| Trimble Thunderbolt を利用したGPS disclip 10MHz Home-Freq-STDの製作メモ |
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 bot&c=1&f=5&g=0"
WIDTH=30 HEIGHT=10> |
参考Web： |
http://www.ko4bb.com/ |
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(Tbot用ＬＣＤパネル記事など) |
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(Ver3.00 輸入元：2008.02/香港。 OCXOは手持ち ＭＴＩ製に変更。) |
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2009.05
KSC <re:2009.10> |
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http://www.thegleam.com/ke5fx/ |
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(Tbot利用記事など) |
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http://www.thegleam.com/ke5fx/tbolt.htm |
(Tbot利用記事など) |
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| Thunderbolt は現在中古流通が比較的安く入手しやすい、消費電力が少ないものの、HP Z3801A に比べて、チューン・ソフトも無く、Web上でも あまり話題になっていないようです。 |
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http://www.leapsecond.com/pages/tbolt/power.htm |
(Tbot利用記事など) |
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| 手前味噌ですが、手持ちＯＣＸＯに載せ替え、簡単に自作内製した記録をアップしてみました。ＰＣＢ上には、各社の ＸＯ、ＯＣＸＯに対応したパターンが準備されており、 |
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http://www.leapsecond.com/tbolt-faq.htm |
(Tbot利用記事など) |
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| 消費電力を更に抑えた構成への改造などにも使えそうです。 |
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http://www.leapsecond.com/pages/gpsdo/ |
(Tbot利用記事など) |
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| 中国は、ＧＰＳに似た別の測位衛星、ガリレオ計画に参画・整備しているので、もしかすると Thunderbolt は、機器交代などで今後まだまだ大量に出回るかも知れません。 |
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http://www.jrmiller.demon.co.uk/projects/ministd/frqstd.htm |
(ＧＰＳＤＯ機器記事など) |
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http://www.mti-milliren.com/ |
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(OCXOメーカー) |
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http://ve2zaz.net/GPS_Std/GPS_Std.htm |
(ＧＰＳＤＯ機器記事など(オート・ホールドオーバー＆，GPS フロンドエンド変更可) |
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[購入時初回起動・定数投入時] |
(Trimble社の Tboltmon.exe を利用した。) |
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LadyHeather's
Disciplined Oscillator Control Program |
(Tbot用統計ソフトなど) |
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１，電源投入、OCXO を予め十分に暖める。WindowsＰＣに、ＲＳ−２３２Ｃ で接続 (9600bps/8-N-1)。Tboltmon.exeで、異常がないか確認。 |
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http://www.topic.ad.jp/sice/papers/231/231-6.pdf |
(ＧＰＳ機器記事など) |
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２，File-Menue
の、Cold-Reset (アルマナック、設置場所など情報初期化 *元々あった Stored-Position を記録しておくと面白かったかも。) |
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ナマｌｏｇ−ＸＬＳ- 800sec |
ナマｌｏｇ−ＸＬＳ-450sec |
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＊OCXOを交換しない場合は、Factry-Reset まではしない方が良いでしょう。 |
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ナマｌｏｇ−ＸＬＳ-900sec |
ナマｌｏｇ−ＸＬＳ：860sec |
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３，周波数カウンターを接続して、File-Menue
の、OscillatorControllVoltage を操作して、Ko(Hz/V) を測定。 |
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４，OCXO交換で必要なら Setup-Menue
の、discliping で、Ko、積算時間、damping OCXOの中心電圧など、定数を入力。 |
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＊OCXO中心電圧(initial voltage) は、1回、１日統計を取って、平均電圧を求めた方が良いようだ。 |
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(収束所要時間が短縮できる。またその時、今回OCXOの場合で、〜+1mV/month
程度加算が必要。) |
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５，Setup-Menue
の、TimingOutputs で、PPS-offset に、ケーブル長さから概算 (又は ＴＤＲ で実測！) した遅延時間 を入力。 ［(+4〜+5ns)x長さm］ (例@： 5e-8 at,12.14m(5D-FB)) ． |
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＊Self-Servyで得られた自己位置設定、ケーブル長さなど、Offset 値が中央値からずれていると、統計を取った時にバラツキが正負、どちらかに僅かにずれる様です。 |
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６，Setup-Menue
の、GPS-mode で、3D/Land モードに、変更(又はFile-menu の Restert-Self-Survy
による) 〜2分程度で衛星捕捉開始 〜20分程度でアルマナック取得、disclipモードに移行 (〜30分程度) |
