2016年01月11日

GPSDO

今月号のトランジスタ技術でGPS電子工作という特集記事が掲載されています。
当局が、高精度病に罹って色々と大変お世話になっている加藤OM製作のGPSDOもかなりのページを割いて掲載されています。
製作記事のみならず、設計の考え方、部品の調達、参考価格、製作結果の性能の測定結果まで至れり尽くせりの記事ではなかったかと思っております。

当局も、1昨年の夏より色々苦悩の日々を過し、その年の年末にはその経過を振り返った年末の挨拶をさせていただきました。

http://blog.toshnet.com/article/109203991.html

昨年はMDAなる新しい評価装置も入手させていただき、XTALやTCXO、OCXO、ルビジウムなどの周波数安定度の比較を年末に纏めて掲載させていただきました。

http://blog.toshnet.com/article/170983229.html

GPSDOについては、まだあまり整理できていなかったので掲載しなかったのですが、トラ技に特集が組まれたこともあり、当局なりに製作したり、購入したボード等の状況を掲載したいと思います。

一昨年製作したGPSDOは上記URLの通りですが、これは信号源としてルビジウム発振器を使用したものです。
現時点の当局の基準信号源となっています。
これを自分で測定した状況が以下の写真です。

(1)GPSDO ルビジウム信号源(LPRO-101)

GPSDO LPRO-101 表.jpg
秋葉原で購入した中古計測器アダプタのケースを利用して作ったものです。
製作以来、殆ど電源OFFすることなく24時間で動いています。

GPSDO LPRO-101.jpg
自分の信号を周波数カウンタの基準信号として自分自身の周波数を測っています。


自分自身を基準にしていますが、ふらついています。とは言っても、この動画では僅か200μHzです。
測定誤差、基準信号であるルビジウムもふらついていますからこんなものでしょう。

GPSDO LPRO-101 MDA.jpg
MDAでの評価です。自分自身を測っていますが、周波数センターはぴったり合っていません。
と言っても、僅か21.9μHzの差です。
標準偏差も778μHzととても優秀だと思います。

(2)GPSDO Morion OCXO カウンタ方式

これは、OCXOの周波数誤差を周波数カウンタと同じようにカウントして、その後差分を少しずつOCXOを補正制御して周波数を合わせこむ方式です。
周波数カウントはマイコンでも良いのですが、どうも信用ならなくて同期式のカウンタでカウントするH/W方式としました。
と言っても、すべてをカウントするのではなく、最後の8bit分(約±70mHz)だけをカウントしてマイコンに取り込み誤差補正しました。
0.001Hzをカウントするのに1000秒かかり、周期はその倍になっています。
これができるのは、OCXOがダブルオーブンでこれくらいの時間は非常に安定していることで実現できるものです。
制御端子からの周波数可変範囲はもっと広いのですが、そんなに広く制御する必要はないし、制御電圧を作るマイコンのPWM出力が10bitと粗い為、可変範囲を狭くするように回路を組んで対応しました。

GPSDOカウンタ方式表.jpg
まだS/Wは未完ですが、GPSの時刻情報も取り込んで正確な時計としても使えるように表示しています。

GPSDOカウンタ方式裏.jpg

GPSDOカウンタ方式内部.jpg
高精度を実現するのにノイズ源となるスイッチング電源まで組み込んでどうかと思いましたが、電源とアンテナの接続だけで使えるので便利です。今のところノイズ影響はないのかな?と思っています。

GPSDOカウンタ方式.jpg


ルビジウムより動いていますが、これまでの評価では一番安定していると思っています。
周波数が飛び跳ねる現象も見られません。

GPSDOカウンタ方式 MDA.jpg
周波数センターも良く合っていますし、標準偏差も933μHzとルビジウム相当の結果が得られています。

GPSDOカウンタ方式オシロ.jpg
4分配器を入れていますが50Ω終端で約1.2Vの正弦波出力です。

(3)GPSDO Symmetricomボード

このボードは一昨年あたりから中古が出回り始めているようで、これらを使ったサイトはあまり見かけませんでした。
携帯基地局の基準信号源として有名なHPのZ3801などがありますが、これらのボードはそれらの第2世代機ではないかと推測しております。非常に小型になっていますし消費電力も下がっています。
メーカーサイトでは最新式は更に小型になっているのが見られます。
価格も安くはありませんがそれほど高いわけではなかったので、人柱と思いながら購入してみました。
6V動作となっており、アンテナをつなげば10MHzと1PPS信号が出てきます。
何せ情報が少なくて苦労しましたが、何とか動かせました。

Symmetricom 表.jpg
動作状態を示すLEDをつけようと穴を空けてます。基板から線を引き出す必要があります。

Symmetricom 裏.jpg
これは、手持ちの薄型ケースに入れましたので電源は外付けのACアダプタを使用しています。
RS-232Cの出力を持っており、内部の情報をターミナルソフトで読み出すこともできます。

Symmtericom 内部.jpg

Symmetricom.jpg


30秒の動画では約2mHz強の動きしかありませんが、長時間見ていると±5mHz程度は動いているのが観測できます。
サイト情報によればCDMAの基地局の周波数精度は、5×10~8だそうなので、これで十分だと言うことになります。(正しい情報かは?です)

Symmetricom MDA.jpg
標準偏差は1.8mHzなのでそれほど悪くありませんが、中心が鋭くとがっていますので、中心周波数にいる時間が短いと言うことになります。

