Устройство GPSDO для получения эталонов частот - Своими руками
Своими руками

Устройство GPSDO для получения эталонов частот

>

GPSDO – часы GPS, или GPS-дисциплинированный генератор.
Это довольно простое в сборке устройство представляет собой точный эталон частоты, который можно использовать для калибровки другого оборудования или использовать в качестве источника сигнала общего назначения, хотя и с очень ограниченными выходными сигналами.
Инструменты и материалы:-GPS-модуль с чипом U-Blox;
-USB-кабель для программирования модуля;
-Кварцевый генератор;-Микросхема 74HC4046;-Микросхема 74HC14;-Микросхема 74HC16;-Микросхема 74HC74;-Два двойных операционных усилителя;-Два конденсатора по 6,8 мкФ;-Операционный усилитель LM358;-Транзистор MMBT3904;-Транзистор MMBT3906;
-Два диода LL4148;-Транзистор AO3407;-4 разных светодиода;-Резисторы;-Конденсаторы;-Стабилитрон 6,2 В 0,5 Вт;
-Регулятор напряжения 7805;
-Стабилизатор напряжения LM350T;
-Потенциометр 1К;
-Трансформатор 12 В;
-Аккумулятор 2,4 В;
-Штекер SMA;
-10 разъемов SMA;-10 разъемов BNC с концевыми выводами SMA;
-USB-штекер;
-Внешняя антенна GPS;
-Программное обеспечение U-Blox U-Center, которое можно скачать здесь;
Дополнительные компоненты для калибровки
-Реле DS2E-M-DC5V;Транзистор PNP, такой как MMBT3906
-Многооборотный потенциометр 1К;
-Резисторы и конденсаторы;
-Светодиод;
-Перемычка для 2-х контактного разъема;
Устройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотШаг первый: об устройстве
Мастер хотел создать GPSDO в качестве эталона калибровки частоты, который сам по себе не требует калибровки, потому что он сам калибруется по сигналу GPS с течением времени. Причина, по которой он хотел такое устройство, – это калибровка старого частотомера и более старого осциллографа. Его также можно использовать вместо внутреннего стандарта частотомера.

Этот GPSDO имеет 10 выходов:
4 синусоидальных сигнала 10 МГц (с заглушкой 50 Ом)
2 прямоугольных сигнала 10 МГц (TTL)
2x прямоугольных сигнала 5 МГц (TTL)
2 прямоугольных сигнала 1 МГц (TTL)
Это наиболее часто используемые стандарты. Если требуется какая-то другая частота, нужно просто разделить одну из них с помощью триггеров.

Устройство включает в себя:
10 МГц кварцевый генератор, который имеет вход управления напряжением для настройки
GPS-модуль с чипом U-Blox Neo 7
Цепи управления и питания
Источник питания
Корпус, разъемы, монтажное оборудование и т. д.
Его необходимо подключить к сети на несколько часов, чтобы зарядить резервную батарею памяти, по крайней мере, один раз в год, иначе модуль GPS “забудет” свои настройки.
Мастер использовал термин «GPS» в этом руководстве, потому что все знакомы с ним, даже несмотря на то, что существует ряд спутниковых навигационных систем с разными названиями. В целом правильный термин – GNSS (глобальная навигационная спутниковая система).
Шаг второй: схема
Как это работает?
ФАПЧ
Все дело в замечательном устройстве, которое называется фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). В частности, здесь используется 74HC4046.Проблема, которую мастер обнаружил с 4046, заключается в том, что он очень чувствителен к колебаниям напряжения питания. На это влияет даже простое включение или выключение светодиодов. По этой причине необходимо переработать дизайн печатной платы и силовые соединения.

Этот чип сравнивает фазу и частоту двух сигналов и выводит напряжение ошибки, которое представляет собой разницу между ними. Когда два сигнала совпадают, он также выдает сигнал, который можно использовать для включения светодиода, чтобы пользователь знал, что устройство готово к использованию. Этот сигнал используется для зарядки небольшого конденсатора C19, который, в свою очередь, поддерживает низкий уровень на выходе инвертора триггера Шмидта и светодиода. Если два сигнала не совпадают, конденсатор разряжается и светодиод гаснет.
ФАПЧ имеет встроенный ГУН (генератор, управляемый напряжением), который обычно управляется напряжением ошибки и обеспечивает один из двух сигналов. В этом устройстве он не используется, поскольку вместо него используется термостатированный кварцевый генератор (TCXO).
ФАПЧ имеет «контурный фильтр», состоящий из R43, R44, C12 и C14.

