Zaloguj
Jednym z najdokładniejszych źródeł wzorcowych czasu i częstotliwości jest zegar atomowy, zwykle oparty na izotopie cezu. Mniej dokładnym, ale znacznie popularniejszym i przez to tańszym źródłem są zegary rubidowe. Moduły z takim źródłem są elementem infrastruktury sieci telefonii komórkowej. Używane moduły z demontażu starych wież można nabyć na zagranicznym portalu aukcyjnym. Kiedyś ich cena wynosiła około 70...100 dolarów + koszty wysyłki. Niestety, pewien australijski elektronik zrobił o nich film i od tamtej pory ich cena jest znacznie wyższa. Nowe wzorce tego typu kosztują od kilku do kilkunastu tysięcy złotych. Alternatywą należącą jednak do niższej klasy dokładności mogą być wzorce oparte na generatorach kwarcowych stabilizowanych termicznie, w skrócie OCXO. W urządzeniach tych rezonator kwarcowy utrzymywany jest w stałej, stabilizowanej termostatem, podwyższonej względem otoczenia temperaturze. Stabilność takiego oscylatora jest zazwyczaj dwa rzędy wielkości lepsza od zwykłego rezonatora kwarcowego. Dla przykładu: generator 10 MHz typu LFOCXO063800BULK marki IQD oferuje wstępną tolerancję na poziomie ±500 ppb (części na miliard), czyli ±0,5 ppm lub ±5 Hz. Jest to wciąż wynik daleki od tolerancji rubidowego wzorca wynoszącej typowo ±1...2×10-11, czyli ±0,001...0,002 Hz. Na szczęście od lat istnieje rozwiązanie kompromisowe, które łączy relatywnie niską cenę (w porównaniu do rubidowych zegarów atomowych) generatorów OCXO i jeszcze wyższą dokładność zegarów atomowych opartych na cezie. Przedstawiony w tym artykule generator ma dostęp do przynajmniej 73 takich zegarów.
Zakup, zawartość opakowania i specyfikacja
Generator wzorcowy zakupiony został na chińskiej platformie handlowej Aliexpress za kwotę około 314 złotych. Cena w chwili pisania artykułu wynosi 330 złotych. Pod urządzeniem tym nie podpisuje się żadna specyficzna marka i występuje ono w ofertach różnych sklepów. Proces zamówienia i dostawy przebiegł bezproblemowo. W skład zestawu wchodzi samo urządzenie oraz prosta antena ceramiczna dla systemów nawigacji satelitarnej. Producent nie dostarcza zasilacza ani żadnych dodatkowych przewodów – te trzeba zakupić oddzielnie. Jest to pewna wada, gdyż dodanie odpowiedniego zasilacza czy dodatkowych przewodów nie podniosłoby znacząco ceny, zwłaszcza że opisywany generator reklamowany jest jako źródło zegarowe dla dekoderów audio. Czytelnika może zastanawiać, na co dekoderowi audio zegar tak o ekstremalnie wysokiej stabilności. Według mitu propagowanego przez niektórych audiofili niższa tolerancja zwykłych rezonatorów kwarcowych i ich wrażliwość na wibracje powodują, że w trakcie dekodowania dźwięku niektóre próbki trafiają na wyjście przetwornika DAC za wcześnie, a inne za późno... zniekształcając wyjściowy sygnał tak bardzo, że nie da się tego słuchać. Z punktu widzenia fizyki faktycznie częstotliwość zegara taktującego dekoder audio nie jest stabilna, ale przyjmując typową tolerancję rezonatorów kwarcowych na poziomie ±30 ppm i częstotliwość próbkowania 48 kHz próbki mogą być przesunięte maksymalnie o ±625 pikosekund (sic!). Do pomiaru takiej różnicy w czasie potrzebny jest oscyloskop o paśmie przenoszenia minimum 1 GHz.
Wróćmy jednak do głównego tematu. Generator wzorcowy jest dostarczany do klienta w prostym tekturowym opakowaniu z wkładką z gąbki, która chroni go przed uszkodzeniami w transporcie (fotografia 1). Urządzenie jest dość małe i lekkie. Front jest zdominowany przez wyświetlacz i pokrętło enkodera. Z tyłu znajdują się natomiast gniazda SMA do anteny i wyjścia sygnału 1 PPS, a także gniazdo BNC stanowiące wyjście sygnału zegarowego. Ponadto znajduje się tu gniazdo zasilania 12 V/1 A oraz włącznik zasilania. Konstrukcja jest zwarta i sprawia wrażenie solidności i trwałości. Według specyfikacji urządzenie pobiera 650 mA w czasie podgrzewania wewnętrznego generatora kwarcowego i 350 mA w czasie normalnej pracy.
