MAteri Awal Sensor
16.13
Frekuensi adalah tingkat kejadian berulang. Jika T adalah periode peristiwa berulang, maka frekuensi f = 1 / T. berdasarkan Satuan Internasional (SI) menyatakan bahwa periode dinyatakan dalam satuan detik (s), dan frekuensi dinyatakan dalam hertz (Hz).
1. Ikhtisar Pengukuran Frekuensi dan Kalibrasi
Frekuensi kalibrasi mengukur kinerja standar frekuensi. Standar frekuensi yang
dikalibrasi
disebut perangkat yang diuji (DUT). Dalam kebanyakan kasus, DUT adalah
osilator kuarsa,
rubidium, atau cesium. Untuk melakukan kalibrasi, DUT harus dibandingkan
dengan standar
atau referensi. Standar harus mengungguli DUT dengan rasio tertentu agar
kalibrasi valid.
Rasio ini disebut uji ketidakpastian rasio (TUR). TUR 10: 1 lebih disukai,
tapi tidak selalu
mungkin. Jika TUR lebih kecil digunakan (5: 1, misalnya), maka kalibrasi
akan memakan waktu lebih lama untuk melakukan. Memenuhi spesifikasi, gagal
kalibrasi dan diperbaiki atau dihapus dari servis. Referensi yang digunakan
untuk kalibrasi harus dapat dilacak.
2. Spesifikasi: Ketidakpastian dan Stabilitas Frekuensi
Ketidakpastian Frekuensi Seperti disebutkan sebelumnya, kalibrasi frekuensi
mengukur apakah DUT memenuhi atau melampaui persyaratan ketidakpastiannya.
Menurut ISO, ketidakpastian didefinisikan sebagai parameter, yang terkait dengan
hasil pengukuran, yang mencirikan dispersi nilai yang dapat dikaitkan dengan
pengukuran. Ketika kita membuat kalibrasi frekuensi, dan pengukuran adalah DUT yang seharusnya menghasilkan
frekuensi tertentu. Misalnya, DUT dengan output berlabel 5 MHz seharusnya menghasilkan
frekuensi 5 MHz. Setelah kalibrasi DUT, kita dapat menyatakan offset frekuensi dan
ketidakpastian terkait. Mengukur offset frekuensi memerlukan perbandingan DUT
dengan referensi. Hal ini biasanya dilakukan dengan membuat perbandingan fase
antara frekuensi yang dihasilkan oleh DUT dan frekuensi yang dihasilkan oleh
referensi. Jika jumlah penyimpangan fase dan periode pengukuran diketahui, kita
dapat memperkirakan offset frekuensi dari DUT. Periode pengukuran adalah
panjang waktu dimana perbandingan fase dibuat.Rentang frekuensi diestimasi
sebagai berikut, dimana Δ t adalah jumlah penyimpangan fasa dan T adalah
periode pengukuran:
Jika kita mengukur 1 μ s deviasi fasa selama periode pengukuran 24 jam,
persamaannya menjadi:
Semakin kecil frekuensi offset, semakin dekat DUT menghasilkan frekuensi
yang sama dengan referensi. Osilator yang mengakumulasi sumbu penyimpangan fase 1 μ s per
hari memiliki offset frekuensi sekitar -1 × 10 -11 sehubungan dengan referensi.
Tabel 1.
Frekuensi papan nama adalah 5 MHz, atau 5.000.000 Hz. Oleh karena itu,
frekuensi aktual yang dihasilkan oleh standar frekuensi adalah:
Untuk melakukan analisis ketidakpastian yang lengkap, periode pengukuran
harus cukup lama untuk memastikan bahwa seseorang mengukur offset frekuensi DUT, dan sumber lain
tidak memberikan kontribusi yang signifikan terhadap ketidakpastian pengukuran. Dengan kata
lain, harus dipastikan bahwa Δ t benar-benar ukuran penyimpangan fase DUT dari referensi dan tidak
terkontaminasi oleh kebisingan dari referensi atau sistem pengukuran. Inilah
sebabnya mengapa TUR 10: 1 diinginkan. Jika TUR 10: 1 dipertahankan, banyak
sistem kalibrasi frekuensi yang mampu mengukur frekuensi 1 × 10 -10 offset dalam 1 s
[4]. Tentu saja, TUR 10: 1 tidak selalu mungkin, dan persamaan sederhana
yang diberikan untuk offset frekuensi (Persamaan 19.1) seringkali terlalu sederhana.
