直線上に配置

GPSDO導入



 以前はピタリと合っていた周波数カウンタとSGの周波数に狂いが生じてきたのですが、校正に出すのも手間と費用が掛かり大変です。
そこで自宅で高精度の10MHz信号を得られる'GPSDO'を導入してみました。
 *GPSDO(GPS Disciplind Oscillator)GPS統制発振器

 GPS衛星からの高精度な秒信号を基準に内蔵した恒温槽入り水晶発振器を自動校正してくれる機能を持ち、今回導入した比較的安価な装置でも起動後にPLLロックになれば10-9程度、丸1日程の連続運転により10-11〜10-12程度の数値が出るようです。
GPSDOに常時通電して周波数カウンタとSGの外部基準にすれば、測定器自体の電源を普段は切っておくという運用ができます。

 今回導入したのはクロックジェネレータ用に特化した基板が使用されていて、残っているログによると千葉市の携帯基地局で使われていたものと判りました。
今回の購入先は香港ですが、使われている基板が中国本土からeBayに大量出品されていましたので、更新に伴って出たものが中国に流れたのでしょう。

有名なTrimble Thunderboltなどでは、PCからRS232C経由でグラフィカルな画面で操作・監視できますが、今回導入したものはターミナルソフトで初期設定を行った後は常時監視はしない使い方に向いています。
使い勝手はいまいちですがThunderboltの約半値ですから文句は言えません。

時刻情報もGPSタイムしか得られませんが
△2016.4.9修正
時刻情報は、電源を投入して衛星の追跡が始まるとGPSタイムが表示され、アンテナ位置が確定するとUTCタイムに変わります。
GPSタイムはうるう秒の修正がされていませんので、UTCより進んだ値を取ります。
どちらになっているかはステータス画面で"Synchronized to GPS"か"Synchronized to UTC"と表示されていますので判ります。

購入した一式です。

Symmetricom製基板内臓と言うことで販売されていた本体
 一見きれいな外観です

電源アダプタ6V2.5A
 電源プラグ部分が交換できる世界仕様
 どこかで拾ってきたのか傷・汚れが

GPSアンテナ
 SMAプラグ付き同軸ケーブル10m
 アンテナ部分に傷が多数

【1】 外観・構造

 到着した一式を詳しく見てみました。

パネルが少しだけ違う同種製品が中国から多数出品されていますので、中国製の構造をパクったのかちょっと謎です。
アルミ形材のケースを使い、前面パネルはグラエポ基板を加工して小奇麗にできています。
リアパネルや内部は手作り感満載・・
 内部は何処かで作った親基板にSymmetricom(現Microsemi)製090-03861-03基板が載っています。
基板の真ん中にある銀色の箱がOCXO(恒温槽制御水晶発振器)で右側の小さめの箱が古野製GPS受信機です。
基板上にあった動作表示灯2色x2個は取外されて、配線と親基板のパターンでパネル面まで引き出されていますので、ターミナルをつながなくても一応の動作状態が見えるようになっています。
パネルは親基板にはんだ付けされたBNCコネクタのナットで固定され、一体でケースの溝にスライドして入れる構造になっています。
組み立てればパネルはケースにねじ止めしますので、BNCの足には力が掛かりにくいのですが、Dsubコネクタは親基板にはんだ付けで止まっているだけなので将来的にクラックが入る可能性があります。
ケースの構造自体は悪くないのですがねぇ。
   BNCにプラグを挿すと硬くて抜けないし、Dsubコネクタが斜めに取り付いているうえに間座も平行でないため片側のネジが閉まりません。
LEDの引き出し線が細い単線で、何回か動かすと折れる等々 いわゆる中国品質。
ちなみにSymmetricomのGPSDO基板も同国製ですが、さすがにこちらはマトモな様です。


