GPSDO Si5351
Назад-
Здравствуйте, уважаемые!
Чтобы постоянно не влезать в "чужую" тему, решил создать новую.
Речь идет о GPSDO на основе синтезатора на Si5351a с управлением на Ардуино.
Для начала ссылки на "первоисточники":
http://www.knology.net/~gmarcus/Si5351/Si5351_VFO_QEX.pdf
http://sq1gu.tobis.com.pl/en/dds/49-generator-si5351a-2
http://sq7hjb.pl/index.php/mini-gpsdo/
https://radiohobby.pl/projekty/gpsdo-z-si5351-generator-czestotliwosci/
http://www.knology.net/~gmarcus/ -
To EW1HF
Юрий, здравствуйте!
UA3RAW
Здравствуйте Владимир, Андрей. Хочу применить этот GPSDO в качестве опорного генератора для трансивера. Интересует следующее:
1. При очередном включении он включается в том же режиме и с той же частотой , что были при выключении или каждый раз, при включении, надо все настраивать?
2. Что произойдет с устройством в случае пропадания приема спутников (при подключенном GPS или в случае его отсутствия вообще)? Сохранит ли оно работоспособность и функции (пусть и с заниженными характеристиками)? Иди будет "до посинения" ожидать синхронизацию с GPS?
3. В случае включения устройства без GPS (в случае возможности работы без оного), учитывает ли оно последнюю коррекцию частоты собственного тактового генератора или начинает работать с нулевой коррекцией и больше не корректирует тактовый генератор (отсутствует, ведь, GPS)на высоких частотах выпрыгивает за 1 Гц. Прихожу к выводу, что надо попробовать термостатировать плату с Si5351.
Попробовали термостатирование? И каков результат?
Отвечаю на ваши вопросы.
1. Да, при очередном включении остается предыдущая частота.
2. В случае с пропадания спутников (пробовал отключить GPS антенну) пропадает сигнал 1pps и процесс останавливается, время перестает идти, но генерация продолжается. При появлении спутников процесс продолжается. У меня GPS Ublox-5.
3. Без GPS устройство вообще не стартанет, так и будет "висеть" в режиме ожидания спутников и появления сигнала 1pps.
Есть вариант без GPS, синхронизация по сигналу часов реального времени (RTC) например на DS3231.
Первоначально делал эту устройство просто для того, чтобы проверить точность настройки трансивера TS2000 на 1296 МГц. Потом тоже появилась мысль, почему бы не использовать в TS2000 в качестве опорника c частотой 15600кГц. Но поискал на форуме и нашел высказывания по этому поводу.
http://forum.vhfdx.ru/eteo-teato/programmirovanie-si5351/msg385886/#msg385886
Однако, попробовать всё же можно.
Выведу разъем для подключения внешнего опорника, обязательно попробую.
-
Теперь по поводу термостатирования и всего остального.
Попробовали термостатирование? И каков результат?
Когда всё это было в макете на столе, простое дуновение на плату синтезатора естественно приводило к смещению частоты. Контролировал частоту по трансиверу на частоте 1296 МГц, слушая гармонику синтезатора. Поэтому сразу возникла мысль что надо будет термостатировать плату.
В итоге, просто поместил платку синтезатора в металлическую коробочку, обложив со всех сторон пенопластом.
Но все равно, пока я не в восторге от работы этого устройства. Пока не понятно по каким причинам, но периодически частота скачет. Где-то что-то убегает и происходит корректировка, что приводит к скачку частоты.
Вообще работает вся эта штука так.
Выход CLK0 программируется на частоту 2.5 МГц. Эта частота подается на вход счетчика меги, на ардуино это вывод D5. Сигнал 1pps подается на вход прерывания int0, вывод D2. В течение 44 секунд происходит подсчет количества импульсов частотой 2.5МГц, после чего делается пересчет частоты опорника синтезатора 25МГц и его корректировка. А на выходе CLK1 генерируется нужная нам частота, якобы используя стабильную опору.
Исходный текст, стр4:
Theory of Operation
The Si5351A is based on a PLL/VCXO
Figure 3 — This is the schematic diagram for the basic non-GPS configuration of the Si5351
VFO project. Either an Arduino Nano or Arduino Uno can be used.
and high resolution MultiSynth fractional divider architecture. The Si5351A board can generate any frequency up to 150 MHz on each of its outputs. System short and long term frequency uncertainties are attributed to the onboard 25 MHz clock.
One of the three Si5351A outputs (CLKØ) is programmed to 2.5 MHz and
routed to the Arduino’s frequency counter input port (pin D5). The 1 pulse per second
output from the GPS receiver is routed to the Arduino’s interrupt 0 input port (pin D2) to
act as a counter gate. The Arduino counts the 2.5 MHz input over a 40 second gate
time, resulting in a 100 MHz total count.
This count is used to recalculate the 25 MHz clock frequency. Total system uncertainty,
including calculation resolution limitations and clock drift during counter gate time, is
better than 1 part in 10 million. The VFO frequency is updated every 40 seconds, or
when the frequency is changed. Typical frequency uncertainties versus time for GPS
and non-GPS configurations can be seen in Figures 5 and 6.