Bila menggunakan standar transfer seperti penerima LORAN-C atau GPS (dibahas
kemudian), kebisingan jalur radio berkontribusi pada penyimpangan fase. Untuk alasan
ini, periode pengukuran minimal 24 jam biasanya digunakan saat mengkalibrasi standar
frekuensi menggunakan standar transfer.
3. Stabilitas
Frekuensi offset adalah ukuran seberapa baik osilator menghasilkan
frekuensi papan nama, atau seberapa baik osilator disesuaikan. Ini tidak
memberi tahu kita tentang kualitas osilator yang melekat. Misalnya, osilator
berkualitas tinggi yang membutuhkan penyesuaian bisa menghasilkan frekuensi
dengan TABEL 1.
Offset besar Sebuah osilator berkualitas rendah dapat disesuaikan dengan
baik dan menghasilkan (setidaknya untuk sementara) frekuensi yang sangat dekat
dengan nilai papan nama.
Perbandingan frekuensi yang tidak stabil dan stabil.
Offset besar Sebuah osilator berkualitas rendah dapat disesuaikan dengan
baik dan menghasilkan (setidaknya untuk sementara) frekuensi yang sangat dekat
dengan nilai papan nama.Stabilitas, di sisi lain, menunjukkan seberapa baik
sebuah osilator dapat menghasilkan frekuensi yang sama selama periode waktu
tertentu. Ini tidak menunjukkan apakah frekuensi "benar" atau
"salah", hanya apakah tetap sama. Sebuah osilator dengan offset
frekuensi besar masih bisa sangat stabil. Bahkan jika seseorang menyesuaikan
osilator dan memindahkannya lebih dekat ke frekuensi yang benar, kestabilan
biasanya tidak berubah.
Persamaan untuk penyimpangan Allan:
Dimana M adalah jumlah nilai dalam seri yi, dan datanya sama jaraknya dalam
segmen Ï„ detik. Perhatikan bahwa sementara deviasi klasik mengurangi mean dari
setiap pengukuran sebelum mengkuadratkan penjumlahannya, penyimpangan Allan akan mengurangi titik
data sebelumnya. Karena stabilitas adalah ukuran fluktuasi frekuensi dan bukan
offset frekuensi, perbedaan titik data berturut-turut dilakukan untuk
menghilangkan noise bergantung waktu yang dikontribusi oleh offset frekuensi.
Juga, perhatikan bahwa nilai - nilai dalam persamaan tidak mengacu pada rata -
rata atau rata - rata dataset, namun mengisyaratkan bahwa pengukuran individu
dalam dataset diperoleh dengan rata - rata.
TABEL 2 Menggunakan Pengukuran Fasa untuk Memperkirakan Stabilitas
(data dicatat pada interval 1 s)
Dengan menggunakan data yang sama, penyimpangan Allan untuk Ï„ = 2 s dapat
dihitung dengan pasangan rata-rata nilai yang berdekatan dan menggunakan
rata-rata baru ini sebagai nilai data. Tingkat kepercayaan dari perkiraan (1σ)
dapat diperkirakan kira-kira sebagai berikut:
4. Osilator Kuarsa
Kristal kuarsa di dalam osilator dapat dibuat dari kuarsa alami atau
sintetis, namun semua perangkat modern terbuat dari bahan sintetis. Kristal
berfungsi sebagai resonator mekanik yang menciptakan tegangan osilasi
akibat efek piezoelektrik. Efek ini menyebabkan kristal melebar atau
berkontraksi saat voltase diterapkan. Kristal memiliki frekuensi resonansi yang
ditentukan oleh dimensi fisik dan jenis kristal yang digunakan. Tidak ada dua
kristal yang bisa persis sama atau menghasilkan frekuensi yang sama persis.
