GPSDOの製作 その２_完成

　前回のブログ「GPSDOの製作　その1_GPS 受信機」ではフリーマーケットで入手したWOWWOWのチューナを改造して、（と言っても電源回路のみを残してケースを流用したもの）GPS受信機を取り付けたところまで進みました。

　今回はその後の完成までを紹介していきたいと思います。左写真は最終段階での実験の様子です。

　GPSからの電波を基準にした発振器の方式には、PLL(Phase Locked Loop)とFLL(Frequency Locked Loop)の２種類があります。

　PLLはGPSからの基準値（10kHzが良く用いられる）と発振器からの出力（基準値と同じ10kHzにして）との位相差を検出してこれが０になるように制御します。

　同様に、FLLはGPSからの１秒パルスを用いて、発振器の周波数をカウントし、目的の周波数になるように制御します。

　これらの制御には電圧を与えることで周波数を変化させられる発振器が用いられます。右写真は、CTIのOSC5A2B02という25ｍｍ角の発振器で、ebayから入手しました。

　

　今回はPLL方式を選択しましたが、お手本はアマチュア無線家である James Miller (G3RUH)さんの文献、「10 MHz Simple GPSDO」に拠りました。

　左に文献の冒頭部分を示します。

　下に制御部分の回路図（略式）を示しますが、これは前述の文献より引用し、少し手を加えたものです。

　簡単に説明すると、図中上部にある10MHzの発振器の出力は、74HC14でバッファリングされ出力となりますが、一部は分岐し、74HC390のカウンターにより、10ｋHzにまで分周されます。

　この10ｋHzとGPS受信機NEO-6Mからの10ｋHzを位相検出器74HC86にインプットし、得られた位相差をフィルタとLM358のバッファを通して発振器を電圧制御しています。

　このフィルタ（超簡単に150kΩと100uFタンタルコンデンサ）の部分は手を加えていけばどんどん深みにはまりそうなので、必要に応じてのちほど手を入れるということで、、、、

　今回の製作はGPS受信機に興味を持ったところから始まっていますが、GPSDO標準発振器としてはすでにこのブログの「我が家の周波数標準の製作」で紹介してある、Trimble社のThunderBolt を使ったものがあるので、手軽に日常的に使えたら、、、、というのが目的です。（左写真参照）

　さらに今回は使い勝手ということに留意して、GPSに同期したことを示す、ロック・インジケータをつけてみました。

　上記制御回路がGPSに同期して安定化した時の発振器制御電圧は約1.91Vでしたので、右回路図のようなウインドウ・コンパレータを考えてみました。

　5kΩの半固定抵抗で調節し、1.90～1.92Vの範囲でLEDが点灯します。間接的なモニタですが有るのと無いのとでは大違いです。

　制御回路についていろいろ実験した結果を以下の写真のように実装しました。

　左写真について簡単な説明をしておきます。

　上部左はNEO-6M GPS受信機、その右のCD4011はGPS受信機をモニタ・制御するための簡易RS232Cインターフェースで、その右のLM358は上述のロック・インジケータ部です。

　上部右の基板が今回主に述べた制御回路です。

　ケースの中はまだまだ空きが多く、また気まぐれで手を入れることもあるでしょう。

　右写真は完成状態での最終チェックです。

一番上が、我が家の周波数標準で、一番下のHP53181Aカウンターの外部入力端子へ10MHzを入れています。

　HP53181Aカウンターには「HP53181Aカウンター用７seg LEDモニタ」がつけてあり、表示が良く見えます。この表示は今回製作したGPSDOの出力をカウントしていますが、私の日常的使用には十分でしょう。

　中央に見える黒い箱が今回の作品ですが、何とも味気ない姿です。左の赤いLEDが電源、右の白いLEDがロック・インジケータです。

　完成後、ほぼ一か月以上経過していますが、特に問題なく使えており満足しています。

梅雨前線のニッコウキスゲと富士山と

 　今年の梅雨は随分早く始まって比較的穏やかであったのですが、このところあちらこちらで災いをもたらしています。

　そんな中、「今年のニッコウキスゲ詣では中止ですか？」とのささやき声が耳に残っていました、、、、ということで梅雨前線が停滞しているにもかかわらず、ホテルへ予約電話をしてしまいました。

