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のぶみつむこやま
5 years ago
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1 GPS にロックした基準発振器の試作 JA1VCW 1. はじめに測定器の基準周波数として外部から正確な周波数を入力すると測定精度が上がる場合が多くありますそのためになるべく高精度高安定な発振器が欲しいと思いました正確な周波数を得る方法として JJY カラーバースト ( 今は地デジになって不可 ) ルビジウム発振器 GPS などがありますが現実的に GPS にロックする方法にしました周波数は 10MHz やその倍数の周波数発振器が多く使用されます今回は 10MHz としました実現方法など先達がいろいろと発表されていますが今回は試作なので ( いつも試作で終わりますが ) 前記を参考に自分で回路やプログラムを考えましたこの試作が理論的にに正しいかどうかは不明ですが最終的に本稿のような結果が得られました 2. 実現方法 2.1 方法概略いくつかの実現方法がありますが主なものとしては 1)GPS モジュールからの 1pps をカウンタのゲートとして可変水晶発振器の 10MHz の周波数を測定しその測定値が 10MHz ちょうどになるよう発振器の周波数をコントロールします 2)GPS モジュールから数 10kHz のクロックをとりだしてそれを基準周波数として一般的な PLL を構成しそのループフィルタの定数を考慮することによって高純度の 10MHz を得ます今回は次のような理由で前記 a) の 1pps を利用する方法で試作してみようと思いました 1)GPS モジュールのほとんどが 1pps 出力を有していますまた今回使用のモジュールは 1pps 以外の周波数を取り出す方法が ( 方法はあるのかも知れませんが ) 分かりません 2) 比較的良い特性の OCXO( オーブン付き水晶発振器 ) がありました 3) マイコンが余っていました 4) こちらの方が作って面白そうだと思いました 2.2 検討 1)GPS 受信モジュールから得られる 1pps = 1 秒周期の信号は長時間平均すれば精度の高い信号です 1 秒ごとではジッタを有し若干精度が落ちます今回使用したモジュールでは秋月電子製でその取説によると 1pps の確度は 1 秒 ±10ns なので数値にして確度 = ±10ns/1 秒 = ±(1E-8) 程度ですこのモジュールは太陽誘電の [GYSFDMAXB] を使用しています 2) 周波数を 1/N に分周すればジッタは 1/N になるので確度が 1pps に比べて N 倍良くなるはずですこの方法をうまく実現できれば性能向上になります 3) 全体の周波数コントロールは次のように行います 1±10ns 程度のジッタがある 1pps の信号は ±1E-8 程度の確度です 2 それを 200 秒累算して ±5E-11 程度の確度まで上げそれを基準 ( ゲート信号 ) として OCXO の周波数を測定します 3 測定した周波数が 10,000,000.00Hz(2,000,000,000 秒ゲート ) になるよう OCXO をコントロールします 4)10MHz の OCXO を使って高精度を期待しますが OCXO も周波数がわずかながらふらつきますこの短時間のふらつきは補正できません 3) の場合 200 秒に 1 回 OCXO の周波数を補正しますがその間は OCXO の特性で自走しているので OCXO の特性がそのまま現れます 1

2 この 200 秒間のふらつきは実測して ±0.8mHz 以下程度でしたので今回の確度には大きな影響が無いと考えられます OCXO は外部から周波数がコントロールできるタイプを使用します 5) ブロック図は次のようになります GPS module 1pps N 分周器 1/N 1/N Hz ( 今回 N=200) OCXO MHz ゲート Counter 周波数 control 10MHz 出力 12bit DAC 差 * 係数数値比較 MHz 2

