GPSDO 10MHz - GPS disciplined oscillator

GPSDO - GPS disciplined oscillator

CZ Pro přesné měření kmitočtu a zdroj kvalitního hodinového signálu pro přístroje v oblasti VF techniky je potřebný kvalitní a přesný zdroj kmitočtu. Do současné doby používaný krystalový oscilátor bez stabilizace kmitočtu mi již přestal vyhovovat a krok k teplotně stabilizovanému oscilátoru by sice přinesl dosti velké zlepšení, ale oscilátory řízené GPS dosahuji skok do úplně jiné dimenze. Po prohlížení různých konstrukcí na webu jsem nakonec zvolil projekt podle Yannick Turcotte na webu Instructables. Tato konstrukce je velmi hezky popsaná a dosažené výsledky jsou nad můj stanovený cíl. Velká část konstrukce je převzata od uvedeného autora (odkaz na konci tohoto příspěvku) a dále přizpůsobena mým požadavkům.

Srdcem celého GPSDO je temperovaný krystalový oscilátor (OCXO) 10MHz, procesor ATMEGA328 a GPS modul. Po zapnutí tedy probíhá 15 minut temperování oscilátoru a poté je porovnáván počet pulsů oscilátoru 10MHz za periody 10, 60, 200 a 1000 sekund. Pro přesné odečítání jednotlivých period je použit signál PPS 1Hz z modulu GPS. V těchto periodách je oscilátor korigován až je dosaženo konečné přesnosti 1mHz při 10MHz. Přesnost je to úchvatná a porovnáme-li to s něčím jiným, je to jako měřit vzdálenost 10.000km s přesností 1mm. Schéma i výkres plošného spoje je níže, včetně několika fotografií. GPSDO je umístěn do plastové krabice. Plošný spoj, čelní a zadní panel je vyroben z kuprextitu a opatřen potiskem. Součástí je také napájecí zdroj 15W, který celý GPSDO napájí. Pro příjem GPS signálu je vhodné umístit anténu alespoň za okno, s GPS modulem běžně přijímám 5-10 satelitů současně. Kdo by chtěl dosáhnout ještě vyšší stability, stálo by za úvahu použit GNSS modul s velmi nízkým jitterem. Testoval jsem několik různých modulů, kde byl jitter PPS signálu obvykle kolem 20ns, modul MC-1722-T dosahuje obvykle jitter jen 2ns (max. 5ns), pro 5G sítě je limit 10ns. Další podrobnosti jsou patrné z obrázků níže.

EN For accurate frequency measurement and a quality clock signal source for instruments in RF technology, a quality and accurate frequency source is required. The crystal oscillator without frequency stabilization that has been used to date is no longer satisfactory to me, and a move to a temperature stabilized oscillator would indeed bring quite an improvement, but GPS controlled oscillators achieve a leap into a whole other dimension. After looking at various designs on the web, I finally chose a design by Yannick Turcotte on the Instructables site. This design is very nicely described and the results achieved are beyond my stated goal. A large part of the design is taken from that author (link at the end of this post) and further adapted to my requirements.

The heart of the GPSDO is a 10MHz oven controlled crystal oscillator (OCXO), an ATMEGA328 processor and a GPS module. So, after power-up, the oscillator is tempered for 15 minutes and then the number of pulses of the 10MHz oscillator is compared for periods of 10, 60, 200 and 1000 seconds. The 1Hz PPS signal from the GPS module is used for accurate period readings. During these periods the oscillator is corrected until a final accuracy of 1mHz at 10MHz is achieved. The accuracy is breathtaking and if you compare it to anything else, it's like measuring a distance of 10,000km with an accuracy of 1mm. A schematic and drawing of the PCB is below, including some photos. The GPSDO is housed in a plastic box. The PCB, front and back panels are made of cuprextite and printed symbols for panels. Also included is a 15W power supply that powers the entire GPSDO. For GPS signal reception it is advisable to place the antenna at least outside the window, with the GPS module I normally receive 5-10 satellites at the same time. If you would like to achieve even higher stability, it would be worth considering using a GNSS module with very low jitter. I tested several different modules where the PPS signal jitter was usually around 20ns, the MC-1722-T module from Locosys usually reaches a jitter of only 2ns (max 5ns), for 5G networks the limit is 10ns. Further details can be seen in the images below.

Schematic diagram