GPSDOの製作 その1_GPS受信機

 　

　過日このブログにアップした「いまさらのGPS受信機」でも述べているように、GPSとは Global Positioning System または Global Positioning Satellite すなわち衛星測位システムのことです。

　今地球の周りには左図のようにたくさんの衛星が回っています。

　これらの衛星には、超高性能の原子発振器（セシウムなど）が搭載され、なおかつ、その精度は地上局より制御・維持されており、高確度かつ高精度の時刻情報を有し、発信しています。

　衛星から発信される信号は主に位置の測定に用いられますが、今回はこの信号を受信して、正確無比の周波数標準を作ろうというものです。

　この仕組みを GPSDO（GPS Disciplined Oscillator）と称しています、GPSに同期した発振器とでも言いましょうか、、、、

　ということで、GPS受信機がまず必要ですが、今回は先のブログで取り上げたものとは別のものを入手しました、とはいっても受信用チップは NEO-6M で同様です。（右写真は購入時のサンプル画像）

　NEO-6M はかなり過去のものですから、現状ではNEO-7、NEO-8 がベターですが、GPSDO 用ですので、ebey の中華最安値品？（大きいほうのワンコイン）としました。

　入手まで約一か月かかりましたが、無事到着し、チェックをしましたが不動品でした。中華最安値品？ではよくあることなので少しも騒がず詳細を調べてみました。

　

結果は

・５V → ３.３V ３端子レギュレータが不良

・メモリバックアップ用スーパーキャパシタ不良

・デフォルトの設定がおかしい

　で、修理・改良です。

・不良の３端子レギュレータを除去、レギュレータのＩＮ・ＯＵＴを配線でショートし＋３.３V仕様に改造

・スーパーキャパシタは除去して、CR2032(Li3V) 電池を代わりに取り付けます。（極性に注意、＋極側に逆流防止ダイオードを入れる）

・アンテナのコネクタを除去し、同軸ケーブルを取り付け

・基準パルスの出力は NEO-6M チップの３番ピン（受信パルス表示LEDへの配線）

　右写真は 修理・改良済みのGPS受信機を秋月のユニバーサル基板に取り付けたところです。

　この改良受信機は＋３.３Ｖ仕様になっていますので要注意です。右側の黒いＩＣは受信機とパソコンをＲＳ２３２Ｃで接続するためのインターフェースです。

　左がその回路図で、ELMさんによるＣＭＯＳインバータを使った簡易版です。

　このＩＣ（例えば７４ＨＣ０４）の電源には＋５Ｖを供給して ３.３Ｖ → ５Vのレベルコンバータの役割もさせています。

　この段階で受信機としてのチェックです。

　上は u-center というPCソフトで、受信できた衛星の様子を見てみたものです。天空に１１個の衛星を捉えていることがわかります。最低でも４個あれば受信データは有効に使えるようですから、この結果なら十分でしょう。

　次いで、左のu-center の config 画面から、出力パルスをDuty５０％の１０ｋHZとなるように設定します。

　受信機の出力をオシロスコープで観察してみました、確かにきれいな１０ｋHZが出力されています。

　出力レベルはP-Pで３.１６VありますのでTTLでの信号処理は問題ないでしょう。

　左写真は仕上げ用のケースに受信機を仮付けしてみたものです。ケースは過日、縁日のフリーマーケットで入手した古いWOWWOWのチューナです。

　写真の下側に見えるように、電源トランスから２系統の＋５Vが得られ、LEDなども使えそうです。電源ラインをレギュレータ出力のところでカットしておけば、基本はRF用途ですので、全体がベタアースのようになっていてベターです。ただ電源容量が少し心配ですが、これは後程考えましょう。

　ということで次回はいよいよ　その２_制御回路　です。

HP53181Aカウンター用７seg LEDモニタの製作

 

　過日のブログに「周波数カウンター HP-53181A ジャンク蘇生す！」をアップしましたが、その折に古いジャンクゆえに、表示文字が暗くて読みにくい、、、、と記しました。

　左写真でわかるように数値を読み取るのに大変苦労します、というわけで、これも過日のブログ（「TM1640は使える」）にヒントを得て、より明るく、より大きな文字を表示する７seg LEDモニタなるものを思いつき、製作してみました。

　左写真の上にのせてあるのがそれです。

　HP-53181A 周波数カウンターは幸いなことに周波数の値を、裏面パネルにあるRS232Cコネクタから常時アウトプットさせることが出来ますので、この信号をＣＰＵ（ATmega8）で拾い、TM1460を使って、１６桁の数字を７seg LEDに表示させればいいのです。

　右図がＣＰＵ（ATmega8）周りの回路図です。ATmega8は小型化のためにＤＩＰではなく、ＴＱＦＰタイプのものを使用しました、プログラム開発にはもちろんarduino IDEを使いました。

