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link JHGのブログ JHGのブログ (2024/7/3 7:06:06)

feed GPSロック 10Mhz 基準信号発生器 (2021/1/30 19:06:58)
人工衛星GPSには100万年に1秒以下という精度のセシウム原子時計が搭載されています。

GPSからの電波には正確なタイム情報が含まれており、無料で降り注いでいます。

セイコーアストロンという腕時計はGPS受信の電波時計で高精度ですが、普通の電波時計でも10万年に1秒の精度ですからスゴイ時代ですね。

今回は、GPSの電波を受信し、セシウム原子時計による正確な10Mhzを生成して利用できるような機器を製作しようということです。

ublox NEO-6M GPS受信ユニットです。


IMGP0647

1PPSという1秒に1回の周期で点滅するLEDインジケータです。


IMGP0650

1PPSタイムパルスを取り出せるように、リード線をハンダ付けします。


IMGP0651

GPSユニットをUSB経由でパソコンにつなぐためのシリアル変換基板です。

さんざん実施してもダメみたいで、まさか!の初期不良でした。

やれやれ、時間が勿体無い。

IMGP0645

付属のGPSアンテナとGPS受信ユニットとシリアル変換基板を接続したところです。

シリアル変換基板初期不良。

IMGP0649

やたらな基板より、枯れたICのFT232RL搭載が安心です。

返品交換しました。

IMGP0652

ピンヘッダをハンダ付けしました。


IMGP0653

ブレッドボードにて仮組し、パソコンに接続して動作を確認します。

今度は大丈夫です、人工衛星をたくさん捉えました。

IMGP0655

穴あき基板に組んでゆきます。

1PPSのタイムパルスも出力しました。

このタイムパルスの設定をu.centerというソフトでパソコンから1Hzから10Mhzに書換えます。

IMGP0658

アンテナも何も付けない状態でユニットからはスタンドアロンで10Mhzが出力されています。

このままでも基準信号としては使えますが安定度はなく、ジッタがあります。

IMGP0659

74シリーズ、ヘックスインバーターIC

74HC04N

このICを通して、デジタル信号処理をします。

IMGP0656

インバーターICを通したところです。


IMGP0661

重なった波形がいくつも見えます。


IMGP0675

インバーターICを通過した波形は5Vの矩形波です。

アナログオシロとデジタルオシロにはどちらも一長一短があります。

波形の観測という点ではアナログオシロが良く見えますが、ノイズを見るにはデジタルですね。

IMGP0662

6個入り回路のうち直列に3回路を通過、うち1回路にはLEDのインジケータを付けてみました。

残りの回路はアース処理です。

IMGP0664

インバーターIC通過直後のテスト。


IMGP0666

ここで、シュミットトリガIC

74HC14 も試してみたのですが、全く変わりませんでした。

IMGP0712

74HCU04 アンバッファのものです。

あまり変わりませんでした。

IMGP0787

TC4069UBP です。

これがいちばん波形がキレイに整いました。

IMGP0786

バンドパスフィルターに使用するAMZコイルです。

7mm角 10.7MHz 2個使用。

IMGP0646

バンドパスフィルター通過後のテストです。


IMGP0668

キレイなサイン波になりました。


IMGP0669


IMGP0683

波形は整いましたが、スプリアスやノイズはまだ含まれています。


IMGP0671

出力は4系統にしました。


IMGP0678


IMGP0679

バンドパスフィルターの前段に抵抗を取り付けました。

フィルターの同調に関係あり、多少なら出力調整が出来ます。

IMGP0688

調整をくり返し、 V p−p で4Vくらいになりました。


IMGP0687

アンテナコネクタを取り付けました。

BNCにしておくと後で都合が良いです、変換コネクタの種類がたくさんあります。

IMGP0682

出力に使用するアイソレーショントランス用のトロイダルコアです。

電池は大きさの比較用。

IMGP0693

LANケーブルの線を使用。

ヨリ線ではなく単線です。

IMGP0692

緑とオレンジ色にしてみました。

3ターン巻

IMGP0695

ケースの加工です。


IMGP0689


IMGP0690

出力4系統。


IMGP0691

電源の配線。


