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1/10,000,000分周の解決と周波数カウンタの仮組み

2018-10-14      
 買い物に行く時、結構な枯れ葉が落ちていることに気付きました。いよいよ家の前のケヤキ通りが秋の様相・・・と見上げるとあまり良さげに色付いてはおらず、やはり長く続いた夏の暑さと急激な気温の低下という組み合わせでは綺麗に仕上がらないようです。ただ、まだ全く色付いていないものもありますからもう少し”監視”を続け、いい頃合いになったらまた報告します

 直前のブログで課題とした1千万分の1分周は、結果的に8ピンDIPのPIC16F18313を2つ使って解決しました。この辺りをひとまずまとめておきます。

 新しめのPICには、タイマ1との組み合わせで指定したピンに分周信号をトグル出力できるコンペアモードがあります。これを上手く動かすと、ハードウェアロジックで以下のようにクロックが分周できます。

 ① タイマ1のクロックをFosc/4として入力
 ② タイマ1のプリスケーラで1/8分周
 ③ タイマ1とコンペア用のレジスタとの比較で最大1/65536分周
 ④ 出力をトグルモードとして1/2分周

 ∴ 4,194,304分周

 つまり、4.194304MHzの水晶があれば一発で1Hzが得られます。ソフト割込等は考えなくて良いため、初期化して知らん顔していれば勝手に1Hzが得られるといった寸法。でも、今回は10MHzからの分周ということで少々足りません。

 そこで、このPICを使うことを前提に一旦タイマ2で少し分周し、その割り込み処理を使って出力ピンのトグル制御を行い、これを別のピンで受けてタイマ1に入力するという作戦を立てました。

 ① タイマ2のクロックをFosc/4として入力
 ② タイマ2のプリスケーラは使わない
 ③ タイマ2で1/25分周
 ④ タイマ2のポストスケーラで1/5分周
 ⑤ 割り込み処理毎に出力ポートをトグル(1/2分周)
   ⇒ここまでで1/1000分周:10KHz
 ⑥ ⑤を入力としてタイマ1を動作させる
 ⑦ タイマ1のプリスケーラで1/8分周
 ⑧ タイマ1とコンペア用のレジスタとの比較で1/625分周
 ⑨ 出力をトグルモードとして1/2分周

 ∴ 10,000,000分周

 この仕様でプログラミングして実験しましたが、どういうわけか0.5秒毎にハイレベル出力が発振したような波形になってしまい、あれこれ弄っても改善しないことから2つのPICのタイマ1を使ってブレボ実験したら上手くいったため、上手く行かない原因を特定せぬままカウント部を組み立ててしまいました



 小型万能実験台(なにそれ・・・)にアンプ部と組み立てたカウント部を載せて動かしている様子です。奥の基板に並んでいる2つの8ピンDIPが、手前の基板の10MHzクロックを分周して1Hzを作り、これをゲートとしてカウント動作しています。入力はジャン測SGから10MHzを入力しているんですが、SG自体の周波数がずれているため10MHzピッタリにはなっていません。

 これで漸くブレボ実験は卒業しました・・・が、ここから順に機能を作り込む必要があります。エンコーダ処理やUSARTなどのI/O回りが中心ですが、2.4GHzのプリスケーラも搭載してありクロック切替処理なども入れ込んでいく必要がありますから、もう暫くソフト作りに精を出す必要がありそうですね・・・

クロックモジュールの換装

2018-10-06      
 10月は、多くの企業が”下期”と称する期の切り替え時期であり、当年度の事業計画を見直す時期。昨日は我がコマーシャル先も下期キックオフが催され、そのあと会社近くの飲み屋で・・・という流れになり、例によって”痛飲”してしまいました。朝起きてもまだ少し目が回っていて、ゴミ出しで階段を降りるのにやや緊張しました。

 仕立て中の周波数カウンタのアンプ部は以前に組み立て済みのものを使おうと思い、この基板に乗っかっているクロックモジュールの安定度を調べてみると、ここ最近の室温・・・25℃から27℃くらいの温度範囲でかなり動いてしまうことが判りました。そこで、評判の良い秋月の”超高精度”と銘打った奴を確認してみると、これでも±百mHz程度動いてしまうことから、ジャン測カウンタのクロックに使って好結果だった”CFPT-125シリーズ”の10MHzのVC-TCXO(LFTVXO009900)を使うことにし、ブレボ実験を経て換装することにしました。