3 3. 追加検討さらにもう少し条件や方法を検討します 1)OCXO OCXO は付 1.1 のものを使用します OCXO でかつ周波数が外部電圧でコントロールできます 2)CPU カウンタ CPU には ATmega64 を使用しました理由はこの CPU が手持ちで余っていたためですもっと小さい ATmega328 でも IO 数プログラム容量は十分です ATmega64 では 16bit 2 本のハードウェアカウンタ ( ハードカウンタ ) があるので 1 本を使用しますこのカウンタは CPU クロックの 1/2.5 以下で使用するように取説で指示されています入力部に CPU クロックと同期させる回路が入っているためです CPU クロックは 16MHz なので入力周波数 6.4MHz 以下となります従って 10MHz をカウントするために 1/2 のカウンタを外部に接続します外部のカウンタの出力状態は CPU からリードできる必要があります全体のカウンタは次のように構成されます 1bit( 外部ハードカウンタ )+16bit(CPU 内部ハードカウンタ )+15bit( ソフトカウンタ ) 3) ハードカウンタは外部の 1/2 分周回路を含めて 17bit ありますので 1/ になります 10MHz を入力した時はおよそ 13.1ms ごとに overflow が発生しそれをインタラプトとしてソフトのカウンタをカウントアップします 13ms の間隔がありますのでプログラムは十分対応できます 4)1pps の信号 1pps の信号はモジュール出力の立ち下がりのみが保証されているためそのように使用します 5) 演算の bit 長 BASCOMAVR を使用しますと整数の数値としては Dword 型が最大で 4byte で 32bit 長ですただし数値計算をするので Long 型を使用すると 32bit(long) 2,147,483,647 なので 10MHz をゲート 1 秒でカウントすると 2,147,483,647 /10,000, s までの数値が扱えます 6)DA 変換器 (DAC) は安価な秋月電子の 12bit の I2C でコントロールするタイプを採用しました 12bit が分解能として十分であるかどうかは後で検討しますが現時点ではこれを使用します 7)OCXO の周波数可変端子のドライブには電流が流せる (<2mA) 必要があるので op-amp を使用し且つ Low noise で単一電源のタイプを選びましたただし最大の電源電圧が低いので使用には注意が必要です 8) ロジック IC はスピードやレベルに応じて適当なタイプ (HC,AC HCT など ) を使用しています 9) 出力は 5 回路設けました各出力はサイン波でアイソレートしてあり出力電圧は 3Vp-p@50Ω 程度です出力のバッファアンプは 2SK195 を使用していますあまり馴染みの無い FET ですがなぜか分かりませんがたくさん持っていましたので使いました 10) ケースは壊れたカセットデッキを流用しましたハードオフでケースが適当な大きさで働かない物を買ってきました電源トランスが流用できるかと期待しましたが若干電圧が低くて使用不可 11) ケース内のトランスが使用できませんので外付けの AC コンセントと一体になっている電源を使いましたこれは出力電流によって +13V~+15V 程度までの電圧変動がありますどうやらトランスと整流器 + フィルタ程度の様ですしたがって本体に低損失の 12V のレギュレータを付けました実験してはいませんが SW タイプの電源はノイズを発生する可能性がありますので敬遠しました 4. 確度目標 mhz( ミリヘルツ ) 台を扱うことになりますがどこまで可能かわかりません 200 秒 Gate を使用しますとカウンタの LSB は 0.005Hz になりますので ±1E-9 程度まで行けば上出来と勝手に考えます 3

4 5. ブロック図や概略の動作など 5.1 ブロック図前出のブロック図を現実的なものにします ATmega64 DAC 12bit I2Cbus Drive 用 Buffer-amp DAcontol O 1/2 カウンタソフトカウンタ 15bit 基準発振器 OCXO 10MHz Gate D Q CK *Q cl I 5MHz ハートカウンタ 16bit(Timer1) 76Hz 1pps D Q CK *Q cl Gate コントロール D-FF I I I O O Control 表示器 (LCD) 5.2 概略の動作 1)1pps の N パルス (=N 秒ゲート ) 間 OCXO の周波数をカウントし次の 1 パルス分休んでその時に必要な処理をします従って 1 シーケンスは N+1 秒です 2)Gate コントロールは D-FF を使用して 1pps に同期して open/close します 3)N はプログラムで設定できます N 秒ごとの処理としては 1 カウントしたデータと理論値を比較差分をとります 2 差分から算出した適当な数値を DAC に送ってその分の周波数を補正 3N は 200 以下の任意の数ただし切りの良い数字にしておかないとあとで検算が面倒今回は 200(200 秒ゲート ) で動作させています N パルス = N 秒 N パルス = N 秒 1pps Gate Gate open Gate open 処理 4

