Zakład Techniki Cyfrowej – Nauka i badania

Efektem realizacji projektu jest opracowanie unikatowego, zaawansowanego technologicznie, autonomicznego systemu wysokorozdzielczej metrologii czasu i częstotliwości, w skład którego wchodzą:

Wielokanałowy licznik czasu i częstotliwości MTC 108

Precyzyjny generator odcinków czasu TIG 101

Programowalny dystrybutor sygnałów PDA 0816D

Opracowany system umożliwia przede wszystkim

1 wytwarzanie wzorcowych odcinków czasu w szerokim zakresie;

2 jednoczesne wysokorozdzielcze pomiary odcinków czasu pomiędzy sygnałami z wielu źródeł;

3 precyzyjne pomiary częstotliwości;

4 określenie stabilności źródeł częstotliwości, w szczególności atomowych źródeł referencyjnych;

5 dystrybucję wzorcowych sygnałów czasu i częstotliwości, elektrycznych i optycznych, do wielu odbiorników.

Opracowany system jest obecnie jedynym na świecie kompletnym i zunifikowanym zestawem do metrologii czasu i częstotliwości o tak wysokich parametrach (m.in. pikosekundowej precyzji) i szerokiej funkcjonalności. Głównym obszarem zastosowań systemu są laboratoria zajmujące się wytwarzaniem i dystrybucją wzorcowych sygnałów czasu i częstotliwości. Jednakże każde z urządzeń może pracować niezależnie, co znacznie rozszerza zakres potencjalnych zastosowań między innymi w wielu dziedzinach nauki (fizyka jądrowa, astronomia, geodezja) i techniki (nawigacja satelitarna, telekomunikacja, optoelektronika, przemysł półprzewodnikowy i komputerowy). Prototypowy egzemplarz licznika MTC 108 już znalazł zastosowanie w Poznańskim Centrum Super-komputerowo-Sieciowym afiliowanym przy Instytucie Chemii Bioorganicznej PAN.

System był prezentowany na:

• 8 wystawach tematycznych, w tym 2 towarzyszących najbardziej prestiżowym na świecie konferencjom w dziedzinie metrologii czasu i częstotliwości, tj.: Precise Time and Time Interval Systems and Applications Meeting i EuropeanFrequency and Time Forum,
• 7 Międzynarodowych Wystawach Wynalazków, gdzie zdobył w sumie 6 medali (4 srebrne i 2 brązowe), nagrodę specjalną oraz wyróżnienie.

W ramach prac nad systemem Zespół opracował:

• 11 publikacji w renomowanych czasopismach, w tym 3 artykuły z listy filadelfijskiej,
• 14 referatów na konferencjach i seminariach.

Zarówno cały system, jak i poszczególne przyrządy zostały objęte ochroną prawa własności przemysłowej poprzez zgłoszenie

• 4 wspólnotowych wzorów użytkowych.

Działanie systemu zostało zweryfikowane eksperymentalnie, a wyniki badań oraz budowę opisano w licznych raportach badawczych, materiałach reklamowych, ulotkach oraz instrukcjach użytkownika i programisty, dzięki czemu system jest gotowy do wdrożenia.

Dodatkowe, bardziej szczegółowe informacje o urządzeniach

• Fundamentalne dla systemu pomiary odcinków czasu realizowane w liczniku MTC 108 wykonywane są w szerokim zakresie pomiarowym (> 1 godz.) z bardzo wysoką precyzją (< 4.5 ps) i dużą szybkością powtarzania pomiarów (do 91 mln pom./s) w ośmiu niezależnych kanałach pomiarowych. Uzyskanie pikosekundowej precyzji pomiaru możliwe jest dzięki zastosowaniu nowoopracowanej metody kodowania czasowo-cyfrowego, wbudowanego atomowego wzorca częstotliwości oraz zintegrowanego układu automatycznej kalibracji. Pomiary częstotliwości również wykonywane są w bardzo szerokim zakresie (do 3.5 GHz) i z wysoką rozdzielczością (12 cyfr znaczących). Funkcjonalność licznika MTC 108 zwiększają dodatkowo tryby pomiaru stabilności krótkookresowej źródeł sygnałów zegarowych (dewiacja Allana ADEV) i szacowania jakości tych sygnałów (błąd przedziału czasu TIE, dewiacja czasu TDEV)
• Generator TIG 101 jest źródłem wzorcowych odcinków czasu, które generowane są z ultra niskim rozmyciem czasowym (< 5 ps), w oparciu o dedykowaną metodę zliczania okresów sygnału z dynamicznym przesuwem fazy. Dodatkowo generator może być źródłem fali prostokątnej o precyzyjnie regulowanej częstotliwości (z krokiem 1 mHz).
• Sygnały wytworzone w systemie lub/i pochodzące z innych źródeł mogą być dystrybuowane z użyciem rozdzielacza PDA 0816, zarówno w postaci elektrycznej jak i optycznej, jednocześnie do 16 odbiorników. Różnice opóźnień pomiędzy poszczególnymi wyjściami są precyzyjnie korygowane do wartości poniżej 500 ps.

