciju u rasponu 1 Hz – 320 MHz u vremenu od jedne sekunde i sa točnosti od 1 dijela na 10 milijardi. To znači da će ulaznu frekvenciju od primjerice 1 MHz izmjeriti za jednu sekundu sa točnosti od 0,001 Hz. Bio je toliko precizan da se pomoću njega mogla izmjeriti udaljenost od Zemlje do Mjeseca s točnošću od jedne stope (30,48 cm).
Pomoću ulaznog modula HP 5365A moguće je izravno mjeriti frekvencije kontinuiranih ili impulsnih signala u rasponu 0,01 Hz do 320 MHz, a sa dodatkom 5379A mogu se mjeriti vremenski intervali između dva signala sa točnosti od 1 ns i rezolucijom od 0,1 ns. Prikaz izmjerenih veličina je na digitalnom displeju sa 11 znamenki. Umjesto modula za vremenske intervale 5379A može biti ugrađen modul za proširenje frekvencijskog opsega mjerenja do 18 GHz.
Sa dodanim programabilnim kalkulatorom 5375A mogući su različiti matematički izračuni i prikazi rezultata u realnom vremenu. Tako se izmjerena frekvencija (period ili vremenski interval) može odmah preračunati primjerice u udaljenost, ubrzanje, brzinu okretaja, fazni kut ili stupanj, različite relacije, devijacije, srednje vrijednosti i druge veličine ovisno o konkretnoj namjeni brojača. Naravno izmjerene vrijednosti moguće je odmah ukalkulirati u bilo koje matematičke formule, jednadžbe ili programske kodove te na displeju dobivati gotove rezultate. Tipkovnica 5375A može se koristiti i kao klasični matematički kalkulator sa prikazom vrijednosti na digitalnom displeju.
Računalni brojač frekvencije HP 5360A uz odgovarajuće frekvencijske senzore i pretvornike mogao se praktično koristiti za ogroman spektar različitih mjerenja gdje je prioritet bio na brzini i preciznosti mjerenja, a zahvaljujući kalkulatoru izmjerene vrijednosti prikazivale bi se izravno u adekvatnoj mjernoj jedinici. Sama tipkovnica 5375A može memorirati do 40 programskih koraka i nema mogućnost trajnog pamćenja jednom upisanog programa te se on briše sa isključivanjem napajanja. Stoga su se mogle koristiti razne vanjske memorije u obliku posebnih memorijskih diodnih matrica ili bušenih kartica. Njima se također mogao povećati broj memorijskih koraka do 200. Program se sa ovih memorija mogao učitati preko posebnog programatora 5376A koji je također sadržavao svoju dodatnu memoriju, digitalne ulaze i izlaze, te analogne izlaze čime je služio kao sučelje (interface) između brojača frekvencije HP 5360A i drugih vanjskih uređaja poput čitača bušenih kartica, printera, plotera, snimača ili mjernih instrumenata.
Podaci koje smo naveli mogu se naći u HP-ovim žurnalima iz 1960/70-tih godina, no osim osnovnih električnih specifikacija nema drugih blok ili servisnih shema ni podataka o ovom uređaju. Idemo stoga razgledati unutrašnjost ova naša dva uređaja.
Kao što se vidi riječ je prilično kompleksnom modularnom uređaju sastavljenom od 30-tak modula, te nekoliko mrežnih transformatora i krugova regulacije i stabilizacije napona. Našem primjerku nedostaju dva modula u analognom interpolacijskom dijelu koji su vjerojatno zagubljeni u nekim davnim pokušajima popravka ovog uređaja. Bez obzira na tehnologiju i cijenu vidimo da nema matične ploče sa tiskanim vezama, nego su moduli povezani ožičenim konektorima što je bio čest način povezivanja modula u modularnim elektroničkim uređajima iz 1960/70-tih godina. Zbog takve konstrukcije, a i zbog same kompleksnosti uređaja, popravak i servis se ovdje svodi na zamjenu modula, a zatim eventualni popravak na takav način detektiranog neispravnog kruga. Uređaj se naime sastoji od nekoliko stotina integriranih krugova i proučavanje shema, principa rada, te svih ostalih specifičnih servisnih podataka zahtijeva tjedne i mjesece bavljenja ovim uređajem.