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＊PacketMask and
Options の、
Datum index は "0"(=WGS)
のままでもＯＫかも。水準点の真上に家があるとかで"絶対値"が判るなら、緯度・経度から固定値を投入も可能なようだ。 |
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(高度測定値はTokyo座標系の実際と多少異なる。例えば当所では国土地理院電子地図ベースだとアンテナ高185m位だが、測定値は 225m〜231m程度の範囲に集まる。また経度は大体同じだが、緯度は10m前後相当ぐらい北へずれる。) |
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(中央値≒平均値ぐらいに確実になる測定は、タイミングにもよる様子だが、最大20000回程度は必要かも．) 確実になったらセーブして、SelfServy
は disable して値を固定してしまうと良いかも。 |
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７，GPSモードが OverdetClock
Stationaly / DoingFixes になったら、File-Menue の、Restart-Self-servey を起動、現在位置を取得させる (デフォルトで 2000回測定、平均するようだ) 値が偏っている様なら再度実行． ＞セーブ |
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(高度測定値や、ケーブルデレィが妥当かは、Bias-rate や ppb-offset の統計を取り推定するしか無いようだ。積算時間が長い程、影響が大きくなる。100〜800sec 程度だと追従も早いので無視しても問題は少ないも。) |
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８，１日以上通電運用して、熱的にも安定したら、統計取り。気が短い人間にはかなりキツイ。今回は、Tboltmon の吐くｌｏｇファイルを MS-Excel にＣＳＶ変換で吸い上げた。 |
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UserGuide
によると、カルマンフィルターなどの機能が有効に作用するには、24時間以上必要のようだ。 |
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[起動・定数投入時の概略挙動
(t=800〜900時)] |
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[ユニット定数投入条件・目標点] |
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電源投入〜+/-1Hz：約15分 (OCXO電源電流：0.5A以下に低下) |
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＊今回の主眼は正確な時刻同期よりも、"ブレの少ない信号源なので、ＵＴＣ同期は最大幅+/-500nS/3600sec程度まで許容。その代りに、周波数変動に直結する、ＯＣＸＯのＥＦＣ変動を、 |
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電源投入〜ほぼLｏｃｋ：約30分 |
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周波数に換算して最大瞬間、5E-11程度以下を目標に。 |
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Lock〜ほぼ安定(+/-20ns以内)： 最低、約5時間(ウォームリセット時) |
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携帯基地局 ⇒その地域での基地局同士の時刻の厳密な同期、10nS以内とか。時刻が完全に同期すれば、発射周波数、位相、タイミングも一定の距離内の基地局カバー範囲で同期させられる。 |
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今回 ⇒手元機器への周波数供給元の切り替え用。時刻同期に使うとしても、NW機器端側で100μS程度でＯＫ。且つ、低消費電力。(以前の物は機器全体で 6W (6V/1A 〜12年間)程度。) |
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周波数源としてのみ使用。天文学とかの趣味も無いので、他所と機器なども合わせる必要もなし。 |
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単純なＧＰＳクロックに対してメーカー専用品に期待するのは、（１）ＡｕｔｏＨｏｌｄＯｖｅｒ機能 （２）ＤＳＰ演算によるＰＰＳ自動補償機能 （３）温度変化補正など統計機能 （４）内蔵フラッシュへのセーブ機能 |
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＊予想した内包されている概略想定式(単純化して；)： a・Ko(int(dt(0-t))・df/[damping]=dV |
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UserGuideには数値設定についてあまり書いてないが、感じとしては、Bias-rate(ns)の値に対して， Time値≒抵抗(１次係数的)， 1/Ko(Hz/V)値≒Gain(1次)， |
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［Damping値増加時］≒インダクティブな感じ(指数的) ［Damping値減少時］≒キャパシティブな感じ(指数的・オーバーシュートが大きくなる。) |
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＊Time-spanは、OCXOの特性を生かす為に、出来るだけ長めに設定。 |
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大まかに問題なのは、(1)中緯度地方でのＧＰＳ測定値のバラツキ具合、(2)ＯＣＸＯのAging (Freq, Temp
& EFCvolt) あと、１台しかないので、部品がマトモ？かどうか。 |
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＊このユニット/ファーム(ver3.00)での条件：damping値は0.1以上でないと不安定。(キャパシティブな感じになり、オーバーシュートが大きくなる。また設定値の表示が |
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丸められてしまい、確認出来ない。) (”5e-2”の様に入力すれば小さい値も設定は可能なようだが、やはり表示のリロードをして数値が確認出来ない。) |
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Koは、３倍程度以内の値でないと不安定。 従って、ダンピング値が0.1以下にならない様に、Ko値(Hz/V)
と、Time-span値(sec.) を倍数で色々操作する。 |
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＊ＥＦＣの中心電圧は、+/-５Ｖのレールから1V程度以内(+/-4V以内)でないと、ハングってしまう事もあるようだ。 |
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＊Log取り、変動周期成分、突発的な変動、EFC変動範囲の統計処理して、この部品の組み合わせでの適値を探索。 |
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使用したTbotで作った物のGPS受信・発振器部分の最終的な入力電力：DC+13.5V/平均0.55A。(室温約+15〜+25℃程度) バッテリー保持時間約100分程度。 |
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電源部分負荷時概略ノイズ(ta約22℃)： スイッチング100KHz
+12V: 20mVpk-13mVrms /+5v: 22mVpk-11mVrms / -12V:
13mVpk-8mVrms |