Artykuły naukowe

1. R. Szplet, P. Kwiatkowski, Z. Jachna, K. Różyc: An 8-Channel 4.5 ps-Precision Timestamps-Based Time Interval Counter in FPGA chip, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, (wysłany do publikacji)
2. R. Szplet, P. Kwiatkowski, K. Różyc, Z. Jachna, T. Sondej, M. Sawicki: High-precision multi-channel multi-function stand-alone time/frequency counter, Review of Scientific Instruments, (wysłany do publikacji)
3. P. Kwiatkowski, K. Różyc, M. Sawicki, Z. Jachna, R. Szplet: 5 ps jitter programmable delay/frequency generator, Metrology and Measurement Systems, (wysłany do publikacji)
4. K. Różyc, P. Kwiatkowski, M. Sawicki, Z. Jachna, R. Szplet: A multichannel programmable distribution amplifier, Measurement Automation Monitoring, Vol. 61, nr 7, 2015, str. 314-316
5. D. Sondej, R. Szplet: A study of the effect of temperature changes on the interpolating time counter, Measurement Automation Monitoring, Vol. 61, nr 7, 2015, str. 302-304
6. T. Sondej, M. Sawicki, R. Szplet: An autonomous microcontroller system for controlling a multi-channel time counter, Measurement Automation Monitoring, Vol. 61, nr 7, 2015, str. 305-307
7. D. Sondej, R. Szplet: A comparison of methods for time-to-digital conversion based on independent coding lines and multi-edge coding, Proc. 22nd International Conference Mixed Design of Integrated Circuits and Systems, Toruń, Poland, 2015, pp. 243-247
8. K. Różyc, R. Szplet, P. Kwiatkowski, M. Sawicki, Z. Jachna: Wielokanałowy modułowy licznik czasu z użyciem układów programowalnych, Pomiary Automatyka Kontrola, Vol. 60, nr 7, 2014, str. 432-434
9. P. Kwiatkowski, R. Szplet, Z. Jachna, K. Różyc: Scalony licznik czasu z użyciem stempli czasowych i interpolacji dwustopniowej, Pomiary Automatyka Kontrola, Vol. 60, nr 7, 2014, str. 435-437
10. K. Chmielowiec, Z. Jachna: Kontroler komunikatów SCPI do scalonego licznika czasu i częstotliwości, Pomiary Automatyka Kontrola, Vol. 59, nr 8, 2013, str. 806-808
11. R. Szplet, P. Kwiatkowski, K. Różyc, Z. Jachna, T. Sondej, M. Sawicki: Timestamps-Based Multichannel Time Interval Counter, Proc. ION PTTI2013, Bellevue, USA, str. 158-162