 ジャン測カウンタの時と同様、またしても惑星探査機の如く4本足にしてDIP8ピンのソケットに挿して使うことにしました。この発振器は3.3V動作ですから近くにレギュレータを置きましたが、元のクロックモジュールの位置に上手く押し込めました

 この状態で発振器の周辺温度(スナップで発振器の上側にある黒頭が温度センサー)と発振周波数を長時間監視していますが、25℃から27℃の間で±30mHzに収まっているようです。この程度の変動なら、きちんとケーシングすればかなり安定したクロック源になりそうです

 そろそろカウンタ部をブレボから卒業させ、例によって秋月C基板に組んでみようと思うんですが、クロックが10MHzになったことから分周回路に工夫が要りそう・・・この休み中にやっつけたいところです

修正 2018.10.11>
 申し訳ない・・・秋月の超高精度クロックモジュールの周波数変動は単位が「ミリHz」です。いまさらですが、小文字の”m”を記入しました。

結局、周波数カウンタを仕立て中・・・

2018-09-22      
 先週の3連休で逡巡した挙げ句、GPSモジュールからの1PPSをゲートにした周波数カウンタをこしらえれば、どよよん無線技士が「まぁ、この程度で良かろうぞ」と思える”0.1Hz保証”は達成できそうなことから、ブレボにPICを乗せた簡単な環境でソフト作りに精を出し、漸く目途が立ったんで記事にしておきます。

 今回仕立てようとしている周波数カウンタは、PIC内蔵の16ビットタイマ2つを交互に動くようにして、GPSモジュールからの1PPSを連続で有効に利用できるように工夫しています。即ち、PICのタイマ1を2つ起動し、それぞれ1秒間を交互に測定するようにしています。これは、タイマ1を非同期モード、かつトグルモードとシングルパルスモードを併用して実現します。



 今回使用したPIC16F1769はタイマ1を3つ持っていて、それぞれ上記のモードで動作させることができます。外部から与えるゲートはトグルモードで扱うと、1秒刻みでON-OFFする信号をそのままゲートにできます(t1g_in)。
 その上、シングルパルスモードでソフト制御を上手く起動(T1GGOの制御)してやれば、1秒毎に2つのタイマーを交互に動かすことができます。これは、始めに起動したタイマが動き出したことを確認してから次のタイマを起動するだけでよく、16ビットタイマが複数内蔵されている全てのPICで実現できます。

 2つのタイマで交互にカウントされる周波数データは何れも1Hz刻みであるため、これを連続的に加算してその測定数で割ってやれば1Hz以下の計測が可能になります。今回は100回のデータを取って加算し、それを100で割って10mHzオーダーの計測をしています。
 この方式では、100回のデータ取得に達していない間は1Hz単位で、100回に到達したら100回前のデータを減算してからその回のデータを加算した上で平均値を求めています。

 こんな感じで組み上がったブレボのバラックの様子をスナップショット



 LCDの下段は、100回のデータ取得に達するまでのカウントです。これが100に達するまでは小数点以下は0で固定ですが、100回を超えたら過去100回分のデータの平均を表示するように仕込んであります。

 本当は1000回分を蓄積できると1mHzの分解能になりますが、1000個分のデータを取っておくためのSRAMを背負った市販のPICは少なく、無駄に28ピンのものを選択しなければなりません。まぁ、そもそも今回の仕組みで10mHzオーダーの精度が精一杯なんで、この仕掛けで十分でしょう。

 周波数カウンタとして形にするためには、GPSモジュールに頼らないで自走できるようにもしたいんで、もう少し検討を深める必要があります。この辺りが、次回の記事になっていくといいんですが・・・。