5 6. ハードウェアのプログラムによるコントロールこれは私の個人的なメモなので分かりにくいところがあります同じものを作られる方もいないと思いますのでソースプログラムは公開しません 1pps Gate Enucntr n-1 n 0 1 1)1pps の上がりのエッジを検出して a) まず 1pps のカウンタを up するすなわち Enucntr= Enucntr+1 b)enucntr が n になったら Gate を Lo にします 2)1pps の上がりのエッジを検出して a)enucntr が n+1 のとき (n 秒カウントした時 ) b,c,d を行います b) カウンタデータを読み込み c) 理論値との差を算出 d) 差が >0 又は <0 によって DAC にある値を設定することによって OCXO の周波数を修正 e) 次のゲートサイクルのための設定 Enucntr= 0 ハードの初期化ソフトカウンタの設定 etc. f) DFFD を Hi にします 3) 最終的に理論値のカウント数に近づいてその境界あたりを上下します 4) 数値のコントロールは単純に測定値が理論値と同一になるようにしますこの詳細は付 3. に述べます 5) 時々 GPS 受信モジュールからの 1pps のパルスが止まる場合がありますこれは衛星を 4 個以上捉えていない場合に発生しますが実験中ということもあってモジュールの置き場所によって割と頻繁に発生しますこれが発生した時はこの回の測定値を破棄してあらかじめ記憶してあるひとつ前の値 ( カウント値や DAC の数値 ) を採用するようにプログラムします一度 DAC の数値が変わってしまうと元に戻るのに時間がかかりますのでそれを防止します 6) エラー表示について LCD ディスプレイが付いているのでモニタとして内部の状態を表示するようにしました表示フォーマットは気分によって変えてしまうことがありますのでここでは示しませんが a) カウント値 b)dac にセットする数値 c)1pps の累計回数 d) エラーおよび GPS- ロック表示このなかで d) の GPS- ロックにつきましては明確な条件としては良くわからないので付 3. のように行っていますこれが本当に正しいかどうかわかりません GPS- ロック : 現時点では付 3. のようにしてあります ( 変わる可能性もあります ) エラー : 項目 5) が発生した時の累計および前記ロック以外が発生した時の累計を各々表示ロックしないときはエラーカウントが up するのでエラーリセットの押し釦 SW を設けロックしたのちにエラーリセットが可能にしておきますエラーのモニタです 5

6 7) プログラムは AVR のベーシックコンパイラ (BASCOM_AVR) を使用しおよそ 5kbyte でした無償の BASCOM_AVR ではプログラム量の制限にかかってしまいますので正式版が必要です 7. 測定性能を測定してみました 7.1 測定機器測定方法ルビジウム発振器 (Rb 発振器 ) が借用できたのでそれを使用してデータをとります Rb 発振器に関してはいかに Rb 発振器といえども経時変化はあってメーカーやユニットによって個々に変わりますがカタログなどからみると 1 年で 1*1E-10 ~ 5*1E-10 程度は変化するようです恐らく実力値はもっと良いと思われます今回の Rb 発振器は数年校正されていないのでどうなっているかわかりませんしかし現在校正する方法も確度を調べる方法もないのでこの Rb 発振器を測定の基準とします周波数カウンタ (F カウンタ ) は HP-53131A の高精度 option 無のタイプですこの Ext Reference 入力端子に Rb 発振器の信号を入力し周波数を測定します特に断らない限り以後のデータ取りはこの方法で行いますただし一部のデータに Rb 発振器を借用する前のデータがありますこのときの Reference 発振器はアンリツの SSG MG3641A 内蔵の発振器 (OCXO) を使用していました Rb 発振器 F カウンタおよび試作機を 1 日程度通電した後に測定します Reference 発振器 ( ルビジウム発振器又はアンリツ SSG) Ext Reference 10MHz HP-53131A (F カウンタ ) Ch1_input 1MΩ AC High sense 周波数補正試作機オシロスコーププローブ ( 1:1 ) 6

7 7.1.1 測定誤差のチェック Rb 発振器と F カウンタを組み合わせて組み合わせの誤差を測定します図のように接続したときに正しく測定できれば F カウンタには Hz と表示されます測定条件は 1)Rb 発振器 : 10MHz F カウンタ : 10 秒ゲートでカウンタの機能を設定し 100 回測定での min/mean/max を測定 Reference 発振器 ( ルビジウム発振器 ) Ext Reference 10MHz HP-53131A (F カウンタ ) オシロスコープ用プローブ (1:1) Ch1_input (1MΩ) 2) 結果電源 ON => 1 日以上予熱 => 1 回測定その後約 24 時間置いて 2 回目測定しました max (Hz) mean (Hz) min (Hz) max-min 1 回目回目測定系のばらつきは Hz 程度存在しました測定データに対して十分良好なばらつきですのでこれを使用してデータを取ることは問題無いと考えます F カウンタのドリフト 1)F カウンタの影響測定ブロック図 ( 前項 ) で 1 日以上動作させた状態で F カウンタのみ電源を約 1 日間 off した後再投入しその 15 分後から周波数表示値の変化を観測します見やすいように小数点以下のみを記述測定結果の周波数の例として Hz + 下記の値.992 Hz => Hz 2) 結果経過時間 Gate time : 1sec Gate time : 10sec (min) max (Hz) min (Hz) max (Hz) min (Hz) これらの値は十分ウォームアップした時とほとんど変わらないので F カウンタ自体の測定能力は時間によって測定に影響あるような変化はありませんこの F カウンタの測定能力はほぼ外部 Reference の能力だけで決まることが分かりました 7

