Kmitočtový normál 10MHz synchronizovaný GPS

Delší dobu jsem se zabýval myšlenkou sestvit si synchronizovaný kmitočtový normál odvozený od kmitočtu DCF77. Poté, co jsem našel článek GPS Jako zdroj přesného kmitočtu [1] autora OK1DXD, přehodnotil jsem celý pohled na věc. Tato konstrukce je pouze vylepšením výše zmíněné verze a je stějně tak zaměřena na vysokou užitnou hodnotu za nízkou cenu. Mohl bych se rozepisovat o podrobnostech, nicméně princip činnosti je vyčerpávajícím způsobem popsán v již zmiňovaném článku autora, proto se budu zabývat jen mým příspěvkem této konstrukci.

Využití modulu GPS NEO7M firmy U-blox v popisované konstrukci vykazovalo drobnou nepříjemnost, a to ztrátu konfiguračního slova při výpadku napájení na delší dobu. Autor se snažil o kompromis a nahradil superkapacitor Lithiovou baterií. Dále doporučoval, ponechat v rezervě konektor pro naprogramování GPS modulu pro případ, že by došlo k vybití i této baterie. Aby se této nepříjemnosti předešlo, napadlo mne umístit do konstrukce jednočipový mikroprocesor, který po zapnutí napájení zabezpečí nahrání řídícího slova s nastavením kmitočtů a střídy pro zavěšený a nezavěšený GPS příjmač. Navíc jsem tento mikroprocesor využil k zobrazení času UTC vysílaného družicemi GPS a dále k počtu zafixovaných satelitů. Takto navržené zařízení, vyžaduje minimální zásah do modulu GPS a navíc pracuje autonomně za každých okolností.

Jako oscilátor jsem použil VCTCXO Rakon IVT110R [2] o kmitočtu 10MHz. Tento oscilátor splňuje požadavky na základní stabilitu, je malý, má nízkou spotřebu a je možné jej sehnat za cenu kolem 100,- Kč. Jeho nevýhodou je malá úroveň výstupního signálu, kterou je potřeba upravit pro další zpracování. Jelikož rozkmit nebyl dostačující pro přímé vybuzení hradel, tak jsem si vypůjčil řešení autora Paula WADE (W1GHZ) použitého ve Flexible Locking Board [3]. Pro tento oscilátor bylo potřeba také upravit hodnotu integračního článku fázového závěsu, aby řídící napětí odpovídalo rozsahu regulačního napětí oscilátoru.

Z důvodu urychlení vývoje a možnosti využití tohoto řešení širší veřejností, jsem se rozhodl nepoužít klasický mikroprocesor, ale modul ARDUINO Mini Pro. Tento modul je ve své podstatě mikroprocesor ATMEL ATmega328, ve kterém je nahrán BOOT LOADER a je možné jej programovat z prostředí ARDUINO přes sériovou linku, bez nutnosti mít speciální programátor. Cena tohoto modulu se pohybuje kolem 40,- Kč (a to včetně dopravy z eBay), což je hodně pod kusovou cenu samotného mikroprocesoru v našich obchodech. Displej s organizací 16x2 a podsvětlením se dá také pořídit kolem 40,- Kč, takže se cena koncového zařízení příliš nenavýší.

Další úpravou oproti původní filozofii, bylo umístění GPS modulu do skříňky přístroje a anténu vně přístroje na cca 3m dlouhý koaxiální kablík. Toto bylo možné  díky poměrně dobré aktivní anténě GPS modulu NEO7M. S výhodou jsem využil přípravu pro konektr SMA na desce GPS. Použil jsem konetor určený na hranu desky a modul GPS jsem umístil samonosně na tento konektor na zadní čelo krabičky. Bylo by samozřejmě možné použít "pig tail" IPX - SMA, ale čím méně přechodů cestou signálu tím lépe. Krátký a tenký koaxiaální kabel RG178 s konektorem IPX (který byl součástí dodávky) jsem nahradil koaxiálním kabelem RG174U, na jednom konci osazeném SMA samcem a druhý konec jsem zapájel místo tekného RG178 přímo na anténu. Tato úprava umožňuje mít přístroj téměř kdekoliv a pouze anténu umístit do "výhledu" družice GPS.