OCXOを半分直す

2018-09-14      
 三連休直前ですが()、一つ記事にしておきます。

 このところのメインディッシュであるGPSDOの周波数安定度の基準として使っていた、我が「周波数基準の神」であるOCXOの出力低下に気付きました。

 このOCXO・・・”MV89A"のカタログ値は50Ω負荷で”+7dBm”となっており、過去記事を確認したら購入時からレベル低下があったようですが、この度は”自作”ではあるものの、多分・・・いやきっと・・・いやいや辛うじて正確そうな電力計で測ったら、何と20dBm近く低い”-11dBm”という結果。これは、どこかがイカレポンチだろうとネット情報を漁ったら、やはりこのOCXOに付き纏う故障であることが判りました。即ち「出力のチップコンデンサの劣化」ということで、こいつを換装すべく100Wのハンダゴテとシュッ太郎の組み合わせでフタ外し。

 ターゲットのコンデンサの容量を測ったら51pF・・・本来は0.1uFの筈ですから、こいつがダメダメなのは明白。そしてこのコンデンサをちょいちょい突っついていたら、本体部分がポロッと外れてしまいました。



 こうなりゃ、このコンデンサの換装・・・同じ容量のものが無かった上にサイズも一回り大きかったんですが、0.01uFのチップコンデンサで埋め合わせ。



 この状態で出力を測ったら”+3.7dBm”まで上昇。でもカタログ値である+7dBmにはほど遠い感じです。回路図を追ってさらに怪しげな部分を見つけましたが、これ以上”Teardown”するには勇気が必要なため、勇気もヘッタクレも持ち合わせの無いここのブログ主は、元通りフタを閉めてしまいました。

 この処置により、出力が元に戻って・・・なら嬉しかったんですが、上記のような有様。それでも「神は神」ですから、このOCXOの安定度を信じて、もう少し活躍して貰おうと思います。

タンタル追加で落ち着いた未完のGPSDO

2018-09-11      
 今日は涼しさ大爆発の1日。明日も涼しいようで、少しは秋に近付いたんでしょうか。新生サッカー日本代表も面白い試合を見せてくれて、久々に美味い酒が飲めました

 ケーシングするか迷っているGPSDOですが、どうも出力周波数が暴れるんで調べてみたら、GPSモジュールの電源ラインに8MHzくらいの正弦波が乗っていることが判りました。



 基板に組む前にRFCを入れて処置したつもりでしたが、この対策だけでは足りず・・・といった案配で、GPSモジュールの電源ラインに10μFのタンタルを突っ込みました。



 この黄色頭のお陰で周波数の揺らぎがグッと小さくなり、1Hz出力の際に1μsオーダーでちらついていたものが±20nsまでに落ち着きました。ただ、衛星の捕捉数が8機以上でないと、この精度は出ないようだということが判りました。

 今暫く、バラックのままあれこれ遊んでみようと思います。

GPSDOっぽいのを製作・・・でも課題が!?

2018-09-09      
 夏休みに”大型休肝日”を過ごして以来、毎週金・土曜日は引き続き休肝日にしています。勿論、第一には身体の養生のためですが、時に昼間っから飲んじゃって「ダランダランな週末になってしまう体たらくからの脱出」でもあります。お陰で、あれこれ予定通りに進むことが多くなりました。「酒は百薬の長」と言われていますが、やはり「過ぎたるは及ばざるが如し」ということですね

 今週末はタイトルの通り、”GPSDOっぽいもの”を得意の”秋月C基板”に組んでみました。まぁ、途中途中であれこれ躓きましたが、何とか動作するようになりました 回路図は以下の通りです。





 躓いたのは、ロジック部のRFC・・・当初このRFCは入れていませんでしたが、ブレボ実験中に衛星の捕捉が芳しくなくなり、試行錯誤の末に「電源ノイズ」であることを突き止め、基板化する際にも入れることにしました。



 実験中の様子です。GPSモジュールの電圧供給のリード線にFT37-61に4回巻きしたRFCです。これで、衛星の測位までの時間が格段に上がりました。巻数から換算して1μH弱でしたので、とりあえず少し多めの3.3μHとしています。

 その他、PIC用のクロック発振周波数を測定し易いようにTPを設けました。これで随分PICのクロック合わせは楽にできますから、特にPICのクロック精度が必要なものは、端からこうしたピックアップを設けておいてもいいでしょう。

