La Tecnica

Il più noto sistema per tenere agganciato un oscillatore ad un altro è il PLL (Phase Locked Loop), ma in questo caso per agganciare 10MHz ad 1Hz (1pps) del GPS, sarebbe necessario fare un circuito discretamente complesso con almeno 3 o 4 loop  e, sopratutto, si otterrebbe un deciso peggioramento del rumore di fase dell'oscillatore a 10MHz.

Esistono alcuni progetti che utilizzano il PLL, ma utilizzano un GPS particolare che, oltre al 1pps, eroga anche un segnale a 10KHZ e su questo agganciano il PLL. Questi GPS sono più costosi, dfficili da reperire e comunque rimane, anche se in alcuni casi ridotto, il problema del rumore di fase

Un altro sistema per sincronizzare due segnali è l'FLL (Frequency Locked Loop). Con un frequenzimetro di precisione si misura periodicamente il segnale da tenere sotto controllo e, se la sua frequenza risulta diversa dal valore nominale, si varia la tensione Vc in modo da riportarlo entro i limiti stabiliti. La qualità dei risultati ottenuti con questo sistema dipende dalla qualità del frequenzimetro e dalla stabilità a breve termine dell'oscillatore da controllare.

Nel data sheet  dell'oscillatore, il costruttore dichiara, per il modello utilizzato in questa realizzazione, una stabilità a breve  termine  <1x10^-10/10 secondi, vale a dire che in 10 secondi l'oscillatore si sposta meno di 0,1 millesimi di Hz e quindi ottimo per un FLL.

Ora ci servirebbe un frequenzimetro di precisione, ma siccome la precisione di un frequenzimetro dipende essenzialmente dalla precisione della sua base dei tempi, ossia dell’orologio che, a tempi predeterminati, inizia e ferma il conteggio degli impulsi che arrivano all’ingresso del contatore, possiamo costruirne uno utilizzando come base dei tempi il preciso segnale 1pps fornito dal GPS.

Se realizzeremo un contatore con base dei tempi di 1s (1pps) saremo in grado di apprezzare variazioni di 1Hz ossia avremo 10MHZ ±1Hz, ma se la base dei tempi la faremo di 20 secondi potremo misurare 10MHz ± 0.05Hz, il che significa che potremo rilevare variazioni di 5 centesimi di Hz del segnale a 10MHz e quindi variare il valore della tensione di controllo dell’oscillatore termostatato (Vc) correggendo anche questo, se pur minimo, spostamento. Otterremo così un oscillatore a 10MHz avente una stabilità a breve termine <1x10^-10 /10 secondi ed una precisione di ± 0.05Hz.

Il Contatore

Per realizzare il contatore ho usato un 4013 (dual D Flip Flop) ed un PIC 16F684 che ha la particolarità di avere al suo interno un Timer/Counter TMR1 a 16 bit e con un gate accessibile dall’esterno, T1G, che abilita il conteggio quando è a zero e lo disabilita quando è a uno. Contiene anche un generatore PWM che ho utilizzato per produrre la tensione di controllo (Vc) da inviare all’oscillatore termostatato per controllare la frequenza a 10MHz.

Un flip flop tipo D trasferisce sull’uscita Q , il livello logico presente sull’ingresso D (Data) nell’istante che arriva un fronte di salita sull’ingresso Clk (Clock).

Fig.4

Facendo riferimento al parziale schema a blocchi di figura 4 avremo che:

· Il segnale 1pps del GPS arriva sul Clk del 4013 piedino 11

· L’uscita Q del 4013 (pin 13) è collegata al T1G del PIC (pin 3)

· All’ingresso Data del 4013 arriva l’uscita della porta A₀ del PIC

· All’ingresso Clock In del contatore TMR1 (T1CKI pin 2) arriva il 10MHz

· Dall’uscita PWM del PIC esce una serie di impulsi la cui larghezza dipende dall’errore del 10MHz

Supponiamo che tutto stia già funzionando correttamente e che ad un certo istante T₀ la situazione sia la seguente :

· Il GPS si trova a metà tra un impulso ed un altro

· La porta A₀ ed il Data del 4013 sono ad 1

· L’uscita Q del 4013 e il T1G del PIC sono ad 1 ed il contatore è fermo

· Il contatore TMR1 è a 0 (zero)

Ø All’istante T₁ il programma mette a zero la porta A₀, di conseguenza anche il Data del 4013 va a zero, ma tutto il resto rimane invariato perchè sul Clk del 4013 non è arrivato l’impulso del GPS.

Ø All’istante T₂ arriva il fronte di salita del 1pps e

1. il 4013 trasferisce il livello del Data sull’uscita Q mettendola bassa perchè il Data è a zero

2. il T1GI diventa zero ed il contatore inizia il conteggio

3. il programma tiene bassa la porta A₀ per circa 19,5 secondi e seguita il conteggio

Ø All’istante T₃ il programma rimette ad 1 la porta A₀ ma tutto rimane invariato perchè sul Clk del 4013 non è arrivato l’impulso del GPS.

