Unterschiede

Hier werden die Unterschiede zwischen zwei Versionen angezeigt.

--- projekte:gpsdo:start [2016/10/16 02:01] – [Stabilität] yc
+++ projekte:gpsdo:start [2018/10/20 21:12] – thasti
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 ^ GPS Dicsciplined Oscillator ^^
-| Mithilfe eines GPS-Moduls wird die Langzeitstabilität und Genauigkeit eines Quarzofen optimiert. ||
+| Mithilfe einer GPS-Anbindung wird die Langzeitstabilität und Frequenzgenauigkeit eines Quarzofens verbessert. ||
 | **Mitarbeiter** | Stefan, DK3SB \\ Sebastian, DL3YC \\ Andreas, DL5CN |
 | **Status** | In Bearbeitung |
 </WRAP>
-Für den Betrieb auf den GHz-Bändern ist eine genaue und stabile Frequenzreferenz von Vorteil. Für die Kurzzeitstabilität (im Bereich von einigen Sekunden) sorgt ein Quarzofen (OCXO), dessen Langzeitstabilität und Frequenzgenauigkeit durch Anbindung an GPS verbessert werden soll. Dadurch entsteht ein GPSDO (GPS disciplined Oscillator).
+Beispielsweise für den Betrieb auf den GHz-Bändern ist eine genaue und stabile Frequenzreferenz von Vorteil. Für die Kurzzeitstabilität (im Bereich von einigen Sekunden) sorgt ein Quarzofen (OCXO), dessen Langzeitstabilität und Frequenzgenauigkeit durch Anbindung an GPS verbessert werden soll. Dadurch entsteht ein GPSDO (GPS disciplined Oscillator).
 Dazu wurde bei [[http://www.ebay.de/itm/141735902478|eBay]] ein Trimble 65256 10MHz-OCXO erworben. Dieser ist doppelt geheizt und besticht mit portabeltauglichem Stromverbrauch: Nur etwa 2,5 Watt nach der Aufheizzeit.
-Es werden zwei Ansätze evaluiert: Einerseits die Verwendung einer Frequenzregelung (FLL), andererseits die einer Phasenregelschleife (PLL).
+Es werden mehrere Iterationen evaluiert: Einerseits die Verwendung einer Frequenzregelung (FLL), andererseits die einer Phasenregelschleife (PLL).
 {{:projekte:gpsdo:ocxo_ebay.jpg?500|}}
+===== Systemanforderungen =====
+  * geheizter Quarzoszillator mit hinreichend Kurzzeitstabilität
-===== Anforderungen =====
-  * geheizter Quarzoszillator mit guter Kurzzeitstabilität
   * Frequenzgenauigkeit durch GPS-Anbindung
   * Anschluss für GPS-Antenne mit externem LNA
   * Indikatoren für GPS-Lock und OCXO-Lock
   * Versorgung aus 12..14V
 ===== Oszillator =====
 ==== Interna ====
-Nachdem Stefans Ofen keine 10 MHz mehr rausbringen wollte, wurde er kurzerhand aufgemacht. Drinnen zeigt sich ein OCXO Vectron MC2001X4-046W, zu dessen Familie es ein {{http://www.vectron.com/products/ocxo/C4600.pdf|Datenblatt}} gibt. Es geht nicht aus dem Datenblatt hervor, ob 5 V oder 12 V die richtige Betriebsspannung sind.
+Im Trimble 65256 ist ein OCXO Vectron MC2001X4-046W verbaut, zu dessen Familie es ein {{http://www.vectron.com/products/ocxo/C4600.pdf|Datenblatt}} gibt. Es geht nicht aus dem Datenblatt hervor, ob 5 V oder 12 V die richtige Betriebsspannung sind.
 {{:projekte:gpsdo:trimble-open.jpeg?300|}}
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 ==== Stabilität ====
-Eine Messung der Kurzzeit-Stabilität zweier Oszillatoren gegeneinander wurde mit dem HERMES als Messgerät durchgeführt. Ein Vergleich von unterschiedlichen Aufwärmzeiten wurden angestellt.