【2】動作確認

 とりあえずアンテナを雨戸の戸袋の上に放り上げて通電してみました。

 通電すると暫く2個の'ALM'ランプ(赤)が点き、やがてLOCKランプ(緑)だけに変わりました。
この時点では10MHzも1PPS(1秒信号)も出てきません。

基板上のMACTボタンを押すと10MHzを強制的に出力でき、この状態では'LOCK'と'ALM1'が交互に点灯して、精度不良を知らせます。

アンテナを外すと'ON'と'ALM2'が同時に点いて異常を知らせてくれます。
それ以外にアラームが点く状況については確認ができていません。

 'LOCK'ランプは、次のように変化します。
  PLLアンロック=点灯
  PLLロック開始=ゆっくり点滅
  PLLロック完了=早い点滅
  10MHzと1PPS信号はロック動作が始まると出力されるように見えます。

10MHz出力は50Ωに対して500mV強出ています
1PPSは1秒ごとに3.3V正パルス 約50uS ハイインピーダンス受けしないといけない様ですし、LEDを光らせるにはパルス幅を広げないといけません。

PLLがロックすれば取敢えず10-9台の精度はでるはずなので、電源を入れて待っているだけでも使えます。
後で書きますが、電源を切ってしまうと再び初期化に数時間掛かりますので、少しでも短縮したい場合はターミナルからアンテナ位置の緯度経度、海抜高度を入力する操作が必要になります。

次にターミナルをつないで操作・情報取得を行いました。

 接続条件は 57600bps 8bit 1stop Non-parity がデフォルトです。(変更可能、電源オフで忘れます)
 本体のコネクタはDsub9PメスでDTE(PCと同じピン番)なのでクロスケーブルが必要です。
 ハンドシェークはありませんのでTD,RD,GNDの3本だけの配線になります。

コマンドリストは、ターミナル接続後プロンプトの後に?とリターン↓で得られます。

 UCCM-P>?↓

ただしリストにあっても使えないコマンドがいくつかあります。
周波数精度に関する数値情報はなく、"PLL locked"の表示または数字1桁で状態が示されています。
 →【6】を参照してください

 UCCM-P>SYST:STAT↓

で衛星やPLLなど全般の状態が見えます。
画面右上のFFOM値により周波数の安定状態が表示されています。

  0 PLLがロックして安定いる
  1 PLL引込中
  2 ホールドオーバー中(衛星補足ができない場合などに内部発振器が自立して信号を出し続ける)
  3 PLLアンロック

最初に電源を入れると、自分の位置を1000回測定して決定するモードに入りますが、この進捗状況も見ることができます。
衛星の状態が良くても2時間くらいかかりますので、一度位置が決定されたら書き留めておいて

 UCCM-P>GPS:POSition N or S,<deg>,<min>,<sec>,E or W,<deg>,<min>,<sec>,<height>↓

のコマンドで位置情報を入れると位置決めの動作は回避できます。

その他のコマンドはまだ研究中ですが、特に変更する必要もないようなので 末尾に'?' の付いている問い合わせコマンドを叩くぐらいで済むと思います。

Symmetricomのこの基板に関しては情報があまりありません。
私は以下のウェッブページを参考にいたしました。
http://www.eevblog.com/forum/projects/a-look-at-my-symmetricom-gpsdo-%28ocxo-furuno-receiver%29/


【3】GPSアンテナについて

 テストではGPSアンテナを建物の影ですが空の半分近くが見える戸袋の上に仮設していました。
見える衛星が少なくてGPSDO内臓発振器が自律発振状態になる場合がありますが、短時間のため精度は実用上問題ありません。
窓を閉められない方が問題なので、アンテナを固定し、壁を貫通して同軸を引き込むことにしました。

コネクタがSMAなので10φのドリルで開口し、通線後はパテ埋めです。
室内側も穴が見えるよりマシなのでパテ埋めして横引き区間はモールで処理しました。
 GPSアンテナはほとんどが3Vか5V動作ですが、今回送られてきたアンテナは5Vで約20mA消費するものでした。
精度にも若干影響するので可能なら屋根上まで出したいところですが、アンテナ自体が揺れると位相変調が掛かってしまって拙いので、方法を検討しています。


