Пристрій gpsdo для отримання еталонів частот

3

Gpsdo-годинник gps, або gps-дисциплінований генератор.це досить просте в складанні пристрій являє собою точний еталон частоти, який можна використовувати для калібрування іншого обладнання або використовувати в якості джерела сигналу загального призначення, хоча і з дуже обмеженими вихідними сигналами.

Інструменти та матеріали:-gps-модуль з чіпом u-blox;-usb-кабель для програмування модуля;-кварцовий генератор;-мікросхема 74hc4046;-мікросхема 74hc14;-мікросхема 74hc16;-мікросхема 74hc74;-два подвійних операційних підсилювача;-два конденсатора по 6,8 мкф;-операційний підсилювач lm358;-транзистор mmbt3904;-транзистор mmbt3906;-два діода ll4148;-транзистор ao3407;-4 різних світлодіода;-резистори;-конденсатори;-стабілітрон 6,2 в 0,5 вт; -регулятор напруги 7805;-стабілізатор напруги lm350t;-потенціометр 1к;-трансформатор 12 в;-акумулятор 2,4 в;-штекер sma;-10 роз’ємів sma;-10 роз’ємів bnc з кінцевими висновками sma;-usb-штекер;-зовнішня антена gps;-програмне забезпечення u-blox u-center, яке можна завантажити тут;додаткові компоненти для калібрування-реле ds2e-m-dc5v;транзистор pnp, такий як mmbt3906-багатооборотний потенціометр 1к;-резистори і конденсатори;-світлодіод;-перемичка для 2-х контактного роз’єму;

Крок перший: про устройствемастер хотів створити gpsdo як еталон калібрування частоти, який сам по собі не вимагає калібрування, тому що він сам калібрується за сигналом gps з плином часу. Причина, по якій він хотів такий пристрій, — це калібрування старого частотоміра і більш старого осцилографа. Його також можна використовувати замість внутрішнього стандарту частотоміра.

цей gpsdo має 10 виходів: 4 синусоїдальних сигналу 10 мгц (з заглушкою 50 ом)2 прямокутних сигналу 10 мгц (ttl)2x прямокутних сигналу 5 мгц (ttl)2 прямокутних сигналу 1 мгц (ttl) це найбільш часто використовувані стандарти. Якщо потрібна якась інша частота, потрібно просто розділити одну з них за допомогою тригерів.

пристрій включає в себе: 10 мгц кварцовий генератор, який має вхід управління напругою для настройкиgps-модуль з чіпом u-blox neo 7цепи управління і питаніяісточнік питаниякорпус, роз’єми, монтажне обладнання і т. Д.його необхідно підключити до мережі на кілька годин, щоб зарядити резервну батарею пам’яті, принаймні, один раз на рік, інакше модуль gps «забуде» свої налаштування.майстер використовував термін » gps » в цьому посібнику, тому що всі знайомі з ним, навіть незважаючи на те, що існує ряд супутникових навігаційних систем з різними назвами. Загалом правильний термін-gnss (глобальна навігаційна супутникова система).

Як це працює?фапчвсе справа в чудовому пристрої, який називається фазової автопідстроюванням частоти (фапч). Зокрема, тут використовується 74hc4046.проблема, яку майстер виявив з 4046, полягає в тому, що він дуже чутливий до коливань напруги живлення. На це впливає навіть просте включення або виключення світлодіодів. З цієї причини необхідно переробити дизайн друкованої плати і силові з’єднання.

Цей чіп порівнює фазу і частоту двох сигналів і виводить напругу помилки, яка являє собою різницю між ними. Коли два сигнали збігаються, він також видає сигнал, який можна використовувати для включення світлодіода, щоб користувач знав, що пристрій готовий до використання. Цей сигнал використовується для зарядки невеликого конденсатора c19, який, у свою чергу, підтримує низький рівень на виході інвертора тригера шмідта і світлодіода. Якщо два сигнали не збігаються, конденсатор розряджається і світлодіод гасне.фапч має вбудований гун (генератор, керований напругою), який зазвичай управляється напругою помилки і забезпечує один з двох сигналів. У цьому пристрої він не використовується, оскільки замість нього використовується термостатований кварцовий генератор (tcxo).фапч має «контурний фільтр», що складається з r43, r44, c12 і c14.