Specyfikacja podaje też parametry wyjścia: sygnał prostokątny o mocy 45 dBm i częstotliwości 10 MHz ±0,001 Hz, czyli ±0,1 ppb (części na miliard). Producent opisuje też zasadę działania generatora oraz podaje oznaczenia użytych komponentów: modułu GPS/GNSS Neo-6M oraz oscylatora OCXO 143-141 firmy Isotemp. Przy okazji warto wspomnieć, że sprzedawca tego urządzenia kłamie twierdząc, że generator korzysta z systemu GLONASS. Moduł Neo-6M to moduł stricte GPS. Jako ciekawostkę można dodać, że według firmy u-blox będącej producentem wspomnianego odbiornika, moduł oferuje dokładność nawigacji do 2,5 m, i czas „zimnego startu” wynoszący maksymalnie 27 sekund. Moduł ten po odebraniu pierwszego sygnału GPS w zasięgu zaczyna generować sygnał 1 PPS (Pulse Per Second) o wysokiej dokładności. Krótkoterminowy dryft tego sygnału (z sekundy na sekundę) wynosi typowo od ±10 ns do ±100 ns (ze względu na ruch orbitalny satelitów, co wpływa na odległość od odbiornika), jednakże długoterminowa stabilność sygnału wynosi od ±0,001 ppb do ±0,001 ppb. Sygnał ten jest porównywany z sygnałem wyjściowym oscylatora stabilizowanego termicznie. Oscylator dysponuje wejściem kontrolnym VCO pozwalającym na regulację częstotliwości w zakresie od ±0,4 Hz do ±1 Hz przy zastosowaniu napięcia sterującego 0...4 V. Mikrokontroler ma natomiast wyjście PWM kontrolujące wejście VCO i – przy założeniu ±1 ppm zakresu – rozdzielczość regulacji wynosi w przybliżeniu ±0,0305 ppb, co przekłada się na częstotliwość ±305 μHz. Producent podaje rzeczywisty krok wyjścia PWM wynoszący 76 μV (przy zakresie napięć wyjściowych 0…5 V), co przekłada się na rozdzielczość regulacji wynoszącą ±382 μHz. Sytuację pogarsza fakt, że według specyfikacji częstotliwość środkowa generatora powinna wypadać przy napięciu 2 V, ale dopuszczalny zakres jej położenia wynosi od 1,4 V do 2,6 V, czyli aż ±600 mV. Stąd też podawana przez producenta stabilność ±1 mHz. Przy okazji świadczy to też o pewnej staranności ze strony projektantów urządzenia, by zapewnić najlepsze możliwe parametry przy jak najniższych kosztach produkcji. Na wyświetlaczu generator podaje tylko informację o częstotliwości wyjściowej, enkoder pozwala na dostęp do kilku parametrów, np. kontrastu wyświetlacza czy odstrojenia generatora w zakresie ±1 Hz.
Spójrzmy jeszcze na sygnał wyjściowy. Na rysunku 1 przedstawiono sygnał z gniazda BNC zmierzony przez bezpośrednie połączenie wyjścia z wejściem oscyloskopu.
Oscyloskop zakładał użycie sondy 10×, stąd zawyżony wynik pomiaru – rzeczywista amplituda wynosi około 3,3 V, czyli odpowiada wewnętrznemu napięciu zasilania układów generatora. Rysunek 2 prezentuje sygnał 1 PPS.
Pomiary zboczy w tym przypadku są błędne i wynikają z ograniczeń systemu akwizycji oscyloskopu, stąd dodatkowe zbliżenie na te zbocza na rysunku 3.
Z kolei rysunek 4 pokazuje oba sygnały naraz. Kilka kolejnych akwizycji w trybie Single wykazało, że sygnały te nie są ze sobą zsynchronizowane. Wynika to z krótkoterminowej niestabilności sygnału 1 PPS, zależnej od położenia i odległości satelitów od anteny odbiorczej. Sygnał ten może się wahać o ±100 ns w każdym cyklu.