Этот GPSDO также имеет функцию, что если он по какой-либо причине теряет сигнал GPS, он переключится на управление, которое ранее было настроено вручную.

Важно, чтобы модуль был запрограммирован на отключение его вывода в случае потери сигнала GPS.
Кварцевый генератор имеет встроенный источник опорного напряжения 2,8 В. Этот опорный сигнал очень чувствителен к нагрузке, поэтому он буферизуется U5, половина которого подключена как малошумящий буфер для опорного сигнала аналогового усилителя. Если изменить какое-либо значение конденсатора, то необходимо сохранить определенное соотношение для поддержания стабильности. Таким образом, значение R50 определяется как (2 * R46 * (C52 + C53 + C19 + C21 + C22 + C23)) / C54.
Другая половина LM358 также подключена в качестве буфера, который дает небольшое повышение напряжения (примерно в 1,43 раза).
R62 – R67 предназначены для регулировки выходных сопротивлений TTL до 50 Ом, если это необходимо.
C61 – C66 предназначены для компенсации индуктивности выходных дорожек.

GPS
Микросхемы GPS имеют стандартный вывод, который называется «PPS», что означает «импульс в секунду». Один импульс каждую секунду. На самом деле из-за атмосферных и других эффектов, вызывающих колебания спутникового сигнала, это не всегда точная секунда, но при усреднении за долгий период времени она является настолько точной, насколько это возможно.

Самое замечательное в микросхемах U-Blox заключается в том, что можно запрограммировать их так, чтобы выход PPS предоставлял частотный сигнал, а не 1 PPS. Микросхеме нужна небольшая батарея, для сохранения настроек. Батарея в такой конструкции должна хранить память в течение года. Зарядный ток очень низкий, поэтому не нужно беспокоиться о перезарядке.

Частота чипа GPS очень точна, потому что она получена от спутникового сигнала, который контролируется атомными часами. Опять же, из-за атмосферных воздействий сигнал будет меняться, даже если он будет точным при усреднении за длительный период.

Очень плохая идея программировать этот выход на 10 МГц, так как сигнал на этой частоте очень неустойчивый. В техническом описании U-Blox указано, что его можно запрограммировать на частоту, которая представляет собой целочисленное деление 48 МГц, что будет намного более чистым сигналом.

Итак, первая частота, которую легко разделить от 10 МГц и которая также является целочисленным делением 48 МГц, равна 1 МГц. Здесь на помощь приходит 74HC164, подключенный по схеме деления на 10 для выхода генератора. Мастер использовал инвертор с триггером Шмитта (74HC14), чтобы преобразовать синусоидальную волну на выходе генератора в прямоугольную волну для этого делителя.
ФАПЧ сравнивает два сигнала 1 МГц и выдает напряжение, которое регулирует частоту OCXO так, чтобы полученная на его основе частота 1 МГц была такой же, как среднее значение от модуля GPS.

Поскольку выходной сигнал OCXO с нагрузкой 50 Ом составляет всего 1 В, он добавил два резистора. Первоначально он намеревался использовать фильтр Чебышева на входе аналогового усилителя, который снизил бы выходную мощность генератора до 1 В, поэтому резисторы были необходимы. В дальнейшем он заменил фильтр на феррит и резисторы больше не нужны. Однако он оставил их на схеме на тот случай, если генератор будет испытывать нагрузку 50 Ом.

БП
Есть 2 регулятора, так что питание OCXO хорошо изолировано от питания других цепей. Это также упрощает изменение напряжения питания для OCXO, поскольку нужно только изменить значения 2 резисторов, возможно, с трансформатором более высокого напряжения. GPS и другие цепи также изолированы друг от друга резисторами и конденсаторами.

