10MHz GPS Frequenznormal
GPSDO mit isoliertem Verteilverstärker und OLED Display, basierend auf einer TruePosition Baugruppe
Wird für Messungen, Abgleicharbeiten oder Funktechnik eine hochgenaue und stabile Referenzfrequenz benötigt, so ist ein GPS Frequenznormal (GPSDO) das Mittel der Wahl. Während übliche Quarzoszillatoren durch Veränderungen der Umgebungstemperatur oder Alterung von ihrer Frequenz abweichen, erfolgt bei einem GPSDO ein automatischer Abgleich des Quarzofens (OCXO) mittels PLL gegen einen aus dem GPS Signal bezogenen Referenztakt. Schon nach kurzer Aufwärmphase kann ein frequenzgenaues 10MHz Signal mit einer Stabilität im Bereich um ±1*10-11 entnommen werden.
Neben verschiedenen Selbstbauprojekten existieren kommerzielle Baugruppen aus der Mobilfunk- und Flugtechnik. Eine solche Platine des Herstellers TruePosition habe ich auf einer Auktionsplattform erstanden. Sie findet Verwendung in meinem hier beschriebenen Frequenznormal.
Die TruePosition Platine verfügt über eine serielle Schnittstelle, die Statusinformationen und GPS Daten liefern kann. Als passende Ergänzung hat Gaurav Singh (circuitvalley.com) eine mikrocontrollergesteuerte Auswertung via OLED Display und Status LEDs entwickelt, die gleichzeitig einen galvanisch getrennten Verteilverstärker für das Referenzsignal bietet. Beide Platinen sollen zusammen mit einem passenden Netzteil in ein Gehäuse eingebaut werden. Vier Buchsen an der Frontseite liefern das 10MHz Signal, eine weitere Buchse ist auf der Rückseite vorhanden. Dort befinden sich außerdem ein 1PPS Signalausgang, eine USB Buchse für die GPS Daten, Antennen- und Netzbuchse sowie der Netzschalter. Im ersten Schritt entstand ein Modell aus Pappe.
Nachdem alles passte, wurden Front- und Rückplatte aus Aluminium CNC gefräst und die Beschriftung lasergraviert. Die Trägerplatte besteht aus FR4. Als Schutz für das Display ist eine passend gefräste Acrylglasplatte in die Front eingelassen. Hierzu habe ich mir eine eigene Frontpanel Platine entworfen, da ich für das Projekt ein Bopla Ultramas Gehäuse verwenden wollte. Aufgrund von Platzmangel kommt ein kleineres OLED Display mit nur 128x64 Pixeln zum Einsatz, was auch Modifikationen an der Firmware nötig machte. Hierbei wurde die Schriftgröße verkleinert, um dieselbe Anzahl an Textzeilen abbilden zu können. Neben Anzeige von Datum, Uhrzeit und Status kann mit dem Taster kann zwischen verschiedenen Informationen wie Anzahl der Satelliten, Temperatur und DAC Spannung des Quarzofens sowie GPS Koordinaten umgeschaltet werden.
Im abschließenden Funktionstest trat ein Problem auf, welches einige Abende der Fehlersuche nach sich zog. Beim wiederholten Aus- und Einschalten des Gerätes blieb im warmen Zustand das OLED Display dunkel. Nachdem die Überprüfung der Initialisierungsroutinen keinen Erfolg gebracht hatte, sah ich mir die Signale mit dem Speicheroszilloskop an, und fand Auffälligkeiten beim Reset Signal. Dieses sah nicht rechteckig, sondern wie die Ladekurve eines Kondensators aus. Damit lief der Impuls mitten in die Datenübertragung der Displayinitialisierung. Als Verursacher fand sich ein 100nF Kondensator auf der Displayplatine, welcher gegen 10nF ausgetauscht wurde. Nach weiteren Optimierungen des Timings konnte ich eine saubere Initialisierung erreichen.
Von nun an findet das GPS Frequenznormal Einsatz als externe Referenz meines Frequenzzählers oder wird zur regelmäßigen Kontrolle / zum Abgleich des zählerinternen Quarzofens (siehe OCXO Zeitbasis) genutzt. Die veränderte Firmware und die von mir erstellten Platinenlayouts sind unten verlinkt.
Links
- DIY Isolated 10Mhz Distribution Amplifier for GPSDO, Rubidium, TCXO Reference (circuitvalley.com)
- TruePosition GPSDO 10Mhz Clock Standard Reference Distribution Board (circuitvalley.com)
- Modifizierte PIC18F25K50 TruePosition GPSDO Firmware (GitHub, MalteP)
- Originale PIC18F25K50 TruePosition GPSDO Firmware (GitHub, circuitvalley)