UT2YR Blog. Блог про радіо та про все, що з ним пов`язане.: GPSDO. 10 Мгц в кожен шек.

Сьогодні мова піде про GPSDO - Global Position System Disciplined Oscillator.

Трохи теорії що це таке і як його вживати.

Ні для кого не секрет, що в нас над головами літають сотні GPS супутників, адже більшість з нас, хотячи чи не хотячи, ними користуються. Але мало кому приходить до голови, що це сотні літаючих надточних атомних годинників, що побудовані на цезії, при чому точність цих годинників регулярно коригується з центру керування цими супутниками. Головне застосування цих годинників - розв'язок навігаційної задачі та розповсюдження мітки часу.

Мітка часу декодується приймачами сигналів GPS та розкладається на дві складові. Всесвітній час UTC та сигнал 1PPS – Pulse Per Second (секундний імпульс, або один імпульс за секунду).

Для нас, як радіоаматорів, UTC дуже корисна річ. А з сигналом 1PPS зараз розберемося. Повірте, для нас це теж дуже корисна річ. В нього є одна чудова особливість. Якщо приймач "спіймав" багато супутників, так би мовити налаштувався (GPS Locked), то точність часу подання фронту сигналу секундного імпульсу наближається до 20 нано секунд. Цей сигнал не має накопичувальної похибки, оскільки напряму зв'язаний з міткою часу атомних годинників.

Помилка в 20 нс від кожної секунди дозволяє одразу отримати точність 1с/20нс=2Е-8.

Тобто ідея така. Чому не зхрестити сову та глобус (Жарт ;-0 ), або якимось чином взяти термостатований генератор на кварці (Oven Controlled Crystal Oscillator, або скорочено OCXO ), та підкоригувати його вихідну частоту з допомогою секундних імпульсів що беруться з супутника ?

Так і зробили. Взяли такий генератор з гарною короткотерміновою стабільністю і почали підлаштовувати його імпульсами 1PPS системи GPS.

Пристрій складається з трьох важливих частин. Приймача сигналів GPS, високостабільного термостатованого генератора OCXO, та пристрою порівняння, який порівнює між собою фазу та частоту сигналів від приймача сигналів GPS та OCXO і виводить напругу помилки, яка уявляє собою різницю між ними. Ця напруга коригує частоту OCXO. Таким чином вдається ще точніше отримати задану частоту. В нашому випадку це 10 МГц.

Популярно як це працює. Для отримання частоти 10 МГц з високою точністю, вимірюється кількість імпульсів, що видає OCXO на протязі від одного фронту сигналу 1PPS, що наростає, до іншого (тобто на протязі дуже точної секунди).

Наприклад, з генератора вийшло 10 000 200 імпульсів за секундний інтервал, це свідчить про те, що наш кварц "хитається" швидше, ніж еталонний годинник на супутнику, тобто потрібно зменшити частоту нашого генератору на

10 000 200 – 10 000 000 = 200 Гц

щоб наш генератор вирівняти з еталонною одиницею часу.

Але точність такого підлаштування обмежується помилкою +/- 2Е-8 (вище я пояснив чому саме це значення), тобто ми не зможемо отримати частоту точніше ніж 10 МГц +/- 0.2 Гц.

Але виявилося, що цю проблему можна вирішити. Так як сигнал 1PPS не має накопичувальної похибки, застосовуючи методи математичної статистики можна підвищити точність, додаючи та вираховуючи середнє з накопиченої кількості импульсів нашого генератора, розділивши їх на кількість періодів 1PPS.

Наприклад, якщо пристрій зібрав дані з супутника та кварца на протязі 2000 секунд, то теоретична точність стабілізації може досягнути 1Е-11.

З цього можна зробити дуже важливий висновок. Чим безперервніше він буде працювати, тим точніше буде частота на виході.

А тепер до самої залізяки.

Приводів її появи в мене в шеку було декілька. Вже два моїх прилади (генератор сигналів та частотомір) мають вхід для під'єднання зовнішньої опори на 10 МГц. Мій сдр приймач разом з конвертером також мають даний вхід. Звісно, я хотів щоб це був генератор еталонної частоти на рубідії чи цезії, але вони занадто дорогі для мене.

Цей варіант - бюджетний і для моїх завдань мене повністю влаштує. Тим більше, гортаючи Ebay, генератори на рубідії мали більше 90 тисяч годин напрацювання і коштували від тисячі доларів і вище. Це більше дев'яти років безперервної роботи і значно підсівша рубідієва лампа. Що наводить мене на сумніви стосовно точності вихідної частоти. І ціна зовсім не для доходів українців.

Мене цікавило, наскільки покращиться точність вимірювання частоти, точність генерації частоти моїх приладів і я хотів спробувати так званий "мілігерцінг".

Мілігерцінг - це один з напрямків розвитку радіоаматора - спостерігача. Він не є поширеним серед радіоаматорів і полягає в тому, що аматори спостерігають за тим, як в часі змінюється частота несучої передавача радіостанції. Вона справді змінюється ввесь час, але досить цікаво змінюється при сході та заході сонця.

Більш докладно про це можна було прочитати на сайті DK8OK, але на даний час цей сайт не працює. Єдине можу сказати, що кожен передавач має свій "малюнок", ніби як відбиток пальців людини. Маючи базу таких малюнків можна визначити що це саме за передавач і де він географічно розташований. Ось один з таких малюнків.