【4】GPSDO基板をTrimble製57964-80に交換

 無事に稼働したと思った直後、GPSDO移動中に表示灯が異常な点灯状態になり、周波数カウンタでみると10MHz信号が3Hz高くなっていました。
異常点灯はDCジャックが緩んで電源供給が不安定になったためらしいので、抜け止め金具を作って付けておきました。
GPSDO内のステータスを見ても何のエラーも検出されてないですし、一見正常に動作しています。
周波数カウンタも異常になる前のGPSDOで周波数を合わせたばかりなので、どちらが狂ったのか判断できません。 

当時の状況から確率はGPSDOの可能性が若干高いように思えましたので、ネジ穴や外部へのコネクタの位置が同じTrimble製57964-80が互換品だろうと推測して新たに手配しました。
これでどちらが問題なのか判るはずです。
 左写真はTrinble製基板に載せ換えたところで、目論見通りそのまま取り付けられました。

OCXOが一回り大きいので調べたら恒温槽が2重になっている高級品でした。
GPS衛星が補足できなくても長時間にわたって周波数精度が維持できるそうで、通常のOCXOより1桁高安定なのだとか。

 GPSDO基板の上にある小基板は2SC1815を使った10MHzのアンプで、周波数カウンタの外部基準入力レベルに合わせるのとSGへの分配用に設置しました。

ケースから外した旧GPSDOも使用可能な状態に整備してあります。
 周波数が高くなってしまった問題についてですが、その後の確認で、新旧2式のGPSDOは同じ周波数を出していることが分かりましたので、原因はカウンタの基準発振器だろうということになりました。
前にも出力(TTLレベル)が出なくなって修理したこともあり老朽化していると思われます。
叩いた瞬間に少し周波数が跳びますが、たまたま大きく動いたままになったので気付けたのかもしれません。
GPSDOの動作異常のおかげで狂いに気付いただけで、カウンタ自体を棚に戻す時に問題が起きていたのではないかと考えています。

 このTrimble製への交換は痛い出費でしたが、思わぬ効果がありました。
 右の方にFREQ DIFFという赤枠の項目がありますが、これがその時点の周波数誤差のようで、PLLロックの初期で10-9台、1日放置していたら10-11〜10-13台あたりで値が変動しています。
黄色枠の項目は何を示しているのか不明です。

◇数値の変動について。
  赤枠のFREQ_DIFF値は基準周波数に対する瞬時周波数誤差[Hz]でPLLロック初期には10-9
  
台で、ほぼ単調に、ゆっくりと小さい値に向かいます。
  半日程放置すると10-11〜10-14辺りで±に変動しているのが見えてきます。
  黄枠のFREQ_FRAC値は電源投入から1時間程は値が+0.00E-00のままになっています。
  やがて得られるFREQ_FRACの初期値は10-10台で、ゆっくりと小さい値に向かいます。
  半日ほどで10-11〜10-12台あたりでゆっくり前後するようになっていました。
  良い時には10-14まで行きますが、良い状態はそれほど長くは続きません。
  FRACは周波数変動または制御に関連する値と考えて調べましたが分かりませんでした。
  PLLロック直後の誤差を1x10-8としても10MHzで0.1Hz、1GHzで10Hz相当の誤差ですから
  自分が使うには問題ない精度です。
  (2018.9.27更新)

◇FREQ_FRAC値の対時間変化
  数値の変動を見ていると、ある期間は一定で、急に変化してまたしばらく同じ値という変化をし
  ているように見えましたので記録を取ってみました。
  ターミナルソフトのマクロとログ機能を使って、5分毎の数値を記録した結果が下のグラフです。



  横軸は経過時間、縦軸はFREQ_FRAC値です。
  1時間ごとに変化していることがグラフから明らかになりましたので、内部では1時間平均値で
  制御しているのではないかと思います。
  期間中の最悪値は+2.00E-11でした。
  (2016.3.31更新)


