Last update: 21-August-2001

TEIL 2 Frequenznormal Controlled Reference Oscillator (CRO) gesteuert durch GPS & ZDF von

Dipl.-Ing. Günter König, DJ8CY Dipl.-Ing. Robert Tyrakowski, DK7NT Dr. rer. nat. Horst Schütze, DF7HSA Dipl.-Ing. Klaus Osterschek, DB4MP [email protected]

Analogteil Die wichtigsten Elemente des CRO- Analogteils (Bild 6) sind ein 20-Bit Digital-Analog-Converter (DAC) und eine hochgenaue Spannungsreferenz. Viel Zeit wurde der Auswahl des DACs gewidmet. Letztendlich kam ein sogenannter Delta-Sigma DAC von Burr-Brown [7] zum Zuge. Er zeichnet sich durch sehr geringe Leistungsaufnahme, gute Linearität und der Möglichkeit der On-Chip Calibrierung aus. Er hat einen eingebauten Microprozessor und benötigt deshalb einen Quarz. Nachteilig ist allerdings dabei, daß es ihn nur in einem sogenanntem SSOP-Gehäuse gibt, was selbst für SMD-Freunde eine Herausforderung beim Löten bedeutet. Der Ausgang des DACs wird über einen rauscharmen Operationsverstärker geführt und dann zum Steuereingang des Oszillators geleitet, um dessen Frequenz elektronisch nach zu stimmen. Dazu sollte eine möglichst kurze Leitung benutzt werden. Es sollte auch im Normalbetrieb kein Spannungsmeßgerät angeschlossen sein, da einmal die Auflösung normaler Meßgeräte sowieso nicht ausreicht und andererseits so Störungen über die Anschlußkabel „eingefangen“ werden können. Die 2.5V Referenzquelle war leicht gefunden. Maxim [8] stellt diese extrem rauscharme (1.5 µVpp), hochgenaue (0.02%) und temperaturstabile (1ppm/°C) Spannungsreferenz her. Allerdings ist sie nicht ganz billig. Die hochstabilen 2.5V werden rauscharm gepuffert und dem DAC zugeführt. Die Verbindung zum Digitalteil des CRO wird über eine 3-drähtige Leitung hergestellt. Einfache Pufferstufen mit Serienwiderständen entkoppeln beide Platinen. Beide Spannungsregler auf der Platine sollten möglichst rauscharme Längsregler sein. Sehr große Sorgfalt wurde bei der Auflösung der Platine darauf verwendet, die analogen und digitalen Signalverhältnisse eindeutig voneinander zu trennen. So wurden Rückwirkungen auf das analoge Ausgangssignal vom Digitalteil her verhindert. Die Platine paßt wieder in ein Standard Weißblechgehäuse, in das nur wenige Durchführungen eingebaut werden müssen. Es sei nochmals erwähnt, daß die Spannungsversorgung zweckmäßigerweise aus dem Netzteil des Oszillators erfolgen sollte. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn der Oszillator im Dauerbetrieb laufen soll. Bild 6: CRO Analogteil PC-Tools Zur ständigen Überwachung des CRO und zur Kontrolle der gewählten Einstellungen sind PC-Tools verfügbar, die alle wichtigen Informationen des CROs in einer sinnvollen Weise dem Nutzer zugänglich machen. Normalerweise erscheinen alle Informationen auf der LCD-Anzeige, sofern diese angeschlossen ist. Sie ist aber nicht unbedingt nötig. Während des normalen Betriebes wird jede Sekunde ein Satz von Daten der wichtigsten Meßergebnisse über die RS232 Schnittstelle geschickt. Ist ein PC angeschlossen, so kann mit Hilfe des Programms CROCON.EXE eine Anzeige der Informationen auf dem Bildschirm erfolgen, so wie sie normalerweise auf der LCD-Anzeige erscheinen. Das Programm CROONLINE.EXE stellt die Daten simultan in aufbereiteter Form dar. Die Meßwerte werden hier graphisch und numerisch auf den Bildschirm projiziert. Gleichzeitig werden diverse Berechnung durchgeführt und die Ergebnisse ebenfalls dargestellt. Die vom CRO kommenden Datensätze werden zur Dokumentation in eine Datei geschrieben und zur späteren Auswertung mit dem Tool CROOFFLINE.EXE gespeichert. Das Datenformat ist rein binär, was einerseits eine kompakte Datei erzeugt und anderseits auch eine Auswertung mit anderen Statistik Tools erlaubt. Das Programm CROCON.EXE ist außerdem in der Lage sämtliche Voreinstellungen, alle sonstigen ermittelten Daten und die ermittelte Regelkennlinie zu dokumentieren. Darüber hinaus können diese Werte modifiziert und wieder zum CRO zurück geschrieben werden. Zur statistischen Auswertung der empfangenen GPS Satelliten dient das Program GPS2.EXE. Es verarbeitet die Anzahl der „sichtbaren“ Satelliten und dokumentiert wie lange, wie viel Satelliten sichtbar waren. Dies erlaubt Rückschlüsse über die Qualität von GPS als Referenz an einem bestimmten Standort. Die Programmierung des 8051 Derivates erfolgt mit dem Tool FLIP.EXE, welches von Temic/Atmel bereitgestellt wird. Die Tools sind auf der Homepage der Verfasser verfügbar oder dort ist wenigsten der Hinweis zu finden, wo die Tools beschafft werden können. Eine genaue Beschreibung der diversen Programme ist als zusätzliche Datei vorhanden. Außerdem befinden sich dort Bauanleitungen für geeignete GPS-und TV-Empfänger.   