Radioamatérský občasník
cz OK1KMR & OK1CJB Jaroslav Janata Czech Republic QTH: Říčany Loc: JN79hx EPC: #1217 swl-@-ok1cjb.cz SWL: OK1-15 512 cz
GPS jako zdroj přesného kmitočtu II.
MONGI
15.08.2016
01431
 

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 [1] 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.
01431 sch1
Obr. 1. Schema oscilátoru, fázového komparátoru a děličů
01431 sch2
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)