QRPな自作の日記　　　　　　　　　　　　　　　　　

早いものです。今年ももう暮れようとしています。
今年も多くのOMさんにお世話になり、大変ありがとうございました。
今年の書き込みは夏以降高精度な基準周波数をいかに作るかに明け暮れていました。
このテーマは、もう何年も前に多くの方が通り過ぎられたテーマのようです。
当局的には、そんな高精度は必要ないからと無視していました。
10Hz以下は問題ないと！
しかし、いざ手持ちの自作周波数カウンタで測りだし、調整を始めたら本当に合っているのか不安になってきました。それは、最近のリグは全て周波数表示がデジタルになっており、これとの差が出てしまって何を調整しているのかわからなくなり不安になったのです。
夏ごろに、GPSの1Hzパルスをゲート信号に使って周波数カウンタを作ったらそこそこ精度のいいものができるよ！と教えていただき早速作ってみました。更に、古いGPS基板TU30-D140には10KHzパルスの出力があり、これを使った10MHzの基準信号を作る古いスタンダードになっている記事も紹介を受け作ってみました。しかし、手持ちのVCTCXOは、秋月の12.8MHzしかありませんでしたのでOSCとしてはこれを使いました。
これらを紹介したのが8月16日の記事です。

http://blog.toshnet.com/article/102455817.html

周波数カウンタは、時間はかかりますが、0.04Hzまで測れるようになっています。
しかし、GPSを基準としているとしても合っているのかどうかがわかりません。
それで、OMさんに精度がわかっているルビジウム信号源を貸していただきました。

ここからが、高精度病の始まりです。
お借りしたルビジウム信号源の周波数は、当然10.00000000MHzと表示されます。時々サンプリング誤差で最下桁が±0.04Hzの表示となります。
秋月のVCTCXOを使った信号源は、ルビジウムと比較すると息を吹きかけただけでふらふらしているのが気になりました。GPSでのカウンタでは、12.80000000MHzではあるのですがどうも短期安定度が悪いようです。
そこで、8月のハムファエでジャンクのOCXOを手に入れました。
これは5MHzのOCXOだったのですが、ちょっとの改造ですぐに出来上がりました。



しかし、これでもルビジウムと比較するとVCTCXOよりはましですが、安定度にはまだ満足できませんでした。
このあたりでやめておけば良かったのですが、ebayでダブルオーブンのOCXOが安く売られているのを見つけ、すぐにポチって入手しました。



この時には既にお借りしたルビジウム信号源は返してしまっておりました。
やはり比較になるものが欲しくなりました。しかし、ルビジウム信号源は最近高級オーディオ用でニーズがあるようで高騰しています。そうした中で、FE5650Aという比較的安価なものをまたebayで見つけ購入しました。
あまりメジャーなモデルではなかったのですが、関西時代にお世話になったOMさんのサイトで使い方が紹介されているのを見つけて、これなら使えるだろうと踏ん切りをつけました。
但し、これは校正されたものではないので安定度は高そうでしたが絶対周波数は良くわからないところがありました。勿論、10E-9位まではあっているという感じでしたが。
このルビジウム信号源を作った時の記事が、10月13日の記事です。

http://blog.toshnet.com/article/104543388.html

ここまできたらやめれば良かったのですが、ルビジウム信号源の短期安定度は10E-11程度と言われており、自作のGPS周波数カウンタでは、4×10E-9までしか読むことができず、ダイレクトカウント方式のため時間がかかります。
こうした折、ヤフオクでアジレントのレシプロカルカウンタが安く出ていると教えていただき、色々聞くとだいぶ安いらしいと言うことで、そこそこの精度の周波数カウンタを作るのが目的だったのに、10E-11が測れ、標準偏差など計算では10E-12まで表示できるカウンタまで購入してしまいました。
￥15K以下だったので結果はとても良い買い物だったと思っています。
しかし、カウンタは基準信号源あってのカウンタですから、これも精度の高い安定な基準信号が必要になります。当然、最初に搭載されている基準信号は目的を達成しませんでした。
このカウンタには外部基準信号源の入力があり、ここにルビジウム信号源を接続しました。絶対値はともかく安定度の測定はできます。
GPIBの端子もあり、周波数の変化をPCに取り込むためにGPIBのI/Fも作りました。
ここからが、測定の嵐です。
ハムフェアで入手したOCXO、秋月のVCTCXO、ebayで購入したダブルオーブンのOCXOとGPSモジュールTU30-D140を使用したGPSDOと　アイテンドーで入手した1980円のGPSモジュールの1Hzを使用したGPSDO（FLL)など時間がかかりましたが、多くのデータが取れました。