На фото гармоника частоты 16 МГц на частоте 1296 МГц. Устройство стояло включенным всю ночь.
Что не особо и помогло. Частота всё равно "скачет". Но что я хотел - получил. Видно, что частота моего трансивера на 1296 МГц порядка 120-150 Гц. ниже. Также видно, что когда периодически включается вентилятор трансивера, это приводит к уходу частоты порядка 50 Гц.
Пробовал слушать гармоники разных частот, от 4 МГц до 108 МГц. На низких частотах особой разницы нет. А вот на 108 МГц, почему-то скачки происходят чаще. Хотя, казалось бы, контролируемая частота 2.5 МГц такой же и осталась. В общем, пока много непоняток. Попробую еще и ардуину засунуть в пенопласт.
Но если просто смотреть на основную частоту синтезатора, то стабильность укладывается в 1Гц, даже меньше.
16MHz.jpg
MY_Si5351.jpg
-
Добавлю, приборов, чтобы посмотреть фазовый шум и всё остальное, у меня нет. Поэтому всё на коленках, методом научного тыка. Вся эта писанина просто для информации, так как это получилось у меня. Может у других будет иначе, делитесь ...
P.S. Добавлю, спутников у меня ловит от 9 до 12. -
1. Да, при очередном включении остается предыдущая частота.
2. В случае с пропадания спутников (пробовал отключить GPS антенну) пропадает сигнал 1pps и процесс останавливается, время перестает идти, но генерация продолжается. При появлении спутников процесс продолжается. У меня GPS Ublox-5.
3. Без GPS устройство вообще не стартанет, так и будет "висеть" в режиме ожидания спутников и появления сигнала 1pps.
Это конечно плохо, кто бы подредактировал код, чтобы включалась какая-то стартовая частота даже без ЖПС, скажем последняя которая была до выключения или просто заранее заготовленная в конфиге.На низких частотах особой разницы нет. А вот на 108 МГц, почему-то скачки происходят чаще. Хотя, казалось бы, контролируемая частота 2.5 МГц такой же и осталась.
Это может быть связанно с особенностями обновления регистров СИ-шки, там в некоторых случаях нужно PLL-reset делать, это скорее всего и дает щелчек-скачек. -
Выведу разъем для подключения внешнего опорника, обязательно попробую.
Андрей , а с какой точки планируешь вывести? И как будешь отключать внутренний генератор?
-
Андрей, думаю в первую очередь надо обратить внимание на качество генератора 10МГц - это должен быть "фирменный" прибор с двойной печкой, кварц без микрофонного эффекта - с хорошим джиттером, с регулировочной характеристикой посередине. ("Метрологи" их просеивают - отбраковывают и продают по второму кругу - жаль если попадется такой, дефектный - прыгающий). От работы ФАПЧ он не должен прыгать, там постоянная времени у фильтра не позволит прыгнуть - просто поплывет.
В моем TS2000x по австралийской методе добавлен внешний опорник с двойным термостатом - нет влияния вентиляторов и прочих дестабилизирующих факторов, периодически калибрую по рубидию или GPSDO. Когда точно выставляю частоту на диапазоне 1296 - на 144 врет герц на восемьдесят - так работает синтезатор в трансивере. Собсттвенный TCXO-опортик в трансивере "далек от совершенства". -
Андрей , а с какой точки планируешь вывести? И как будешь отключать внутренний генератор?
Саша, планирую сделать по известной схеме VK3HZ.
Прямая ссылка на файл уже не работает. Файл приаттачил.Андрей, думаю в первую очередь надо обратить внимание на качество генератора 10МГц - это должен быть "фирменный" прибор с двойной печкой, кварц без микрофонного эффекта - с хорошим джиттером, с регулировочной характеристикой посередине.
Виктор, это всё понятно. Но в GPSDO на Si5351 всё несколько по-другому.
В моем TS2000x по австралийской методе добавлен внешний опорник с двойным термостатом - нет влияния вентиляторов и прочих дестабилизирующих факторов, периодически калибрую по рубидию или GPSDO.
А для TS2000 внешний опорник с термостатом был бы оптимальным решением, только где его найти на 15,6МГц? Мне не попадались. Все в основном на 10,0МГц.
Который я кстати заказал. C-MAC STP2151A cкоро должен прийти, уже прошел таможню. Буду делать как здесь.
TS2000_External_Reference.pdf
-
Внешний опорник с термостатом для TS2000 был бы оптимальным решением, только где его найти на 15,6МГц? Мне не попадались.
Готовый не найти. Мы с RW3AZ параллельно занимались этим вопросом. Я нашел ТСХО с выходом "меандр" (анонсировалось, но я своим осциллографом с полосой до 10 МГц видел синус), у Саши анонсировалась синусоида. С термостатом мне помог UA9FA, он его сделал не хуже Trimble и снял подстроечный потенциометр из ТСХО и вывел наружу управление. Саша сделал также, но к тому же он устроил привязку к GPSDO, а мы пошли путем привязки к рубидию. Пока я возился с перепрограммированием FE5650 и перестройкой фильтров - Володя отыскал хороший стабильный потенциометр и сделал ОСХО, который подстраивается вручную. Я посмотрел - понравилось, всё чисто и стабильно, можно калиброваться раз в несколько месяцев (да хоть каждый день, но это не требуется). Прогревать надо с полчаса.
