Een poging tot het maken van de ultieme GPSDO voor in de shack.
BG7TBL commercial GPSDO Ik ben al jaren in het bezit van een gekochte referentie van BG7TBL.
Een prima apparaat in combinatie met een kleine standaard actieve antenne buiten op het dak.
Helaas vind ik nogal wat bezwaren aan het apparaat kleven waardoor ik een iets betere versie in elkaar probeer te knutselen.

Even op een rijtje wat ik als nadelen zie:

  1. Maar 1 10 MHz uitgang. (Heb er meerdere nodig en ook 1 MHz)
  2. Geen eigen voeding dus lastig 24/7 aan te laten.
  3. Maximale spanning is 12,9 Volt in plaats van 13,8 Volt
  4. Alleen RS-232 uitgang met de GPS-info wat leuk is voor oudere apparaten maar niet echt bruikbaar meer in de huidige tijd waar alles USB is.
  5. Geen display dus altijd PC nodig voor status informatie.

Een antenne zoals rechts afgebeeld ligt momenteel buiten op het dak maar is niet echt bedoeld voor gebruik in de open lucht dus daar zou een soort dome overheen moeten komen of een echte buiten antenne.
Voor nood een afgeknipte PET fles van een niet nader te benoemen frisdrankmerk erover gezet maar dit is niet echt oplossing voor de lange termijn.

Hieruit volgt dan eigenlijk al gelijk de wensenlijst voor mijn ultieme GPSDO.

  1. Meerdere 10 MHz uitgangen. (minstens 4 mogelijk 8)
  2. 1 MHz. uitgang als referentie voor de Marconi 2955 meetzender.
  3. Eigen voeding met eventuele batterij backup voor een aantal uren.
  4. GPS-info via zowel USB als RS-232.
  5. Display met minimaal de lock status, aantal satellieten, tijd in UTC of lokaal, positie en/of locator en wat je nog meer kan bedenken.
  6. schakelaars om via menu's wat instelling te kunnen doen.

In de basis spreekt het ontwerp uit de Electron van oktober/november 2017 mij wel aan met de simpele gps ontvanger en een arduino nano voor de programmering van deze gps module en het display.
De daar beschreven PLL kan bijna 1 op 1 gebruikt worden en met een kleine aanpassing ook direct de 1 MHz uitgang aansturen.

De nodige andere oplossingen bekeken in de diverse bladen, boeken en internet maar het in de Electron beschreven PLL gedeelte bleef mij toch het meeste aanspreken door de eenvoud en volledig gelijkwaardige schakelingen voor de terugkoppeling van het 10 10MHz signaal uit de OCXO en de GPS ontvanger naar de fase detector
Eigenlijk zijn alleen de toleranties de enige looptijd verschillen voor de twee signalen wat in de basis dus al een voorzet is om beide signalen gelijk te krijgen.

Links het eerste gebouwde protopy van het PLL gedeelte zoals ik het ongeveer wil hebben.
Na alle jaren niets meer zelf bouwen is alle kennis wat roestig geworden dus natuurlijk een aantal kleine foutjes in het ontwerp gemaakt.
(Ik moest beginnen met een nieuw software pakket omdat ik Eagle waar ik aan gewend was van mijn oude vwerk situatie niet meer kon gebruiken. Even dus een behoorlijke leercurve naar Kicad)
Uiteindelijk toch een ontwerp gemaaklt en verstuurd naar china om de printjes te laten maken.
Na 2 weken de printjes ontvangen en zeer tevreden met het reultaat.
Omdat ik binnen de 100x100 mm. blijf was het heel aantrekkelijk om ze bij pcbway te bestellen en te laten verzenden als Epacket.

Er is bewust voor gekozen om het PLL gedeelte los te bouwen om uiteindelijk tot een soort modulair systeem te komen met 1 print voor de besturing, voeding en i/o en een print print voor de PLL en mogelijk nog een derde voor de distrubite versterker.
Door deze dan te stapelen kan er een vrij compacte opbouw bereikt worden en uiteindelijk er geen 19inch kast nodig is om alles in te bouwen. (Mag natuurlijk wel)

Nu er een protype print voor de PLL ligt toch ook maar de rest op gaatjesprint gemaakt om het geheel een eerste test te kunnen geven.
Hier even de opzet uit de Electron gevolgd om snel resultaat te kunnen behalen en de eerste testen te kunnen doen.