代表的なデータとして、ルビジウム信号源FE5650Aを基準信号源としてダブルオーブンのOCXOMV89aを使ったGPSDOの周波数変動を測ったものを掲載します。約1日以上測定したものです。人がいない昼間と人の動きのない深夜に比較的安定していて、人の動きのある時間帯に変動が大きくなっています。
それでも、変動幅として標準偏差で100μHz、最大最小で4〜500μHzといったところでしょうか？！
中心周波数は基準がないのであまり意味を持たないのですが、それでも10MHzに対して1.5mHz程度のズレとなっています。中心周波数のズレは、変動幅を含めて、基準信号源としたルビジウム信号源なのか、OCXO GPSDOなのかは定かではありません。



こうした状況下、大変お世話になっているOMさんに、既に手に入りにくくなっているルビジウム信号源LPRO-101を周波数校正付きで入手していただきました。中心周波数で10MHzに対し、約20μHzしかズレていません。
こうなると100人力です。
既に入手していたルビジウム信号源FE5650Aも調整してしまいました。しかし、ルビジウム同士とは言え、逐次変動していますので、100μHz以下まで合わせるのはとても難しいと言うことがわかりました。
LPRO-101に対し、FE5650Aは約300μHzほど高く調整されています。

入手いただいたLPRO-101は周波数の外部制御端子があり電圧で周波数制御ができるようになっています。
と、言うことは信号源としてルビジウムを使用したGPSDOが実現できると気づき、OCXOの代わりにLPRO-101と入れ替えたGPSDOに改造しました。LPRO-101の周波数可変範囲は0〜5Vの制御電圧で僅か8mHz程度です。
この状態で、先のルビジウム信号源FE5650Aの周波数変動を測ったものが、下記のグラフです。
電源を入れて、10分ほどしてからの周波数収束状況です。次第に10MHzに収束しています。100μHz台の制御には1回の測定で約6時間かかりますので（ダイレクト周波数カウントのため）収束するのに1日以上掛かっています。
変動幅は、標準偏差で50μHz程度、最大最小で300μHz程度でしょうか？！　中心周波数は先に調整した約300μHz程度高くなっています。ちゃんとGPSの1Hz信号を基準に収束制御していると思えます。（おそらく）。



これで、ルビジウムを校正する信号源がなくても、GPSでいつでも正確な10MHzの基準信号を手に入れることができるようになりました。
ルビジウム信号源の短期安定度は10E-11程度と言われていますので、最大最小の変動状況を見ていてもこれ以上の精度を要求したFLL制御は意味がないし、とても難しいと感じています。10μHz台の制御をするには1回で60時間も掛かってしまいますし（笑）
しかし、10μHz台まで読めてしまう周波数カウンがタがあると気になってしまいます。これが、高精度病を悪化させる原因かもしれません。

実際の無線機の調整では1Hzがあわせられれば十分ですし、この半年これだけで十分楽しめたのでこのあたりで終わりにすることにしました。
もしこれ以上追求するとしたら、セシウム信号源を入手するか、高い評価を得ているけど入手難なGPSDO Z3801あたりを入手するかしかないでしょう。勿論、これに対応した測定器も入手しないと何をやっているかわからなくなってしまいます。

折角ここまで詰めたルビジウム信号源によるGPSDOですので、今年最後の自作としてちゃんとケースに入れることにしました。
と、言っても新品は高いしと思っていたら秋葉原のジャン測やでフィルタとうたった測定器が2000円で売っておりこれがケースに使えると買ってきていましたので入れて見ました。2Uのハーフラックサイズで先に購入したAgilentとほぼ同じサイズです。



当然、必要のない穴が空いていますが、糊付きシートにインクジェットプリンタでそれらしく印刷して目隠しとして貼ってあります。これの状態が最初の写真です。


いらない臓物を取り外して、GPSDOとして作り上げた内部（丁度入った）

LPRO-101とヒートシンク（ヒートシンクは日米で540円：LPROはインチねじで手持ちがなかったのでワイヤで仮止め）

出来上がった自作GPSDOのソフトとして、GPSは時々捕捉しなくなるので衛星補足が4個以下の時は、その時の周波数測定データを使用しない、マイコンのEEEPROMに100μHz制御時点のルビジウム制御電圧を記録しておき、次回電源ON時にこのデータを読み出してできるだけ収束時間を短縮する、GPSの時刻データを読み出して、シャックの基準時計とするなどそれなりの工夫もしております。

しかし、ルビジウムと言えども温度変化で周波数は変動しますし、ケース内部温度をも考慮した周波数制御や、LPRO-101からは、ロック状態出力やランプの健康状態を表すランプ電圧などの出力があるのでこれらの表示もできるようにしたいな！とかまだまだ追加で色々やりたいのですが、暫くはこの状態で使用することになると思います。でないと、年が越せません。

2014年　各局さんには大変お世話になりました。
特に、JA9TTT/1　加藤さんには色々とご指南いただきました。
ありがとうございました。

皆様、来る2015年も宜しくお願い申し上げます。