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GPS-diszipliniertes 10MHz-Normal

Erstellt: DL6GL, 26.09.2020, letzte Änderung 

Bisweilen zahlt sich geduldiges warten aus. Hans-Peter, DL2KHP, hat kürzlich ein GPS gesteuertes 10MHz-Frequenznormal (GPSDO, GPS disciplined Oscillator) veröffentlicht, das in Zusammenarbeit mit Norbert, DG1KPN, entstanden ist. Es besticht durch Einfachheit und Nachbausicherheit. Und das bei Materialkosten von rund 50 EURO.

Die Komponenten sind schnell aufgezählt:

  • NEO-7M GPS-Modul (ca. 6,--€, ebay, China)
  • Externe GPS-Antenne (ca. 3,--€, ebay, China)
  • OCXO CTI OSC5A2B02 10MHz 5V (gebraucht, ca. 5,--€ ebay, China)
  • 3 Logik-IC: 74HCT14, 74HCT390, 74HCT4046, wahlweise HC-Typen
  • 1 OpAmp TLC271CD (SO8)
  • Kleinteile, SMD-Hühnerfutter
  • Internes oder externes 5V-Netzteil, wahlweise USB
  • Platine in Industriequalität hat DH4YM demnächst im Programm
  • Gehäuse nach Wahl.


Abb. 1: Innenansicht meiner Realisierung.

Die komplette Beschreibung einschl. Parametrisierung des NEO-7M mit der Software U-Center ist bei DL2KHP zu finden. Ein Hinweis noch: Das quadratische Pad auf der Platine für den Minuspol der CR2032-Zelle zusätzlich verzinnen, um die Kontaktgabe zu gewährleisten.

Auf dem NEO-7M-Modul ist zwar eine GPS-Antenne aufgebracht, sie ist aber, eingebaut in ein Gehäuse, unbrauchbar. Eine externe GPS-Antenne muss freie Sicht haben. Im vorliegenden Fall wurde sie unter dem Dachfirst installiert - Niederführung mit einem guten 50Ω-Koaxkabel. Je nach Tageszeit wurden 9 bis 11 GPS-Satelliten erkannt. Diese Information liefert U-Center u.a. neben der Uhrzeit (UTC) und der Geo-Position.

Die grüne "GPS Ready"-LED zeigt nach ca. 30 Sekunden an, dass die aus dem GPS 1 PPS-Signal abgeleitete 100kHz-Frequenz zur Verfügung steht. Das bedeutet aber noch nicht, dass der OCXO synchronisiert ist. Hierfür nützlich, aber nicht unbedingt nötig, ist eine Anzeige der OCXO-Regelspannung, im Bild oben mit einem kleinen Profilinstrument. Die Regelspannung des o.g. OCXO ist ca. 2,0 ±0,3V. In der Platinenversion 3.1 von DL2KHP ist dazu ein OpAmp TLC271 als Spannungsfolger vorgesehen. Hier, Abb. 1, musste er nachgerüstet werden. Während der Anheizzeit pendelt die Regelspannung, schwingt sich dann nach etwa 5 Minuten auf einen bestimmten Wert ein, beim vorliegenden OCXO auf 1,78V. Ab dann ist die Regelung eingerastet. Die Auswirkung auf die Frequenz zeigt Abb. 2.

Abb. 2: Frequenzregelung nach einem Kaltstart, Messung DG1KPN.

Die 5V-Stromversorgung liefert ein eigenes Netzteil. Es ist hier beschrieben. Wahlweise externes Steckernetzteil oder via USB. Während der Anheizzeit zieht der OCXO maximal etwa 650mA, regelt aber nach 2 Minuten rasch herunter auf stationär ca. 220mA. Die bei ebay für einen Spottpreis erhältlichen CTI OSC5A2B02 10MHz-OCXO sind gebraucht, stammen also aus mehr oder weniger schonenden Ausbauten. Ein Test vor dem Einbau in die Platine ist daher angeraten: Messung des Heizstroms an 5V wie hier zusammen mit dem ausgegebenen 10MHz-Signal.

Abb. 3: OCXO Heizstrom.

Es empfiehlt sich, dem OCXO eine kleine Schaumstoffmütze gegen Wärmeverlust zu verpassen. Dazu wurde ein 30x30x25mm-Stück PU-Schaum passend zu den OCXO-Außenabmessungen ausgehöhlt - in Abb. 1 entfernt.

Die nach einer Laufzeit von zwei Tagen erreichte Frequenzkonstanz zeigt folgendes Bild, Referenz Rubidium-Normal, OCXO nicht thermisch isoliert:


Abb. 4: Allan Deviation, Messung DG1KPN.

Innerhalb einer Zeitspanne für eine Messung von 1 Sekunde ist die Abweichung 4x10-11 = 4x10-5 ppm. Das sind bei 10MHz 0,0004Hz = 0,4mHz (Milli-Hertz).

Obwohl im Tiefpass für den Sinusausgang einfache 1µH MICC-Drosseln verwendet werden, kann sich das Sinussignal, gemessen an den Oberwellen, durchaus sehen lassen.

Abb. 5: Oberwellenspektrum des 10MHz Sinusausgangs, Messung DG1KPN.

Angaben in dBm. Bezogen auf die Grundwelle mit 12,68dBm Ausgangsleistung ist die erste Oberwelle (Marker 2) um 54,58 dBc unterdrückt, nachfolgende um 60,07 und 67,12 dBc. Mein Nachbau liefert 13,13 dBm Ausgangsleistung - den Bauteiltoleranzen im Tiefpass geschuldet. Die spektrale Reinheit des 10MHz-Sinus ist auch zufriedenstellend.

Abb. 6: 10MHz spektrale Reinheit (Rauschglocke, Auflösung 1Hz), Messung DG1KPN.

Danke an Hans-Peter und Norbert für diese Bereicherung meines Messgeräteparks. Einsatz wohl eher selten, aber ungemein beruhigend zu haben für den Fall der Fälle. Bei dem bescheidenen Aufwand von schlappen 50 Euro inklusive Netzteil und Gehäuse allemal.

Im Zuge der Einarbeitung in das Programm U-Center habe ich mir Screenshots gesichert. Ergänzend zur Ausarbeitung von DL2KHP sind sie im Download zusammengefasst.

 

           

Download                     

GPS-Modul NEO-7M mit U-Center konfigurieren.pdf        

OCXO CTI OSC5A2B02 Datasheet.pdf