8 7.2 周波数制御を止めてフリーランの時のデータ測定条件 1) 発振周波数が MHz に近くなる様なコードを DAC にセットしそのまま周波数データを取ります 2)F カウンタは 10 秒ゲートで 100 回測定しその中の max/mean/min( 最大値 / 平均値 / 最小値 ) を測定これらの測定は F カウンタの機能を使用 3)Rb 発振器を F カウンタの Ext Reference に接続して使用 4) 測定間隔は不定で測定者の時間がある時に測定周波数安定状況 (F カウンタ 10 秒ゲート DAC 分解能 0.58mHz 制御無フリーラン ) F カウンタの外部ゲート入力に対して Rb 発振器 (10MHz) を入力 time 周波数 (mhz) (min) max mean min 測定方法秒ゲートで 100 回測定してその中の max/mean/min ( 最大値 / 平均値 / 最小値 ) の値 Fカウンタの機能を使用数値表示 => Hz 周波数 (mhz) max mean min 時間 (min) 2/24 14:40 start この区間での最大値と最小値の差は 6.4mHz でした 8

9 7.3 周波数補正を行ったときの短い時間 ( 数十分 ) 内のデータ測定条件 1) ロックをかけた状態で十分ウォームアップした後にデータを取ります OCXO の周波数補正 (DAC から電圧を与えての補正 ) は 201 秒ごと 2) データの間隔は約 22 秒 3) 周波数は 9,999, Hz からの変移のみ表記例 ) (Hz) 9,999, Hz 4) このとき F カウンタの Reference としてはアンリツの SSG 内蔵の OCXO の出力を使用短時間の出力周波数の変動 DACの分解能が約 0.58mHzの時の様子カウンタのレファレンスはアンリツSSG 内蔵 OCXO (sec) 周波数 (Hz) (sec) 周波数 (Hz) (sec) 周波数 (Hz) (sec) 周波数 (Hz) ( 秒 ) DAC の分解能 ( 0.58mHz) で階段状になっていますこの特性は周波数補正を行っているときの特性です 9

10 7.4 周波数補正を行ったときの長い時間 ( 数時間 ) 内のデータ測定条件 1) 通常の動作状態でのデータです 2)F カウンタは 10 秒ゲートで 100 回測定しその中の max/mean/min( 最大値 / 平均値 / 最小値 ) を測定 2) これらの測定は F カウンタの機能を使用 3)Rb 発振器を F カウンタの Ext Reference に接続して使用 4) 測定間隔は不定で測定者の時間がある時に測定周波数安定状況 (F カウンタ 10 秒ゲート DAC 分解能 0.58mHz) F カウンタの外部ゲート入力に対して Rb 発振器 (10MHz) を入力 time 周波数 (mhz) (min) max mean min 測定方法秒ゲートで 100 回測定してその中の max/mean/min ( 最大値 / 平均値 / 最小値 ) の値 Fカウンタの機能を使用数値表示 => Hz 周波数 (mhz) max mean min 時間 (min) いつ測定しても 89.0~96.0 あたりをうろうろしています 10