　・カウンタ本体との接続は９ピンコネクタで行いました。（図中右上）

　・データは３番ピンのＴｘＤから採り、トランジスタで反転・レベル合わせをしています。

　・４番ピンと６番ピンは結線

　・この回路には電源（＋５Ｖ）が必要なのでカウンター内で９番ピンへ＋５Ｖを出力できるように改造しました。これは禁じ手です！！！真似しないでください。

　次いで、表示部の回路を示します。

　

　この部分はすべて手配線を行いましたので大変でしたが配線材には０．２６ｍｍのＵＥＷ線を使いましたので多少助かっています。

　右写真にそれらを示します。

　上半分は表示部分、右下は密になっている配線部分の様子、左下は９ピンRS232CコネクタとＣＰＵ（ATmega8）です。

　表示部とＣＰＵ（ATmega8）部は４０～５０ｃｍの距離を４本のワイヤーで接続しています。

　左写真はカウンタに接続したところです、ＣＰＵ（ATmega8）部がいささかだらしないですが、そのうち気の利いたデザインを考えましょう。

　比較に置いた１０円玉と比べて、随分コンパクトに収まりました。

　そしてコントロールソフトです。

　おおよそはコメントでわかると思いますが、

　　・TM1640.h はライブラリ

　　・TM1640　module(12,13)　はI2Cのピン指定

　　・module.setupDisplay(true,3) はディスプレイの輝度指定

　です。

　このように簡単なスケッチで１６桁の７seg LEDモニタがうまく動いたのには驚きでした。

梅雨の晴れ間の庭花

 

　今年は記録破りの５月中旬の梅雨入りとか言われていましたが、下旬に入って雨も一段落、梅雨の晴れ間となっています。

　庭のサツキもいよいよ出番、、、、それも当然、名前の由来は５月（皐月）に咲く花からきています。この花は万葉の昔から「岩つつじ」として歌集に登場していたとか、、、

　ツツジが４月ごろ開花してから葉が出るのに対し、サツキは葉が生えそろったいまの５月に開花します、濃い緑に花がほど良く映えています。

　一方こちらはジャスミンの花盛りです。古く親しい友人からもらったもので、ゴーヤーなどの緑のカーテンに代えて育てていたものがようやく様になってきたのです。

　このブログをアップするに際して、少し調べてみました。このジャスミンはスタージャスミンと言われるもので、中国、台湾に分布するキョウチクトウ科テイカカズラ属の常緑性つる性低木だそうです。

　通常のジャスミンがモクセイ科ソケイ属で、原産はインド・ヒマラヤ・カシミールとされていますので似たような名前ではあるものの別種です。

　しかしながらその香りのよさと、楚々とした花の美しさで近頃もてはやされているとか、、、、

　そしてもう１種類狭い庭に我が物顔で咲き誇っているのは、南東ヨーロッパから中央アジアに分布する、セリ科オルレア属のオルラヤ・ホワイトレースです。

　我が家の庭がよほど気に入ったのか、年々増加していますが、白いレースのような繊細な花は、この時期同時に咲くバラなど多くの色合いの花とよく調和するようです。

　これから本格的な梅雨になれば、似合う花はアジサイでしょう。

　左写真は庭の片隅に咲いているヤマアジサイです。
　ヤマアジサイ（山紫陽花）は通称ガクアジサイとも呼ばれる原種に近いアジサイで、華やかさや豪華さでは園芸品種の大ぶりなアジサイには譲るものの、より自然な魅力があり、その可憐な花姿や小ぶりな樹形から根強い人気があるようで、花の色の変化も見逃せません。

　右写真はガクアジサイの仲間、墨田の花火です。

　もともと横浜のとある民家の庭で育てられていたものを園芸種にしたもののようで、花は白から次第にほのかな青色になっていきます。

　名前の「墨田の花火」は花火のように星形の花が飛び出すような様子を隅田川の花火大会にたとえたものだそうです。

　我が家にはこのほかに何種類かのアジサイがあるのですが、寂しいことに今年はなぜか花をつけていません。

　コロナに梅雨と、何となく重苦しい日々をこれらの花々に慰められているような気がしています。

いまさらのGPS受信機

　GPS（Global Positioning Systemまたは Global Positioning Satellite）とは、アメリカ合衆国によって運用される衛星測位システムのことです。

　他の国にはそれぞれ呼び名があるようで、たとえば日本の「みちびき」は準天頂衛星システムQZSS（ Quasi-Zenith Satellite System）と呼ばれ、現在４機が稼働中です。

　またロシア、欧州、中国、インドなども保有しており、今１００機以上のＧＰＳ衛星が天空を駆け回っているようです。

　