　幸い空き室があったので、曇り空にもかかわらず出発です。往路はそれほどの雨にもならず、例によって昼食のためにお定まりのガムラスタンへ到着です。

　スゥエーデン国旗の出迎えは常ですが、今回はヤマボウシの花が満開です。

　今まであまり気づかなかったのですが、アプローチの両側にベリー（Berry；小さくて多肉で、食用にもなるような果実の総称）の木が何本か植えられていました。

　右写真はジューン・ベリー、下写真はレッドカラントです。

　でもガムラスタンの料理には使ったことはないとはご主人の弁。

　この店のメニューは右写真にあるように２点だけ、その上料理は何十年も全く変わりません。

　さすがに毎日は？？ですが、年に何回かは食べてみたくなるのはなぜか不思議です。

　オーダーするのは、決まってヴィンヴェリーで、メインディッシュは肉ですが、ここのところその量の多さを持て余すようになってきました。

　店内は天井の高いログハウス風で、落ち着いた雰囲気で長時間いても飽きることはありません。

　右写真のように、売店には北欧のグッズなどもあり、いい感じです。

　お客さんはなじみの人が多いみたいです。

　十分に時間をかけ、久しぶりのスゥエーデン料理を堪能した後、ニッコウキスゲに会うために車山に向かいました。

　このような天候では明日の天気は全く分かりませんから、、、

　一気に大門峠を越え、白樺湖と蓼科山が一望に見渡せる、お気に入りの場所にやってきました。

　雨はほぼ止んでおり、お山も頂上にほんの少しだけ帽子のような雲を被っただけできれいに見渡すことが出来ました。

　さすがに今日のような雨模様の日は車は少なく、駐車場に着いたときは人影も見かけず、ニッコウキスゲはハズレだったかと一瞬思いました、、、が、車を降り斜面を見上げると疎らではありますが黄色い花があちこちに見受けられました。（右写真）

　この地点からは蓼科山も雲に覆われてよく見えませんし、全盛期には一面に咲いたニッコウキスゲの黄色い絨毯が見られるはずなので少し寂しい景色です。

　でも咲いたばかりの無垢なニッコウキスゲは本当にきれいです。

　周りには、右写真のような蕾があちこちに開花の時期を待ち構えていました。　

　サクラの花の開花に例えれば、１分咲きとでも言ったところでしょうか、でも、なんの情報もなく突然やって来ての結果ですから、見られただけで十分満足です。

　雨が大降りにならないうちに、、、と、急いで駐車場へ戻り、ホテルに向けて帰ろうとした矢先、何かを感じました。

　左側から下がってくる八ヶ岳連峰の稜線と、右側の南アルプスに挟まれたところに神々しく見えているのは、そうです富士山なのです。

　この地には過去５０回は来ているとおもいますが、なかなか富士山を見ることはできず、ほんの数回のみです。しかもこの天候で、、、、しばし雨も忘れて見入ってしまいました。

ホテルの庭にもニッコウキスゲが植えてありました。（許可を得ているそうです）

　山で観られなかったお客さんへのサービスでしょうか、でもここのニッコウキスゲは山のそれと比較して大きく、生育も良いようです。そしてより暖かいせいか既に盛りは過ぎていました。

　ホテルでのディナーは、ガムラスタンでのヘビーなランチの名残のせいであまり進みませんでしたが、腹ごなしも兼ねて近くの沢へ蛍狩りにでかけました。

　連日の雨で流されてしまったのではないか、、、とは杞憂で、数こそ多くはなく、乱舞とはいきませんでしたが、デュエットかカルテットほどのきれいな光を見せてくれました。

　一夜明けて、食べすぎのせいか、あまりよく眠れませんでしたが、早朝の温泉入浴でリフレッシュし、少し軽めの朝食です。（上写真）

　ほとんど衝動的ともいえる今回の蓼科行は、梅雨前線の真っただ中での行動であったとは言うものの、幸いに雨も小ぶりで、ガムラスタンのランチ、ニッコウキスゲ、富士山、蛍狩り、温泉、、、と久方ぶりにに楽しむことが出来ました。

　疲れが出ないように、、、とて、２日目の昼食を我が家で摂る、といった駆け足旅行でしたが、無事成し遂げられたことに感謝、感謝です。

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。