05-TAMSAT AR-GE

GPS Tabanlı Referans Sinyal Kaynağı

Çalışmanın Amacı: Pek çok alanda ölçme hassasiyeti tartışılmazdır. Gerek amatör gerekse profesyonel elektronik cihazlarda saat frekansını kararlı ya da tartışmasız hale getirmek için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Aşağıdaki yazıda çok kararlı bir saat üreteci yapım süreci anlatılmıştır. Gerçekleştirilen cihaz elektronik ölçü aletleri, alıcı ve vericilerde referans saat ya da referans sinyal kaynağı olarak kullanılabilir.

Açıklama

Güvenilir karalı bir sinyal kaynağına ihtiyacım olduğu için satın alma yada kendim yapma seçeneklerini düşündüğümde;

Hazır satılanların gerek fiyatlarının yüksek gerekse üzerlerinde hiç kullanmayacağım pek çok işlevinin olmasından dolayı böyle bir kaynağı kendim yapma yolunu tercih ettim.

Sinyal kaynağından ilk beklentilerim, kilohertz ile başlayıp olabildiğince geniş frekans aralığına sahip olması, bu frekans aralığında aynı genlikte sinyal üretmesi, mümkünse birden fazla çıkışının olması idi. Çıkışının sinüs yada kare dalga olmasını çok önemsemedim. Bunu gerçekleştirmek için yaptığım araştırmada Silicon Labs şirketinin SI5351A kodlu CMOS CLOCK GENERATOR + VCXO entegresini kullanmaya karar verdim. [Ref:1]

SI5351A’yı seçmemin nedeni üç adet farklı programlanabilir çıkışının olmasıdır. Ayrıca üzerinde pek çok uygulama yapılmış ve referansı çoktur. [Ref:6-7-8-9-10]

SI5351A’yı entegre olarak alıp kullanmak yerine modül olarak almaya karar verdim. Modülü QRP-Labs’tan temin ettim. [Ref:2]

Buradan iki adet modül satın aldım. Bunlardan biri üzerinde referans olarak sadece kristal kullanan, diğeri ise fırınlı OCXO olarak kullanılabilir, ısısı kontrol edilebilen türde olanı idi. Planım, fırınsız olanı üzerinde yazılımı geliştirmek, OCXO olanını ise yazılımı kullanılabilir sürümlerde kararlı bir kaynak olarak kullanmaktı.

Bu arada QRP-Labs’tan kısaca söz edersek; sahibi Türkiye’de yaşamaktadır. Sitesini incelemenizi tavsiye ederim. İşinize yarayacak çok şeyler bulabilirsiniz.

PLL yapıya sahip sinyal kaynaklarının çıkış frekansı bir referans frekansının “N” katsayısı ile çarpımı ile elde edilir. Bu yapıya sahip kaynaklara ait teoriden burada bahsetmeyeceğim.

PLL yapıya sahip bir kaynak teoride çok kararlı bir frekans kaynağı gibi görünse de kararlılığı sağlayan referans frekansının kalitesi ve kendi içindeki VCO sunun kararlılığıdır.

Benim çalışmam VCO karalılığını seçilen entegreye bırakıp referans frekansının kalitesi üzerine olmuştur. Yazılımı Arduino Nano üzerinde yaptım. Yazılımı geliştirmek içim yaptığım araştırmalarda genellikle HF VFO olarak kullanıldığını gördüm.

Bu projeleri inceleyerek benzer bir donanım hazırladım. QRP-Labs ‘tan gelen modüllerle yaptığım testlerde sadece kristal olan da frekansın sürekli kaydığını OCXO için olan da ise kaymanın çok az olduğunu fakat stabiliteye erişmesi için çok uzun süre beklemek gerektiğini gördüm. Uzun süre beklemeyi ortadan kaldırmak için cihazı hep açık tutmak çözümdür. Zaten profesyonel cihazlarda eğer içinde referans olarak OCXO kullanılıyorsa siz cihazı kapatsanız bile OCXO sürekli olarak çalışır.