 "?"コマンドで得られるリストのコマンドはすべて使えますので、こちらが本家本元で、Symmetricom製は最低限のコマンドを実装した廉価版セカンドソースなのかもしれません。
また、Symmetricom製は電源を切るとアンテナの位置情報忘れますので、起動する度に自動測位モードに入って立ち上がりに2時間くらい掛かります。
手間ですが緯度・経度・海抜高度をコマンド入力すれば自動測位は回避できます。

Trimble製57964-80のコマンドに関しては次の資料も参照させていただきました。

 Trimble57964-80のコマンドと応答(テキストファイル)
    出典:http://abelian.org/vlf/tmp/notes-57963.txt


【5】GPSアンテナ その2

 ケースから取り外したSymmetricom製基板も同時に働かすため、市内のガレージオフのジャンク箱からカーナビ用GPSアンテナを掘り出してきました。
Symmetricomの基板からは5Vが出ていることは判っていますが、アンテナが何V用なのかは調べても判りません。
壊す覚悟でアンテナの通電テストしてみたところ5V供給時に25mA流れました。
たいていのアンテナは20mA未満のようですのでちょっと気になりますが、そのままGPSDOにつないでも正常に受信はできています。

 その後も気になって調べていたら電圧変換器の記事が見つけました。
有り合わせの材料で作ったのが下の写真で、赤丸の所にチップコンデンサ0.1uFがあり、6穴フェライトビーズに足を通したLEDがパラレルに取り付けてあります。
事前のテストで3V時20mA程度の電流が流れると判っていたので、電流を多めに流せる古いタイプの緑色LEDを使っています。

入力側では5.5Vありますがアンテナ側では3.4Vと良い値です。
電圧変換器を入れた状態でもGPS衛星のC/N値に変化はありませんでした。


【6】2つのGPSDO出力を比べてみる

 2台のGPSDOが同時に使えるようになったので、
2日以上通電しているTrimble製を周波数カウンタの外部基準にしてSymmetricom製基板の出力周波数を測定してみました。

 UCCM-P>SYST:STAT?↓ で呼び出した画面のFFOM値が0で安定するのを待って測定しています。
一度0になっても、1〜2を繰り返すことがあり、この時は30分ほど掛かりました。

   FFOM値の意味
       0  PLL安定
       1  PLL安定化中
       2  ホールドオーバー(衛星補足失敗などで内部発振器の自律出力状態になっている)
       3  PLLアンロック



 下左写真の周波数カウンタ見えるように少なくとも10-7台まで同じ周波数と見なせます。
(最下位桁は原理的に±1カウント変動します)
さらに2つのGPSDOからの信号でリサージュ波形を書かせたところ、ゆっくりとした揺らぎが見えるもののほとんど動きません。
2つの発振器がここまで動かない波形を描くとは、さすがにGPSDOの威力です。

時に波形が位相にして30度くらい急に動くときがありましたが、なんと低空でヘリコプターが我が家上空を飛び越した時でした。 (ヘリポートが近いんです)
一時的ですし位相レベルなのでまず影響はありませんが、思わぬ影響でした。
今回の結果から、Symmetricom製は周波数精度の情報は得られませんが、精度自体はTrimble製と同じだと判りました。
予備にして死蔵するにはもったいないかもしれませんね。


【7】簡易動作モニタを作る

 GPSDOの動作状態はターミナルソフトを使えば見ることができますが、いちいちPCを立ち上げるのも面倒なのでAVR(ATmega88秋月購入)を使った簡易モニタを作りました。
プログラム制作にはMCS Electronics社のBASCOM-AVRデモ版を使っています。

使っているGPSDOのRS232C端子は、人がターミナルソフトで内部情報を読み出す用途らしいので、このプログラムでも定期的にコマンドを発行して応答文から必要な情報を切り出す方法を採っています。

  最新のソースプログラムは→ここ 
  FREQ-DIFF値とFREQ-FRAC値を交互に表示するようにしました。(2018.09.27)