Цей gpsdo також має функцію, що якщо він з будь-якої причини втрачає сигнал gps, він переключиться на управління, яке раніше було налаштовано вручну.

Важливо, щоб модуль був запрограмований на відключення його виведення в разі втрати сигналу gps.кварцовий генератор має вбудоване джерело опорної напруги 2,8 в. Цей опорний сигнал дуже чутливий до навантаження, тому він буферизується u5, половина якого підключена як малошумний буфер для опорного сигналу аналогового підсилювача. Якщо змінити будь-яке значення конденсатора, то необхідно зберегти певне співвідношення для підтримки стабільності. Таким чином, значення r50 визначається як (2 * r46 * (c52 + c53 + c19 + c21 + c22 + c23)) / c54.інша половина lm358 також підключена в якості буфера, який дає невелике підвищення напруги (приблизно в 1,43 рази). R62-r67 призначені для регулювання вихідних опорів ttl до 50 ом, якщо це необхідно.c61-c66 призначені для компенсації індуктивності вихідних доріжок.

Gpsмікросхеми gps мають стандартний висновок, який називається «pps«, що означає»імпульс в секунду». Один імпульс кожну секунду. Насправді через атмосферні та інші ефекти, що викликають коливання супутникового сигналу, це не завжди точна секунда, але при усередненні за довгий період часу вона є настільки точною, наскільки це можливо.

Найцікавіше в мікросхемах u-blox полягає в тому, що можна запрограмувати їх так, щоб вихід pps надавав частотний сигнал, а не 1 pps. Мікросхемі потрібна невелика батарея, для збереження налаштувань. Батарея в такій конструкції повинна зберігати пам’ять протягом року. Зарядний струм дуже низький, тому не потрібно турбуватися про перезарядку.

Частота чіпа gps дуже точна, тому що вона отримана від супутникового сигналу, який контролюється атомним годинником. Знову ж таки, через атмосферних впливів сигнал буде змінюватися, навіть якщо він буде точним при усередненні за тривалий період.

Дуже погана ідея програмувати цей вихід на 10 мгц, так як сигнал на цій частоті дуже нестійкий. У технічному описі u-blox зазначено, що його можна запрограмувати на частоту, яка являє собою цілочисельний поділ 48 мгц, що буде набагато чистішим сигналом.

Отже, перша частота, яку легко розділити від 10 мгц і яка також є цілочисельним поділом 48 мгц, дорівнює 1 мгц. Тут на допомогу приходить 74hc164, підключений за схемою поділу на 10 для виходу генератора. Майстер використовував інвертор з тригером шмітта (74hc14), щоб перетворити синусоїдальну хвилю на виході генератора в прямокутну хвилю для цього дільника.фапч порівнює два сигнали 1 мгц і видає напругу, яка регулює частоту ocxo так, щоб отримана на його основі частота 1 мгц була такою ж, як середнє значення від модуля gps.

Оскільки вихідний сигнал ocxo з навантаженням 50 ом становить всього 1 в, він додав два резистори. Спочатку він мав намір використовувати фільтр чебишева на вході аналогового підсилювача, який знизив би вихідну потужність генератора до 1 в, тому резистори були необхідні. Надалі він замінив фільтр на ферит і резистори більше не потрібні. Однак він залишив їх на схемі на той випадок, якщо генератор буде відчувати навантаження 50 ом.

Бпесть 2 регулятора, так що харчування ocxo добре ізольовано від харчування інших ланцюгів. Це також спрощує зміну напруги живлення для ocxo, оскільки потрібно тільки змінити значення 2 резисторів, можливо, з трансформатором більш високої напруги. Gps та інші ланцюги також ізольовані один від одного резисторами і конденсаторами.

