No.200 GPSDO 2

No.189では、ちょっと変わった制御のGPSDOを紹介しました。3回くらいに分割しても良さそうな大作になってしまいました。しかし一番重要な部品であるOCXOの入手に問題があったのは事実で、全く同じ作り方は困難だったと思います。入手が確実な発振器を探していたところ、秋月電子で12.8MHzのVC-TCXOを売っている事に気が付きました。10MHzの方が使いやすいのですが、これは仕方ありません。やはり実験という事で、少し違った考え方で写真1のように製作してみました。

今回も実験記になってしまいましたが、部品の入手だけは問題ないと思います。このVC-TCXOの持っている特性には少々限界があり、前回に比べて精度が1～2桁程度は悪化しているように感じました。最初から想定されていたのですが、GPSDOは精度を追求しないと意味がありません。今回も次回作へのステップと考えており、作りやすく性能の良い10MHzのGPSDO 3が頭の中にあります。

周波数の比較方法を少し変えましたが、基本的な考えはNo.189と同じです。図1のように12.8MHzを74HC390で1/2に分周し、その後で74HC74で1/4に分周すると同時に90度の位相差の1.6MHzを作りました。そして、1.6MHzに設定したGPSの出力と比較しました。この結果をCPUで読み取り、D/A変換出力でVC-TCXOの周波数を微調整するという構造です。

最初の実験では、12.8MHzのVC-TCXO出力を1/4分周しながら90度の位相差を作ってみました。GPSの設定を3.2MHzにして周波数の比較をしようとしたのですが、ノイズが多く問題がありました。No.189ではノイズを無視したのですが、1.6MHzであればノイズが少ない事に引かれ、1.6MHzで周波数の比較をする事にしました。

なお、No.189では10MHzと10MHzを比較して10MHzを出力していました。位相をLCD上に円で表し、1秒で1回転すると1Hzの相違でした。今回は12.8MHzを1/8にして1.6MHzで比較しますので、1秒で1回転すると8Hzの相違になります。つまり細かい調整については不利になりますが、これは仕方がありません。

比較は手元にあったSN16913を用いて行い、No.189のようなダイオードDBMやハイブリッドの分配器等は使用しませんでした。コストカットでもあります。あまりに古いSN16913を使う必要は全く無く、入手容易なDBM用のICで充分です。しかし状態の監視のために、グラフィックLCDを使用しています。これが無いと見ていて楽しくありません。

更に問題となるのが、VC-TCXOの周波数制御になります。前回のOCXOはTUNE電圧が5Vで1Hzの周波数変化でしたので、12ビットD/A変換のMCP4726で充分でした。ところがこのVC-TCXOを試したところ、4Vで250Hzの変化をしました。データシートでは±6～12ppmとなっていますので、ちょうどその程度の変化幅と思います。250Hz÷4V=62.5Hz/Vですので、単位を変えると62.5mHz/mVとなります。12ビットのD/A変換の出力は、5V÷4096=1.22mVステップになります。従って1ステップが62.5×1.22=76.3mHzになりますが、このような使い方としては明らかに粗すぎでしょう。しかし、16ビットを使ったとしても結局は周波数の差が離れ過ぎてしまい、CPUではズレが全く測れません。つまり収束できません。そこで12ビットのMCP4726をD/A変換器に使うのですが、出力を抵抗で1/47に分圧して変化幅が小さくなるようにしました。76.3mHz/47=1.62mHzステップになりますので、この場合では充分かと思います。制御電圧には、パネル面からのVRで調整する直流電圧をプラスしました。これでグラフィックLCDの回転状態を見ながら、VRで租調整を行います。これは周波数カウンタで確認しながらでないと、最初は難しいと思います。ズレによる回転の様子が解るようになると、周波数カウンタも不要でしょう。その後は自動的に周波数が調整されます。

また、前回はGPSユニットを外部に置いて10MHzを入力していました。これは実験の流れがあって仕方がなかったのです。今回はGPSのアンテナで入力し、GPSモジュールは本体の内部に入れています。この方が作り方としては王道なのでしょう。GPSアンテナの使いまわしも容易になります。

2台目ですので、No.189よりも相当にスムーズに進める事ができました。写真2はブレッドボード上で実験している様子です。このようなバラックの状態で動作する事を確認し、見つかった問題点を解決しながら製作を進めました。

このように実験をした結果、図2のような回路としました。今回は5Vだけの単電圧ですので、電源としては容易です。入力を12VにしてレギュレータICで5Vにするだけです。もちろん9Vでも8Vでも支障はありませんし、放熱を考えるとその方が有利です。性能的にはそれ程ノイズを気にしても仕方ありませんので、レギュレータIC一個の簡単な電源で済ませています。

図3の実装図を先に製作してから作りました。図4がこのハンダ面です。図5がジャンパーです。サンハヤトのシールド付きのユニバーサル基板ICB-98DSEをカットして使っています。このサイズになると実装図は重要で、先に製作しないとほぼ不可能と思います。74HC14のICソケットの下にジャンパー線がありますので、これを先にハンダ付けします。しかし部品面は全面がシールド付きの基板ですので、写真3のように絶縁用のカプトンテープを貼ってからジャンパー線のハンダ付けしました。他のジャンパー線は部品面に出していますので、最後に配線する方が良いでしょう。