Щоб це побачити, для цього потрібен сдр приймач, адже потрібне відображення панорами на моніторі і цей приймач має бути високостабільним.

Заглядав я в бік ELAD FDM S-3. Трохи ошалів від цінника. І вже морально готувався продати половину залізяк, що є в хаті, але все зупинила війна.

Тоді, як каже моя дружина: "Прояви гостру технічну думку."

Всі, хто почитує мої теревені на сайті, знають що я маю AIRSPY R2. Він має вхід для подання на нього опорної частоти з зовнішнього генератора. Тобто, підключивши його до високостабільного генератора, приймач автоматично стає високостабільним. Ось так нехитрим способом я здолав цю проблему.

Обіцяю не відкладати в довгий ящик опис того, що і як я зробив з приймачем та його програмою, щоб цей мілігерцінг посмакувати.

Тепер про сам GPSDO від BG7TBL.

Його блок схема виглядає наступним чином.

Він продається в двох варіантах. З дисплеєм та без. Я придбав з дисплеєм, щоб глядіти котра година за всесвітнім часом. Побутовий атомний годинник ;-)

Алюмінієвий корпус з деталюхами.

Для тих хто захоче його розібрати, розбирання потрібно починати ззаду (де знаходяться всі роз'єми), відкрутивши чотири гвинтики по кутках. Плата заходить в пази корпусу і має щільний контакт з ним, що забезпечує гарне екранування. Передня та задня стінки зроблені з одностороннього текстоліту. З внутрішньої сторони поверхня залужена і контактує з корпусом, що дуже добре. Вверху на фото видно плаский шлейф. З допомогою цього шлейфу до плати приєднано дисплей. Щоб витягти основну плату, потрібно відключити його.

Ось сама плата.

На платі в корпусі під срібло і великим написом Trimble знаходиться сам OCXO. Кабель, що йде поверху плати - це пігтейл для підключення GPS антени до входу GPS приймача. Велика п'ятиніжнова мікросхема - стабілізатор живлення.

Нижній бік плати.

В нижньому лівому кутку знаходиться сам GPS приймач. Китайці дбайливо зняли з нього наліпку що це саме за модель. Мені вдалося відшукати яка саме модель запаяна в такі плати. Це U-blox NEO-7M. Що ж. Це прекрасно. Можна використати софт від U-blox для того, щоб покопатись програмно в приймачі.

По роз'ємах, що знаходяться ззаду. SMA з жовтим ковпачком ANTENNA - сюди підключається GPS антена. DC11.7-12.9V - роз'єм живлення. В комплекті з цим генератором мені дістався блок на 12 В 3 А. BNC 10 MHz OUT - вихід еталонної частоти 10 МГц. BNC 1 PPS OUT - Вихід еталонної частоти 1 Гц. RS232 - стандартний роз'єм послідовного порту. Індикатори ALM -пристрій не працює. GNSS LOCK - знайдені супутники і сигнал залочений. RUN - пристрій працює в штатному режимі.

Плата дисплея уявляє собою бутерброд з двох плат.

На оберненій стороні цієї плати присутній 8 бітовий регістр зсуву 74HCS595D.

Звісно, там де паяли руками - ніде флюс не відмитий. Перед його включенням все помив. Шкода, що не маю ультразвукової ванни.

Тепер щодо часу встановлення частоти. Тут потрібно набратися терпіння. Хоч і під час прогріву на дисплеї і будуть вимальовуватися цифри 10000000.0000 Hz, займе цей процес в середньому 40 хвилин. При першому запуску мого екземпляру це зайняло 56 хвилин. На даний час генератор працює безперервно три доби. Пішла четверта. Судячи з показників частотоміру дрейф складає 200 мікрогерц. Температура в приміщенні складає 24.5С.

Нестабільність частоти мого екземпляру склала 0.0005 ppm

Для прикладу даю два зображення, які знайшов в інтернеті, на яких порівнюються така сама модель генератора як в мене та рубідієвий стандарт частоти FE-5680A.

Тепер про те, як з одного виходу генератора заживити чотири пристрої. Це робиться з допомогою розподілювача.

Він має один вхід та вісім виходів. Тобто з допомогою нього можна роздати еталонну частоту на 8 пристроїв. Прекрасно. В мене буде зайнято 4. Що ж. Є куди далів рости до 8 ;-)

Роз'єм 10M INPUT - це вхід, куди можна приєднати генератор еталонної частоти. Тоді внутрішній генератор, що знаходиться в цьому дистриб'юторі від'єднається.

Тобто дистриб'ютор може працювати в двох режимах. Сам генерувати еталонну частоту, так як має в середині свій OCXO, або подавати на свої виходи частоту від іншого генератора еталонної частоти.

На передній панелі ще знаходяться три світлодіоди ALM, 10M IN, PWR та отвір під шліцеву викрутку F.ADJ

ALM - пристрій не працює

10M IN - на вхід подано 10 МГц від зовнішнього генератора

PWR - подано живлення від блоку живлення

F.ADJ - дозволяє підлаштувати частоту внутрішнього OCXO.

Мені було цікаво яку частоту видає дистриб'ютор без підключення зовнішнього генератора на вхід. Все гаразд. Частота в нормі. Тобто якщо не потрібно більшої точності, яку дає генератор еталонної частоти, можна й обійтися лише дистриб'ютором.