11 8. 測定結果 8.1 測定結果 1) 前述の測定結果から Rb 発振器を基準として spec を考えると少し余裕を持たせて 10MHz 誤差 (-8mHz±4mHz) あるいは ( 少し確度が悪くなりますが ) 切り良く 10MHz 誤差 (±12mHz) => ±1.2*1E-9 にしても良いと考えます 2) 本当はデータをパソコンなどに転送できるような方法で長時間テストする必要がありますが今回その方法ができないので spec としては少しお粗末です 3) そうは言っても長いことランニングして安定した状態では前記 spec から逸脱した値は見たことがありません ( 定量的でも客観的でもない観測ですが ) 8.2 測定結果の考察 1) 実際は使い物になるとは思いますほかの方の製作例とくらべてどのようであるかわかりません 2) 誤差の項の ±4mHz はばらつきやドリフトでしょうが -8mHz のオフセットの理由が分かりません次項で考えてみましたがやはりよくわかりませんでした 3) 周波数補正を行っていない場合 (OCXO 単体のフリーラン ) はばらつきもドリフトも穏やかですしかしドリフトは補正を行った時よりも大きい 4) 周波数補正を行って DAC のデータが一定の時 (1pps の信号を累積している間今回は 200 秒間 ) では F カウンタの測定値はほぼ一定 ( バラツキは ±0.8mHz 程度 ) 5) 周波数の補正を止めると一部性能が良くなります 3) 項の様です本来は補正を行っている状態では補正を止めた状態よりも良い特性が得られないといけませんがそこまでに至っていません ( 今回の本当の問題はここです ) 短期安定度は 4) 項このように良いので正しい値からずれた分の少しの周波数の補正をしてやればもっと良く性能が上がりそうですがうまくゆきません 6) 内部補正を行った時に補正用の DAC の分解能 ( 約 0.58mHz)1 カウントしか増減していないのにドリフトと相まって数倍 (1~3) 程度周波数が動くときがあるようです 7)OCXO の設置方向で 0.09Hz 程度ずれましたこれは OCXO の規格内です DAC のカウント値も約 150 カウント程ずれます (150*0.58mHz) そうしますと 20 分とか 30 分とかかかって元に戻ります周波数補正が動作していることが分かります 8) 設置方向を変えると周波数がずれるのは重力の影響だそうですあるメーカーの水晶発振器の使用上の注意に書いてありました 1E-9 程度の変動だそうですしたがって設置状態を変えたらその後安定時間を設けた方が良いと思います定量的にデータを取ったわけではないのでずれの値は不確実ですが必ず発生しました 1pps を使用しない例えば数 10kHz などをリファレンスにした PLL のずれが短時間に補正されるような方式ならば問題ないのでしょうが本機はそうはいきませんこのことは細かい数値の測定をするまで気が付きませんでした 11

12 8.3 8mHz の誤差 ( オフセット ) について 8mHz の誤差は何が原因でしょうか次のような項目にずれが発生している可能性があります 1) 本機の発振周波数 2)Rb 発振器の発振周波数 3)F カウンタの測定値 4)GPS 受信モジュールからの 1pps 1) は設計が不十分で実際に 8mHz ずれている本機のカウンタは 5mHz 分解能なので 8mHz は 1.6 カウント分のオフセットに相当するちょっと微妙 2)Rb 発振器といえど経時変化はある今回の Rb 発振器はおそらく数年は校正はされていないはず Rb 発振器の経時変化は最大 5*10E-11/ 年程度 ( 個体によって違ういくつかのカタログで見てこの程度 ) なので 5 年間ぐらい校正していないとすると 2.5mHz 程度変化している可能性があるがまあ spec に対してのマージンもあるはずなので 1mHz 程度のずれ位はあるかもしれません 3)F カウンタ自体に測定誤差がある又は測定方法に間違いがある可能性だが前出の 7.1 項から考えるとこの可能性は少ない 4) 正確な 1pps を売り物にしているのでもしずれているとしたら部品不良結局一番可能性の高いのが 1) ですが理由が分かりませんアナログ的な要素が入る可能性が少ないのです OCXO をコントローるする DAC あたりがアナログですが帰還ループを閉じれば内部カウント値がカウントになるように制御されているだけのはずですどれが影響しているか調査するためには正確な reference が必要ですもう一台新しい Rb 発振器を用意するか別の GPS ロックの発振器を用意する等が必要です今回はどれも用意できませんので現用の Rb 発振器を基準にし本機が 8mHz ずれているということにしますいつか可能な時までの課題としますそのためにプログラムで offset が加えられるようにしてあります 12