Frekuensi output dari osilator kuarsa adalah frekuensi resonansi fundamental
atau multipel GAMBAR 3 Grafik penyimpangan Allan sampel. GAMBAR 4 Hubungan
antara ketidakpastian frekuensi (akurasi) dan stabilitas. Dari frekuensi itu Gambar 5 adalah
diagram rangkaian simpul yang
menunjukkan elemen dasar osilator kuarsa. Penguat ini menyediakan energi
yang dibutuhkan untuk mempertahankan osilasi.
GAMBAR 5 Diagram blok osilator kuarsa.
Dari frekuensi itu Gambar 19.5 adalah diagram rangkaian simpul yang
menunjukkan elemen dasar osilator kuarsa. Penguat ini menyediakan energi yang
dibutuhkan untuk mempertahankan osilasi. Osilator kuarsa sensitif terhadap
parameter lingkungan seperti suhu, kelembaban, tekanan, dan getaran [12, 13].
Bila parameter lingkungan berubah, frekuensi resonansi fundamental juga
berubah. Ada beberapa jenis desain osilator kuarsa yang berusaha mengurangi
masalah lingkungan. Osilator kristal yang dikendalikan oven (OCXO) membungkus
kristal di ruang yang dikontrol suhu yang disebut oven. Saat OCXO pertama kali
dihidupkan, ia menjalani periode "pemanasan" sementara suhu resonator
kristal dan ovennya stabil. Selama ini, kinerja osilator terus berubah sampai
mencapai suhu operasi normal. Suhu di dalam oven kemudian tetap konstan, bahkan
bila suhu di luar bervariasi.
Solusi alternatif untuk masalah suhu adalah osilator kristal kompensasi
suhu (TCXO). Dalam sebuah TXCO, sinyal output dari sensor suhu khusus (disebut
thermistor) menghasilkan tegangan koreksi yang diterapkan pada reaktansi
tegangan-variabel (disebut varactor).
Osilator membutuhkan penyesuaian reguler untuk mempertahankan frekuensi
dalam ± 1 × 10-10. Di sisi lain, osilator kuarsa memiliki stabilitas jangka
pendek yang sangat baik. OCXO mungkin stabil sampai 1 × 10-12 pada 1 detik.
Keterbatasan dalam stabilitas jangka pendek terutama disebabkan oleh kebisingan
dari komponen elektronik di sirkuit osilator.
5. Osilator Atom
Osilator atom menggunakan tingkat
energi terkuantisasi dalam atom dan molekul sebagai sumber frekuensi resonansi
mereka. Hukum mekanika kuantum mendikte bahwa energi dari sistem terikat, seperti
atom, memiliki nilai diskrit tertentu. Bidang elektromagnetik dapat
meningkatkan atom dari satu tingkat energi ke tingkat yang lebih tinggi. Atau,
atom pada tingkat energi tinggi bisa turun ke tingkat yang lebih rendah dengan
memancarkan energi elektromagnetik. Frekuensi resonansi (f) osilator atom
adalah perbedaan antara dua tingkat energi dibagi dengan konstanta Planck (h) :
Semua osilator atom adalah standar intrinsik, karena frekuensi mereka
secara inheren berasal dari fenomena alam yang mendasar. Ada tiga tipe utama
osilator atom: standar rubidium, standar cesium, dan pemeras hidrogen). Ketiga
jenis ini mengandung osilator kuarsa internal yang terkunci pada frekuensi
resonansi yang dihasilkan oleh atom yang diminati. Mengunci osilator kuarsa ke
frekuensi atom sangat menguntungkan. Sebagian besar faktor yang menurunkan
kinerja jangka panjang dari osilator kuarsa hilang, karena frekuensi resonansi
atom jauh kurang peka terhadap kondisi lingkungan daripada frekuensi resonansi
kuarsa. Akibatnya, stabilitas jangka panjang dan ketidakpastian osilator atom jauh
lebih baik daripada osilator kuarsa, namun stabilitas jangka pendeknya tidak
berubah.