 設計時点で既に入れ込んであった対策は、電源回りの余裕設計・・・5Vの三端子レギュレータに500mA使用の”M”を採用したことです。

 アマ無線関連で自作する場合、12Vが主電源の電圧として設計することが勢い多くなりますが、ロジック回路等に必要な5Vを単純に三端子レギュレータで降圧して得ることが多くなります。その際、必要な電流を加味しないと、簡単にレギュレータの定格電力を超えてしまいます。今回の回路の5V部分は消費電流80mA程度であり、これを鵜呑みにして”78L05”を用いるとヤバい・・・レギュレータに必要な電力消費量は、「(12V-5V)×80mA=560mW」と見積もる必要があるわけで、ここは経験的に先回りすることできました。



 2つの回路を各々秋月C基板に組んで完成を見たわけですが、この回路構成では「10mHzオーダで動いてしまう」ということが判りました。これはブレボ実験中にも気付いていたことですが、GPSモジュールからMHzオーダの出力を無理矢理に引っ張り出すと必然的に起こります。今回は、手持ちのOCXO(結構、安定度は高いです)を基準として観察しましたが、最大±60mHz程度は動いているように見えています。
 これは別に今回の製作物の精度がどうのこうのではなく、MHzオーダの出力ができるGPSモジュールには付きまとう問題であり、直接的な解決策はありません。ただ、この10MHzに追随するようにOCXOを制御できれば、そこそこ高精度の信号源に仕立てることはできます。この辺りも当初より視野に入れていましたから、今回製作した”2枚の基板”をケーシングするか否かを非常に迷っています。

 週明け1週間が過ぎると3連休が2回連続で来ます。この辺りでGPSDO関連は卒業したいところですが、果たしてどうなるんでしょうね

GPSDOのモジュール監視部の実験

2018-09-02      
 今夏はやはり異常気象と言って良さそう・・・何やら落ち着かない天候が続いていますね。スマホを身近なところに置いていますから急な雨や雷には備えられますが、それでもほんのちょっとした予想範囲のズレで当たり外れがあって、「まだ平気だな・・・」と傘を持たずに買い出しに出るとそこそこの雨量で濡れてしまったり、逆に傘を持って出ると降らなかったり

 先週末のハムフェアは、初日の午前中に野暮用が発生して出鼻を挫かれ、午後から行こうかと思ったものの暑くて億劫になり、実験途上のGPSDOのフィルタやらバッファやらの組み立て実験の方に力が入ってしまい結局行かず終い。そのお陰で、この部分は上手く動作するようになりました。そこで今週末は、GPSモジュールからのメッセージを受け取ってきちんと衛星捕捉数を監視する部分をPICに組み込み、ブレボで実験することにしました。

 この監視部には、以下の機能を具備することにしました。

 ◆GPSモジュールとのシリアル通信、受信のみ行う:1ポート
 ◆GPSモジュールからメッセージ”GNGGA”を受信したら、LED(赤)をブリンク:1ポート
 ◆”GNGGA”のパラメータから衛星捕捉数を拾い、捕捉数に応じてLED(緑)を点消灯:1ポート
  3機未満:消灯、4~6機:点滅:7機以上:点灯
 ◆シリアル通信の取りこぼしを極力減らすため、クロック発振には水晶を使用:2ポート
  通信速度:38400bps、クロック周波数:9.8304MHz

 上記の機能具備のために必要なPICのポート数は単純計算すると5ポートになることから、ミニエレキーをこしらえたときに多めに買い込んだPIC12F1822をチョイス。ところが、シリアル通信を行うと(使わなくても)送信ポートも取られてしまい、都合6ポート必要であることに気づき、入力にしか使えないMCLRを考慮するとどうしても入らない そこで、何とかこのMCLRを出力ポートっぽく使えないかとネットサーフィンしてみると、お誂え向きの記事を”EDN Japan”のWebサイトで見つけました。このアイディアを採用