Jedan od tri modula iz analognog interpolacijskog kruga (druga dva modula nedostaju). Uočavaju se specijalizirani HP-ovi integrirani krugovi sa tvorničkim nomenklaturnim oznakama za koje se podaci mogu naći samo u originalnoj servisnoj dokumentaciji (koju nemamo).
Odmah do gornje pločice montirana je termostabilna komora u koju su smješteni oscilatori takta (OCO – Oven Cotrolled Oscillator). Riječ je o aluminijskoj kutiji koja je izvana omotana grijačom žicom sa spregnutim termostatom. Tako se unutar komore stalno održava konstantna temperatura. Zahvaljujući tome stabilnost i točnost oscilatora se održava u klasi 1 dijela na 10 milijardi, a i kroz 24-satni neprekidni rad ukupna stabilnost oscilatora će biti ispod 5 dijelova na 10 milijardi.
Termostabilna komora u koju je smještena tiskana pločica sa oscilatorima. Unutar izolacije, između vanjske i unutrašnje aluminijske posude ugrađena je grijača žica sa termostatom. Sve podsjeća na malu pećnicu pa otuda i engleski naziv Oven (pećnica).
Na pločici oscilatora nigdje ne uočavamo kristale. Vidimo dva gotovo jednaka kruga sa operacijskim pojačalima koje nose nomenklaturnu oznaku 1820-0058 što bi trebala biti operacijska pojačala 709 (National Semiconductor). Stoga se oscilatori takta baziraju na ovim operacijskim pojačalima.
Sada možemo razgledati 21 modul računalnog brojača frekvencije HP 5360A na kojima su većinom digitalni brojački i računalni krugovi.
Vidi se da su na nekim pločicama već vršeni popravci (zamjena otpornika i integriranih krugova). Većina tiskanih veza je pozlaćena. Pločice modula su zaštićene lakom sa gornje i donje strane nakon lemljenja elemenata, pa je kod zamjene komponenti bilo potrebno ostrugati lak sa lemova. To ukazuje da je kod popravka ovog uređaja predviđena zamjena cijelih modula.
Bez ikakve tehničke dokumentacije možemo samo razgledati tehnologiju izrade ovog računalnog brojača frekvencije HP 5360A. Iako je riječ o svojevremeno vrlo skupom brojaču frekvencije, osim nekoliko specijaliziranih HP-ovih čipova nismo pronašli neke posebno specijalne komponente. No pozlaćene tiskane veze, nekoliko stotina ugrađenih integriranih krugova, računalo (kalkulator) i tada vrlo napredna tehnologija recipročnog brojača frekvencije sa analognom interpolacijom svakako su rezultirali vrlo visokom cijenom ovog izuzetno točnog, preciznog i stabilnog brojača frekvencije.
Naš primjerak je očito prošao neke procese popravka koji na kraju nisu uspjeli što i ne čudi s obzirom na kompleksnost izrade i složenost velikog broja sklopova od kojih se uređaj sastoji. No za utjehu, danas su već komercijalno dostupni mjerači frekvencije sličnih i boljih karakteristika koji umjesto analognih koriste novije digitalne metode interpolacije ili druge (slične) sisteme za postizanje veće rezolucije i točnosti mjerenja.
Općenito gledano, ukoliko u specifikacijama nekog mjerača frekvencije nađete karakteristike tipa: točnost ±1 digit i rezolucija 1 Hz, gotovo sigurno se radi o običnom brojaču frekvencije koji ne mjeri vrijeme periode nego zbraja broj perioda. Ukoliko pak je točnost reda stotinu piko-sekundi, odnosno rezolucija puno ispod 1 Hz (tisućiti dio Hz) sa prikazom na 12 znamenki onda je svakako riječ o naprednom recipročnom brojaču frekvencije koji danas više ne koštaju 75 000 dolara već se mogu nabaviti i za svega nekih 10 000 dolara 🙂