Konferencje

1. R. Szplet, Z. Jachna, K. Różyc, P. Kwiatkowski, T. Sondej, M. Sawicki: Wielofunkcyjny system pomiarowy do precyzyjnej metrologii czasu i częstotliwości, XXXIII Spotkanie Międzylaboratoryjnej Grupy ds. Porównań Krajowych Wzorców Czasu i Częstotliwości, Poznań, 26-27 października 2015
2. D. Sondej, R. Szplet: A study of the effect of temperature changes on the interpolating time counter, The 18th Conference on Reconfigurable Ubiquitous Computing RUC 2015, Szczecin, 17-18 września 2015
3. T. Sondej, M. Sawicki, R. Szplet: An autonomous microcontroller system for controlling a multi-channel time counter, The 18th Conference on Reconfigurable Ubiquitous Computing RUC 2015, Szczecin, 17-18 września 2015
4. K. Różyc, P. Kwiatkowski, M. Sawicki, Z. Jachna, R. Szplet: Multichannel programmable distribution amplifier, The 18th Conference on Reconfigurable Ubiquitous Computing RUC 2015, Szczecin, 17-18 września 2015
5. D. Sondej, R. Szplet: A comparison of methods for time-to-digital conversion based on independent coding lines and multi-edge coding, 22nd International Conference Mixed Design of Integrated Circuits and Systems, Toruń, 25-27 czerwca 2015
6. R. Szplet, Z. Jachna, K. Różyc, P. Kwiatkowski, T. Sondej, M. Sawicki: Wielokanałowy licznik czasu, XXXII Spotkanie Międzylaboratoryjnej Grupy ds. Porównań Krajowych Wzorców Czasu i Częstotliwości, Toruń, 17 grudnia 2014
7. D. Sondej, R. Szplet: A combination of multi-edge coding and independent coding lines for time-to-digital conversion, 24th International Conference on Field Programmable Logic and Applications (FPL), Munich, Germany, September 2-4 2014
8. R. Szplet, P. Kwiatkowski, K. Różyc, M. Sawicki, Z. Jachna: Modular Time Interval Counter, 28th European Frequency and Time Forum EFTF 2014, Neuchatel, Szwajcaria, 23-26 czerwca 2014
9. A. Czubla, R. Osmyk, P. Szterk, P. Krehlik, Ł. Śliwczyński, R. Szplet, Z Jachna, K. Różyc: Verification of TIC Characteristics for Precise Optical Fiber Time Transfer Links, 28th European Frequency and Time Forum EFTF 2014, Neuchatel, Szwajcaria, 23-26 czerwca 2014
10. P. Kwiatkowski, R. Szplet, Z. Jachna, K. Różyc: Scalony licznik czasu z użyciem stempli czasowych i interpolacji dwustopniowej, XVII Konferencja Naukowa Reprogramowalne Układy Cyfrowe RUC 2014, Szczecin, 29-30 maja 2014
11. K. Różyc, R. Szplet, P. Kwiatkowski, M. Sawicki, Z. Jachna: Wielokanałowy modułowy licznik czasu z użyciem układów programowalnych, XVII Konferencja Naukowa Reprogramowalne Układy Cyfrowe RUC 2014, Szczecin, 29-30 maja 2014
12. R. Szplet, P. Kwiatkowski, K. Różyc, Z. Jachna, T. Sondej, M. Sawicki: Timestamps Based Multichannel Time Interval Counter, 45th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting, Bellevue, Washington, USA, 2-5 grudnia 2013
13. Z. Jachna, R. Szplet, K. Różyc, P. Kwiatkowski: Kalibracja dynamiczna wielokanałowych interpolacyjnych liczników czasu, XXXI Spotkanie Międzylaboratoryjnej Grupy ds. Porównań Krajowych Wzorców Czasu i Częstotliwości, Zielonka, 27 listopada 2013
14. K. Chmielowiec, Z. Jachna: Kontroler komunikatów SCPI do scalonego licznika czasu i częstotliwości, XVI Konferencja Naukowa Reprogramowalne Układy Cyfrowe RUC 2013, Szczecin, 23-24 maja 2013

1 Srebrny medal za opracowanie Wielofunkcyjnego systemu pomiarowego do precyzyjnej metrologii czasu i częstotliwości, Międzynarodowa Wystawa Innowacji, Badań i Nowych Technologii BRUSSELS EUREKA 2015, 21.11.2015, Bruksela, Belgia

2Srebrny medal za opracowanie Wielofunkcyjnego systemu pomiarowego do precyzyjnej metrologii czasu i częstotliwości, Międzynarodowe Targi Wynalazczości SIIF, 26-29.11.2015, Seul, Korea Południowa

3Brązowy medal za opracowanie Wielofunkcyjnego systemu pomiarowego do precyzyjnej metrologii czasu i częstotliwości, 9. Międzynarodowa Warszawska Wystawa Wynalazków IWIS, 12-14.10.2015, Warszawa, Polska

4Srebrny medal za opracowanie Wielofunkcyjnego systemu pomiarowego do precyzyjnej metrologii czasu i częstotliwości, 26. Międzynarodowa Wystawa Wynalazków - ITEX, 21–23.05.2015, Kuala Lumpur, Malezja

5Srebrny medal za opracowanie Wielofunkcyjnego systemu pomiarowego do precyzyjnej metrologii czasu i częstotliwości, 43. Międzynarodowa Wystawa Wynalazczości, Nowoczesnej Techniki i Wyrobów - Geneva Inventions, 15–19.04.2015, Genewa, Szwajcaria

6Brązowy medal za opracowanie Wielokanałowego analizatora czasu i częstotliwości, Międzynarodowe Targi Wynalazczości SIIF, 28.11– 01.12.2014, Seul, Korea Południowa

7Wyróżnienie od Malaysian Association of Research Scientists za opracowanie Wielokanałowego analizatora czasu i częstotliwości, Międzynarodowe Targi Wynalazczości SIIF, 28.11–01.12.2014, Seul, Korea Południowa