 土曜日の午前中にササッと回路図を完成させ、プログラムをこれまたササッと組んで実験へ・・・とその前に、回路図をご披露。



 今回のブレボ実験は、点線で囲んだ部分です。PICのRA3はI/Oポートの入力として設定しますが、弱プルアップの制御ができるようにします。弱プルアップをオンにすると、見かけ上、数十KΩから数百KΩを介してこのポートから電圧(ほぼVCC)が出力されるため、これをエンハンスメント型のFETで受けてやります。これでスイッチがオン。逆に弱プルアップをオフにするとポートから電圧がでなくなりスイッチがオフ。こんな風に、MCLRのポートが恰も出力ポートのように利用できるというわけです。

 ソフトの規模が小さいことから、例によって毎回躓くコンフィグ設定には躓いたもののバグ無し あっという間に動きました。下の動画は、4から6機の衛星を捕捉している時の様子です。手持ちのスマホで撮ったため目が回ってしまうかも知れませんが、20秒程お付き合いを。



 LEDには高輝度のものを使いました。電流制限用の抵抗は3.3KΩとかなり大きいですが、それでも「もう少し暗くてもいいかなぁ」と悩むほど。画面右下の赤いLEDのブリンク(と言うか、消灯時間)を20msとしてあるためこの動画では目立ちませんが、毎秒キチンと”GNGGA”を受信していることを示しています。

 これでブレボ実験は無事終了。後はこいつを基板に組み、フィルタ&バッファ部と接続すれば回路部分は完成・・・ケース加工は気が重いですが、何とか完成には持って行けそうです。頃合いのケース候補も見つけたんで、明後日の都内移動の途中でちょっくら秋葉原に寄って買ってきましょうかね

10MHzのBPF・バッファのシミュレーションとプチ実験

2018-08-19      
 長かった休暇も最終日。一昨日より涼しい日が続いて身体的にはかなり安らいだ気がしますが、この涼しさも今日、明日辺りまでのよう。明後日からは30℃超の夏日がぶり返し、週の後半は台風20号の影響が出てくるかも知れず・・・と、まだまだ天気の変化に右往左往させられそうです

 GPSDOの出力部の設計とシミュレーションを手掛けていますが、漸くこの辺りに目処が立ちました。回路的には「10MHzのフィルタ」と「後続のバッファ」に分けられますが、何と言っても今回の周波数標準としての肝は「ジッタを伴う10MHzの方形波を綺麗な正弦波にする」という部分です。
 当初は”定K型LPFx2段”で高調波を取り除いた信号をバッファに放り込むように考えましたが、ブレボにLPFを組んで実測してみると、10MHzより低い周波数成分が思いの外多く上手くありません。そこで、”7Kボビン”に適当なタンクコイルを巻いたBPFを作ろうと考えましたが、大昔に1個26円で購入してなかなか捌けない”T37-6”を消費すべく「帯域の狭い2ポールのBPF」(3dB帯域が±30KHzで設計)をでっち上げることにしました。

 この記事が夏休みの集大成になりますから()、少し順を追ってこの辺りを図解。



 このフィルタへの入力はインバータ2つを並列にしたバッファで、個々のインバータに240Ωの抵抗をシリーズ接続して使用・・・インピーダンスを120Ωと見立て、これをBPFの入力インピーダンスとします。
 一方、出力インピーダンスは後続のバッファアンプの入力インピーダンスになるため、先にこのバッファアンプをどう作るかを想定しておく必要があります。GPSDOとして”3出力”を具備したいため、ここでは3分配を簡単に済ますべく入力インピーダンスの高いバッファアンプを前提にFET採用・・・こうなると、これまた在庫豊富な”J310”がベストと判断、ゲート抵抗に100KΩを置いて3つを並列接続して33KΩ程度になることを前提にしました。

 このように、このBPFの入出力インピーダンスは大きく異なりますが、特に33KΩという高インピーダンスではLマッチを構成する”CE2”は不要となる一方、同調容量”C2”を大きくして補正する必要があります(補正の仕方は”トロ活”に詳説されていますからそちらを参照して下さい)。この辺りは、自作のBPF設計ツールで暫しカット&トライ・・・と設計を進めました。