Ø All’istante T₄ arriva il fronte di salita del 1pps e

v il 4013 trasferisce il livello del Data sull’uscita Q mettendola alta perchè il Data è a 1

v il T1GI diventa 1 ed il contatore ferma il conteggio

v il programma tiene ad 1 la porta A₀ per circa 2 secondi durante i quali

- legge il valore del contatore TMR1

- calcola il valore del 10MHz

- se diverso da 10MHz ± 0.05 Hz regola il duty cycle del generatore di onde quadre PWM, così che, dopo il filtro passa basso, si ottiene una tensione continua Vc che corregge opportunamente la frequenza dell’oscillatore termostatato

- trasferisce sul display il valore calcolato della frequenza

- azzera il contatore TMR1

Ø All’istante T₅ il programma rimette a zero la porta A₀ ed il data del 4013

Ø All’istante T₆ arriva il fronte di salita del 1pps ed inizia un nuovo ciclo

Avrete notato che chi avvia e ferma il contatore è sempre il segnale 1pps del GPS e questo ci assicura la precisione del conteggio.

Schema Elettrico

Fig.5

In alto a sinistra troviamo la scheda del GPS nella quale, tramite un connettore del tipo microfonico a 5 piedini, si effettuano le connessioni al segnale 1pps, alla porta RS232 ed all’alimentazione +5V-GND. Il GPS per il suo funzionamento richiede una tensione di 3.3V ±0.3V, ma l’antenna preamplificata funziona a 5V quindi il 5V arriva sul piedino 1 (antenna power in) e tra il piedino 1 ed il piedino 2 (GPS power in) ho inserito due diodi in serie che provocando una caduta di 0.7+0.7V portano la tensione a 3.4V.

Tramite la porta RS232 ed un SW scaricabile dal sito della Trimble, è possibile leggere le coodinate geografiche e le altre informazioni fornite dai GPS, io ho previsto il collegamento ma non ho mai provato questa funzionalità.

Da sinistra troviamo U8 che è il D filp flop 4013, il PIC 16F684 (U6), un connettore a vaschetta per connettere il display, l’integrato U3 LMC6482 che costituisce il filtro passa basso ed un amplificatore con basso guadagno, U4 LTC1485 che è un buffer separatore per non caricare l’oscillatore termostatato ed infine U1 MC3487 usato come amplificatore distributore di segnale a 10MHz così da poter distribuire contemporaneamente il segnale a 4 diversi apparati a 50Ω.

In basso la catena di alimentazione che fornisce il +14.3V, il +8V ed il+5V.

I PCB

Fig.6

Fig.7

In figura 6 e 7 sono riportate le tracce dei PCB monofaccia e della disposizione dei componenti, il tutto visto dal lato componenti. Nella sezione download potete scaricare il file .BMP del PCB

Fig.8

Fig.9

Le figure 8 e 9 sono le foto delle schede con i componenti saldati

Notate il particolare dei due pin dove andrà collegata l’alimentazione 18Vac.

Quella marcata APEX è il display visto da dietro e sotto, dove sono saldati i tre fili, c’è la scheda dei LED vista da dietro. La scheda di figura 8 e leggermente diversa dalle tracce di figura 6 in quanto l’avevo prevista per avere due uscite a 10 MHz (una BNC anteriore ed una SMA posteriore) e due comandi per una applicazione particolare non utilizzata in questo progetto. Per abilitare le altre due uscite a 10MHz, prima di saldarlo, ho tagliati i piedini 13 e 14 dello zoccoletto del’integrato U1 (MC3487) e, lato rame, ho fatto due ponticelli tra i piedini 2 -14 e 3-13 .

Il Contenitore

Il contenitore usato per questo oscillatore è una scatola di lamiera della ditta HIFI2000, modello E551815 (18x15x5.5 cm) reperibile via internet www.hifi2000.it ma anche nei negozi di materiale elettronico. Il fondo della scatola fa da radiatore a i tre regolatori di tensione che, specialmente nei primi 15-20 minuti, quando il termostato dell’oscillatore termostatato è sempre connesso, scaldano molto.

Il Programma

Il SW per pilotare il 16F684 l’ho scritto utilizzando il PROTON IDE (PIC Basic).

           Nella sezione download trovate

•  il sorgente .bas della versione con slope negativo
•  il file .hex della versione con slope negativo
•  il file .hex della versione con slope positivo.

Il programma è ampiamente commentato ed è quindi facile capirne il funzionamento. E’ opportuno spiegare soltanto come funziona il Timer1, in quanto esso è capace di contare soltanto sino a 65536 impulsi, poi si azzera e ricomincia da capo.