Co kryje wnętrze?
Obudowa wykonana została z dwóch profili aluminiowych przykręconych do przedniego i tylnego panelu tworzywowego. Jest to typowa konstrukcja takich urządzeń, choć pewnym rozczarowaniem jest wykonanie frontu i tyłu z plastiku zamiast metalu. Nie podniosłoby to ceny za bardzo, a w zamian zaoferowałoby lepszą ochronę EMI, co jest w takich urządzeniach pożądaną cechą.
Po odkręceniu czterech wkrętów i zdjęciu panelu ukazuje się widok przedstawiony na fotografii 2. Generator składa się głównie z modułów, a płytka drukowana jedynie łączy je ze sobą i dostarcza kilka elementów dodatkowych. W dolnej części, na lewo od dużego kondensatora Low ESR, znajduje się przetwornica impulsowa. Druga jest w pobliżu gniazda zasilania i ma formę gotowego modułu. W górnej, lewej części widać puszkę generatora OCXO, z którego sygnał trafia do układu OPA692, a potem na wyjście. OPA692 to scalony wzmacniacz buforowy dla sygnałów video o stałym wzmocnieniu 1× lub 2×, paśmie sięgającym 225 MHz i o maksymalnym prądzie wyjściowym wynoszącym 190 mA. Generator OCXO dostarcza sygnał sinusoidalny, a na wyjściu jest dostępny sygnał prostokątny, co sugeruje, że układ scalony nie ma dopasowanej impedancji wejściowej po to tylko, by zostać przesterowanym. Stąd też zbocza, które nie są aż tak strome, jak mogłyby być. Według wykresu odpowiedzi impulsowej OPA692, czasy te – nawet przy wzmocnieniu 2× – nie powinny przekraczać 1,5...2 ns.
Moduł GPS znajduje się między przetwornicami i ma oznaczenie ATGM336H-5N31. Jest to o tyle ciekawe, że w rzeczywistości nie jest to oryginalny moduł Neo-6M, jak podaje sprzedawca, ale chiński zamiennik modułów u-blox Neo MAX, produkowany przez firmę Zhongkewei. Na znanym portalu aukcyjnym moduł taki kosztuje około 40 złotych. Wersja o oznaczeniu 5N-31 obsługuje konstelacje satelitów GPS i BeiDou. Moduł ten jest wolniejszy od podanego przez sprzedawcę Neo-6M i potrzebuje 32 sekund, by „złapać” pozycję.
Warto dodać, że nie ma sensownego powodu, by kłamać w specyfikacji – chiński moduł nawigacji dostarczy równie dobry sygnał 1 PPS, co moduł od u-blox.
Główną część PCB zajmuje moduł z mikrokontrolerem STM32F103C8T6. Identyczny moduł znaleziony został na znanym portalu aukcyjnym w cenie około 20 złotych. Użyty mikrokontroler ARM Cortex M3 ma aż nadto mocy obliczeniowej dla tego układu (1,25 DMIPS/MHz przy zegarze do 72 MHz). Układ generatora jest przez to podatny na modyfikacje – wystarczy zakupić drugi moduł z mikrokontrolerem i dorobić połączenie przewodowe, które kryje się od spodu oryginalnego modułu.
Podsumowanie
Generalnie całe urządzenie sprawia dobre wrażenie, jeśli chodzi o jakość wykonania – ale tylko, gdy oceniamy go z zewnątrz. Jednakże wnętrze sugeruje, że jest to modyfikacja/komercjalizacja istniejącego projektu OpenSource. Brakuje nieco zasilacza w zestawie, a kłamstwa sprzedawców tego generatora są zupełnie niepotrzebne, gdyż jako generator wzorcowy opisywane urządzenie broni się samo. Zwłaszcza jeśli porównać jego cenę z jakimkolwiek innym generatorem tej lub wyższej klasy. Sprzęt aż się prosi o dodanie modułu generatora DDS albo o umieszczenie na płytce oscylatora PLL. Znacząco rozszerzyłoby to funkcjonalność urządzenia, które mogłoby się stać niezwykle dokładnym i stabilnym generatorem funkcyjnym albo oscylatorem lokalnym dla układów krótkofalarskich.
Paweł Kowalczyk, EP