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反省点： コイルを巻いて作ったりせず、既製品を使えば良かったかも。スイッチングノイズを抑えるのはジャノ目基板では困難。全て余り物在庫部品、デジタル回路風に Ｚ特性ばかりにケチらず、ＣＨか、Ｂ特性のパスコンを使えば良かった。 |
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在庫品動員して総費用\20000-以内目処だった(Tbo:us$130-)が、手間隙考えると出来上がったモノの方がコスト的には良かったかも。 |
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ＯＣＸＯの放熱量は思いの外大きい。ジャマにならない様に小さく作り、スチロールシートで各部・基板を遮熱したが、コンデンサなどの冷却の為には、場所を取るが別体の方がＧｏｏｄかも。(結局、ユニット全体が、+40〜45℃程度になってしまう。) |
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| OCXOカタログ値：(今回使用：ＭＴＩ ２６０) |
*MTI
260実測Ko=2.44Hz/V 今回は+12V電源動作で使用。 |
(参考・引用１：) |
(参考・引用２：) |
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| Manufacturer |
Model |
Variant |
Frequency |
Aging |
Aging |
ADEV |
ADEV |
ADEV |
ADEV |
Temp drift |
Min temp |
Max temp |
Temperature range |
Tempco |
No of power supplies |
Minimum |
Maximum |
Nominal voltage |
typical current |
Maximum current |
Frequency change |
Voltage change |
Df/dV |
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EFC |
(volts) |
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EFC drift equivalents |
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Supply#1 drift equivalents |
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Megahertz |
per day |
per year |
1s |
10s |
100s |
900s |
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Celcius |
Celsius |
Celsius |
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(volts) |
(volts) |
(volts) |
(mA) |
(mA) |
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% |
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Minimum |
Maximum |
Range |
Frequency change |
Notes |
Gain |
|
Aging (volts/day) |
1sec ADEV (volts) |
Thermal drift
(volts/C) |
|
Aging (volts/day) |
1 sec ADEV (volts) |
Thermal drift
volts/C) |
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| MTI |
260-0618 |
|
10 |
5E-11 |
3.00E-008 |
2E-12 |
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|
2E-10 |
-30 |
70 |
100 |
2E-12 |
1 |
11 |
28 |
20 |
145 |
600 |
|
|
2E-11 |
|
-10 |
10 |
20 |
5.00E-007 |
|
2.50E-008 |
|
2.00E-003 |
8E-005 |
8E-005 |
|
2.5 |
0.1 |
0.1 |
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ユニット裏側： |
MTI OCXO：アルミ蒸着発泡ウレタンで包んでＰＣＢ上に実装(周辺遮熱・消費電力抑制の為) |
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アバウトな造り．．． |
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＊結果的には適当な既製品電源を探せば良かったかも。 |
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[以前使ってた秋月のもの(機器に組込)] (単体で約5V/50mA) |
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common-mode coil |
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↓OCXOのナマ出力波形 |
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| DCスイッチングコイル |
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| ３巻線・フォワードコンバータ式 |
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DC出力 |
SWクロック：100KHz |
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リミッター/出力容量 |
始動時 (無制限時) |
安定時 |
リップル(Ta+22℃・製作時) |
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+12V 1A-max |
1A(〜1.6A) |
〜300mA |
20mVpk-13mVrms |
その後 16mVpk程度に改善。 |
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+5V 1A-max |
〜350mA |
〜250mA |
22mVpk-11mVrms |
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| AC/DCスイッチング電源 |
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-12V 35mA-max |
〜5mA |
〜5mA |
13mVpk-8mVrms |
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+6V 3A-max |
(内部電源使用) |
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180mVpk-80mVrms |
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*リップル、ノイズを抑制するのが、位相雑音低減・出力安定のキモ？ |
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*過電圧抑制：約＋３０Ｖでカットオフ。 |
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*既製品を使えば、デカくなるものの、 3mV程度の製品も入手可能。 |
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*SWクロックは、30-50KHz 程度にしておいた方が、放射も小さく、現在の却って安価な部品でノイズ対策できたかも．． |