Se fate il conto, per contare 200 milioni di impulsi (10MHz esatti per 20 secondi) TMR1 conterà sino a 65536 per 3051 volte, la 3052° volta nella sua memoria (registri TMR1H e TMR1L) ci sara il valore 49664 ( 65536*3051+49664 = 200000000 ). Siccome la nostra frequenza, a regime con termostato caldo, varierà, al massimo, soltanto di pochi Hz, sarà sufficiente controllare il numero 49664 e, se diverso, variare in proporzione il dutycycle del generatore PWM la cui tensione, opportunamente filtrata ed amplificata (Vc), andrà a correggere l’oscillatore termostatato. I LED rosso e verde ci informano dello stato del controllo:

· Verde contatore = 49664 ± 2, ossia 10 MHz ±0,05 Hz

· Rosso contatore ≠ 49664 ± 2, ossia 10 MHz con errore maggiore di ± 0,05Hz

Nella sezione download, troverete il file .HEX per programmare direttamente il PIC

Il Display

Nella prima riga, troviamo il valore del dutycycle che, a regime, ci indica di quanto il sistema ha corretto l’oscillatore termostatato per farlo oscillare a 10 MHz nominali. Se l’oscillatore termostatato, senza alcuna correzione, oscillasse a 10 MHz esatti avremmo un duty = 127. Grosso modo possiamo considerare che per ogni correzione di 0,05 Hz il duty varia di 1 unità. Valori compresi tra 20 e 234 di norma sono tollerabili, ma molto dipende dal tipo di oscillatore termostatato utilizzato.

Dopo aver controllato che tutto sia stato montato e saldato come previsto, senza installare gli integrati negli zoccoletti e senza collegare il GPS, collegate un alimentatore da 18V alternati 1A e controllate che siano presenti le tensioni +14.3V (catodo di D7), +8V (pin 8 di U3) e +5V ( pin 1 di U6). Si accenderà il LED Rosso

Spegnete tutto, lasciate scaricare i condensatori, inserite gli integrati negli zoccoletti, collegate il GPS e date nuovamente tensione. Per un tempo variabile tra zero e xx minuti, tempo di acquisizione dei satelliti da parte del GPS, (lo trvate sul suo data sheet), sul display apparirà una serie di rettangolini neri figura 10 ( se non vedete neanche questi regolate il contrasto). Nella seconda riga troviamo il valore della frequenza misurata.

Accendiamo

Dopo aver controllato che tutto sia stato montato e saldato come previsto, senza installare gli integrati negli zoccoletti e senza collegare il GPS, collegate un alimentatore da 18V alternati 1A e controllate che siano presenti le tensioni +14.3V (catodo di D7), +8V (pin 8 di U3) e +5V ( pin 1 di U6). Si accenderà il LED Rosso

Spegnete tutto, lasciate scaricare i condensatori, inserite gli integrati negli zoccoletti, collegate il GPS e date nuovamente tensione. Per un tempo variabile tra zero e xx minuti, tempo di acquisizione dei satelliti da parte del GPS, (lo trvate sul suo data sheet), sul display apparirà una serie di rettangolini neri figura 10 ( se non vedete neanche questi regolate il contrasto).

Fig.10

Se, trascorso il tempo massimo indicato nel data sheet, lo schermo rimane come in figura 10, controllate che sulla resistenza R9 da 47KΩ arrivino gli impulsi ad 1pps, se non arrivano, ricontrollate il circuito del vostro GPS. Se arrivano verificate la giusta connessione dei connettori e le saldature su i PCB.

Quando sulla resistenza R9 arriverà un impulso ogni secondo (1pps),

sul display appariranno

· il Duty =127

· la frequenza con valori casuali

.

Aspettate 15 – 20 minuti (tempo dipendente da quanto l’oscillatore termostatato ci mette ad arrivare in temperatura) e la frequenza piano piano ( il display si aggiorna ogni 22 secondi) si porterà al valore nominale; quando sarà arrivata a 10MHz ± 0,05Hz si accendera il LED Verde. E’ possibile che entro qualche minuto, a causa dell’overshoot termico dell termostato, si riaccenda per un paio di volte il LED Rosso per poi rispegnersi, poi, se tutto è a posto, avremo il LED Verde sempre acceso ed il display che indicherà una frequenza che varia tra 9 999 999,95 Hz e 10 000 000,05 Hz ( per la maggior parte del tempo fissa su 10 000 000,00 Hz ).

Conclusioni

Il sistema si è dimostrato molto efficace e facile da realizzare, specialmente utilizzando i PCB. Non necessita di alcuna taratura e permette di disporre, ad un costo modesto, di un campione di frequenza di qualità e caratteristiche tali che sino a qualche anno fà, per gli autocostruttori, erano impensabili.

Disponibile, via e-mail ( Questo indirizzo e-mail è protetto dallo spam bot. Abilita Javascript per vederlo. ), per dubbi e chiarimenti,

un cordiale 73 IK0OTG Pietro