От регулятора 7805 есть отдельные выходы для GPS, цифрового и аналогового источников питания, которые изолированы резисторами 10 Ом и отдельными фильтрующими конденсаторами, а также выход для катушки реле непосредственно от регулятора.

Некоторые кварцевые генераторы имеют линию, которая показывает, когда они достигли рабочей температуры. Этот генератор не термокомпенсированный, поэтому мастер включил схему измерения тока, которая зажигает светодиод, когда ток упадет ниже определенного порога. Это работает, потому что OCXO потребляет намного больше тока во время нагрева, чем при рабочей температуре.

Маленькая батарея требуется, потому что микросхема U-Blox не сохраняет настройки при потере питания. Все модули имеют конденсатор высокой емкости, который поддерживает память в течение получаса или более, но для более длительных интервалов требуется дополнительное питание. Диод, подключенный к батарее, должен блокировать подачу энергии обратно в цепь зарядки. Резистор 1 кОм между батареей и модулем должен предотвратить перезарядку аккумулятора 3-вольтовым регулятором модуля. Ток, потребляемый для поддержания настроек, очень мал, поэтому при разрядке он падает только на долю вольта.

Цифровые выходы
Мастер использовал 74HC164 для обеспечения 2 выходов по 1 МГц. Он выбрал 2 выхода, которые отклоняются от фазы на 180°, с инвертором, подключенным к одному из них, в результате чего выходы находятся в фазе.
Выходы 5 МГц обеспечиваются делением сигнала 10 МГц на 2 с помощью 74HC74.
Выходы 10 МГц обеспечиваются простым подключением выхода генератора к паре триггерных инверторов Шмитта.

Аналоговый усилитель-распределитель
Четыре буферных усилителя были выбраны с учетом стоимости. Это намного проще, чем создание усилителей из дискретных частей, и дешевле, чем некоторые устройства (например, операционные усилители с обратной связью по току), обычно используемые в домашних проектах.
Вход в блок усилителя осуществляется через конденсатор связи, значение которого поддерживается на низком уровне. Сами усилители имеют конденсатор емкостью 1 нФ каждый.

Каждый усилитель имеет коэффициент усиления чуть более 2 В, что компенсирует потерю сигнала на входе и обеспечивает выходной сигнал около 2 В, ограниченный резистором 47 Ом. Это в сочетании с импедансом выходного конденсатора составляет около 50 Ом, поэтому нагрузка 50 Ом приведет к падению напряжения до 1 В.

Поскольку у него не было в наличии резисторов на 47 Ом, он использовал 2 резистора по 100 Ом параллельно.

Ниже можно скачать схему.
Main.pdfSchematic_Design__PSU.pdf
Устройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотШаг третий: сборка
При сборке устройства нужно соблюдать некоторые основные принципы:
Керамический конденсатор емкостью 0,01 мкФ на выводах питания нужно монтировать как можно ближе к ИС. Также нужно установить больший «объемный» конденсатор на каждый разъем источника питания. Стоит отметить, что для более высоких частот требуются разделительные конденсаторы меньшего размера из-за паразитной индуктивности больших значений.

Соединения должны быть как можно короче. Это связано с тем, что более длинный провод действует как антенна и будет либо принимать, либо передавать сигнал.

Это необычный проект в том смысле, что нужно сохранить тепло внутри, а не выводить его наружу. Температура окружающей среды не должна быть была выше рабочей температуры генератора.

Если используется встроенная GPS-антенна, она должна быть направлена в небо.
Мастер построил прототип схемы на перфорированной плате. Обязательно нужно установить подходящий радиатор для LM350T.
Для корпуса можно использовать любую подходящую коробку.
Устройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотШаг четвертый: программирование GPS
После сборки нужно подключите модуль GPS к компьютеру с помощью кабеля USB, чтобы запрограммировать его. Приложение поставляется в версиях для Windows и Android.

Если модуль без USB, все равно можете добавить USB-разъем, поскольку микросхема U-Blox имеет USB-соединение. В качестве альтернативы можно использовать модуль преобразователя USB в последовательный порт или подключить последовательный порт к последовательным соединениям модуля, хотя в этом случае также понадобится переключатель уровня RS232.

