projekte:gpsdo:start
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projekte:gpsdo:start [2016/07/04 18:44] – [PLL-Ansatz] thasti | projekte:gpsdo:start [2018/10/20 21:32] – [Untersuchungen] thasti | ||
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^ GPS Dicsciplined Oscillator ^^ | ^ GPS Dicsciplined Oscillator ^^ | ||
- | | Mithilfe | + | | Mithilfe |
| **Mitarbeiter** | Stefan, DK3SB \\ Sebastian, DL3YC \\ Andreas, DL5CN | | | **Mitarbeiter** | Stefan, DK3SB \\ Sebastian, DL3YC \\ Andreas, DL5CN | | ||
| **Status** | In Bearbeitung | | | **Status** | In Bearbeitung | | ||
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- | Für den Betrieb auf den GHz-Bändern ist eine genaue und stabile Frequenzreferenz von Vorteil. Für die Kurzzeitstabilität (im Bereich von einigen | + | Beispielsweise für den Betrieb auf den GHz-Bändern ist eine genaue und stabile Frequenzreferenz von Vorteil. Für die Kurzzeitstabilität (im Bereich von einigen |
- | Dazu wurde bei [[http:// | + | Dazu wurde bei [[http:// |
- | Es werden | + | Es werden |
{{: | {{: | ||
- | + | ===== Systemanforderungen | |
- | + | * geheizter Quarzoszillator mit hinreichend | |
- | ===== Anforderungen | + | |
- | * geheizter Quarzoszillator mit guter Kurzzeitstabilität | + | |
* Frequenzgenauigkeit durch GPS-Anbindung | * Frequenzgenauigkeit durch GPS-Anbindung | ||
* Anschluss für GPS-Antenne mit externem LNA | * Anschluss für GPS-Antenne mit externem LNA | ||
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* Versorgung aus 12..14V | * Versorgung aus 12..14V | ||
+ | ===== Untersuchungen ===== | ||
+ | Da mehrere Aspekte und Konzepte umgesetzt und evaluiert wurden, sind diese auf einzelnen Unterseiten kategorisiert: | ||
+ | * [[.: | ||
+ | * [[.: | ||
+ | * [[.: | ||
+ | * [[.: | ||
+ | | ||
- | ===== Oszillator ===== | ||
- | ==== Interna ==== | ||
- | Nachdem Stefans Ofen keine 10 MHz mehr rausbringen wollte, wurde er kurzerhand aufgemacht. Drinnen zeigt sich ein OCXO Vectron MC2001X4-046W, | ||
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- | {{: | ||
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- | Die Außenbeschaltung realisiert einen zweiten Heizkreis. Neben dem OCXO sind dafür zwei N-Kanal-FETs MJG210T4G sowie ein NPN-Transistor MJD31C verbaut, außerdem ein MIC5205 als 3.3V-Regler (als Referenzspannung? | ||
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- | ==== Stabilität ==== | ||
- | Eine Messung der Oszillatorstabilität wurde mit dem HERMES als Messgerät durchgeführt, | ||
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- | {{: | ||
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- | ==== Steilheit ==== | ||
- | Andreas, DL5CN, hat die Steilheit und den Einstellbereich der Vtune-Spannung mit einem vorhandenen GPS-Normal aufgenommen: | ||
- | * 10,00000000 Mhz bei 2,2 Volt, | ||
- | * minus 1 Hertz bei ca. 1,55 Volt | ||
- | * plus 1 Hertz bei ca. 2,93 Volt. | ||
- | * Steilheit von ~1,5Hz/V | ||
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- | Bei Stefans Ofen ist die Steilheit genauso, die exakten 10 MHz liegen etwa bei 2,4 V. | ||
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- | ===== FLL-Ansatz ===== | ||
- | Ein einfacher Ansatz ist der Aufbau einer Frequenzregelung. Dazu muss die Frequenz des Oszillators gezählt werden, während man für die Torzeiterzeugung die hochgenauen Sekundenpulse von GPS verwendet. | ||
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- | ==== Umsetzung ==== | ||
- | Zur Frequenzreglung des OCXOs wird ein MSP430 verwendet. Dieser besitzt ein asynchrones Gate an jedem Timer zur Frequenzmessung. Dazu wird ein Timer des MSP430 im Capture-Modus verwendet. Dieser wird aus dem OCXO getaktet, der Capture-Pin wird mit dem PPS-Signal des GPS-Moduls verbunden. Mit der ersten Flanke des 1PPS-Pins wird der Startwert des Zählers gespeichert, | ||
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- | Das Soll-Ergebnis der Zählung ist 10000000 Hz * 20 Sekunden = 20000000 Digits, was modulo 65536 (16 Bit-Zähler) den Wert 11520 ergibt. Der Startzählerwert muss vom Messergebnis abgezogen werden und die Differenz zum Sollwert (die Regelabweichung) wird zur Anpassung von VTune verwendet. | ||