Bu kaymayı yazılım ile düzeltmek mümkün olsa da sık sık frekansı ölçüp düzeltme yapmak gerekiyor bu ne kadar kullanışlı olur siz düşünün. Ayrıca frekansı ölçtüğünüz sayıcı ne kadar doğru ölçüyor. SI5351A ile yapılmış devrenin son hali aşağıdaki şekildedir.

gps-ref-sig-sema-1.-pdf
Şekil-1. Devre şeması.

SI5351 OSC V02 Şema Pdf Dosyası İndir

Bu noktadan çıkarak kristalin yerine geçebilecek çok kararlı bir referans kaynağı olarak GPS kullanmaya karar verdim. [Ref:3,4,5]

Benim çalışma odam dışarıyı görmediği için GPS alıcısını ya dışarıya taşımak ya da antenini dışarıya taşımak gerekiyordu. Anten dışarıdaolura, gelen sinyalin 1,5 GHz civarında olacağı için alıcıya kadar kaliteli, az kayıplı bir kablo kullanmak gerekli. Ancak RG58, RG59 kesinlikle olmaz. Bu nedenle alıcıyı dışarı taşımak daha mantıklı olur. O zaman alıcıdan gelen sinyali RG58 ile taşıyabilirsiniz. Benim elimde daha önceden aktif bir GPS anteni olduğu için antensiz bir U-bloxNEO-7M’li bir alıcı kullandım. [Ref:14,15]

İyi haber, NEO-7M in saat çıkışını istenilen bir frekansa yazılım ile ayarlanabiliyor. Böylece çok sık kullanılan 10Mhz referans elde etmek mümkün. Kötü haber ise “jitter”. Her frekansta jittersiz (ben jitter e “seğirme” diyorum) sinyal elde etmek mümkün değil.

NEO-7M çıkışında olan jitterli ve jittersiz sinyal ne demekreferanslara bakarak anlayabilirsiniz. İyi haber, bu her frekansta olmuyor. Mesela 8MHz de çok temiz jittersiz çıkış elde etmek mümkün. [Ref:11,12,13]

Özetleyecek olursak;

SI5751A için 27MHz temiz kararlı bir referans saati gerekiyor. NEO-7M ise 8Mhz (NEO-7M içinde 48MHZ kristal bulundurduğu için aşağı doğru 48`i tam bölen sayılarda frekansı çok düşük jitter ile üretebilir.)

Bu ikisini birbirine bağlamak için yeni bir PLL gerekiyor. Bu PLL referans olarak 8 MHZ kullanmalı, programlanarak 27 MHZ üretmeli ve jitter üretmemeli ya da çok çok az üretmeli. Bunun için Cirruslogic firmasının CS2000-CP PLL entegresini seçtim. [Ref:14]

NEO-7M ve CS2000-CP için ikinci bir Arduino NANO daha kullanmak zorunda kaldım. Çünkü birincisinde yer kalmadı, daha kapasiteli bir Arduino yada geçmek istemedim. NEO-7M ile yapılmış devrenin son hali aşağıdadır.

gps-ref-sig-sema-2
Şekil-2. Devre şeması.

GPSREF 27 MHz Şema Pdf Dosyası İndir

Cihaz ilk çalıştığında içindeki 8MHz kristal ile lokal çalışmaya başlıyor ve GPS alıcısı “Cold-Boot” oluyor. Yaklaşık 50 sn sonra GPS`e geçiyor. Herhangi bir şekilde GPS çalışmaz hale gelirse (kablo kopması, uydu alamama gibi) cihaz otomatik olarak lokal duruma geçiyor. Arıza düzeldikten sonra tekrar GPS durumuna dönüyor. Bu durumu cihaz üzerindeki LED’lerden görebiliriz.