6. Osilator Rubidium
Osilator Rubidium menawarkan rasio harga / kinerja terbaik dari setiap
osilator. jauh lebih baik dari pada osilator kuarsa dan harganya jauh lebih
sedikit daripada osilator cesium. Osilator rubidium beroperasi pada frekuensi
resonansi atom rubidium (87Rb), yaitu 6,834,682,608 Hz. Frekuensi ini disintesis
dari frekuensi kuarsa yang lebih rendah (biasanya 5 MHz) dan frekuensi kuarsa
dikemudikan oleh resonansi rubidium. Hasilnya adalah sumber frekuensi yang
sangat stabil dengan stabilitas kuarsa jangka pendek, namun stabilitas jangka
panjang jauh lebih baik.
7. Osilator Cesium
osilator Cesium adalah standar frekuensi utama karena SI kedua didasarkan
pada frekuensi resonansi atom cesium (133Cs), yaitu 9,192,631,770 Hz. Ini
berarti bahwa osilator cesium yang bekerja dengan benar harus sangat dekat
dengan frekuensi papan namanya tanpa penyesuaian apapun, dan seharusnya tidak
ada perubahan frekuensi akibat penuaan. Skala waktu yang diikuti oleh semua negara
besar, Coordinated Universal Time (UTC), diturunkan terutama dari rata-rata
kinerja ansambel besar osilator cesium.
8. Hidrogen Maser
Masker hidrogen adalah standar frekuensi yang paling rumit dan termahal
yang tersedia secara komersial. Kata "maser" adalah singkatan dari
Microwave Ampli fi kation oleh Stimulated Emission of Radiation. Maser
menurunkan frekuensinya dari frekuensi resonansi atom hidrogen, yaitu
1,420,405,752 Hz. Ada dua jenis pemeras hidrogen. Tipe pertama, maser aktif,
berosilasi secara spontan dan osilator kuarsa terkunci dengan osilasi aktif
ini. Tipe kedua, maser pasif, frekuensi-mengunci osilator kuarsa ke referensi
atom. Teknik "pasif" juga digunakan oleh osilator rubidium dan
cesium. Karena maser aktif menurunkan
frekuensi output lebih langsung dari resonansi atom, mereka memiliki
stabilitas jangka pendek yang lebih baik daripada maser pasif. Namun, kedua
jenis maser memiliki stabilitas jangka pendek yang lebih baik daripada osilator
cesium. Meski begitu, ketidakpastian frekuensi maser masih lebih besar daripada
osilator cesium karena operasinya lebih kritis tergantung pada seperangkat
kondisi lingkungan yang kompleks.
9. Standar Transfer
kalibrasi frekuensi membandingkan perangkat yang diuji (DUT) menjadi
referensi. DUT biasanya osilator kuarsa, rubidium, atau cesium. Rujukannya
adalah osilator dengan kinerja lebih tinggi dari pada DUT atau standar transfer
yang menerima sinyal radio. Semua standar transfer menerima sinyal yang
memiliki osilator cesium pada sumbernya, dan sinyal ini memberikan frekuensi
yang diturunkan dari cesium ke pengguna. Ini menguntungkan banyak pengguna,
karena osilator cesium mahal untuk dibeli dan dirawat, dan tidak semua
laboratorium kalibrasi mampu membelinya. Satu-satunya cara praktis untuk
melakukan ini adalah dengan membandingkan cesium dengan standar transfer.