13 9. 感想など 1) 周波数測定の分解能が 0.005Hz で 200 秒ゲートですまた測定には原理的に 1 カウントのばらつきが発生することを考慮に入れると現時点ではこの程度とも考えます実験途中ではゲート時間を変えたりその他実験を行いましたが長いほうが良好のようです 2) 周波数補正をかけた方がフリーランで動作させた時よりも性能が悪いすなわちばらつきやドリフトが大きいなどフリーランといっても DAC の数値を固定しているだけで電気的な系統が変化しているわけではありませんまた周波数補正も系が安定した後は 200 秒に 1 カウント分しか DAC のデータを変えていませんそれにもかかわらずふらりと周波数が変化しますこの状態は実用的には問題ないレベルではありますがちょっと気に入らない点ではあります 3) ちょっと何かを変更すると周波数が落ち着くまで (0.01Hz 台 )10 分オーダーの時間がかかりますなかなかのんびりです 4)GPS 受信モジュールは高感度で室内に放置しておいても通常衛星の必要数 (min4 個 ) 見えていますがまれに必要数の衛星が見えなくなるようなことが発生しますそうしますと 1pps の信号が止まります見えなくなる理由は分かりませんモジュールはアンテナと一体のなのでどんな設置方法が良いか実験する必要があります 5) カウント数が大幅にずれたときにゲート時間を早くしてある程度のところまでおおよそに合わせ目標値に近づいたらゲート時間を延ばして確度を上げてゆくような処理方法もありますが実際に使用するときは長時間電源を入れっぱなしにするので今回は採用していません 6) 今回 DAC は 12bit ですが ATmega64 では CPU 内 16bit のカウンタがあるのでに PWM タイプの 16bit の DAC として使用できます (ATmega328 は 16bit カウンタが 1 本しかないので不可 ) ただし AVR の Basic コンパイラ ( BASCOM_AVR) が 16bit の PWM をサポートしていない様なので使用していませんまあアセンブラでプログラムすれば可能と思いますが今回は実施しません 10bit までの PWM でしたら BASCOM_AVR もサポートしていますし実際に使用したことがあります 7) これでも実用上は十分ですがもうちょっと性能が上がらないかなとも思います GPS の性能に比べて少し悪い何らかのデータ処理などでもう半桁でも確度が上がればよいのですがうまくゆきませんでした 8) 重力の影響での水晶発振器の方向による周波数の変化が体験できるとは思いませんでしたただし機械の位置を動かすと Lock するまで時間がかかるのはこのタイプの欠点です 9) 今回借用したルビジウム発振器は少し古い感じがしますヤフオクなどでも出品されています ebay などでは何十も出ていますしかも 20k~30k 程度ですどの程度 spec 満足しているか分かりませんがそんなに多くのずれは無いと思います今回の GPS ロック発振器は材料費 < 10k ですしプログラムの開発などちょっと楽しめました 10) 周波数の確度安定度のみが必要ならば前記のルビジウムのモジュールを買ってしまえば簡単で高性能な発振器が使えることになりますがそれでは面白くないのでこんなものを作ってみました 11) 高級無線機の周波数安定度が 0.05ppm という規格ですので 5*1E-8 です本機は ±1.2*1E-9 とすると 1 桁以上程度良いことになりますまた経時変化もほとんど無いはずで 10 年後も同じ確度と考えられますずれが集積されないところが最大の特徴です 13

10. 写真バラックで作業中や一応ハコに入れたときの写真です 1) むき出しの GPS 受信モジュール 2)CPU(ATmega64) + 少しの追加ロジック ( 実験などで

3W 程度違います無いよりマシでしょうか梱包無 : 138mA(1.656W) ピンク梱包 : 112mA (1.344W) アオ梱包 : 110mA (1.

ボードに空きがありますより小規模に CPU ATmega328 などを使えばジャノメ 1 枚で完成します GPS 受信モジュール AVR プログラムライタ OCXO ( 気休めに梱包 ) アオ梱包

14 10. 写真バラックで作業中や一応ハコに入れたときの写真です 1) むき出しの GPS 受信モジュール 2)CPU(ATmega64) + 少しの追加ロジック ( 実験などで使用していない回路が含まれています ) 3)OCXO は気休めでプラスチックの梱包材で包みました包むと少し保温が効いて OCXO の +12V が若干少なくなります ( 室温約 15 ) 下の通り 0.3W 程度違います無いよりマシでしょうか梱包無 : 138mA(1.656W) ピンク梱包 : 112mA (1.344W) アオ梱包 : 110mA (1.32W) ピンクは何かの梱包用クッションアオは 100 均の工作用発泡スチロールカラーボードです 4)LCD 表示器はデバッグとモニタ用 5)GPS 受信モジュールを入れるハコを探さなくては 6) ボードに空きがありますより小規模に CPU ATmega328 などを使えばジャノメ 1 枚で完成します GPS 受信モジュール AVR プログラムライタ OCXO ( 気休めに梱包 ) アオ梱包 USB モニタ ATmega64( アイテンドーの基板 ) ロジック ATmega64 を ATmega328 に変更して右の基板に載せれば基板 1 枚で済みますでも今回はこのまま OCXO NDK 製 9140A-CEE70 ( さる OM からいただいたものです ) 14

ケースに配置 OCXO 電源受信モジュール 1) ジャンクのカセットデッキの箱 2) 左の青い立方体がカバー付きの OCXO 3)