 さぁ、ここまで来れば回路として定数を入れ、シミュレートしてみましょう。まずは回路図。



 これはシミュレートを終えた完成版です。BPF出力時点での電圧が高いため、アンプ自体はソースフォロワで済ましても良かったんですが、あれこれ調整しても出力電力として前提にしていた10dBm@50Ωに満たなかったため、軽く増幅することにしました。その結果、今度は逆に若干過大入力になるため、ゲートに直列に抵抗(3.9KΩ)を入れました。
 また、アンプの負荷となるタンク回路のインピーダンスを高くするとこれまたゲインが大きくなり過ぎるため、設計仕様として200Ω程度にしています。Qも3.0と低くしていますから、この同調回路によるフィルタ効果は「刺身のつま」程度

 シミュレーション結果は以下の通りです。



 回路図上の”CLK”と”TP”、”OUT1”から”OUT3”の波形を見ています。”OUTx”の波形は全て重なって最後に描画した”OUT3”(赤)が表示されています。
 ”TP”の波形はBPFの特性を見ていることになりますが、綺麗な正弦波になっていることが解ります。また、”OUTx”の波形が±1Vなっており、凡そ10dBmの出力が確保されていることが解ります。”OUTx”にはそれぞれ-6dBのATTを通していますから、個々のFETは50Ωに対して40mW程度の信号を出力していることになります。

 BPF部分については、ブレボ実験もしてみました。その様子がこちら。



 回路図上の”CLK”と”TP”をそれぞれ見ています。”CLK”の波形では、オーバーシュート・アンダーシュートが結構あり、上下のピークを拾うと6.6V程になります。これをシミュレーションのクロックとして反映させると、”TP”の大きさが実測よりかなり大きくなります。そこで、上下の平均値(2.64V)を2倍した5.3Vでシミュレートしたら、”TP”の値が実測とほぼ合いました。
 もう一つ・・・BPF用に巻いたL1,2(T37-6に0.32φのUEWを20回巻き)は、必要なインダクタンス値を机上計算で求めた後、実際に巻いてから実測した二値を平均して反映させています。

 できればこの休暇中にJ310のバッファアンプ部もブレボ実験に持って行きたかったんですが、どうやら時間切れのよう・・・というのは、この休暇中ビール や酎ハイ などのアルコールを一切控え、完全なる”休肝週間”としたため、流石に今晩はこれから一杯やろうと計画しているからでした

 長かった夏休み・・・自分的にはそこそこヘッポコ実験にも興じられた良い休暇だったと思います。明日から暫く、忙しい日々が・・・と思ったら火曜日は都内の研修会から直帰できそうなんで、秋葉原でも回ってこようと思います

インバータによるバッファの出力電力

2018-08-16      
 昨夕からGPSDOの回路図を引き始めたんですが、先に2つの部分の実験&シミュレーションが必要となり、夜更かししてその作業に取り掛かりました。夜更かしの分、暑い時間はバッチリ昼寝・・・これも長期休暇の醍醐味なのか 今回の記事では、その一つの実験結果をご披露・・・って、そんなに大それたもんじゃないか

 前回の記事に記したように、今回使用するGPSモジュールのPPS出力は方形波でかつかなりのジッタを伴っており、これを整形して綺麗な正弦波に持って行く必要があります。そのためにはそこそこのフィルタ(LPF or BPF)を通してやる必要があり、ひとまずPPS出力をバッファに入れて落ち着かせてからフィルタを通す回路構成にします。バッファ自体はトランジスタ等で作ってもいいんですが、今回はインバータでひとまず受けて、ある程度安定した方形波に整形してからフィルタに通す形で考えました。

 使用するインバータは定番中の定番"74HC04”とし、アンバッファタイプの”74HCU04”も含めてブレボ実験を敢行、その結果を以下に。



 回路自体はよく見かけるものですね。

 まず、PPS出力をインバータで受けてそのまま出力しているのが”Pin2”です。240Ωの抵抗をシリーズに接続して電流を制限(74HCシリーズの通常ポートは、概ね1ポートあたり20mA)しています。出力は50Ωで終端された電力計で計測。
 その後は、残りのインバータを並列接続して出力電力(=電流)を稼いだ場合です。実際、インバータ1つでは波形が反転しますから、「受け用バッファに数個並列のバッファをシリーズ接続」という使い方(つまり、上図中の”OUT”を出力にする)にして、入力波形と同相になるようにしておく方がいいでしょう。

