projekte:gpsdo:start
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projekte:gpsdo:start [2018/10/20 21:12] – thasti | projekte:gpsdo:start [2018/10/30 22:52] – [Systemanforderungen] thasti | ||
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- | ===== Systemanforderungen ===== | ||
- | * geheizter Quarzoszillator mit hinreichend Kurzzeitstabilität | ||
- | * Frequenzgenauigkeit durch GPS-Anbindung | ||
- | * Anschluss für GPS-Antenne mit externem LNA | ||
- | * Indikatoren für GPS-Lock und OCXO-Lock | ||
- | * Versorgung aus 12..14V | ||
- | ===== Oszillator | + | ===== Untersuchungen |
- | ==== Interna ==== | + | Da mehrere Aspekte |
- | Im Trimble 65256 ist ein OCXO Vectron MC2001X4-046W verbaut, zu dessen Familie es ein {{http:// | + | * [[.:ocxo|Untersuchungen am Trimble 65256]] |
- | + | * [[.:v1|Version 1: FLL-Ansatz]] | |
- | {{: | + | * [[.:v2|Version |
- | + | * [[.:v3|Version 3: PLL-Ansatz, für Timing-Aufgaben]] | |
- | 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 Kurzzeit-Stabilität zweier Oszillatoren gegeneinander wurde mit dem HERMES als Messgerät durchgeführt. Ein Vergleich von unterschiedlichen Aufwärmzeiten wurde angestellt. | + | |
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- | {{ : | + | |
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- | ==== Steilheit ==== | + | |
- | Andreas, DL5CN, hat die Steilheit | + | |
- | * 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 | + | |
- | + | ||
- | Die Messungen | + | |
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- | ===== FLL-Ansatz ===== | + | |
- | 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. | + | |
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- | ==== Umsetzung ==== | + | |
- | 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: | + | |
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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 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 | + | |
- | Durch dieses Vorgehen stellt die Regelstrecke als Annäherung 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 {{:projekte: | + | |
- | * Layout als {{: | + | |
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- | ==== Software ==== | + | |
- | Teile der Software wurden vom Ballontracker | + | |
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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 wurde die Stabilisierung mittels einer PLL aufgebaut. | + | |
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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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- | **TODO aktualisieren der Schaltpläne** | + | |
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- | Nach Umsetzung der notwendigen Software konnte die PLL erfolgreich in Betrieb genommen werden. An Stefans Trimble-OCXO stellt sich mit GPS-Fix eine Abstimmspannung von 2,4V am OCXO ein. | + | |
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- | ==== Probleme ==== | + | |
- | **Schleifenfilter:** Der Abstimmeingang des OCXO besitzt einen Eingangswiderstand um die 400 kOhm. Aus diesem Grund kann das Schleifenfilter keine hochohmigen Serienwiderstände enthalten. | + | |
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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, die bei Digital Lock Detect detektiert wird. In [[http:// | + | |
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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: {{: | + | |
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- | Gezeigt haben sich in der praktischen Anwendung vor allem zwei Effekte: Einerseits ist die Zeitkonstante der Taktnachregelung im GPS selbst sehr hoch, d.h. die 10 kHz aus dem GPS werden langsam nachgeregelt, | + | |
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- | Um die Kurzzeitstabilität (und damit im weiteren Sinne die Genauigkeit) überhaupt sinnvoll verbessern zu können, muss das GPS-Modul thermisch auf jeden Fall von jeder Art schneller Temperaturänderungen isoliert werden. Ein besseres Konzept für einen GPSDO sollte vorsehen, die 10 MHz aus dem Ofen direkt als Systemtakt für GPS zu verwenden und diesen selbst nachzuführen. | + | |
==== Links ==== | ==== Links ==== |
projekte/gpsdo/start.txt · Zuletzt geändert: 2019/03/15 18:40 von thasti