Nixie Tube, Miniature Atomic Clock, Frequency measurement, Clock. - Part D (AC waveform measurement)

市電頻率一向是我很有興趣的一個觀測對象，理由是讀歷史資料的時候看到了兩種對於市電頻率衝突的描述。有一種說法是市電頻率非常的精確，很多工業用的計時基準跟同步裝置甚至是直接用了市電。另外一種則是指市電頻率可以觀測到當下供電端跟受電端平衡，當供給大於需求的時候頻率上升，反之下降。所以既然都入手了原子鐘要來做時間基準，當然是想辦法塞進監控AC頻率來看看到底頻率變化是長甚麼樣子。

測量AC頻率最基本的方式就是Zero-Crossing觸發，然後再透過外部的MCU/FPGA計算每次觸發之間的時間間隔來計算。Onsemi有一份App Note真的不錯，第一版的電路就是照這個做: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND9282-D.PDF

之後把觸發訊號送到FPGA內的計數器這樣。不過第一版為了簡化供電跟安全考量，沒有直接市電而是透過一個AC變壓器轉成12VAC之後送進去，12VAC在內部轉DC之後降壓。所造成的問題也可想而知，因為原子鐘的耗電量不低，電流量大的狀況下AC整流那一塊的電容跟二極體發熱量不低。

這個是顯示AC的計數器，1/166421 * 10Mhz = 60.088Hz，殘影是因為頻率後面幾位數變化不低

第二版就把AC的訊號跟供電分開，簡化整流的部分，另外為了能夠在比較精確的方式監控Vrms，把第一版的LTC1966換成了直接用ADC測量波形後用軟體計算Vrms。ADC用的是ADS8681，因為SAR架構下可以直接吃正負電的訊號，我也不用另再用OPA處理進來的訊號，而且還有內部的PGA可以調放大倍率。ADC跟FPGA之間透過SPI通訊，採樣速度50Khz，觸發採樣的訊號也是原子鐘出來的，所以可以確保時間的精確度。資料透過RPI計算Vrms，頻率跟資料保存。

軟體很簡化的長這樣，其中比較重要的是Polling是先讀FPGA內FIFO的數量，然後把該數量的資料讀回來。 Polling thread特別讓他獨佔了一個Core，Linux的Schdeular只能用其他三個，然後寫入的部分開了一些Ram Disk的空間寫入，每分鐘定時再把資料搬到NVMe Drive上面。

Polling還有一個需要提到的是SPI在這種高密度的讀寫的時候，如果用的是spidev的介面，由於預設的狀況下系統很容易用到Interrupt Base的處理，這時候就會造成不可預期的時間delay。所以我在/boot/cmdline.txt加了這一行: spi_bcm2835.polling_limit_us=65535，這樣一來就可以確保系統在讀寫SPI的時候會是busy loop的方式等SPI結束。

ADC的校正則是用了一台Keysight 34410A，先校正ADC電壓測量，再來就是直接督插座之後兩邊比對AC Vrms資料

波形大概長這樣

另外多虧這次AC變成純訊號端，把供電接上UPS就可以抓到跳電/停電瞬間的波形:

其實真的很有趣，那時候跳電跳到停電之前就有感覺到燈光閃了一下，波形上就很明顯看到那一段，而且更有趣的是跳電瞬間之後電壓居然比之前高了一點，之後才整個停電。

拉近一點看第一次跳電的話，可以看到在100~200ms之內就幾乎沒電了。

不過直接用ADC採樣的話要抓精確的頻率就需要非常高的採樣頻率，這也是第二版最大的問題，ADC本身是可以跑到1M的，問題在於FPGA。即便是已經單獨給CPU/SPI用Polling，還是很容易掉幾筆資料。我用的FPGA是iCE5LP，算是滿小顆的FPGA，內部並沒有多少的ram block可以給我當FIFO用，而Linux下還是很常遇到數ms的中斷，導致FIFO overflow，加上為了標記每一筆資料的時間，每個Sample都是16bit的timestamp+16bit的ADC value，16bit的timestamp其實很尷尬，為了資料好處理，50Khz的話剛好每一秒timestamp可以歸0，這樣比較容易把資料跟真實時間擺在一起。

總結來說錯估了RPI的SPI通訊的能力跟FIFO的需求，所以沒有設計外部的DRAM只能靠內部太淺的FIFO。還好就是跟好這個FPGA的封裝可以換一個有內建比較大容量BRAM的高效能版本，可能之後rework FPGA替換掉之後再來看速度可以拉到多少。

至於頻率精確度，我大致上能理解為什麼會有兩種說法，問題在於看的是哪個時間平均，如果單純用來推時鐘，那長期下來<4ppm的時間誤差其實也比很多石英震盪器來的精確，但是短時間的誤差會飄很大，如果直接拿這來當PLL的時間基準是不行的。另外很有趣的是市電電壓跟需求量還滿有關的，需求越高，電壓越低(線阻?)

總結來說算是回答了我原本的疑問，接下來就是看有甚麼有趣的市電異常的現象發生了。