自分で作ったものより、中古とは言え業務用で使用されているものの方が信頼できるだろうと思ったのですが、これより性能の良いものを見てしまうと若干物足らなくなってしまいます。
普通はこれで十分な基準信号源となりえますからね!中古OCXO 2個分で10~9台の信号源が手に入ります。
これで不満足なのが高精度病たる所以なのでしょう(笑)
このボードには、昨年末に結果としてたどり着いただけで、最初に知っていればこれで終わったのかもしれませんが。


これ以外にも、位相差方式や、PICで作られた海外のカウンタ方式なども検討中なのですが、まだまだ中途半端でご紹介には至りません。
加藤OMも記事で参考にされていたG3RUH局のPLL方式も作ったことがありましたが、安定度は2桁ほど悪かったと記憶しています(当局の作り方が悪かったのでしょう)。
今回、加藤OMは±0.001ppmを実現されていますので、当局もやってみたいと思います。

基準信号は一つあればいいのではないかと思われるかもしれませんが、やり始めるとなかなか奥が深くのめり込んでしまっています。
これ以上の精度を得ようとするとセシウム信号源等と言うことになるかと思いますが、非常に高価で手が出ません。よって、これ以上の性能を測る手段がありませんので、高精度病もこれくらいで完治になろうかと感じ始めてはいます。
アラン分散やら位相ノイズやらも測ってみたいとは思うのですが.......




posted by ja6irk at 16:09| Comment(4) | TrackBack(0) | QRP-HomeBrew

2016年01月04日

初仕事

IMG_0258.JPG

今年は非常に暖かい良いお天気の3が日でしたが、あっという間に終わりました。
いつまでも謹賀新年というわけにもいかないので、今年の初仕事を掲載します。
一昨年来、高精度病に罹って色々実験を繰り返していたのは、これまでの記事のとおりですが、周波数精度を観測するのには、周波数カウンタがまず必要な測定器となり、当然、これまで持ち合わせていなかった桁数の多い周波数カウンタの中古品を購入しました。(元々、1Hz台まで測れる校正された周波数カウンタを持っていなかったことから、高精度病に罹患してしまったのですが)
Agilent(旧HP)の53181という周波数カウンタです。
ゲートタイム2秒で12桁(10MHzの場合、100μHz)まで測れるものです。
これは、単なる周波数カウンタではなくて、任意のゲートカウントでの(例えばN=100)平均値やMAX、MIN、標準偏差まで計算して求めてくれる優れものです。
普通ならこれで十分なのですが、どうも高精度を扱っている人々は、この53181ではなく、53132、53131というのが標準でよく使用されているらしいと知って、無性に欲しくなってしまいました。
名称も周波数カウンタではなくて、ユニバーサルカウンタになっています。入力が2つになっていて2つの信号の時間差なども測れるようです(当局の場合いらない機能なのですが)。
それ以外の差が何なのかはよくわからず、中古品でも比較的高価なものですが、安物を見つけてポチってしまったのです。
ところが、安物買いの銭失い、とは言ったもので安過ぎたのか(それでも結構高かった)電源は入るものの初期テストでエラーが出て測定できません。ショックを受けてそのままほおってあったのですが、もし2台目も動作不良でも2台あったら1台くらい修復できるだろうと、また同じようなものをポチってしまったのです。
それで写真のように、12桁カウンタが3台にもなってしまったのです。
しかし、ラッキーなことに3台目は動いていました。
その状態で年を越してしまったのですが、今年の初仕事は動作不良の1台の修復でした。
初日早々、中古のゴミだらけの測定器を開いて(といってもこの測定器は主要基板が3枚しかありません)、
まず電源基板の電圧を測って比較しました。異常ありません。でも、と思い、電源基板を入れ替えてみました。
なんと動くではありませんか。
電源基板の出力電圧に差はありません。おかしいなと思い、実装した状態で電圧を測るとなんと-12Vが小さい値になっていました。負荷をかけるとレギュレータがちゃんと動作していないようです。
基板の電圧を測ったときは、基板をはずして無負荷の状態で電圧を測っていたので気づかなかったのです。
レギュレータの回路を基板で追っかけたら、3端子レギュレータでの簡単な回路でした。
-15Vの3端子は沢山持っているのですが、-12Vがあるかと家捜ししたら、1個だけありました。(正月早々秋葉原に行かなくてすみました)
これを交換したら、無事修理完了、動作不良だった53131も無事動作品に変わりました。
2台の53131は古い製品ですので長時間使用されていたせいか、FANの音がうるさくなっていました。こちらもたまたま保有していた同形状(40mm角)のFANがありましたので2台とも交換してとても静かになりました。
一番上が、自分の基準信号を、下2台がルビジウム信号源を測定した値を表示しています。
53131を購入してわかったのですが、周波数カウンタとしては53181と同じ性能であることがわかりました。
ゲートカウント2秒で12桁表示です。更に高い53132はゲートカウント1秒で12桁精度が出せるようです。それ以外は保有していないので良くわかりません。しかし、そこまで必要ないあな〜というのが実感です。
12桁カウンタが3台並ぶと壮観ですが、3台あっても場所を取るだけなのでそのうち2台は処分しようと考えています。
最初に購入した53181がAgilent製で(2台の53131はHP製)新しく綺麗でもあるのですが、残すならやはり悩んだ分もあるので53131かな!?と考えています。
今年の正月の初仕事でした。


posted by ja6irk at 11:09| Comment(2) | TrackBack(0) | QRP-HomeBrew

2016年01月01日