  個人的利用に限り使用可、無断転載不可、商業利用不可
   作者はこのプログラム・回路例の使用により生じた損害については一切の責任を負いません


  プログラムは以下の回路に合わせてMPUの入出力を割り付けてあります。


MPUはAVR(ATmega88)を内臓8MHzクロックで使用します。
回路図中の"SPI"はAVR実装後にプログラムを書き込む時に使う端子です。 

RS232Cインタフェースは単電源の簡易版ですが、Trimble製57964-80は正常に働きます。

Symmetricom製090-03861-03は上図の簡易I/Fや格安中華変換器では動作しません。
格安中華変換器と上図の簡易I/Fのシリアル信号が0V/+5Vなのが原因です。(RS232Cは-3〜-15V/+3〜+15と規定されています)
RS232C用レベル変換IC(秋月購入)を使ったI/F回路ではTrimble/Symmetricom製ともに正常動作しましたので回路図左下に追記しておきました。(2016.3.8更新)
 
情報は現在のプログラムでは約1秒ごとに更新され、更新中にはLEDが点灯します。
点滅が停止している場合はステータスの取得が出来てないことを示しています。

この装置の電源を入れるだけで最低限必要な情報を継続的に取得できますので、実際に働かせててみるとGPSDOを使う上での安心感が格段に違いました。

 表示される情報は
  1 PLLの動作状況→右下写真上段
   GPSDO電源投入からPLL Unlocked→PLL Stabilizing→PLL Stabilizedと変化します。
  2 FREQ-DIFFとFREQ-FRACを交互に表示→右下写真下段(v.T2-4〜)
    "DF"または"FR"でどちらの数値かは識別できます。 写真は制作途中のものです。 
  3 追跡中の衛星数  右下写真下段右端のカッコ内
 の3つです。

*モニター装置の電源はGPSDO起動後に投入してください。
Dsubコネクタの抜き差しなどで点滅が止まった場合も電源を再投入すれば復帰します。
何時までも開発用基板を占有できませんので、100均ケースを使って簡易モニター装置を組んでみました。
実装の都合で動作表示用LEDを点けるポートをB.0からB.6に変更した以外は、プログラム・回路とも開発時と同じになっています

組みあがってテストしていたら、夜は常夜灯程度では表示が見えません。
今回のような監視用途には照明が不可欠だったということでLEDを取り付けました。

完成した簡易モニタ―装置の外観です。
電源は丁度よいACアダプタが有りましたので、それを利用します。


(写真は初期バージョンの表示です)

【8】アラーム発生
 2018年.9月

 常時運転を始めて2年半経過したところで、パネル面のALAM(赤)とON(緑)のLEDが同時に点灯し始めました。
ほぼ点灯状態で時々消えたり、逆に消えていて時々点灯する不安定な状態が続きます。

GPSの受信状態や10MHz出力には異状はないのですが、ターミナルソフトで情報を読み出すと "Operation Alarm"の項目に"Antenna"が表示されています。
アンテナを別ものに換えても症状は変わりません。

その後たまたま手に入れた資料で、電源電圧がDC5±0.2Vを外れるとオレンジに点灯するということが分かり、中華改造で2色LEDが赤と緑のLEDに置き換わっているので赤緑同時点灯ならオレンジ色ではないかと気づきました。
電源を別のものに変えたところアラームは全て解消しました。

電源電圧のチェックはしていましたが不自然な電圧には思えず、アンテナ周りに目が行ってましたので、電源電圧のチェックがシビアということが分からなければアラームを無視して不安定な電源を使い続けていたかもしれません。
24時間運転で2年半持ったので電源故障は仕方ないですが、基板上のLEDにアラームを出しているのにターミナルで読みだしたステータスに出ないというのも変ですね。

現在はTDKラムダの組込用スイッチング電源に換えてますが、これがどのくらい持つか楽しみです。

                                       □□□
                                                   (C)JA1VZV 2016.03.01
                                                    最終更新 2018.10.21


トップ アイコントップページへもどる

直線上に配置