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やった試験： USB・RS232Cからの電力逆潮(+5,+/-12V)、瞬停、過電圧(内部電源電圧 40V)、停電100分、バッテリー放電後の停止とＡＣ電源コールドスタート、バッテリーのみのコールドスタート |
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| AC100V
50/60Hz受電 |
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バックアップ・バッテリー |
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12V1.5Ah Pb-BATT |
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放電：〜3A |
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充電：〜0.4A |
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Vo +13.2V〜+10.5V |
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新品で起動時、約100分まで保持試験。 |
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| AC100V-DC13.5V
SW-REG |
|
MPU CLOCK +PLL CLOCK AMP (74AC04) |
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| 出力容量 |
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| +13.5V
1.5A-max |
|
AC電圧低下ブザー |
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1PPS-LED |
RS232C+1PPS I/Fアンプ (ADM3202AN) |
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バッテリー保護 |
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AC-LOW-VOLT-ALM |
|
SIO(TTL)バイパス出力 9600bps/8N1 |
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BATT-CONT. |
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Trimble Thunderbolt |
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|
充電/低電圧カットオフ/過電圧・突入電流抑制 |
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1PPS 2ch出力に内部変更 |
AC-line-fault-LED |
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ZNR |
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内部パスコン増し |
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今回はリセットは付けなかったが、+5V系を優先した上、全電圧同時に開閉するようにした。 |
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ICL7555 /1PPSパルス幅延長 (表示用) |
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表示などマイコンをつけた時に、TSIP でセーブを掛けられればと計画中．． |
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| Log(1) 800sec・Ko:-0.74Hz/V・damping0.1 |
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＊横軸：１ｓｅｃ |
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Time-offset加減算値（ｎｓ） |
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Freq-offset 演算値（ppb） |
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バラツキ10ns≒3m程度だそうな。 |
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計算値 1ppb=偏差10mHz |
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GPS衛星捕捉数 |
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ＥＦＣvolt |
補正の周期が短すぎるかも． |
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Tbot-PCB温度(℃) |
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| Log(2) 900sec・Ko:-0.74Hz/V・damping0.2 |
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＊GPS設定値：
ELV:10deg以上 Sig-Level:1.0以上 |
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＊横軸：１0ｓｅｃ |
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Time-offset加減算値（ｎｓ） |
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Freq-offset 演算値（ppb） |
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| Log(3-1) 860sec・Ko:-0.70Hz/V・damping0.1 |
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＊今回はファクトリー・リセットして全ての学習情報を消した後、定数変更：コールド・スタート、約400秒後からのLog。 |
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＊GPS設定値：
ELV:10deg以上 Sig-Level:1.0以上 |
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＊横軸：１ｓｅｃ |
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Time-offset加減算値（ｎｓ） |
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Freq-offset 演算値（ppb） |
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ＥＦＣvolt |
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| Log(3-2) 860sec・Ko:-0.70Hz/V・damping0.1 |
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＊GPS設定値：
ELV:10deg以上 Sig-Level:1.0以上 |
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＊横軸：１0ｓｅｃ |
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Time-offset加減算値（ｎｓ） |
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Freq-offset 演算値（ppb） |
ほぼ均一にバラついている？ |