Standar transfer juga memberikan ketertelusuran. Sebagian besar standar transfer
menerima sinyal yang dapat dilacak pada standar frekuensi nasional yang
dikelola oleh NIST.
Beberapa sinyal radio memiliki variasi jalur yang sangat jelas sehingga
tidak sesuai untuk kalibrasi frekuensi tinggi. Untuk menggambarkan hal ini,
perhatikan siaran sinyal dari WWV, yang terletak di Fort Collins, CO. WWV
adalah stasiun radio HF (sering disebut stasiun gelombang pendek) yang mentransmisikan
pada 2.5, 5, 10, 15, dan 20 MHz. WWV mengacu pada standar frekuensi nasional di
NIST, namun pada saat sinyal sampai ke receiver, sebagian besar potensi
kinerjanya telah hilang. Sebagian besar pengguna gelombang pendek menerima
gelombang langit, atau bagian dari sinyal yang bergerak sampai ke ionosfer dan
dipancarkan kembali ke Bumi.
10. WWVB
Salah satu stasiun tersebut adalah WWVB, yang dioperasikan oleh NIST. WWVB
mentransmisikan 60 kHz dari situs yang sama dengan WWV di Fort Collins, CO
Sinyal yang saat ini mencakup sebagian besar Amerika Utara. Tingkat Pelacakan
yang Disediakan oleh Berbagai Standar Transfer Standar transfer Ketidakpastian
frekuensi selama periode pengukuran 24 jam (sehubungan dengan NIST) Penerima HF
(WWV dan WWVH) ± 1 × 10-7 penerima LF (LORAN-C dan WWVB) ± 1 × 10-12 Penerima
Posisi Global (GPS) Receiver ± 5 × 10-13 Meskipun jauh lebih stabil daripada
jalur HF, panjang jalur WWVB dipengaruhi
oleh kondisi lingkungan di sepanjang jalur dan perubahan harian dan
musiman. Panjang jalur penting karena sebagian sinyal bergerak sepanjang ground
(gelombang darat) dan bagian lain dipantulkan dari ionosfer (gelombang langit).
Jalan landwave jauh lebih stabil daripada jalur skywave. Jika jalurnya relatif pendek
(kurang dari 1000 km), penerima mungkin terus melacak sinyal gelombang udara
karena selalu tiba terlebih dahulu. Untuk jalur yang lebih panjang, campuran
gelombang darat dan gelombang langit diterima. Dan di atas jalan yang
sangat panjang, gelombang udara bisa menjadi sangat lemah sehingga hanya mungkin
bisa menerima gelombang langit. Penerima WWVB memiliki beberapa keunggulan saat
digunakan sebagai standar transfer. Biaya rendah dan mudah digunakan, dan sinyal
yang diterima langsung dapat dilacak ke NIST. Dengan sistem penerima dan antena
yang baik, seseorang dapat mencapai ketidakpastian frekuensi ± 1 × 10-12 dengan
rata-rata selama 1 hari.
11. LORAN-C
LORAN-C adalah sistem radionavigasi yang beroperasi di band LF. Sebagian
besar sistem dioperasikan oleh Departemen Perhubungan A.S. (DOT), namun
beberapa stasiun dioperasikan oleh pemerintah lain. Sistem terdiri dari
kelompok stasiun yang disebut rantai. Setiap rantai memiliki satu stasiun induk
dan dua sampai lima stasiun sekunder. Stasiun beroperasi pada daya tinggi,
biasanya 275 kW sampai 800 kW, dan disiarkan pada frekuensi pembawa 100 kHz
menggunakan pita 90 kHz sampai 110 kHz. Karena semua rantai LORAN-C menggunakan
frekuensi pembawa yang sama, rantai mengirimkan pulsa sehingga
masing-masing stasiun dapat diidentifikasi. Setiap rantai mentransmisikan kelompok
pulsa yang mencakup pulsa dari semua stasiun individual.