IMGP0708

外付けGPSアンテナ。

BNCコネクタ化しました。

IMGP0706

マザーボード。

壊れにくい部品は取り付けたままです。

IMGP0714

部品群です。


IMGP0715

パーツ全体です。


IMGP0716

組み付け。


IMGP0717


IMGP0718

アイソレーショントランス。

測定器から完全分離します、高価な測定器を壊されたら大変です。
医療用機器など、ノイズの混入が誤作動となるところで採用されています。

IMGP0720

モバイルバッテリーで稼働するので移動もOKです。

最近のアマチュア無線機には、10Mhzのリファレンスが使用できるものがありますね。

IMGP0696

火が入りました。


IMGP0704

出力はp−pで1Vくらい。

アンプで増幅しないと少し足りない機器もあるかと思います。

IMGP0710

純正ソフト u.center

GPSロックしました。

IMGP0711

監視・モニター用にはこちらのソフトが軽くて良いです。


IMGP0721

GPSロックによる正確な10Mhzの出力です。

テスト時よりも、もうひと桁多いですがこの結果です。

IMGP0730

スペアナのマーカーカウンターでも10MHzピッタリです。

+1.17dBm です。

IMGP0729

SGから信号を出力。

145Mhzにしました。

IMGP0724

GPSロックの10Mhz出力を、周波数カウンターのタイムベースとして使用する。

多少の揺らぎがあり、100Hzまでが変動してノーシグナルエラーとなります。
やはり、増幅アンプが必要ですね。

IMGP0726

温度保障型の水晶発振器と組み合わせて比較制御して使用する例が大半です。
このままで測定器のタイムベースとして使用するには問題が残ります。

周波数カウンターにこの10Mhzを入力し、周波数調整ADJにて時々キャリブレーションを取る方法なら使い道があると思います。

構想から部品を選定し測定しながら作った自作品、性能と限界を分かった上で使う分には、これほど重宝する規準器もないと思います。

IMGP0727



追加記事

4系統それぞれにトランジスタ1石のアンプを付けました。

独立してレベル調整ができるようにしました。

IMGP0732

アンプは、使う場所だけに電源を供給します。


IMGP0733

周波数カウンターの較正に使ってゆきます。


IMGP0734

アンプ通過後の波形もおおむね安定しています。

周波数は10Mhz、デューティー比は約50%、p-pで0.5Vに調整。

IMGP0735

周波数カウンターを較正。

1Hz桁の誤差はサンプリングの関係でどうしても出るものであり、それがまともなカウンターです。

IMGP0736

周波数10Mhz、デューティー比約50%、p-pで0.5Vにて常時運転、

無線局でも測位システムでもない自作の基準器は、電波法の観点からはどうだろうか。

これでも立派な10Mhzの発振器であって、アンテナを付けて変調をかければ放送ができてしまいます。

製作中に測定したスペアナの計測では+1.17dBmでしたが、約1.3mWです。

常時運転では、これよりもう少し絞ったp-p0.5Vですが、どのくらいの出力になるでしょうか。

微弱な電波は普通のパワーメーターでは計測ができません。

RFデジタルパワーメーターです。 センサーユニットも要らないFBなものです。

IMGP0739


IMGP0740

ー0.51dBmで、約0.9mWです。

特定小電力無線機のパワーが10mWですが、その1/10という結果です。

このRFメーターは中国製ですが、分解能が0.1dBまで可能なのがスバラシイです。

IMGP0738

しかし、1mWをなめてはいけません。 

特小無線機での双方向連続通話でのパワーが1mWですね。

アンテナを付ければ数キロは飛ぶものと思われますが、しかし、これ以下では実用にならないのも事実です。

隣の部屋では受信できませんでしたが、1メートル以内では59です。

IMGP0741

実験、研究、測定等に使用している標準信号発生器(いわゆるSSG)はもっと大きい信号を発生いたします。


配線図
(クリックで拡大)

希望により配線図を載せます。

GPSユニット ublox NEO-6M
シリアルUSB変換 MFT232RL
ロジックIC TC4069UBP
FET 2SK19GR (2SK192AなどでOK)
TR 2SC1815
BPF AMZ 10.7Mhz
トロイダルコア FT-37-#75

GPSDo



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