+Eine Messung der Kurzzeit-Stabilität zweier Oszillatoren gegeneinander wurde mit dem HERMES als Messgerät durchgeführt. Ein Vergleich von unterschiedlichen Aufwärmzeiten wurde angestellt.
 {{ :projekte:gpsdo:trimble_65256.png?650 |Short-Term Stability Trimble 65256 Allan Deviation}}
 ==== Steilheit ====
-Andreas, DL5CN, hat die Steilheit und den Einstellbereich der Vtune-Spannung mit einem vorhandenen GPS-Normal aufgenommen:
+Andreas, DL5CN, hat die Steilheit und den Einstellbereich der Vtune-Spannung mit einem vorhandenen GPS-Normal aufgenommen, seine Messergebnisse finden sich hier:
-  * 10,00000000 Mhz bei 2,2 Volt,
+  * 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
-Bei Stefans Ofen ist die Steilheit genauso, die exakten 10 MHz liegen etwa bei 2,4 V.
+Die Messungen wurden an Stefans Ofen wiederholt und der gleiche Wert für die Steigung ermittelt. Die 10 MHz des Vergleichsofens wurden bei etwa bei 2,4 V erzeugt.
 ===== 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.
+Der einfachste 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.
 ==== 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, daraufhin werden 19 weitere PPS-Impulse ignoriert und beim 20ten Impuls der Endwert gespeichert.
+Prinzipiell wird eine lange Torzeit (z.B. 20 Sekunden) zur direkten Zählung des 10 MHz-Ausgangs verwendet. Der gemessene Frequenzfehler wird danach zur Korrektur der Regelspannung verwendet. In der getesteten Implementierung wird ein MSP430 verwendet. Dieser besitzt ein asynchrones Gate an jedem Timer zur Frequenzzählung: Ein Timer des MSP430 wird im Capture-Modus verwendet, welcher aus dem OCXO getaktet wird. 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, daraufhin werden 19 weitere PPS-Impulse ignoriert und beim 20ten Impuls der Endwert gespeichert.
-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.
+Das Soll-Ergebnis der Zählung ist 10000000 Hz * 20 Sekunden = 20000000 Digits, was modulo 65536 (16 Bit-Zähler) den Wert 11520 ergibt. Der Zähler-Startwert muss vom Messergebnis abgezogen werden und die Differenz zum Sollwert (die Regelabweichung) wird zur Anpassung der Abstimmspannung verwendet. Da kein hochauflösender DAC verwendet werden sollte, wird eine hochfrequente PWM einfach 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.
-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.
+Durch dieses Vorgehen stellt die Regelstrecke als Annäherung eine reine P-Strecke dar und lässt sich von einem I-Regler ohne Regelabweichung stabil regeln.
 ==== Elektronik ====
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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 "Drift" um plusminus 50 Hz auf 10 GHz (das entspricht 0,05 Hz bei 10 MHz) könnte im Betrieb störend sein. Eine weitere Verbesserung ist mit diesem Verfahren nur durch Vergrößerung der Torzeit realisierbar, dann passt die Regelzeitkonstante jedoch nicht mehr sinnvoll zur Stabilität des Oszillators und die Einschwingzeit wird zu groß. Aus diesem Grund wird der PLL-Ansatz weiter verfolgt.
 ===== PLL-Ansatz =====
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   * http://www.ik0otg.net/index.php?option=com_content&view=article&id=53&Itemid=59&lang=en
   * http://www.ke5fx.com/tbolt.htm
-  * [[http://www.bartelsos.de/index.php?dl_file=77498ICTFZ|Artikel über die Stabilität von Oszillatoren von Ulrich Bangert]]
+  * [[http://www.bartelsos.de/dk7jb.php/timenuts-genaue-frequenzmessung?download=102|Artikel über die Stabilität von Oszillatoren von Ulrich Bangert]]