　この衛星はその名前が意味するとうり、測位に用いられ、今では当たり前になったカーナビやスマートホンの地図情報に用いられています、それも無料で。

　一方本来の目的である、軍事用途では、ミサイルの誘導などに使われているのも自明のことです。

　今回、このＧＰＳからの電波を受信し、衛星の情報を得るための受信機を入手しました。

　もちろん最新版ではなく何世代も前のものですが、私が受信したい正確な時間情報を得るには十分なものです、しかもその値段たるや、アンテナ付きで、わずか数百円にまで下がった、ときたら試してみる価値はあります。

　冒頭の写真がその、u-blox社のＮＥＯ-６Ｍですが、このボードには上写真の左上にみられるデータ保持用の電源であるスーパー・キャパシタが機能しなくなっているという共通の問題がありますのであらかじめ取り外しておきました。

　右写真は早速コンピュータとＲＳ２３２で接続して様子を見ているところです。

　ボード上のＬＥＤが１秒間隔で点滅を始め、作動開始しましたので一安心です。

　この受信機は約２４ｘ３６ｍｍで左写真中の１０円玉と比較しても小さなものであることがわかります。

　データ・バックアップ用の電源はＣＲ２０３２というＬｉボタン電池を使いましたが、一次電池ですので、逆流防止用のダイオードは必須です。

　スペックではデータ・バックアップ用の電圧は１．４ＶまでＯＫとありますのでダイオードの電圧降下は問題ないでしょう。

　上画面は、u-center という専用のソフトを用いてパソコンで衛星からの情報を表示させたものです。　まだ電源を入れたばかりなので、大空にある衛星のうち緑色で示された４個のみの情報を入手しています。時間経過とともに、緑の衛星が増えていくのを見ているのも楽しいものです。

　右下の時計はＵＴＣ(Coordinated Universal Time) 協定世界時で示されており、日本標準時 (JST) は協定世界時より9時間進めた時間です。

前述したように、今回の本当の目的は、周波数カウンタに使用する正確な１０MHｚを得ることなのです。それもｐｐｂ（１０のマイナス９乗）が必要です。

　ＧＰＳ衛星には主にルビジウム原子時計が搭載されており、その周波数の正確さは１０のマイナス１１乗ですので、これを受信して１０MHｚの周波数基準を作ろうというわけです。（そのうちブログでご紹介したいと思っています）

　ＮＥＯ-６Ｍでは出力パルスの初期設定値は１Ｈｚとなっていますが、u-centerのViewメニューからConfiguration Viewを開き、左側に並んでいるメニューからTP5（Timepulse5)を選択して右のような入力ボックスを出します。

　そして、それぞれに数字を入力（右の例では１０ｋHz）してConfiguration Viewの下にあるＳｅｎｄボタンを押せば目的の周波数パルスを出力することが出来ます。

　ただこの設定はメモリに記憶させておかないと、電源を切った時に消えてしまいます。

　記憶させるには、Configuration Viewの左側に並んでいるメニューからCFG(Configuration)を左上のように開き、必要事項を入力してから、これも同様にConfiguration Viewの下にあるSendボタンを押す必要があります。

　このようにして得たそれぞれの出力パルスをオシロスコープで観察してみたのが上写真です。

　左はデフォルトの１Ｈｚのパルスで、カウンタの測定値も併せ挙げておきましたが周波数基準が正確ではないので、４３８という数字が出ています。数値そのものはほとんど動きません。

　中央は１０ｋＨｚです、５０％のディユーティを指定してあります。波形がなまっているのは、プローブのせいでしょう。右は１０ＭＨｚですが安定度にかけます。

　今回旧型のGPS受信機u-blox社のＮＥＯ-６Ｍをきわめて廉価で入手しましたが、期待以上の使いやすさでしたので、これをベースに１０MHｚの周波数基準を作ろうと考えています。

超安価な１２Ｖ３.７A電源

　５月も半ばになって、コロナ禁足というわけではありませんが、ようやく冬用タイヤの交換に出かけました。

　その間の待ち時間に、近くにあったゲームソフト屋さんをのぞいてみました。

　もともとゲームには興味はありませんが、ゲーム機はコンピュータそのものですし、家電を含めたハードの中古品がそこそこ展示されているからです。

　そんな中、気になるものを見つけました。

　NintendoのＷｉｉ用のＡＣアダプターです。（左写真）それもなんと￥１９８（税込み）です！！

　デザインは抜群ですし、オモチャ用ですので、安全性や耐久性は場合によっては安物の部品単体より品質は上かもしれません、なにせ部品メーカもＭＩＴＳＵＭＩなのですから、、、

