El laboratorio de Tiempo y Frecuencia de la División de Metrología de la Superintendencia de Industria y Comercio tiene como funciones mantener, coordinar, dar la hora legal colombiana y prestar servicios de calibración en las magnitudes de tiempo y frecuencia. Actualmente, la primera función se logra por medio de la interacción de un servidor de tiempo comandado por un patrón primario (oscilador de Cesio); por otra parte, el laboratorio cuenta con otro patrón de Cesio y patrones de referencia (osciladores de Rubidio) como respaldo continuo a la difusión de la hora legal y a la prestación de los servicios de calibración en el país. La calibración de equipos de frecuencia (osciladores, contadores, generadores, etc.) es realizada por medio de la medición de intervalos de tiempo (comparación de fase); para tal efecto, se requiere un contador de intervalos de tiempo o comparador de fase que determine la diferencia de fase existente en unidades de tiempo (segundo – s –) entre la señal de frecuencia patrón y la señal de frecuencia a calibrar. De acuerdo con lo anterior se adquirió un controlador NI PXI-8195 y un digitalizador NI PXI-5105 de 8 canales a una velocidad de muestreo de 60 MS/s que permite bajo el software LabVIEW Real-Time Module la comparación de fase de hasta 8 señales de frecuencia entre sí, de forma simultánea y a diferentes intervalos de tiempo, permitiendo determinar de esta forma las tres características primordiales de las fuentes de frecuencia (osciladores): estabilidad, reproducibilidad y error.
Descripción de la Aplicación
Teniendo en cuenta las especificaciones del reto, la aplicación se define bajo tres (3) tareas concretas: la primera es la adquisición simultánea de las señales de frecuencia de los osciladores conectados al digitalizador en tiempo real; la segunda es efectuar dicha adquisición de forma sincronizada con la hora legal colombiana y la tercera consistente inicialmente en el procesamiento de las señales de frecuencia comparadas para obtener la diferencia de fase entre éstas y luego realizar un procesamiento matemático que permite obtener los valores de error y estabilidad en frecuencia de cada una de las señales comparadas, datos que son registrados y presentados en sus correspondientes informes.
Teniendo como partida un controlador embebido PXI como hardware y Real-Time LabVIEW como software, se opta por realizar la programación con base en la estructura denominada "Timed Loop", ya que ésta estructura permite el desarrollo de una aplicación que se ejecuta en un periodo de tiempo especificado, con capacidad de multitarea, tiempo exacto y retroalimentación en cada ciclo de iteración, entre otros. Lo más relevante radica en el hecho de que este conjunto de hardware y software brinda la posibilidad de diseñar una aplicación caracterizada por constituirse como un sistema determinístico, robusto y compacto cuya aplicación principal opera de forma embebida en el controlador PXI, y la interfaz aplicación – usuario es ejecutada desde un PC con el propósito de monitorear las variables de interés y generar el procesamiento matemático mencionado anteriormente.
La programación para las dos primeras tareas (adquisición de señales de frecuencia y sincronización), se efectúa bajo un esquema de diseño Maestro/Esclavo. Cada tarea se implementa con un diseño Maestro/Esclavo dentro de una estructura Timed Loop independiente. Cabe mencionar que los timed loops se sincronizan en el inicio de la ejecución de la aplicación. La ventaja de programar con una estructura Maestro/Esclavo radica en que inmediatamente después de adquirir las señales de frecuencia y la señal de hora legal, se envía la notificación de iniciar el procesamiento de estos datos, obteniendo la respectiva comparación de fase sincronizada, así como la construcción de las variables compartidas de dicha comparación, que posteriormente se procesan matemáticamente en el PC, determinando las características (error y estabilidad) de los osciladores patrón.