 

Rechts de eerste test opstelling.

Met een eerste prototype werkend kan er een beging gemaakt worden met een aantal vergelijkende metingen want deze nieuwe unit moet toch minstens net zo goed of beter worden als de referentie van BG7TBL en het niet alleen winnen op de extra opties.

Dit is gelijk een mooie kans om de nieuw aageschafte Owon XSA1015-TG spectrum analyzer wat beter te leren kennen.
Als eerste de BG7TBL op de SA aangesloten na deze eerst even 30 minuten op te laten warmen. (De BG7TBL staat altijd aan)
Tot mijn shrik geeft de frequentie meting aan dat ik niet op 10 MHz zit maar op 9,999985 MHz dus 15 Hz te laag.
De Marconi 2955 op laten warmen en die geeft netjes 10,000001 MHz aan dus rijst de vraag wie heeft er gelijk?

Dit is toch wel even schrikken als een toch wel prijzig apparaat nieuw uit de doos komt.
Dan toch maar het prototype op laten warmen en na ongeveer 3 uur dezelfde testen uitgevoerd met exact dezelfde uitkomsten.
Om helemaal zeker te zijn een 2de prototype opgebouwd en exact dezelde resultaten.

Ik durf hierdoor wel te stellen dat de originele GPSDO en de 2 nieuw gebouwde units hun werk boven verwachting doen en alle 3 na de stabilisatie tijd netjes 10 MHz afgeven.
De noodzaak van een goede referentie voor HF-meet apparatuur acht ik hiermee wel bewezen.

Tijdens het testen een aantal plaatjes van de SA opgelagen en die staan hieronder.
Links de commerciƫle unit van BG7TBL en rechts de zelfgebouwde unit.
Bij alle testen dezelfde anntenne gebruikt.

BG7TBL 5to15 PE1GIJ 5to15
BG7TBL 5to65 PE1GIJ 5to65

Tijdens het testen ook nog even de op Ebay gekochte OCXO's met een potmeter getest op hun regel bereik.
Dit zit bij de 2 geteste units op + en - 30 Hz dus eingenlijk zitten ze allebei precies op frequentie bij 2,5 Volt.
Ook de stromen een beetje bekeken om straks een juiste keuze voor de voeding te kunnen maken en de PLL zoals hij nu is heeft minimaal 500 mA. nodig in koude toestand.
Na opwarmen zakt dit naar ongveer 250 mA..

Met de signalen zoals die er nu uitzien ben ik zeer tevreden en dit is net zo goed bruikbaar als het signaal wat uit de gekochte unit komt.
Zo tevreden als ik ben over het PLL gedeelte zoveel bedenkingen heb ik bij de besturing en de software zoals in de Electron beschreven.
De keuze voor een Arduino Nano is wel erg minimaal omdat deze maar 1 echte RS-232 poort heeft.
Deze zit ook aan de USB en de GPS module moet dus altijd losgekoppeld worden voordat er iets aan de software gewijzigd kan worden.
Een poging om met de SoftSerial lib de GPS unit op een software matige RS-232 poort te hangen was niet echt bevredigend en in mijn ogen zelfs instabiel.
Ook voor de verdere voortgang denk ik IO lijnen te kort te komen omdat in mijn optiek niet gebruikte 10 MHz/1 MHz uitgangen uitgeschakeld moeten kunnen worden of allerlei ongewenste signalen te voorkomen.
(Ongebruikte uitgangen kunnen natuurlijk met een afgeschermde afsluitweerstand gedempt worden maar mijn ervaring is dat die altijd kwijt raken)
Zeker als de GPS info op externe poorten beschikbaar moet zijn dan zal er een aandere oplossing voor de besturing in moeten.