Ergebnisse Alle nachfolgenden Messungen wurden bei der heute üblichen Standardfrequenz von 10 MHz vorgenommen. Die Wirkungsweise des CRO`s als Meßgerät läßt sich an der Vermessung eines Rubidium Standards zeigen. Im Bild 7 ist die Aufzeichnung über 24 h gezeigt. Im oberen Graphen ist das Ergebnis der Phasenzählung durch den Kurvenverlauf angezeigt. Die Phasenwerte werden im 1 s Takt aufgezeichnet. Die eingefügte Gerade repräsentiert die relative Stabilität über 24 h, die hier –1.1*10exp-11 beträgt. Die relative Stabilität wird aus der linearen Regression gewonnen. Der Zeitabschnitt zur Regression kann individuell mit der Auswertesoftware gewählt werden. Im mittleren Feld ist die digital gefilterte Phasenzählung dargestellt. Im unteren Graph sind die Sekundenwerte der Phasenzählung repräsentiert. Klar zu erkennen ist die Streuung, die unter anderem durch den Phasenjitter bei der Korrelation im GPS Empfänger hervorgerufen wird. Bild 7: GPS Referenz versus Rb- Atomnormal Zur Verwendung des CRO´s sollten folgende, wichtige Eigenschaften des ZDF Referenzsignals beachtet werden. Insbesondere kann es zu erheblichen Abweichungen bei der ZDF Referenz kommen, wenn die Herkunft des Signals nicht über eine ausschließlich terrestrische Übertragungstrecke in die Anordnung gespeist wird. Es treten Abweichungen im 10exp-8 Bereich auf, falls das Signal über eine Satellitenanlage oder Kabelanlage mit Satelliten – Front end kommt. Das liegt daran, daß der geostationäre Satellite eine „Acht“ um seine Nominalposition fliegt. Der Zyklus liegt bei 24h. Die Folge ist eine Dopplerverschiebung, die sich Abhängig von der geographischen Breite bemerkbar macht. Das Ergebnis der „Bahnvermessung“ gegen ein Rubidiumnormal ist für unsere Breiten in Bild 8 zu sehen. Bild 8: ZDF Referenz - Relative Satellitenbewegung Das Meßergebnis in Bild 9 wurde mit einem an DCF77 angebundenen OCXO über 46 h aufgezeichnet. Die Regelschleife des Empfängers arbeitet mit einer Zeitkonstanten von t = 20000 s. Seine Ausgangsstabilität entspricht kommerziellen Geräten. D.h. das Ergebnis kann nicht mit Geräten aus einigen früheren Baubeschreibungen nachvollzogen werden. Klar zu erkennen sind die Streckeneinflüsse der Langwellenübertragung. Eine stabile Nutzphase zur Nachstellung des OCXO`s liegt im Winter bei etwa 4.5 h (hier 9.00 – 13.30 UT). Werte von 6.6 * 10exp-12 werden erreicht. Danach kann die maximale Abweichung Werte von 1 * 10exp-9 annehmen. Da in der Regel der Quarzoszillator in 24 h selbst schon im 10exp-10 Bereich eine Drift aufweist, sind höhere Stabilitäten nur mit einem, an DCF77 angebundenen, Rubidiumnormal sinnvoll zu erreichen. Die Stabilitäten zwischen GPS und DCF77 über 24 h divergieren dabei nur im 10exp-12 Bereich. Bedenkt man, daß die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) und das National Institute of Standards and Technology (NIST) das GPS System mit 1 *10exp-11 am Empfangsort charakterisiert und als rückverfolgbaren Kalibrationsstandard anerkennen, so korrelieren die o.g. Daten recht gut. Bild 9: GPS Referenz versus DCF77 Die Meßmöglichkeiten mit dem CRO sind vielfältig. Das erkennt man sicher auch an den ca. 30 Gbyte Testdaten die wir in den letzten 14 Monaten gesammelt und ausgewertet haben. Nachdem sich das CRO Board in der Meßtechnik bewährt hatte und die Regelsoftware mit driftkompensiertem D/A-Wandler in optimierter Form vorlag, wurde die Frequenzregelschleife nach Bild 4 aktiviert. Als OCXO wurde der Typ HP 10811 von Hewlett Packard verwendet. Zu Beginn der Vermessung der Frequenzregelung verwendeten wir zusätzlich am Ausgang des OCXO`s ein zweites CRO Board um unabhängig das Regelverhalten und