La programación para las dos primeras tareas (adquisición de señales de frecuencia y sincronización), se efectúa bajo un esquema de diseño Maestro/Esclavo. Cada tarea se implementa con un diseño Maestro/Esclavo dentro de una estructura Timed Loop independiente. Cabe mencionar que los timed loops se sincronizan en el inicio de la ejecución de la aplicación. La ventaja de programar con una estructura Maestro/Esclavo radica en que inmediatamente después de adquirir las señales de frecuencia y la señal de hora legal, se envía la notificación de iniciar el procesamiento de estos datos, obteniendo la respectiva comparación de fase sincronizada, así como la construcción de las variables compartidas de dicha comparación, que posteriormente se procesan matemáticamente en el PC, determinando las características (error y estabilidad) de los osciladores patrón.
En tiempo real se monitorea el comportamiento de las señales de frecuencia en cuanto a la diferencia de fase con respecto a una señal patrón de referencia, tal y como se visualiza en la, los valores de las variables del panel frontal (#Dato Actual, Diferencia de Fase) se actualizan de forma sincronizada con la actualización de la hora legal (Hora adquisición en el panel frontal). Los datos anteriores se configuran como variables compartidas (Shared Variable), con lo que se saca provecho de esta opción del Modulo de Real-Time Targets dentro de la programación; es así que la comparación de fase y su respectiva estampilla de tiempo se comparten por un lado para ser leídas y escritas entre los VIs del programa embebido, y otra para ser exclusivamente leídas y procesadas por el PC de monitoreo que se encuentra conectado al PXI por medio de Ethernet.
Conclusión
Las especificaciones propuestas en el reto han sido completadas satisfactoriamente, con las plataformas de desarrollo NI-PXI y LabVIEW Real-Time Module. La programación del comparador de fase simultáneo se ejecuta en tiempo real usando las herramientas, esquemas y estructuras ofrecidas por dichos productos. No obstante, el logro de la aplicación se evidencia en un análisis del alcance de los resultados que se pueden llegar a obtener. Es así, que a partir de un estudio del comparador de fase diseñado y gracias a los elementos hardware y software utilizados, se obtiene que la resolución que puede ser lograda en la medición de fase por parte del sistema es de 10 femtosegundos (fs), valor extremadamente bueno para el tipo de mediciones que en el laboratorio pueden alcanzar fácilmente partes en 10-15.
La adquisición y procesamiento de las señales de frecuencia por medio de la aplicación desarrollada son la base primordial para iniciar un proyecto de gran importancia e impacto a nivel de investigación metrológica en Colombia, el cual consiste en el desarrollo de una escala de tiempo atómica TAI(SIC) que pueda contribuir a la
generación del UTC (Coordinated Universal Time) coordinado por el BIPM (Bureau Internacional de Pesas y Medidas). Este nuevo proyecto requiere otras dos (2) etapas para obtener la escala de tiempo mencionada, una es el desarrollo de un algoritmo de predicción (basado en técnicas de clustering evolutivo) que permita generar un reloj virtual resultante de la comparación de las señales de frecuencia de forma simultánea y en tiempo real (aplicación ya desarrollada y descrita en éste artículo) de n relojes de alta exactitud (Cesios o Máseres de Hidrógeno), de manera que las características de error y estabilidad de la escala de tiempo sean mejores que las de cualquier reloj individual que hace parte de la misma. La otra etapa es el control automático de un AOG (Auxiliary Output Generator), equipo capaz de corregir tanto en fase como en error en frecuencia hasta en partes en 10-19 la señal del reloj primario establecido como referencia para la escala de tiempo. De acuerdo con lo anterior y utilizando la aplicación descrita en el presente artículo se puede desarrollar una escala de tiempo atómica TAI(SIC) mediante la comparación de hasta 8 patrones primarios (relojes); cuyos valores de comparación se traducen en las variables de entrada del algoritmo de predicción mencionado, para que luego el valor resultante de la predicción sea corregido por el AOG. Es así como se evidencia la importancia de la presente aplicación como el punto de partida para alcanzar el gran objetivo de desarrollar la escala de tiempo para Colombia.
Publicacion realizada por: jhony. A bautista. P
CI: 18566744
Asignatura: CRF
Referencias:
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