Від регулятора 7805 є окремі виходи для gps, цифрового і аналогового джерел живлення, які ізольовані резисторами 10 ом і окремими фільтруючими конденсаторами, а також вихід для котушки реле безпосередньо від регулятора.

Деякі кварцові генератори мають лінію, яка показує, коли вони досягли робочої температури. Цей генератор не термокомпенсований, тому майстер включив схему вимірювання струму, яка запалює світлодіод, коли струм впаде нижче певного порогу. Це працює, тому що ocxo споживає набагато більше струму під час нагрівання, ніж при робочій температурі.

Маленька батарея потрібно, тому що мікросхема u-blox не зберігає настройки при втраті живлення. Всі модулі мають конденсатор високої ємності, який підтримує пам’ять протягом півгодини або більше, але для більш тривалих інтервалів потрібне додаткове харчування. Діод, підключений до батареї, повинен блокувати подачу енергії назад в ланцюг зарядки. Резистор 1 ком між батареєю і модулем повинен запобігти перезарядку акумулятора 3-вольтовим регулятором модуля. Струм, споживаний дляДуже малий, тому при розрядці він падає тільки на частку вольта.

Цифрові виходимастер використовував 74hc164 для забезпечення 2 виходів по 1 мгц. Він вибрав 2 виходи, які відхиляються від фази на 180°, з інвертором, підключеним до одного з них, в результаті чого виходи знаходяться в фазі.виходи 5 мгц забезпечуються поділом сигналу 10 мгц на 2 за допомогою 74hc74. Виходи 10 мгц забезпечуються простим підключенням виходу генератора до пари тригерних інверторів шмітта.

Аналоговий підсилювач-розподільникчотирі буферних підсилювача були обрані з урахуванням вартості. Це набагато простіше, ніж створення підсилювачів з дискретних частин, і дешевше, ніж деякі пристрої (наприклад, операційні підсилювачі зі зворотним зв’язком по струму), зазвичай використовуються в домашніх проектах.вхід в блок підсилювача здійснюється через конденсатор зв’язку, значення якого підтримується на низькому рівні. Самі підсилювачі мають конденсатор ємністю 1 нф кожен.

Кожен підсилювач має коефіцієнт посилення трохи більше 2 в, що компенсує втрату сигналу на вході і забезпечує вихідний сигнал близько 2 в, обмежений резистором 47 ом. Це в поєднанні з імпедансом вихідного конденсатора становить близько 50 ом, тому навантаження 50 ом призведе до падіння напруги до 1 в.

Оскільки у нього не було в наявності резисторів на 47 ом, він використовував 2 резистора по 100 ом паралельно.

Крок третій: сборкапрі збірці пристрою потрібно дотримуватися деякі основні принципи: керамічний конденсатор ємністю 0,01 мкф на висновках харчування потрібно монтувати якомога ближче до іс. Також потрібно встановити більший» об’ємний » конденсатор на кожен роз’єм джерела живлення. Варто відзначити, що для більш високих частот потрібні розділові конденсатори меншого розміру через паразитної індуктивності великих значень.

З’єднання повинні бути якомога коротшими. Це пов’язано з тим, що довший провід діє як антена і буде або приймати, або передавати сигнал.

Це незвичайний проект в тому сенсі, що потрібно зберегти тепло всередині, а не виводити його назовні. Температура навколишнього середовища не повинна бути вище робочої температури генератора.

Якщо використовується вбудована gps-антена, вона повинна бути спрямована в небо.майстер побудував прототип схеми на перфорованій платі. Обов’язково потрібно встановити відповідний радіатор для lm350t. Для корпусу можна використовувати будь-яку відповідну коробку.

Крок четвертий: програмування gpsпісля збірки потрібно підключіть модуль gps до комп’ютера за допомогою кабелю usb, щоб запрограмувати його. Додаток поставляється у версіях для windows і android.