フロントパネルはそのうちに薄いアルミ板などでお化粧予定 4)5 分配出力のうち 4 つはリアパネル 1 つはフロントパネル (

15 ケースに配置 OCXO 電源受信モジュール 1) ジャンクのカセットデッキの箱 2) 左の青い立方体がカバー付きの OCXO 3) 右下の蛇の目基板は 5 分配の回路 4) 機内トランスは未使用 ( 電圧不足 ) その代わりに外付け AC コンセント用電源使用これ重いのでトランス入り Logic Atmega64 Clock dist. 1) 元についていた SW などを利用 2) 現時点では右上の 2 個の押釦 SW のみ使用エラーリセットとエラー表示 3) フロントパネルはそのうちに薄いアルミ板などでお化粧予定 4)5 分配出力のうち 4 つはリアパネル 1 つはフロントパネル ( これは現在付いていません ) お化粧した時に付ける予定です 1)LCD 表示などは本来不要ですが何もないと様にならないのでつけました 2) 内部の状態エラーなど適当に表示していますデバッグなどにはとても有効です 15

16 測定系周波数カウンタ HP53131A ルビジウム発振器自作 ( 借用品 ) 箱の中のルビジウム発振器モジュール形名不明 16

17 付 1. OCXO について (NDK 9140A-CEE70 予備調査 ) OCXO の可変範囲を調べます上記部品のみのデータです部品が変われば以下は無効ですデータシートに明記はされていないのですが Control という端子がありますデータシートにはこの端子は GND に接続しろと書いてあります他の OCXO のいくつかは 10kΩ の VR 使用して発振周波数を変化させることができるので同じように試してみました OCXO Cont 0V +12V 0V 10kΩ VR OCXO Cont 端子 I ma Cont 端子 0V VCXO としてテスト直流電圧を加える 1) まず正規の接続として Cont を GND に接続して本体の半固定調整用トリマを回すと MHz を中心として -5.1Hz (1.2mA) ~ +4.7Hz (1.2mA) 電流は Cont 端子から流し出し 2) Cont を open にしてトリマを回すと +8.4Hz でほとんど変化なし 3)1) の状態で (Cont を GND) トリマを MHz に調整するその後 VR を接続して VR を Cont に接続せずに中点付近で +6V に設定した後 Cont に接続する +7.46Hz (6.47V) 4)3) の状態で VR の端から端まで -0.19Hz (0V) ~ +14.2Hz (11.9V) 5)4) の状態で VR を 0V にし (VR を回し切った ) その状態でトリマを回して -3Hz に設定する徐々に VR を回して周波数が +3Hz にする -3.0Hz (0V 1.2mA) ~ +3.0Hz (3.84V 0.56mA) これで MHz MHz±3Hz にするためには外部から 0V~3.84V を印加すればよいと思われるので実際に電圧を加えて試すとそのように動作しましたまたこの時の電流値は 1.26mA~0.56mA でした電流は端子から GND に流れ出る方向です実際にOCXOを可変周波数として動作させ DACと接続して中心値のあたりの特性を見ます DACデータ DAC 出力電圧値 (V) カウント数 (10 秒ゲート時の測定値 ) 3, , , これによると DAC データ 1,000 に対して 22~23 カウント (10 秒ゲートなので周波数では 2.2~2.3Hz) 変化しているので DAC データ 1LSB に対して約 2.3mHz 変化していると考えてよいでしょうただしこの値は使用している OCXO で実測する必要がありますまた DAC や OCXO の規格が違ったものを使用するとそれに合わせてバッファアンプにゲインやオフセットの再設計が必要になる場合があります最終的には少し違った設定になりました ( 中心 :2.5V 範囲 : 約 ±0.12Hz 1LSB あたり 0.58mHz として動作させている ) 17