При запущенной программе отображается много информации с микросхемы U-Blox.
Нажмите Ctrl-F9, чтобы открыть окно конфигурации. Нам нужны настройки TPS (Timepulse 5).
Устанавливаем timepulse на «частоту» и вводим 1 в поле Hz, устанавливаем период на «рабочий цикл» и вводим 0,0. Далее устанавливаем частоту на 1000000 и рабочий цикл на 50.

После настройки каждого параметра нажимайте «Отправить» в нижней части окна.
Все остальное можно оставить по умолчанию или настроить “под себя”.

После изменения настроек их нужно сохранить. Выбираем параметр CFG, кликаем «Сохранить» и «I2C EEPROM» из списка устройств, и подтверждаем.
Устройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотШаг пятый: внешние подключения
Устройство имеет 10 выходов, которые необходимо установить на передней и / или задней панели для наиболее часто используемых опорных частот. Мастер разместил 9 выходов спереди и 1 сзади, который подключен напрямую к частотомеру.

Он использовал разъемы SMA на печатной плате для подключения выводов внешних разъемов.
После завершения первоначальной настройки доступ к USB-разъему модуля будет требоваться лишь изредка, поэтому нет причины выносить его наружу.
Устройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотУстройство GPSDO для получения эталонов частотШаг шестой: настройка после включения
Необходимо сделать две настройки:
Момент в которой загорается лампочка “Осциллятор готов”
Управляющее напряжение генератора
Первым устанавливаем момент включения светодиода.
Необходимо следить за током, потребляемым генератором, когда он нагревается. Он начнет использовать много энергии, затем потребление будет неуклонно снижаться, пока в какой-то момент не начнет снова подниматься. Это точка, в которой генератор достиг своей внутренней рабочей температуры, и точка, на которой должен загореться светодиод. Это регулируется R4.
Переходим к следующей настройки.

Если OCXO новый, включение этой схемы калибровки может оказаться бесполезным.
Подсоедините контактные выводы к 2-контактному разъему PL20 и к 1 контакту PL21 и закройте корпус так, чтобы другие концы этих выводов были наружу, чтобы можно было подключиться к ним.

Запустите GPSDO на пару часов, чтобы убедиться, что он работает нормально и стабильно, затем измерьте напряжение на выводе VC генератора с помощью провода, подключенного к PL21, и запишите его.
Теперь отключите антенну GPS и дождитесь, пока устройство перейдет в эфирный режим.
Через несколько минут проверьте напряжение на выводе VC. Если разница в напряжении слишком мала для измерения, нет причин ее менять. Следует игнорировать изменение менее 28 мВ, поскольку оно представляет собой десятую часть оборота вала потенциометра и трудно будет точно отрегулировать.

Если отклонение больше, соединяем вместе выводы, подключенные к PL20, и регулируем напряжение на VC, чтобы оно соответствовало напряжению, которое было записано ранее.
После регулировки отсоединяем контактные выводы и устанавливаем перемычку на контакты PL20.

Шаг седьмой: использование
GPSDO очень прост в использовании.
Расположите устройство там, где оно может принимать сигнал GPS, или подключите внешнюю антенну.
Его необходимо включить на некоторое время, прежде чем его можно будет использовать, так как требуется время, чтобы генератор нагрелся до рабочей температуры.

Перед использованием должны светиться следующие индикаторы:
Power (Питание)
Ready (осциллятор прогрелся)
Fix (GPS имеет привязку к спутнику)
Lock (осциллятор контролируется GPS)
Если нет GPS, будет гореть «Off Air».
Если индикатор «Fix» мигает, это означает, что модуль GPS потерял свои настройки и его необходимо перепрограммировать.
Подключите кабель BNC на 50 Ом к любому выходу, который вы хотите использовать, к любому оборудованию, которое вы хотите откалибровать и все готово.

SitesReady

Только те, кто предпринимают абсурдные попытки, смогут достичь невозможного. - Альберт Эйнштейн

Follow us

Don't be shy, get in touch. We love meeting interesting people and making new friends.