Celkové zapojení je na obrázcích 1 a 2. Na obr. 1. jeoscilátor s obvody fázového závěsu a děličkami, obr. 2. znázorňuje propojení modulu ARDUINA s okolními moduly. Přizpůsobení signálu oscilátoru, je tvořeno rychlým komparátorem LMV7219 zapojeného ve funkci detekce průchodu nulou, jehož výstup je veden přes tvarovací hradla (IC4 a IC3) do fázového komparátoru EXOR (IC1). Do tohoto komparátoru je přes oddělovací kondenzátor  přiveden signál TIMEPULSE z GPS (připojeno na konektor CN1). Tento signál je současně využíván jako indikace výpadku ze synchronizace přes budící hradlo EXOR (LED připojena na CN2). V případě, že modul GPS není zafixován, výstup TIMEPULSE generuje impulzy v s frekvencí 1Hz a šířkou impulzu 100ms. Při správné fixaci, je na výstupu kmitočet 1MHz se střídou 1:1. Indikační LED dioda připojená na tento výstup proto při ztrátě signálu bliká s frekvencí 1Hz a při korektní fixaci bliká s frekvencí 1MHz, takže pro naše oko se jeví ýe svítí. Odpory R7 - R12 můžou být využity pro ochranu výstupů hradel proti zkratu, nebo také nahrazeny propojkou.

Jelikož odběr celého zařízení nepřesahuje 200mA při 5V, je pro napájení v konstrukční krabičce realizován jednoduchý napájecí zdroj s transformátorem a lineárním stabilizátorem LM7805. Protože je tento zdroj navržen do konkrétní krabičky, není zde jeho realizace popsána, a každý si jej určitě navrhne dle dispozic své skříňky, případně použije vhodný externí adaptér.

 GPS Osc MAIN
Obr. 1. Schéma oscilátoru, fázového komparátoru a děličů
 GPS Osc MCU
Obr. 2. Schéma zapojení řídící části

Na následujících obrázcích je návrh desky plošných spojů celého zařízení a osazovací plány. Celá deska je řešena jako samonosná na konektorech BNC, a všechny externí komponenty (modul GPS, displej 16x2 a LED) jsou připojeny pomocí konektorů. Modul Arduino Mini Pro, je umístěn do patice realizované precizními konektorovými lištami. Konektory po kratších stranách nejsou využity, proto je není nutno z důvodu úspory osazovat, jen sériové rozhraní je osazeno zlacenými kolíky pro připojení převodníku USB -> RS232 5V, pro naprogramování modulu Arduina.

GPS brd
Obr. 3. Deska plošného spoje
(originál je v rozlišení 600DPI - možno vyrobit DPS)
gps osaz bot
Obr. 4. Osazovací plán - starna spojů
gps osaz top
Obr. 5. Osazovací plán - starna součástek

Finální provedení frekvenčního normálu je k nahlédnutí na následujících obrázcích.

08 Zapnuty 02 Zazadu
 04 Uvnitr 06 Zdroj
07 Zadni Panel 11 Antena
09 DPS 02 10 Antena

Pro ty, kteří by měli zájem použít řídící program pro arduino, je možné jej stáhnout zde: GPS_v01a.ino

Závěrem bych chtěl poděkovat autorovi OK1DXD za inspiraci pro vytvoření této aplikace, která významně obohatila mé měřící pracoviště o levný, ale poměrně kvalitní zdroj referenčního kmitočtu. Dále bych chtěl poděkovat Jirkovi OK2PBL za korekturu.

Dodatek č.1 ze dne 12.12.2016

Pro snadnější vyvedení signálu TIMEPULSE, jsem realizoval úpravu GPS modulu dle následujících fotografií. Jedná se o vyvedení na kolíkovou lištu, kde se osadila místo 4 kolíkové lišty, lišta s 5ti kolíky. Na volný kolík, který jsem umístil vedle signálu GND jsem přiletoval živý vodič koaxiálního kabelu o průměru 0,81mm a jeho stínění přiletoval na signál GND. Na druhé straně se přiletuje pouze živý vodič na vývod signálu TIMEPULSE. S takto připraveným modulem se podstatně lépe pracuje a je možné jej jednoduše umístit i do stíněného krytu.

TIP: osazenou kolíkovou lištu není potřeba z DPS vypájet, ale stačí pouze sejmout plastový rámeček a nahradit jej jiným, s 5ti rovnými kolíky, kde se vytáhnou 4 kolíky a nasune se na zaletované tak, aby byl volný kolík hned vedle signálu GND.

Uprava GPS 01 Upraa GPS 02

 

 

Použité zdroje:
[1] http://radio.ok1cjb.cz/index.php/mereni/185-01430 (funkční 14.8.2016)
[2] http://www.quartz1.com/price/techdata/CSX-1%26CSX-1L%5BSMD07050C2%5D.pdf - Strana 78-79 (funkční 14.8.2016)
[3] http://www.w1ghz.org/small_proj/A_Flexible_VCXO_Locking_Board.pdf (funkční 14.8.2016)