Cihazın bitmiş halinin genel özellikleri;

  • 9 Hane frekans gösterimi
  • 1Hz, 10Hz, …. 100MHz frekans aralığında değiştirme
  • Kanal seçimi (CH1A ve CH1B, CH2, CH3)
  • CH1A ve CH1B:10KHZ – 150MHZ
  • CH2:10KHz – 100MHZ
  • CH3:10KHz – 150MHZ
  • Lokal kristal ile çalışmada kalibrasyon özelliği
  • Çıkışlar, 50 Ohm
  • %50 Dutycycle
  • Besleme, harici 5VDC, yaklaşık 200mA

Sonuç ve Öneriler

Bu çalışmada laboratuvarda kullanılan cihazlar için referans kaynağı yapılmış ve çalıştığı görülmüştür. Gerekli görüyorsanız ve kullandığınız alıcı/verici cihazlarınızın referans frekans girişi varsa orada da kullanabilirsiniz. Cihazın çıkışı düşük frekanslarda kare dalga olup, frekans yükseldikçe üçgen dalgaya kaymaktadır. Bu nedenle düşük frekanslarda tek sayılı harmonik frekans yükseldikçe de bir miktar çift sayılı harmonik üretmektedir. Kullanacağınız cihazlar harmoniklerden etkileniyor ise yada sinüs gerekiyor ise uygun filtre kullanmanızı tavsiye ederim.

Cihazın baskı devreleri prototip aşamasında değişikliklere uğradığı için son halini yapmadım. Bunu size bırakıyorum. Cihazın CH1-A ve CH1-B çıkışları 10MHZ için tampon devrelere sahiptir. Tampon devrenin son hali aşağıdadır.

gps-ref-sig-sema-3
Şekil-3. Devre şeması.

Buffer-3 Şema Pdf Dosyası İndir

Diğer çıkışlar doğrudan “SI5351A” nın çıkışlarından alınmıştır. Zaman bulursan tüm çıkışlar için DC-150MHZ arasında çalışan “AGC” ve “Voltage-Controlled Amplifier” eklemeyi planlıyorum. Böylece çıkış seviyesini her frekansta istediğimiz seviyede ve sabit olmasını sağlayacağım.

Kullandığım NEO-7M içindeki PLL’de kullandığı kristalden dolayı kararlılık konusunda tartışılabilir. Ancak daha kararlı çalışan ve programlanabilir GPS alıcılar ile daha iyi sonuçlar alınabilir.

Arduino Kodu
Arduino Kod Dosyalarını İndir

Referans ve Kaynaklar

(1) https://www.silabs.com/documents/public/data-sheets/Si5351-B.pdf
(2) https://qrp-labs.com/
(3) http://www.oscilent.com/esupport/TechSupport/ReviewPapers/IntroQuartz/vigcomp.htm
(4) https://gssc.esa.int/navipedia/index.php/GPS_Time_and_Frequency_Transfer_Techniques
(5) http://walsworth.physics.harvard.edu/oldsite/Activities/Atomic%20clock/old_atomicclock.html
(6) https://pa0rwe.nl/?page_id=804
(7) https://janoc.rd-h.com/archives/649
(8) https://www.zl2pd.com/tiny85_si5351_VFO.html
(9) http://www.mehmetdivili.com/arduino-mega-2560-3-5-tft-lcd-si5351-ile-vfo-projesi/
(10) http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?34517-Synthesizer-on-Mega-2560-3-2-TFT-LCD-Si5351-V2-0
(11) https://www.youtube.com/watch?v=BGcNZM_X1IY
(12) https://www.youtube.com/watch?v=tYWuMe9v98k
(13) https://www.cirrus.com/products/cs2000/
(14) https://www.cirrus.com/products/cs2000/
(15) https://www.u-blox.com/en/product/neo-7-series
(16) https://www.aliexpress.com/item/32806780733.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.27424c4dF9APnk

Etiketler

Şahin KÜLİĞ (TB2BCS)

TAMSAT Yönetim Kurulu Başkanı. Radyo amatörü çağrı işareti TB2BCS.

İlgili Makaleler

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu
Kapalı
Kapalı