Якщо модуль без usb, все одно можете додати usb-роз’єм, оскільки мікросхема u-blox має usb-з’єднання. В якості альтернативи можна використовувати модуль перетворювача usb в послідовний порт або підключити послідовний порт до послідовних з’єднань модуля, хоча в цьому випадку також знадобиться перемикач рівня rs232.

При запущеній програмі відображається багато інформації з мікросхеми u-blox.натисніть ctrl-f9, щоб відкрити вікно конфігурації. Нам потрібні налаштування tps (timepulse 5).встановлюємо timepulse на» частоту «і вводимо 1 в поле hz, встановлюємо період на» робочий цикл » і вводимо 0,0. Далі встановлюємо частоту на 1000000 і робочий цикл на 50.

Після налаштування кожного параметра натискайте «надіслати» у нижній частині вікна.все інше можна залишити за замовчуванням або налаштувати «під себе».

Після зміни налаштувань їх потрібно зберегти. Вибираємо параметр cfg, натискаємо» зберегти «і» i2c eeprom » зі списку пристроїв, і підтверджуємо.

Крок п’ятий: зовнішні підключенняпристрій має 10 виходів, які необхідно встановити на передній і / або задній панелі для найбільш часто використовуваних опорних частот. Майстер розмістив 9 виходів спереду і 1 ззаду, який підключений безпосередньо до частотоміра.

Він використовував роз’єми sma на друкованій платі для підключення висновків зовнішніх роз’ємів.після завершення початкового налаштування доступ до usb-роз’єму модуля буде вимагатися лише зрідка, тому немає причини виносити його назовні.

Необхідно зробити дві настройки:момент в якій загоряється лампочка «осцилятор готовий»керуючу напругу генераторапервим встановлюємо момент включення світлодіода.необхідно стежити за струмом, споживаним генератором, коли він нагрівається. Він почне використовувати багато енергії, потім споживання буде неухильно знижуватися, поки в якийсь момент не почне знову підніматися. Це точка, в якій генератор досяг своєї внутрішньої робочої температури, і точка, на якій повинен спалахнути світлодіод. Це регулюється r4.переходимо до наступної настройки.

Якщо ocxo новий, включення цієї схеми калібрування може виявитися марним.підключіть контактні висновки до 2-контактного роз’єму pl20 і до 1 контакту pl21 і закрийте корпус так, щоб інші кінці цих висновків були назовні, щоб можна було підключитися до них.

Запустіть gpsdo на пару годин, щоб переконатися, що він працює нормально і стабільно, потім виміряйте напругу на виводі vc генератора за допомогою дроту, підключеного до pl21, і запишіть його.тепер вимкніть антену gps і дочекайтеся, поки пристрій перейде в ефірний режим.через кілька хвилин перевірте напругу на виводі vc. Якщо різниця в напрузі занадто мала для вимірювання, немає причин її міняти. Слід ігнорувати зміну менше 28 мв, оскільки воно являє собою десяту частину обороту вала потенціометра і важко буде точно відрегулювати.

Якщо відхилення більше, з’єднуємо разом висновки, підключені до pl20, і регулюємо напругу на vc, щоб воно відповідало напрузі, яке було записано раніше.після регулювання від’єднуємо контактні висновки і встановлюємо перемичку на контакти pl20.

Крок сьомий: використання gpsdo дуже простий у використанні.розташуйте пристрій там, де він може приймати сигнал gps, або підключіть зовнішню антену.його необхідно включити на деякий час, перш ніж його можна буде використовувати, так як потрібен час, щоб генератор нагрівся до робочої температури.

перед використанням повинні світитися наступні індикатори: power (харчування)ready (осцилятор прогрівся)fix (gps має прив’язку до супутника)lock (осцилятор контролюється gps)якщо немає gps, буде горіти «off air».якщо індикатор «fix» блимає, це означає, що модуль gps втратив свої налаштування і його необхідно перепрограмувати.підключіть кабель bnc на 50 ом до будь-якого виходу, який ви хочете використовувати, до будь-якого обладнання, яке ви хочете відкалібрувати і все готово.