我が家の周波数標準の製作 （ LCDモニターつきGPS 同期 10MHz 発振器）

　先々回のブログで「ＢＰＩＢ－ＲＳ２３２Ｃ　変換インターフェースの製作」をアップしましたが、周波数の測定はどうしても基準周波数との比較でおこなうため、精度よく測定するにはどのような周波数標準を持つかが鍵となります。

　ということで、アマチュアが対処できるベストな方法をいろいろ考えた結果、ＧＰＳから送られてくる電波の中の時間信号を使うのがよいと考えました。ＧＰＳ受信機を購入して、同期発振器を製作する手もあったのですが、数年前ごろから携帯電話の基地局で使われていたとされるＧＰＳ 同期発振器がシステム更新のため中古品が大量に市場に出てきました。幸いにもタイミングよく入手できたものが手もとにありましたので、これをつかって「我が家の周波数標準の製作」となったわけです。

　写真に示したのが Trimble社の ThunderBolt というＧＰＳ 同期発振器で、出力に１０ＭＨＺと１ＰＰＳ（１秒）の両方を持っています。

　カバーをはずした中に見られるように、　ＧＰＳ 衛星に搭載されている原子時計の超正確な時刻情報である１ＰＰＳ (1秒間に1個のパルス信号)を受信機から取り出し、ＯＣＶＣＸＯ (Oven-Controlled Voltage-Controlled X'tal Oscillator：恒温槽付電圧制御水晶発振器)（写真中の四角い金属製のブロック）をＰＬＬ技術を使ってロックし、正確な１０ＭＨｚの信号を得るものです。

　このユニットを実用に供するためには、電源を用意し、適当なケースに入れ、以前から懸案にしていた作動状態をチェックできるモニターもケースに搭載する必要があります。

　事前の予備実験で、必要な電源は、定常状態で実測したところ、＋５Ｖ-２５０ｍＡ、＋１２Ｖ-１２５ｍＡ、－１２Ｖ-３ｍＡが必要であることがわかりました。もちろんウォームアップ時にはヒーター用の＋１２Ｖはマニュアルによればmax７５０ｍＡ流れるとありますので注意が必要です。

　出力のピュリティも考慮して、トランスによるアナログ電源も検討したのですが、大きくかつ重くなるのがいやで、外付けの１６Ｖ１Ａスイッチング電源を使いました。

　写真に見られるように、ケースは幅１５ｃｍ、高さ５．５ｃｍ、奥行き２０ｃｍのものを使い前面にＬＣＤ（液晶）パネル、ＬＥＤランプそして後面に各種コネクタを配しました。

　主電源（＋１６Ｖ）は写真右下のコネクタから入り、コモンモードチョークを経てアルミ放熱板に取り付けたシリーズレギュレータＬＭ３１７に入り、＋１２Ｖを得ます。＋５Ｖも同様にシリーズレギュレータ７８０５によって＋１２Ｖから得られます。当然のことながら、シリーズレギュレータの損失熱がかなりありますので、対策を打つ必要があります。

　電源としては、さらに－１２Ｖが必要ですが、せいぜい５ｍＡもあればいいので、ＮＥ５５５で発振回路を作り、４倍圧整流ののち７９Ｌ１２で安定化しました。（上写真中の左側基板）

　発振周波数は、約９２２Ｈｚで－１２Ｖ-１０ｍＡが取り出せました。このユニットは効率が悪く、そのときの入力電力は１６Ｖ-３５ｍＡでした。

　ついでＬＣＤモニターについて述べたいと思います。

　このユニットはＲＳ２３２Ｃの端子を持っており、パソコンソフトを使うことで多くの情報を得ることができます。　（親元のTrimble 社より Tboltmon.exe というモニタ＆設定ユーティリティソフトが提供されており、容易にネットからダウンロードできます。）

　右上がパソコン画面ですが、パソコンとはＣＯＭ１のポートでつながっており、ＧＰＳ衛星は６個捕捉しています。そして、ステータスはグリーンで、発振器はPhase Lockingの状態であり、１０ＭＨｚの精度は０.１０ｐｐｂであることを示しています。

　このソフトはよくできているのですが、いちいちパソコンに接続するのも大変ですので、赤い枠で囲った、「Activity」と「１０ＭＨｚの精度」のみをケースにつけたＬＣＤに表示し、発振器がロックして正常なときはグリーンのＬＥＤを、非正常のときは赤のＬＥＤを点灯させることにしました。

　そのためには発振器からＲＳ２３２Ｃで送り出される多くのデータの中から、必要な部分を取り出さねばなりません。

　マニュアルを調べてゆくと、データ中の ０ｘＢＦ-ＡＣという部分に情報があることがわかりました。左側の表にあるように、０ｘＢＦ-ＡＣブロックのＡＣを０バイトとして数えたときの１３バイトが「Activity」で、ここに０から６の数字（１６進数）が入ります。
　０ならPhaseLocking、、、６ならInactiveといった具合です。

　さらに２０，２１，２２，２３の４バイトには１０ＭＨｚの精度情報があり、この４バイトから計算して１０ＭＨｚからの偏差±ｐｐｂを出せばいいのです。
　右図は発振器からのＲＳ２３２Ｃデータ（ 9600, 8-N-1の条件で）を通信ソフトの「 Tera Term ]でファイルに落とし、（ここが肝心です）バイナリ－エディター「 BzEditor 」で開いたものです。上述したようなデータを見ることができます。
　あとはお得意の？ＡＶＲをつかって、読み取り、判断、ＬＣＤとＬＥＤへの表示をさせればいいのです、、、、が符号付浮動小数点の１０進化には苦労しました。

今回ＡＶＲはATtiny2313、コンパイラにはＷｉｎａｖｒを使用しましたが、もちろんＡｒｄｕｉｎｏでもいいですが吐き出されたファームが大きくなるのでATtiny2313にははいりきらず、ATmega44,88クラスが必要かも、、、、

　ＡＶＲ周りの概略回路を示します。ＲＳ２３２Ｃのデータはトランジスタを使った簡単なものですが、十分に機能しています。ＬＣＤにはお定まりの６線結線です。

基板もコンパクトなのでＬＣＤのソケットに直付けしてあります。（右写真）
　完成した全体写真を下に示します。

　右下の橙色ＬＥＤは電源用、その上の赤いＬＥＤはまだ発振器がロックしていないことを示し、ＬＣＤもわかりにくいですが、「 inactive 」を表示しています。


　ウォームアップ時間が経過すると、右写真のように赤のＬＥＤからグリーンのＬＥＤに切り替わり、ＬＣＤ表示も下段に「 status_locking 」、そして上段には「 ＋0.003ppb 」と正常な作動状況を示します。
　また、裏面パネルは、向かって左側から、電源、ＧＰＳアンテナ（古いカーナビ用を流用）、１０ＭＨｚ出力、１ｐｐｓ出力そしてＲＳ２３２Ｃコネクタと並んでいます。

　先々回のブログでアップした

「ＢＰＩＢ－ＲＳ２３２Ｃ　変換インターフェースの製作」をつかって早速データを取ってみました。１０秒おきに１００回のデータですが、ほぼ８ｍＨｚの間に入っています。これは、１００００００００００分の８ということですからかなりの精度だと思います。ただし、よく考えてみるとこのデータは周波数カウンタ自体の精度を示していることでもあるのですね、、、、