ケースにはLEADのPSA-2を用いました。容積的には、かなりギリギリのサイズです。私の穴あけの方法ですが、パネル面にメンディングテープを貼って、穴の位置を鉛筆で書きます。ズレがあれば消しゴムで消して、納得するまで修正します。これに合わせて、まず写真4のようにドリルとリーマーで円の穴あけをしました。LCDの穴はパネル内にハンドニブラが入りませんので、外から開けるしかありません。従って内側にも写真5のように穴の位置をテープ上に書いておきます。中央にハンドニブラの入る穴を開けて、まず写真6のように十文字にカットします。三か所は雑でも大丈夫です。一か所だけは最初にスタートする線にピタリ合わせておきます。ここをスタートとして四か所をカットするように穴を開けています。まず写真7のようになります。最終的には写真8のように穴が開きます。このように分割する方が、慎重に作業ができます。面倒ですが綺麗に開ける事ができます。この後でヤスリで各穴の仕上げを行い、写真9のようにしました。

基板を固定しようとすると、ゴム足のケース内に入る部分が、どうしても邪魔になりました。このケースのサイズでは、ゴム足の位置と基板の取り付けが重なる確率が高いと思います。そこで写真10のように付属のゴム足ではなく、シール方式のものを貼りました。なお、基板は接着式樹脂スペーサーのペテットT-600を使って固定しました。これは秋月電子で購入したものです。正方形の中央で基板を固定するタイプでは、スペーサーがケースに入りません。

グラフィックLCDは写真11のようにコネクタ付きのコードを自作しました。次回の10MHzように備えて写真12のように2つ製作しています。なお、このグラフィックLCDですが、No.189ではTG12864B-02WWBVを使用していますが。今回は小型にする目的もあってTG12864E-02Aを使用しています。長い型番で恐縮ですが、検索すると簡単に見つかると思います。どちらも秋月電子で購入したものです。この時点で全体の動作確認をしているはずなのですが、写真を忘れているようです。これらの部品を写真13のように固定しました。写真14のように全部品を取り付けて動作確認をしました。使用したケースのPSA-2は、パネル面に多少の高さがあって都合が良いのですが、前後のパネルがペナペナしてしまいます。そこで写真15のようにアルミの板で補強してみました。強力な両面テープで固定した程度ですが、これでケースとしてガッチリします。また、後から追加したのですが5VのレギュレータICの放熱が気になったため、Lアングルを使ってケースに接触させている様子が見えます。No.189に比べて相当コンパクトに作る事ができました。これはVC-TCXOが小型である事と、電源が単電圧というメリットのためでしょう。最終的には写真16のようになりました。パネル面が狭いため、スイッチとBNCコネクタの一部は裏面に設けました。

ソフトは基本的には、No.189と同じです。少々継ぎ接ぎだったところを改め、一貫的になるようにしました。写真17にLCDの表示を示します。中央の下側に6041と表示していますが、電源ONしてからの秒数です。時間管理をこの秒数に一本化しました。前回は500秒を1セットとして、何セット経過したかという表示でした。しかも500秒はカウントダウンでセット数はアップという、少々チグハグな作り方でした。秒数で一本化すれば、これほど明確なものはありません。そこで100000秒までのカウントアップに統一しました。そこからは0秒に戻ります。一日以上ですので、私の使い方では充分過ぎる時間です。

ついでに周波数のズレ表示も10秒、100秒、1000秒にしました。また、100秒間隔で周波数を合わせると、修正が追いつけなくなる事に気が付きました。そこで常に10秒間隔で修正しています。これは安定なOCXOとの相違なのでしょう。

LCDの右下に見える3501はD/A変換の出力値を表示しています。12ビットですので0～4095を出力しますので、ここで収束しているのは少々高過ぎです。VRを調整してもう少し下げるべきでしょう。参考程度と思いますが、ソフトは「ここ」に置いておきます。なお、No.189のソフトも同時にバージョンアップし、10秒、100秒、1000秒としました。これも「ここ」に置いておきます。

なお、PCの環境はWINDOWS XPで、BASCOM AVRの製品版 VER.1.11.9.8を使ってコンパイルしています。書き込みはAVR ISPmk2ですが、基板のISP端子との接続には自作の変換ケーブルを使っています。これ以外の環境についての確認はしていません。

まず必要な設定として、GPSモジュールの1pps出力を1.6MHzにする事です。GPSモジュールの中にはこの設定変更ができないものもありますので、良く確認して下さい。設定方法等についてはトラ技等のGPS記事を参考にして下さい。使用するソフトのバージョンによって、かなり操作が異なります。内容的にはTP5で出力周波数を16000000として、Duty Cycleを50%にします。また、Save Configをクリックして、設定をGPSモジュールのEEPROMに保存しておきます。これで次回からは手間が省けます。

1.9MHzのFCZコイルは1.6MHzに合わせ、出力レベルがピークになるようにします。このコイルの出力にある半固VRは、DBM ICへの入力が600mV程度になるようにします。これはあまり意味が無かったようにも思います。

TP1,TP2にX-Yに設定したオシロスコープを接続し、周波数のズレが円の回転として見られるようにオペアンプの半固VRを調整します。最終的にはグラフィックLCDの表示が正しく回転するように調整します。

TUNEでの可変範囲が適当になるように、前後の半固VRを調整します。いずれにしても、簡単に終わるような調整ではありません。