In de software vind ik het heel jammer dat de programmering voor de GPS hard is vastgelegd en heel moeilijk naderhand nog te wijzigen is als je niet het hele reference manual van de Ublox module begrijpt.
Ook het niet mrekenen van de gps coordinaten naar locator vind ik een gemiste kans net als de keuze om allen de utc tijd weer te geven.

Ik zit voor een iets sterkere besturing te twijfelen tussen de Arduino Mega2560 of de STM32F103C8T6 (Bluepill)
Ze hebben beide voldoende I/O poorten, snelheid en geheugen om de wat zwaardere klus die ik er voor in gedachten heb te kunnen klaren.
Mijn voorkeur gaat uit naar de STM32 i.v.m. de afmetingen maar als nadeel is er dan weer dat deze volledig 3,3 Volt is en er dus de nodige level shifters op de print bij moeten komen.
Qua prijs en afmetingen wint de STM32 het dan nog riant van de Mega2560 dus dat zal hem in de volgende test wel worden.
Ik wil dan gelijk voor het display op 2 varianten door borduren.
De in het orginele artikel gebruikte LCD2004 display met 20x4 karakers in samenwerking met een encoder voor de bediening of een Nextion 3.5inch display. (geen enhanced).
Vast een voorschot op de verdere ontwikkeling genomen en met de 3D-printer vast frontjes ontworpen voor in het door mij veel gebruikte Hammond 1598E kastje gemaakt.

lcd2004 front nextion front
Ondertussen wat meer onderzoek gedaan voor de besturing en het blijkt dat het aantal level-shifters van 3,3 volt naar 5 volt best mee gaat vallen omdat het LCD2004, Nextion display en de GPS module geen problemen met de 3,3 volt logica van de STM32 lijken te hebben.
De STM32 module krijgt dan toch mijn voorkeur boven de Arduino Mega2560 voor wat betreft de prijs en de afmetingen.
Met deze beslissing wel een kist vol ellende open getrokken.
Achteraf blijkt dat de modules uit china (en veel kleine nederlandse webshops) een foute weerstand bevatten waardoor de meeste computers de usb poort niet willen herkennen.
Hieronder vallen dus ook mijn computers en ik moest dus op alle 5 printjes een smd weerstand gaan vervangen.
Het gaat om R10 waar blijkbaar vaak een 10k of 4k7 weerstand zit in plaats van 1k5. (Mijn bordjes hebben 10k)
Het is aan te raden dit te controleren voor de pin-headers op het printje gesoldeerd worden want dan is deze weerstand nog redelijk toegankelijk.
Daarna nog genept door een USB-->RS232 module met zogenaamd een FTDI chip die dus geen FTDI chip was en daardoor het programmeren van een andere bootloader behoorlijk vertraagde.
Gelukkig nog een een printje met een CH340 chip gevonden in de bakken waardoor ik wel door kon gaan.
Standaard hebben deze printjes geen bootloader via de USB geprogrammeerd en moet je dus altijd de jumpers omzetten en via de RS232 programmeren.
Er bestaat dus een experimentele bootloader via de USB maar die moet dus wel eerst via RS232 geprogrammeerd worden.
De procedure hiervoor staat uitgebreid beschreven in de wiki van STMduino waarna het bordje zich via de USB laat programmeren via de arduino IDE software.
(Wel weer een week verder)
Ublox NEO7 Ondertussen zijn ook de GPS modules die ik wil gaan gebruiken binnen gekomen.
Het is wel belangrijk dat het een NEO-7 module is en niet de veel aangeboden NEO-6 want deze kan op de puls uitgang geen 10 MHz signaal maken.
Deze mini uitvoering is de kleinste en goedkoopste uitvoering die verkrijgbaar is en voldoet voor deze toepassing.
In het eerste printje wat bij de test opstelling zichtbaar is gebruik ik de iets duurdere variant met ook al een eigen usb aansluiting zodat deze direct met de Ublox software te gebruiken is.
Dit printje heeft ook al een patch antenne op de print maar die is voor deze toepassing nutteloos.

 

Wordt spoedig vervolgd....