18 付 2. OCXO の周波数の変化 ( 予備調査 ) 付 2.1 パワーオンからの周波数変化 Power on からの周波数変化 F カウンタ 10 秒 Gate 15.6 経過時間周波数 ( 注 ) 10,000,000Hz 周波数 (Hz) min +10,000,000Hz からのずれ (Hz) 時間 (min) ( 注 ) 上位の5 桁を省略 ,000, Hz ,999, Hz 1) 周波数コントロールの電圧が約 2.5V の時に周波数が MHz にになるように本体のトリマを合わせるこれは VCXO として使用した時の 10MHz 時の電圧が 2.5V のため 2) その後周波数コントロールを GND に接続その状態で測定ここでは OCXO の周波数の変化をデータとし絶対値は調整によって変化するので注目しません結果として p-on から 15 分も経過すれば 1Hz 以内程度には安定するようです使用した F カウンタは HP53131A ユニバーサルカウンタアンリツの SSG MG3641A の 10MHzOCXO 出力を F カウンタの EXTGate に接続して使用 HP53131A も確度のグレードがあります今回使用のものは高精度オプションが無いタイプで SSG の Reference と比較して SSG のほうがずっと良いことが分かったのでこの方法で使用します F カウンタも SSG も一昼夜以上エージング後に使用 SSG MG3641A ( アンリツ ) Reference 発振器 (OCXO) control Ext Reference OCXO HP-53131A (F カウンタ ) Ch1_input GND 18

19 付 3. 周波数コントロールについて以下については理論によって証明されていませんので勝手に操作してある程度の性能が出ているとしか言えませんまたプログラムの考え方ですので理解しづらい又ちょっと方法が変ということがあるかもしれませんが現時点の状態ですここに書いてあること以上の説明は細かくなりますので割愛します付 3.1 コントロールの条件周波数のコントロールについては基本的には次のようになります 1)1pps 信号 200 パルス (200 秒 ) の間に OCXO からの 10MHz 出力周波数をカウントします 2) そのカウント数が 20,000, ( 基準カウント ) になるように DAC の電圧を変化させて OCXO をコントロールしますまた次のような条件があります 1)200 秒のゲートがかかっているのでカウント数は 20,000, で 5mHz 分解能です 5mHz 以下の情報は得られないので一般にはこの発振器の性能は ±5mHz 程度でしょう 2)DACの分解能はおよそ 0.58mHz 程度 OCXO の短期間の周波数安定度 ( 含むDAC,AMPなど ) はおよそ ±0.8mHz/3 分とします DACの分解能とOCXO の短期安定度が5mHzよりも良い 3) 安定状態ではカウント値は10.0 0MHz に対して最終桁がほぼ2 値 (0,1) 又は (9,0) になりますがまれに3 値までずれる様なことがあります実際の周波数はそれほど変化しているわけではない様です発振器の性能をもう半桁でも良くならないかと思っていますが浅学につき思うように行きません付 3.2 方法現在の処理が最適ではないと思いますが動作はしているようですここで 10M カウントというのは内部カウンタの値で 5mHz 分解能です 1)10M カウントが大幅に基準カウントからずれている場合は ( 基準カウント -10M カウント ) *10 の値を極性を合わせて DAC 設定しますこれを何回か繰り返すとずれは少なくなります 2) 10M カウントが基準カウントの ±2 カウント以内になったら DAC の LSB( 約 0.58mHz 分解能 ) で 1 回目 2 回目 3 回目と DAC に設定するカウント数を減らしながら ( 基準カウント -10M カウント ) の符号に合わせて誤差が少なるように DAC の値に加減算します 3)2) から 5 回のサンプル後 Lock 状態とします Lock 状態では ( 基準カウント -10M カウント ) <= 2 カウントまでは DAC には 1 を加減算し ( 基準カウント -10M カウント ) > 2 カウントでは 1) の操作に戻ります 4) このあたりの制御はまだテスト中で変更される可能性は多大にあります 19

20 付 4. 回路図について参考に回路図を提示いたします 1) このまま同じものを製作される方もいらっしゃらないとおもいますしプログラムも必要でそれは公開していませんのでそのままでは製作はできないと思います回路図は主要部分です 2) 内容は間違いのないように十分注意していますがもしあった場合はご容赦ください 3) 定数回路自体など変更する場合がありますこの拙稿の発表した時点では動作していた回路です 4) 回路は実験などを行った結果ですので最適化していません不必要なゲートや FF があります 5) モジュールからのデータ系 (TXD,RXD) 当たりの回路は現在使っていませんので動作は確認していません 20

21 OSC の P12V 分配器の P12V 21 以上

Microsoft Word - QEX_2014_feb.doc

Microsoft Word - QEX_2014_feb.doc QEX2 月掲載記事 GPS 同期の 10MHz-OCXO 1. はじめに様々な場面で周波数精度の高い 10MHz 基準信号が必要とされますたとえばダブルオーブン式の OCXO を使用して ppb 級 (10 の -9 乗 ) の精度を実現することができます OCXO 以上の精度を要求する場合にはルビジウム発振器や GPS 同期の OCXO を使用しますルビジウム発振器や GPS 同期の OCXO