 また、電流制限用の抵抗値がこのバッファの出力インピーダンスとすると、5個並列の”48Ω”の場合以外はミスマッチということになります。

 ”74HC04”と”74HCU04”の比較では、”74HC04”の方が高出力のようです。何となく、アンバッファタイプの方がこうした用途には有利なように思いましたが・・・。

 何れにせよ、インバータ数個の組み合わせで10dBm以上の出力が得られることが解りました。まぁ、電源電圧と電流から考えれば当たり前ですが、こうしたDA変換に近い動きの部分はDDS等のデジタル発振を用いたQRP送信機にも応用できますから、このヘッポコ実験結果も”どよよんTips”としておきましょう

GPSモジュール再び

2018-08-14      
 予定通り、先週末より夏季休暇を取ることができました。初っ端に当たる土曜は毎年恒例の「一族の寄り合い」があって終日酔っ払いでしたが、翌日曜からは原則「休息日」として過ごしています。無論、ここのブログ主の休息日は原則「ヘッポコ実験・工作日」ですが、アニメ視聴やゲームにやや気を取られつつも何やら怪しいヘッポコ実験をウダウダ進めています。
 我が家周辺の日中温度はここ数日35℃は超えないものの、我が納戸シャックは30℃近くに上がってしまう時間帯である14時から2,3Hは工作や実験にはNGですが、それ以外の時間帯は何とか活動できます。とは言え、ちょっと重めの工作は置いて、ノンビリしながらできそうなことに取り掛かりました。

 今から4,5年前に”高周波工作マニア”の間で俄にブームに火が付いたGPSによる周波数標準・・・当初は1秒刻みの正確なパルスを取り出して、それを周波数カウンタのゲートにして安定度の高い発振源(オーブン式のTCXOなど)を校正する方法がポピュラーでしたが、今ではGPSモジュール内のコンフィグデータを弄ることで、直接的に正確な高い周波数パルスを得る方法が定番となりつつあります。
 コンフィグデータを弄れるモジュールは限られていますが、特にU-Blox社の新しいモジュールでは、同社のソフトツール”u-center”を使うことで簡単に各種諸元を調整できます。

 実は、GPSによる周波数標準ブームが本格化し始めた2014年の中頃に1PPSパルス出力付きのGPSモジュールを手に入れ、シリアル通信で味見をしていました。そして、かなり安定度の高そうなOCXOとの組み合わせでGPSDOモドキ(GPSDO:GPS Disciplined Oscillator)を作ろうと考えていたら、その直後に周波数カウンタのジャン測を手に入れ、その心臓部の基準発振を比較的高安定なものに換装したらそこで満足してしまいまして・・・
 じゃぁ、なんで今更GPSDOに工作意欲が傾いたかというと、2016年の中頃に手に入れたSGのジャン測と上記の周波数カウンタがそれぞれ「10MHzの外部基準で動作する仕様」になっており、SGを手に入れてからずっと10MHzの周波数基準が欲しかったんですね。この周波数基準の出力を二つに分けてぶち込めば、この2装置の周波数精度が一気に上がるわけです。
 そこで、この夏季休暇中はアンテナの立て替え待ちのノイズキャンセラをペンディングして、さらにAGCのデジタル処理や安定化電源の製作・・・等々を差し置いて(宿題は一杯あるのよね)「GPSDOの製作」に手を染めることにしました。

 この工作に先立っては手持ちのGPSモジュールを引っ張り出してきて、以前の味見の通りブレボにRS232のレベル変換を置いて配線し、PCでひとまず衛星の様子を見てみることにしました。これ自体は何の問題も無く上手く行ったんですが、数時間放っておいた後にふっとモジュールに触ってみると結構な発熱 確認のため消費電流を測ってみると、何と350mAほどになっています。同等なモジュールの消費電流をネットで調べると、大食らいなものでも70mAほど・・・これはちょっと異常です。その上、どうせGPSDOを作るなら、できるだけ新しいGPSモジュールの方が良いかと思い、U-Bloxのチップを積んだ安いものを”Aliナンチャラ”で適当にチョイスして注文、休暇に入る直前に届きました。