- | Eine möglichst hochfrequente PWM wird zu diesem Zweck stark tiefpassgefiltert und dann dem Abstimmeingang des OCXO zugeführt. Die Auswirkung der VTune-Änderung auf das Messergebnis wird durch eine Wartezeit von 2 Sekunden bis zur nächsten Messung ausgeblendet. Damit stellt die Regelstrecke eine reine P-Strecke dar und lässt sich von einem I-Regler ohne Regelabweichung stabil regeln. | ||
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- | ==== Elektronik ==== | ||
- | Ein Aufsatzboard für das MSP430FR5739 Launchpad wurde entworfen und wird im Lötlabor gefertigt. Enthalten sind ein GPS-Modul mit PPS-Ausgang, | ||
- | * Schaltplan als {{: | ||
- | * Layout als {{: | ||
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- | ==== Software ==== | ||
- | Teile der Software wurden vom Ballontracker [[projekte: | ||
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- | ==== Prototyp ==== | ||
- | Am 16.09.2015 wurde der Prototyp in Betrieb genommen. Der implementierte I-Regler schwingt innerhalb von 4-5 Zyklen ein und stabilisiert die Frequenz zuverlässig auf 10 MHz +- 0,05 Hz. Für die meisten Aufgaben ist das hinreichend genau. Das Problem bei diesem Ansatz ist die endliche Auflösung des Zählers - eine zufällige " | ||
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- | ===== PLL-Ansatz ===== | ||
- | Für den 10 GHz-Transverter wird die Stabilisierung mittels einer PLL aufgebaut. Auf der Leiterplatte wurde gleich noch ein passender VCO für den Vervielfachereingang des [[projekte: | ||
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- | Die Hardware/ | ||
- | * Schaltplan: {{: | ||
- | * Layout: {{: | ||
- | * Errata: GPS RX an P1.1 geroutet, 32kHz-Quarz hinzugefügt | ||
- | * Sourcecode (MSP430 C-Code mit Makefile): {{: | ||
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- | Nach Umsetzung der notwendigen Software konnten beide PLLs erfolgreich in Betrieb genommen werden. An Stefans Trimble-OCXO stellt sich mit GPS-Fix eine Abstimmspannung von 2,4V am OCXO ein. Weitere Untersuchungen des Phasenrauschens mit und ohne PLL stehen noch aus. | ||
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- | ==== Probleme ==== | ||
- | **Schleifenfilter: | ||
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- | **Lock Detect:** Das Digital Lock Detect (DLD) der 10 MHz-Schleife funktioniert in diesem Aufbau nicht. Ursache hierfür ist vermutlich der Leckstrom in den Abstimmpin des OCXO. Der Eingangswiderstand dort wurde zu etwa 400kOhm ermittelt. An 3V ergibt sich so ein Leckstrom von $I_l = 8 \mu A$. Zusammen mit dem Ladepumpenstrom von $I_p = 5 mA$ und der Phasenvergleicherfrequenz von 10 kHz ergibt sich eine statische Phasenverschiebung von: | ||
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- | $Phase Error = \frac{I_l}{I_p} \cdot t_{PFD} = \frac{8 \mu A}{5 mA} \cdot 100 \mu s = 160 ns$ | ||
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- | Und das ist deutlich über der 15ns-Grenze, | ||
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- | ==== Ergebnisse ==== | ||
- | Nachdem das GPS einen Fix hat, regelt sich die OCXO-Abstimmspannung auf 2,5 V ein. Die Phasenrauschmessungen mussten im Labor mangels GPS-Empfang mit einem Signalgenerator als 10kHz-Quelle durchgeführt werden. | ||
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- | * Phasenrauschen 10 MHz: {{: | ||
- | * Phasenrauschen 1656 MHz: {{: | ||
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- | **TODO Rev 2:** | ||
- | * Lock-Detect der 10 MHz-Schleife ersetzen, Möglichkeiten: | ||
- | * Fensterkomparator an Vtune | ||
- | * Detektion der 10 kHz (Gleichrichtung, | ||
- | * aktuelle Lösung (1PPS ausgeben wenn kein GPS-Fix, TIMEPULSE parallel direkt an LED) ist unschön, weil sich so Artefakte am 1656MHz-Ausgang bilden | ||
- | * MSP430 mit Quarz versehen (für UART) | ||
- | * Pins für UART anpassen | ||
- | * Reset-Controller vorsehen? | ||
==== Links ==== | ==== Links ==== | ||
* http:// | * http:// | ||
* http:// | * http:// | ||
* http:// | * http:// | ||
- | * [[http:// | + | * [[http:// |
projekte/gpsdo/start.txt · Zuletzt geändert: 2019/03/15 18:40 von thasti