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ＥＦＣvolt |
測定期間内で+/-3mV
(絶対値との比較ではないが、電圧変動からの推定で、相対値として最悪値幅の予測は、+/-8mHz
) 波の周期は、約400〜800sec |
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大きな変動としては、大体 1/4日位の周期もあるようだ。これに室温変動が加算されている感じ。 |
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[結論・今後．．] |
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機器的にはＧＳＭ基地局時代の機器(2003年製)のようだ。最初は適当に冷蔵庫の上に載せ、アンテナ貼り付け、普通のベンチトップＤＣ電源で、デフォルト設定で使っていたものの、１年余り経、結局色々いぢる事になつてしまった。 |
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ＧＰＳクロックでも、ISO対応とかで自社トレーサビリティ〜する場合は、やはり高価な機械を国内の証明書付きで買わないとＮＧだが、ＬＯＧ取りした状況では今の所日常、1E-10程度の用途(9〜10ケタのカウンター程度)には十分かも。 |
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実際の所以前、2008年までは、日常の校正は、深夜のTVクロマ信号同期 3.57M/10MHz PLLが基準源だったし、また以前使っていた、〜1990年代頃の シングルオーブンのOCXOは、10℃変わると、数100mHzは変動したのに |
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比べるとかなりマシになり、管理上特に温度変化に対する感度が小さくなった。以前は品管拷問部屋とか、測器関係は室温25度前後、湿度50%以下に管理してた小部屋もあったが、アバウト(湿度だけ)で良いのであれば電気代も節約になる。 |
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世の中も現地の展示会に行かなくてもインターネットで、ミャンマーの海老から、米国製のダブルオーブンの発振器、はたまたアフガンのラピスまで買えるのは隔世の感がある。 (輸入業者の立場としては非常にツライものもある．こちらの売る物も少なくなった．．) |
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今回は安定した 10MHzが欲しい訳で、ＮＴＰを作るわけではないので、出来るだけＥＦＣが暴れない、可能ならOCXOスペックの 5E-11/day より収束結果が良い設定を探す必要がある。今のところ、ppb での変動は、 |
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+/-5E-10 の範囲に集まっており、バラツキもかなり均一に出来た様に見える。Tbot
のUserGuideに掲載されたグラフで、ＧＰＳ信号のバラツキがこの範囲以下になるは、2tau以上、最低目標の 5E-11 以内になるのは |
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30tau 前後以上となるので、超高速で周回している衛星への同期で、EFC感度は安定していると仮定してのEFCの最大バラツキから、8時間の観測で概ね 5E-11 (2mV相当)程度、最悪の瞬間値で、 8E-11程度以内。 |
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絶対値ではないものの、OCXO のカタログ値での安定性は、2E-12/1s 〜5E-11/day なので、30sec以上の平均時間を設定して、統計を取り、30tau内に、5E-11以内相当のＥＦＣ変動(約2mV)が確保できる設定が見付かれば |
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最悪、そこそこＯＫかも。 Ko=2.44Hz/Vの場合で、1E-11なら、グラフから100Sec 、約0.4mV/100sec 程度以内が必要と思われる。1000sec以上の平均で 2E-12 とかは当然だが、日常利用では 1sec〜100sec辺りでの安定性を |
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確保したいところ。 |
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１年に１回の校正以上の利便性を確保するには、出来るだけ沢山の衛星を掴み、平均値を得られるようなアンテナ位置を探すなどとか、もしかするとＯＣＸＯに変なクセがあるかも知れないので |
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もう一つ二つ別個の比較基準源が必要とか、かなりハマりそう。 |
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今後利用できる基準源の予想としては地デジの、27MHz-TS基準クロック、または今後2011年頃にはWAAS/MSAS、ガリレオ、グロナス、次世代GPS衛星複合対応機か、３Ｇ以降の移動体基地局対応機、又は電圧と周波数が同時に得られる、 |
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ジョセフソン効果タイプの基準器が安くなるかも。ＧＰＳ同期タイプの物も、Digital-DAC
内蔵ＯＣＸＯのタイプになれば、外部回路が簡単になり見掛け上更にＣＭＭＲも大きく、電源諸元要求も下がるかも。(但し"改造"は無理になってしまうかも．) |
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[その後．．] |
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2009-06-16 頃から突然、変動幅が太くなり(1-2ppb)、グラフの形もサイン波的からノコギリ波的な三角波に変化してしまったので、ＯＣＸＯ はカタログどおリ、5E-11/day 以内の安定性があると逆割り切り仮定して、 |
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定数を <18000sec/damping
1.0/Ko=-1.00Hz/V> 次いで <38000sec/1.0/-2.44
> に変更してみている。 (Koとかを "1"にしたのは、ＤＳＰの演算負荷が減るかも、と云うだけ。) |
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( 最初の頃の剣山のようなグラフとも違う．． ただ、EFCの変動は、最大+/-2〜3mV
通常・平均 +/-1mV 程度であまり変化は無く、+/-5〜8mHz 以内という期待値は大差ない状況。） |
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スパン 48000sec とかでログ取りしたところ、此処では約 18000sec (約
5hr ) の強い周期が現れたので、現在は、t=28000sec ダンピング 0.9 ko 0.70 (約
3.49倍) ケーブルデレィ 85.353nS 高度 227mで固定 (t は 9000sec 程度と等価と思う) にしている。 |
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定数が大きいので安定するまで５時間どころか5-6日かかりそう。故障？タイプの違う基準源の追加も本当に考えないとダメかも。 TVクロマ同期l利用の頃は、起動後１０分も待てば安定したのに比べると、 |
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１〜２桁高確度なのかもしれないが日常管理は面倒になったかも。 |
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Excel だと ログのセル列数に制限があるので、やはり FFTとアラン分散が出来る専用の統計ソフトがあると良いでしょう．． |
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戻る＞memo.html |
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