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衛星クロック搭載!GPS電子工作

衛星クロック搭載!
GPS電子工作

自宅で! キットで! 時間も周波数も位置もドンピシャ! ~
 


 

【GPS応用製作】本誌2017年3月号(pp.133~148)掲載
いつまでも10の-12乗!0.5秒クロック!
GPS同期10MHz PLLシンセサイザ

ケース&アンテナ付きキット頒布!GPS同期10MHz PLLシンセサイザ
 本稿では,GPS衛星に搭載された原子周波数発振器(ルビジウムやセシウム)に同期して動く「GPS同期10MHz PLLシンセサイザ」の製作に挑戦しました.

 
 
 本器は,個人で入手可能なごく普通の部品だけで構成していますが,スペクトラム・アナライザなどの測定器や無線機の校正にも十分利用できる高精度なクロック性能(10の-12乗)を備えています.
 製作を追体験できるキットの頒布や筆者によるセミナの開催を予定しています.
 
 
 
 
GPS同期10MHz PLLシンセサイザ製作キット
・型名 : GPS10MPLL-TGKIT
・価格 : 48,600円(税・送料込み)
・出荷 : 2017年2月20日以降を予定
・開発者 : 小宮 浩,RF Design Note. (http://gate.ruru.ne.jp/rfdn/) 
キット頒布
CQ出版WebShop (http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/I/I000209.html)

▲キットを持ち帰れるセミナ開催

・今夏開催で計画中です.

・詳細はこちらでお確かめください
 
CQエレクトロニクス・セミナ (http://seminar.cqpub.co.jp/)



キットの詳細
  プリント基板を設計して実験キットに仕上げました.アンテナ付きで表面実装部品は実装済みです.
リード部品やコネクタをはんだ付けしてケースに組み込みます.
※10MHz VCXOは,出力波形とV-F特性を確認・調整のうえ出荷します.
 
 
 
入出力端子の仕様
(1)出力1:GPSタイムに同期した10MHz正弦波.最大+6dBm,50Ω出力,BNCコネクタ
(2)出力2:GPSタイムに同期した10MHz矩形波.最大+6dBm,50Ω出力,BNCコネクタ
(3)出力3:NEO-7Mからのタイム・パルス出力(0.25Hz~10MHz),矩形波.最大+6dBm,50Ω出力,BNCコネクタ.バッファ・アンプを通して50Ω出力
(4)GPSアンテナ入力:50Ω入力,SMAコネクタ,アクティブ・アンテナ電源供給 +3.3V/25mAmax,同軸線のショートに注意
(5)USBコネクタ入力:USB-シリアル変換器(USB2UART-CP2102)とパソコンの接続
(6)電源入力:DC+9V入力,φ2.1mmのDCジャック
(7)パワー・スイッチ:SPDT ON/OFFスイッチ
(8)パワーLED:スイッチ・オンで緑色点灯
(9)ロック・インジケータLED:PLLロックOFFで赤点灯,PLLロックONで消灯
(10)DIPスイッチ(8連):1/N分周用8ビット・アップ・カウンタの設定.N=250に設定するときは,6(=256-N)を2進数で“00000110”とセットする
 
回路の仕様
 回路図を参照してください.
 
 
 
 
(11)アクティブ・アンテナ・モジュール:低雑音指数のLNAを搭載,電源+3.3Vは同軸線にて供給
(12)GPSモジュール:NEO-7Mのタイム・パルス出力を利用
(13)USB-シリアル変換器:USB-UART変換モジュールを搭載.パソコンのUSBポートに接続して,専用のアプリケーションu-centerを起動して出力タイム・パルスを設定する
(14)EEPROM:初期設定データ保存用メモリ.バックアップ電池搭載.パソコンがなくてもタイム・パルスを設定できる.スタンドアローンで動作できる
(15)VCXO:10MHz水晶振動子と低雑音トランジスタによる発振回路
(16)8ビット・カウンタ:74HC163を2つ用いたアップ・カウンタ
(17)位相比較器 PFC:DフリップフロップとNAND回路.OPアンプで構成
(18)ループ・フィルタ:低雑音OPアンプを用いたアクティブ・フィルタ
(19)ロック・インジケータ:ウィンドウ・コンパレータで構成
(20)電源レギュレータ:+3.3VはGPSモジュール NEO-7M駆動用.+5VはPLL部 CMOS ICの駆動用.汎用タイマICとダイオードで,PFCのOPアンプの負電源用の-7Vを生成.ACアダプタ出力の+9VをOPアンプとコンパレータの正電源に供給.+12VのACアダプタも使えるが+5Vレギュレータが発熱する.推奨は+9V電源駆動


[お知らせ]
本誌2016年5月号 pp.206~213でGPS応用製作記事を掲載中!