 ”GB-1803”・・・あまり詳細な情報がネットに上がっていませんが、現状で二番目に新しいU-Bloxの”m8シリーズ”のチップが搭載されています。価格も700円ほどでPPS出力も具備。こんなにちっこくてまともに動くのか心配でしたが、無事に”u-center”に接続できました。

 まずは衛星の様子。GPSモジュールはある程度の時間、衛星の位置を記憶していますが、長時間通電されないと何もない状態から位置情報を作り始めます。これにはある程度時間が掛かります。我が納戸シャック(3F建てマンションの奥の部屋)では、最初の衛星の捕捉に数分、位置情報が確定する「4つの衛星捕捉」には20分から30分掛かるようです。通電から2時間後の衛星の様子は以下の通り。



 いわゆるGPS衛星はアメリカが打ち上げた衛星で、Gxxというのがそれ。その他、ロシアのRxxとSBAS(測位誤差を補正する静止衛星:Sxxx)が見えています。測位に使われているのが緑色のもので、この状態で8つの衛星で測位されています。
 衛星の位置はほんの少しずつ動きます。そして、衛星の位置や信号の強弱で測位に使われる衛星数が変化します。我が納戸シャックで多めに衛星の信号を拾っている時の様子を以下に。



 全部で14機が緑色ですね(S128の後ろにも1機います)。この図では、衛星に国旗を追加してみましたが、とりわけ目立つのがQxの番号で示される日本の衛星”みちびき”です。この衛星は、このGPSモジュールのディフォルトでは見えませんが、"QZSS"という衛星側のプロトコルを生かしてやると見られるようになります。この辺りもコンフィグを弄ることで可能。ただ、今回NMEAの通信仕様で使用するGNxxxには、”みちびき”の測位情報は反映されず、この状態で12機で測位されていることになります。ま、何れにせよ十分ですね

 ”u-center”ではこうした衛星の情報以外にも多彩なアプリケーションが組み込まれていますが、自分の目的には不要・・・それでも、あれこれ見ていると飽きませんよ

 さて、今回はGPSモジュールのコンフィグを弄って10MHzの信号を取り出せるかが課題です。まずは、自分の備忘録用にコンフィグの調整画面を掲載(クリックすると別窓で大きく表示されます)。



 この画面は、”u-center”の上部のタブ”View”⇒”Configuration View”を押下し左側のメニューの”TP5”を押すと現れます。赤い部分が測位が確立していない状態でのクロック出力(=周波数があまり高確度でない状態)、青い部分が測位が確立した後のクロック出力(=周波数が高確度な状態)です。ここを適宜設定して画面下部の”Send”を押します。この状態ではGPSモジュールのメモリ上の設定しか変更されていませんので、電源を切ると消えてしまいます。そこで、上記の”Send”を押したらメニューから”CFG”を押し、ラジオボタン”Save Current Configuration”を選択して画面下部の”Send”を押すと、GPSモジュールのセーブデータが更新されます。
 また、GPSモジュールとのシリアル通信速度(ディフォルトは9600bps)もこのメニューの”PRT”を押して現れる画面上で設定し直すことができますから、必要に応じて変更します。勿論、これも”CFG”の操作を忘れずに。

 上記の設定変更で1秒周期のパルス出力が「10MHzのデューティー比50%のパルス出力」になりました。波形を見てみましょう。



 同期が取れないためデジカメで撮影しましたが、こんな感じでOKです。この出力信号を適当なフィルタに通せば、10MHzの綺麗なサイン波になるでしょう。この辺りは、先駆の諸OMが既に試されていますから、今回の我が測定システムに必要な2出力・・・折角作るんですから、さらにもう1つ追加して3出力が十分な電力で得られるように回路設計したいと思います。

 夏季休暇はまだ半ばですが、他にもやりたいことがあったりするんでノンビリながらもテキパキと・・・って、そんなことできるんかいな
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どよよん無線技士

Author :どよよん無線技士
こおるさいん:JM1DPL

アパマンというハンデにさらにQRPまで課し、失敗連続のヘッポコリグや周辺機器の製作・・・趣味というより「荒行」か!?

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