die Stabilität aufzuzeichnen. Der angezeigte Restfehler lag im Bereich zwischen 10....5 * 10exp11 und konnte identisch, sowohl in der Regelschleife, als auch auf der Meßanordnung abgelesen werden. Ein repräsentativer Regelvorgang über 9 h kann im nachfolgenden Bild betrachtet werden. Die senkrechten Markierungen zeigen die Regeleingriffe an. Der erste größere Zeitabschnitt über 3 h ist im Bild 10 auswertet. Er besitzt eine Stabilität von –5,6 * 10exp-11und entspricht unserem Projektziel. Der zweite größere Zeitabschnitt über 4 h zeigt Eindrucksvoll in den ersten 2,5 h die exakte Nachregelung des OCXO`s. Hier präzisiert GPS und der CRO mit einem Wert von 3,3*10exp-12, bevor die Drift auf 4,4 * 10exp-11 zunimmt und einen Regeleingriff erzwingt. Die schlechtesten Werte liegen bei -3,3*10exp-10 über ca. 10 min. und sind auf Störungen zurückzuführen. Diese ungünstigen Phasen werden durch die Kontrollsoftware angezeigt. Bild 10: OCXO gesteuert durch GPS Weitere Anwendungen Nach Abschluß der Arbeiten im Standardfrequenzbereich mit 10 MHz sind wir dazu übergegangen einen OCXO mit 126 MHz anzubinden. Denn unser zweites Projektziel bestand in dem Wunsch Steueroszillatoren von Bakensendern und Mikrowellen-Transvertern zu synchronisieren. Da das CRO Board bis 130 MHz Eingangsfrequenzen akzeptiert und der Teilerfaktor programmierbar ist, war auch dieses Experiment sehr erfolgreich. Mit Stabilitäten von 10exp-10 machen wir derzeit Probebetrieb. Endgültig sollen 10, 24, 47 und ggf. 76 GHz Baken wie beispielsweise DB0FHR und DB0AS mit der GPS Synchronistion ausgestattet werden. Nachbau Für den Nachbau ist an erster Stelle ein GPS Empfänger mit einem präzisen  1 PPS Ausgang notwendig. Gute Dienste liefert hier das GPS – MS1 OEM Modul der Firma µ-Blox. Eine detaillierte Beschreibung hierzu gabs im CQ-DL Magazin Ausgabe 7/2000 unter dem Titel „Miniatur GPS-Empfänger als Sinalquelle für Normalfrequenzgenerator“ und auf der Home Page der Verfasser unter http://www.qsl.net/dk7nt. Der Nachbau der CRO Baugruppen zu privaten Zwecken ist für Funkamateuere gestattet. Alle Schaltpläne und die Software, auch Updates, sind im WWW auf der genannten Homepage zu finden. Das CRO-Team behält sich aber vor die Inhalte der FPGAs nicht publik zu machen. Damit soll verhindert werden, daß Dritte unerlaubt von Erkenntnissen profitieren, die mühsam mit viel finanziellem Einsatz und in einer 2 jährigen Projektlaufzeit gewonnen wurden. Die FPGAs werden programmiert und kopiergeschützt an interessierte Nachbauer gegen Unkostenerstattung abgegeben. Das CRO-Team bemüht sich eine Quelle aufzutun, bei der alle Komponenten und ggf. auch komplette Geräte zu beziehen sind. Die Quelle wird im WWW veröffentlicht. Wer keinen Zugang zum Internet hat kann sich, mit einer leeren CD-ROM inklusive frankiertem und mit Adresse versehenen Rückumschlag, an folgende Adresse wenden: Dipl.-Ing. Klaus Osterschek Marienberger Str. 29A 83135 Schechen Zusammenfassung Abschließend ist festzustellen, daß das CRO Board die Stabilität guter OCXO`s um 1 bis maximal 2 Zehnerpotenzen verbessern kann. Die Grenze für die verwendeten OCXO`s liegt um die 10exp-11für die relative Stabilität im angebundenen Zustand. Das ist Rubidium Qualität. Alle Umwelteffekte, Alterungseffekte und sogenannte Retrace-Problematiken von lokalen Standards werden durch die Anbindung an einen anerkannten Kalibrierstandard kompensiert. Wir sind bemüht auch weitere Optimierungen des CRO`s durchzuführen. Das Neueste zum Thema kann man in der o.g. Home Page erfahren. Besonderen Dank möchten wir Alexander Görich und Andreas Mangler (DD4IV), Helmut Rapp (DL1HEL) und vielen Anderen für ihre Unterstützung bei der Realisierung aussprechen. Referenzen: [1] Fernseh- und Kino-Technik 48. Jahrgang Nr.1-2/1994 [2] Wireless & µC www.atmel.com [3] RS232 Schnittstelle siehe [8] [4] FPGAs www.altera.com [5] Impulsabtrenner www.genum.com [6] PLL-IC www.icst.com [7] DAC www.burr-brown.com [8] Referenzquelle www.maxim-ic.com   Zu Teil 1

Hinweise zur ersten und zweiten Regressionsrechung.

	Diagramm: Chriterien für 1.Regression
	Diagramm: Chriterien für 2. Regression

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