●注目記事
準天頂対応の1PPS出力モジュールとPICマイコンで作る

1msで同期!  ワールドワイドGPSストップウォッチ
 

●概要 
 GPSモジュールの1PPS出力を基準クロックとした「GPSストップウォッチ」を製作しました.ユニバーサル・カウンタとして使えば,高精度な周波数を測定できるので,周波数基準器としても十分使えます.
 記事サンプルPDF

5月号は,以下のURLからお求めいただけます
-- http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MTR/MTR201605.html
特集はんだ付けから!何でも屋の電子工房DVD
~ゼロから作る職人の作業場お見せします!~



2月号は,以下のURLからお求めいただけます
-- http://shop.cqpub.co.jp/detail/1776/
特集衛星クロック搭載!GPS電子工作
~一人で! キットで! 時間も周波数も位置もドンピシャ!~


特集の見どころ
時間も周波数も位置もドンピシャ!高性能エレキを自宅で体験!

 
写真1 万能GPS受信用モジュールNEO-M8Tの評価キット「EVK-M8T」
     199ドル!NMEAから1PPS,ロウ・データまで,出ていない信号はない!



写真2 cm級の本格測位に挑戦!
        NEO-M8T(ユーブロックス)にEdisonボード(インテル)を
     組み合わせたRTK受信機「Reach」




写真3 米国,ロシアの衛星もバッチリ受信!
        
メーカが提供している表示アプリケーション
     「u-center」でEVK-M8Tの受信状況をモニタ




写真4 累計ダウンロード数十万件超のオープンソース!
       
GPSデータ解析処理用ソフトウェア「RTKLIB」と
        市販GPSモジュールで㎝測位に挑戦



写真5 キット化!GPS&OCXO搭載!USB-FPGAアナログ計測ボード
     信号に世界時のスタンプを付けてパソコンに転送!

●筆者のホームページで,誌面に掲載しきれなかった試作機の回路図や
 ソースコード,回路動作の補足解説などを掲載しています.
 キット販売の告知もこちらからからご覧いただけます.
-- http://morisaka-lab.jp/tragi-1502/




写真6 高精度10MHzを4チャネル出力できる分配器搭載!
     5,000円で入手したジャンク品の2重恒温槽型水晶発振器×GPSで
     安定性能±0.001の「基準周波数発生器」を製作




写真7 インターネットのオークションで落札!
        
2重恒温槽型水晶発振器「CEPE STP 1946」





写真8 ゾクゾクするぜ!高精度ワールド!
        
製作したGPS搭載「基準周波数発生器」の周波数精度を
     ユニバーサル・カウンタで確認




[受付終了] 読者プレゼント企画実施!

 本誌2月号に対するたくさんのご意見・ご要望をいただき,有難うございました.今後の紙面作りに活かしていきたいと思います.
                                       編集部

 本特集のご感想をお寄せいただいた方の中から抽選で,GPS受信
モジュールとGPS受信モジュール評価キットをプレゼントします.
(1)GPS受信モジュール NEO-M8T 【5名様】
(2)GPS受信モジュール評価キット EVK-M8T 【2名様】

[受付終了] GPS技術交流会(オフ会)開催のお知らせ


 2月1日に本会を実施いたしました.読者,筆者,編集部スタッフを合せて約30名ほどの方にご参加いただき,大変な盛り上がりをもって有意義な時間を過ごすことができました.
 この場をかりて,御礼申し上げます.
 トランジスタ技術では,今後も特集テーマに沿ったオフ会を企画して参ります.
 皆様のご参加を心よりお待ちしております.
                                        編集部



 2月号特集の筆者陣をゲストに招いて「GPS技術交流会」を開催します.
「GPSを応用した高性能エレクトロ二クスの世界」をテーマに技術談議に花を咲かせましょう!

