0803 |
GPS jako zdroj přesného kmitočtu - 2
|
autor: MONGI
|
15.08.2016
|
Delší dobu jsem se zabýval myšlenkou sestvit si synchronizovaný kmitočtový
normál odvozený od kmitočtu DCF77. Poté, co jsem našel článek GPS
jako zdroj přesného kmitočtu autora OK1DXD, přehodnotil jsem celý
pohled na věc. Tato konstrukce je pouze vylepšením výše zmíněné verze a je
stějně tak zaměřena na vysokou užitnou hodnotu za nízkou cenu. Mohl bych se
rozepisovat o podrobnostech, nicméně princip činnosti je vyčerpávajícím
způsobem popsán v již zmiňovaném článku autora, proto se budu zabývat jen
mým příspěvkem této konstrukci.
Využití modulu GPS NEO7M firmy U-blox v popisované konstrukci vykazovalo
drobnou nepříjemnost, a to ztrátu konfiguračního slova při výpadku napájení
na delší dobu. Autor se snažil o kompromis a nahradil superkapacitor
Lithiovou baterií. Dále doporučoval, ponechat v rezervě konektor pro
naprogramování GPS modulu pro případ, že by došlo k vybití i této baterie.
Aby se této nepříjemnosti předešlo, napadlo mne umístit do konstrukce
jednočipový mikroprocesor, který po zapnutí napájení zabezpečí nahrání
řídícího slova s nastavením kmitočtů a střídy pro zavěšený a nezavěšený GPS
příjmač. Navíc jsem tento mikroprocesor využil k zobrazení času UTC
vysílaného družicemi GPS a dále k počtu zafixovaných satelitů. Takto
navržené zařízení, vyžaduje minimální zásah do modulu GPS a navíc pracuje
autonomně za každých okolností.
Jako oscilátor jsem použil VCTCXO Rakon IVT110R [2] o kmitočtu 10MHz. Tento oscilátor splňuje
požadavky na základní stabilitu, je malý, má nízkou spotřebu a je možné jej
sehnat za cenu kolem 100,- Kč. Jeho nevýhodou je malá úroveň výstupního
signálu, kterou je potřeba upravit pro další zpracování. Jelikož rozkmit
nebyl dostačující pro přímé vybuzení hradel, tak jsem si vypůjčil řešení
autora Paula WADE (W1GHZ) použitého ve
Flexible Locking Board [3]. Pro tento oscilátor bylo potřeba také
upravit hodnotu integračního článku fázového závěsu, aby řídící napětí
odpovídalo rozsahu regulačního napětí oscilátoru.
Z důvodu urychlení vývoje a možnosti využití tohoto řešení širší veřejností,
jsem se rozhodl nepoužít klasický mikroprocesor, ale modul ARDUINO Mini Pro.
Tento modul je ve své podstatě mikroprocesor ATMEL ATmega328, ve kterém je
nahrán BOOT LOADER a je možné jej programovat z prostředí ARDUINO přes
sériovou linku, bez nutnosti mít speciální programátor. Cena tohoto modulu
se pohybuje kolem 40,- Kč (a to včetně dopravy z eBay), což je hodně pod
kusovou cenu samotného mikroprocesoru v našich obchodech. Displej s
organizací 16x2 a podsvětlením se dá také pořídit kolem 40,- Kč, takže se
cena koncového zařízení příliš nenavýší.
Další úpravou oproti původní filozofii, bylo umístění GPS modulu do skříňky
přístroje a anténu vně přístroje na cca 3m dlouhý koaxiální kablík. Toto
bylo možné díky poměrně dobré aktivní anténě GPS modulu NEO7M. S výhodou
jsem využil přípravu pro konektr SMA na desce GPS. Použil jsem konetor
určený na hranu desky a modul GPS jsem umístil samonosně na tento konektor
na zadní čelo krabičky. Bylo by samozřejmě možné použít "pig tail" IPX -
SMA, ale čím méně přechodů cestou signálu tím lépe. Krátký a tenký
koaxiaální kabel RG178 s konektorem IPX (který byl součástí dodávky) jsem
nahradil koaxiálním kabelem RG174U, na jednom konci osazeném SMA samcem a
druhý konec jsem zapájel místo tekného RG178 přímo na anténu. Tato úprava
umožňuje mít přístroj téměř kdekoliv a pouze anténu umístit do "výhledu"
družice GPS.
Celkové zapojení je na obrázcích 1 a 2. Na obr. 1. jeoscilátor s obvody
fázového závěsu a děličkami, obr. 2. znázorňuje propojení modulu ARDUINA s
okolními moduly. Přizpůsobení signálu oscilátoru, je tvořeno rychlým
komparátorem LMV7219 zapojeného ve funkci detekce průchodu nulou, jehož
výstup je veden přes tvarovací hradla (IC4 a IC3) do fázového komparátoru
EXOR (IC1). Do tohoto komparátoru je přes oddělovací kondenzátor přiveden
signál TIMEPULSE z GPS (připojeno na konektor CN1). Tento signál je současně
využíván jako indikace výpadku ze synchronizace přes budící hradlo EXOR (LED
připojena na CN2). V případě, že modul GPS není zafixován, výstup TIMEPULSE
generuje impulzy v s frekvencí 1Hz a šířkou impulzu 100ms. Při správné
fixaci, je na výstupu kmitočet 1MHz se střídou 1:1. Indikační LED dioda
připojená na tento výstup proto při ztrátě signálu bliká s frekvencí 1Hz a
při korektní fixaci bliká s frekvencí 1MHz, takže pro naše oko se jeví ýe
svítí. Odpory R7 - R12 můžou být využity pro ochranu výstupů hradel proti
zkratu, nebo také nahrazeny propojkou.
Jelikož odběr celého zařízení nepřesahuje 200mA při 5V, je pro napájení v
konstrukční krabičce realizován jednoduchý napájecí zdroj s transformátorem
a lineárním stabilizátorem LM7805. Protože je tento zdroj navržen do
konkrétní krabičky, není zde jeho realizace popsána, a každý si jej určitě
navrhne dle dispozic své skříňky, případně použije vhodný externí adaptér.
Obr. 1. Schema oscilátoru, fázového komparátoru a děličů
Obr. 2. Schema zapojení řídící části
Na následujících obrázcích je návrh desky plošných spojů celého zařízení a
osazovací plány. Celá deska je řešena jako samonosná na konektorech BNC, a
všechny externí komponenty (modul GPS, displej 16x2 a LED) jsou připojeny
pomocí konektorů. Modul Arduino Mini Pro, je umístěn do patice realizované
precizními konektorovými lištami. Konektory po kratších stranách nejsou
využity, proto je není nutno z důvodu úspory osazovat, jen sériové rozhraní
je osazeno zlacenými kolíky pro připojení převodníku USB -> RS232 5V, pro
naprogramování modulu Arduina.
Pokračování článku je na
stránkách autora. Je tam ke stažení program pro procesor, výkres DPS a
fotografie zařízení. Autorovi děkuji za podstatné vylepšení tohoto zařízení
a povolení k publikaci jeho článku. Na stránky autora se určitě podívejte,
třeba tam najdete něco, co se vám může hodit.
Jarda (cjb)