　とりあえず家に連れ帰って、さっそく開梱してラベルを確認してみました。

　入力はＡＣ１００Ｖ、出力は１２Ｖ３.７Ａとあり、実験に使うには十分でしょう。

　入手したからにはまずは分解です。ところが左写真の左側に示したようにネジの頭が特殊な形をしており、対応できる工具は手元にありません。

　ならば、、、とダイヤモンドカッターで右側のように切れ込みを入れ、マイナスドライバーで外すことが出来ました。

　内部は想像していたように、スイッチング電源そのものでした。（下写真）右写真は基板裏面です。

　造りはさすがにＭＩＴＳＵＭＩ製だけあって見事なものです。

　容量は、１２Ｖ ✕ ３.７Ａ ＝ ４５Ｗということですが、うまく設計されているのでしょう、思ったよりスリムにできています。

　次いで出力特性を見てみました。

　右は自作の電子負荷をつないで出力電圧の変化を調べているところです。

　結果、無負荷出力電圧　１２.１１Ｖ

　　　　１.０Ａ負荷　 　１２.０４Ｖ

　　　　１.５Ａ負荷   　１１.９９Ｖ

　　　　２.０Ａ負荷 　　１１.９５Ｖ　となり、まずまずの結果でした。

　電流は３.７Ａまで流せるはずですが、実用的には２.０Ａまではっきりしていればよいと思います。

　さらに２.０Ａ負荷時のノイズをオシロスコープで観てみました。ごくありふれた、典型的なスイッチング電源のノイズでした。

　これらのことを念頭においてうまく使えば、造りの良いＡＣコードも１.７ｍもあって、今回の買い物は超お買い得と言えましょう。

Agilent E3640A 修理

　今回は Agilent E3640A という直流電源の修理です。このロングセラー・シリーズのなかでは最も容量の小さな ０～８Ⅴ(max３Ａ）と ０～２０Ⅴ(max１．５Ａ）の２レンジのモデルで、私が日常的に使う電子工作には十分すぎる性能です。

　定電圧動作は当然のこと、定電流電源としても使え、その出力は電圧・電流をディスプレイでモニターできます。

　さらに気に入っているのは、この電源はトランス降圧式で、スイッチング式ではなく、ノイズを気にすることなく安心して使える点です。

　このような高性能機器を思いがけなく廉価で入手できたのですが、やはり問題がありました。

　電源としての機能は問題ないようなのですが、電圧・電流を設定するノブを回しても応答が定まらず、安定した操作が出来ません。

　これは厄介なことに、、、と思いましたが、気を取り直してネットで調べた結果、この機種ではよくある現象で、ロータリー・エンコーダの故障らしいということがわかりました。

　それでは、、、ということでロータリー・エンコーダを直にしらべるために分解の開始です。

　Agilent/HP の装置はこれまでも手掛けたことがありますので、お約束に従ってどんどん先に進めます。

　右上は外側ケースから取り出した本体の内部を上から見た写真です。中央下に見えるのは、主役の大きな電源トランスで、頼もしい限りです。

　基板上の部品は整然と配置されさすがに泣く子も黙るAgilentです。

　どんどん分解を続け、ロータリー・エンコーダのシャフトが見えてきました。

　上写真のロータリー・エンコーダのシャフトを固定しているナットを右写真のようにして外します。

　左写真はお目当てのロータリー・エンコーダです。その下にAgilentの前身であるＨＰのマークが燦然と？？輝いています。

　でも何か変な感じがします、このロータリー・エンコーダは、いつも私が電子工作に使っているものと瓜二つなのです。

　カシめてある爪を緩めて内部を観た写真が右です。

　予想されたような、機械接点式のロータリー・エンコーダに間違いありません。安価ではありますが、信頼性、耐久性に乏しいのも当然のことと言えましょう。

　Agilentたるものもう少しましなロータリー・エンコーダが使ってあると思ったのに、、、

　このまま接点を清掃してもよいのですが、思い切って手元の瓜二つのロータリー・エンコーダを使ってみようと思い立って、故障品？を外したのが左写真で、ＡＬＰＳの刻印があります。

　右写真の左は今回の故障品？で、右は手持ちのロータリー・エンコーダです。（リード線はチェックのための仮付）

　寸法も構造も瓜二つですが、秋月で入手した手持ちのものはＡＬＰＨＡの刻印があり、台湾製のようです。

　そしてプリント基板にもぴったりとフィットしましたので、多少の不安はありましたが、そのままはんだ付けして再度組み立てをして完成としました。

　右写真は最終チェックです。

　左側の５．００Ⅴ設定はもちろん右側の０．０１Ｖ設定に対しても出力されています。

　ロータリー・エンコーダのフィーリングと反応も良好で、秋月の安価なロータリー・エンコーダ（￥200）が純正品相当の性能を取り敢えずではありますが、出したというのは驚きです。

　ただこんなによく使うセッティング部品に、なぜこのようなチープな部品を採用したのか疑問ですが壊れたら交換すればいいというのは、ユーザーにとってありがたくないことでしょう、正規に交換してもらえばン万円も請求されるでしょうから、、、、