概要
日程:2016年2月1日(月)
時間:18:30~20:30
定員:20名
費用:無料
場所:CQ出版社(最寄駅:巣鴨)
東京都文京区千石4-29-14 CQビル2F セミナ・ルーム
-- http://www.cqpub.co.jp/cqmap.htm




GPS技術交流会の見どころ

特設 プレシジョン水晶発振器の種類と評価技術
講演:志田 晟
概要
 従来の高安定発振器では,1日の周波数変動が0.1ppm以内といった表現が使われていました.長い時定数のフィルタを通した値で100秒や1秒の間を見ると,通常はそれより大きく変動しています.
 高精度のディジタル処理などに応用する場合は,1秒や100秒の「短期安定度」で判断する必要があります.
 写真1のような最新のカウンタには,短期安定度を測る機能が備わっています.当日は,短期安定度などの高安定周波数の性能測定手法を説明します.


写真1 アラン偏差測定機能付き15桁周波数カウンタ
     53230A(キーサイト・テクノロジー)



第2章 センチ・メートル測位RTK法の基礎と実力
講演:岡本 修
▲概要
 衛星測位を取り巻く世界が様変わりしています.複数衛星システムを複合的に利用するマルチGNSS測位が一般的になりました.
 私からは衛星測位の今後の展望とRTK測位の精度について解説します.RTK測位に用いる実機を持ち込んで紹介します.


写真1 障害物周辺におけるRTK測位の精度評価(スライドレール)の状況



写真2 RTK測位によるスライドレール20往復の軌跡


第2章Appendix3 ロウ・データ解析用オープン・ソースRTKLIBで1cmリアルタイム測位
講演:高須 知二
▲概要
 センチ・メータ測位RTK法に対応したオープン・ソース・ソフトウェア「RTKLIB」の紹介とデモを行います.従来,数百万円の高性能受信機でしか実現できなかったセンチ・メータ級高精度測位が,NEO-M8T(ユーブロックス)受信機を組み合わせて数万円以下の機材で実現できることを実例で示します.







第3章 GPS&OCXO搭載!USB-FPGAアナログ計測ボードの製作
講演:森榮 真一
概要
 今回試作した装置は,搭載したGPSモジュールによって,複数台の装置が同期して動作するのがミソです.同期の精度はナノ秒オーダです.
 当日は,2台の装置にそれぞれ実装したOCXOを,ナノ秒精度で同期するデモを行います.会場と数百メートル離れた場所で,AM放送波の同期計測に挑戦します.
独立して動作する2台が同期していくようす
 GPS&OCXO搭載USB-FPGA基板を2枚用意して,電源ONからクロックを比較した動画です.2枚の基板は独立して動作していますが,15~30分程度でクロック周波数がぴったり一致します.

記事フォローアップ
 筆者のホームページで,誌面に掲載しきれなかった試作機の回路図やソースコード,回路動作の補足解説を掲載しています.
 キット販売の告知もこちらからからご覧いただけます.
-- http://morisaka-lab.jp/tragi-1502/



第4章 GPS+OCXO搭載!4×10MHz周波数リファレンス 
講演:加藤 高広
概要
 GPS周波数基準器が登場した経緯や背景,特性などを簡単に説明します.記事で紹介した簡易型周波数基準器の設計方針や製作のポイントを重点的に説明します.時間があれば使用した測定器を紹介します.
 

写真1 GPS 周波数基準器をブレッドボードで試作していた初期のころのようす



写真2 回路が纏まってきたため分配器部分を除いた状態でテストしているようす


写真3 ケースに収めて完成した状態


写真4 揺らぎの少ないルビジウム発振器を元に,製作した基準器をモジュレーション・ドメイン・アナライザで評価しているようす



写真5 NIST(National Institute of Standards and Technology:アメリカ国立標準技術研究所)によるGPS-DO(GPS Disciplined Oscillator)の性能比較を行なったレポートにある比較表

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