TCXO TCXO-15 фото
-
А для TS2000 внешний опорник с термостатом был бы оптимальным решением, только где его найти на 15,6МГц? Мне не попадались. Все в основном на 10,0МГц.
Ближайший номинал который мне встречался это на 15,360 МГц
https://www.ebay.ca/itm/1-NATCPLJHNF143167-CBE-100596-15-36MHz-15-360MHz-SC-Cut-OCXO-Crystal-Oscillator/333593143275?hash=item4dabb367eb:g:~FoAAOSwleNetCQZ -
Добрый день, Андрей.
Спасибо за информацию по устройству. Приходится менять цвет стекол очков, через которые рассматривал это устройство, с розового на нейтрально серый
Самое неприятное - скачки частоты. Но это объяснимо. Дело не в сбросах петли PLL при изменении коэффициентов деления (хотя и это может добавлять свою лепту). Причина в самом методе стабилизации. В течение почти минуты накапливается величина коррекции, а затем, одномоментно, переустанавливаются коэф. деления в синтезаторе! Происходит скачок частоты на величину корекции. Внешнее проявление примерно такое, как перестройка трансивера по частоте с установленной дискретностью перестройки, ну, скажем, 50 Гц. Если при шаге 10Гц не чувствуются ( почти) скачки частоты, то 50 Гц уже неприятно, и не всегда приемлемо.Поэтому на УКВ это - препятствие для использования такого генератора для CW и SSB. Но, тут можно уменьшить это явление применив высокостабильный внешний генератор тактовых импульсов для Si5351. При этом частота коррекций уменьшится и будет зависеть от стабильности этого генератора. Или поместить модуль генератора в термостат. Но это, собственно, один из вариантов повышения стабильности частоты тактового генератора. Меньше всего проблем со скачками частоты, на мой взгляд, в цифровых модах на УКВ. Но для этого надо "допилить" ПО. Надо сделать так, чтобы коррекция осуществлялась в начале 1-й секунды минуты. Тогда в течение периода частота будет изменяться естесственным образом, вызванным нестабильностью тактового генератора, а в начале минуты будет корректироваться.
Еще проблема - грязный спектр и значительные шумы выходного сигнала Тоже надо искать решение. частичного улучшения можно достичь за счет выбора целочисленных коэффициентов делителей/умножителей в синтезаторе, но это возможно не для любых частот. Для одной - двух частот можно попробовать применить подчисточный фильтр. эти вопросы обсуждались на CQHAMе. В общем, простота получения любой частоты, при внимательном рассмотрении, оказалась кажущейся.
Собственно, я изначально предполагал вместо кварца подключить более-менее стабильную опору 10 МГц и получить одну две частоты на выходе. GPSDO, это как дополнительное приложение, типа - бонус,
Мне кажется можно обмануть ПО при запуске устройства. Нужно сформировать и подать на вход секундные импульсы сформированные из частоты 2.5 МГц. Понятно, что лучше всего , это скорректировать ПО
Андрей, вопрос по термостатированному модулю. Как часто, с каким интервалом, происходит коррекция частоты в случае термостатированного модуля (при обычнос состоянии окружающей среды: не ставить утюг на модуль, не засовывать в холодильник и прочего экстрима...)
". Буду делать как здесь. " Но это всего - навсего получить стабильную опору. Дальше надо получать рабочую частоту. Как? Чем?
-
Юрий, коррекция происходит совершенно непредсказуемо.
Андрей, вопрос по термостатированному модулю. Как часто, с каким интервалом, происходит коррекция частоты в случае термостатированного модуля (при обычнос состоянии окружающей среды: не ставить утюг на модуль, не засовывать в холодильник и прочего экстрима...)
Сегодня занимался экспериментами. Возникла мысль, коль модуль у меня якобы "термостатирован", может это нестабильность сигнала 1pps? Попробовал другой GPS приемник на базе MT3329. Правда он попроще чем Antaris 4. Но какого-то заметного различия ни в худшую, ни в лучшую сторону я не заметил. Может они оба одинаково плохие
Потом залепил всё поролоном. Долго частота стабилизировалась, около часа и потом даже показалось, что стало стабильнее, меньше скачков. Но через некоторое время опять прошла серия скачков. Потом вроде затихло минут на десять, а потом опять. Потом решил залить другую прошивку. У SQ7HJB есть вариант прошивки без дисплея, без кнопок и без энкодера. Всё по минимуму, процессор больше ни на что постороннее не отвлекается. Индикация только светодиодом, загорается когда частота в пределах +/- 1 Гц. Я, кстати, тоже добавил светодиод в конструкцию SQ1GU и поставил тумблер на отключение подсветки дисплея. После прогрева получилось так, что скачков не было около 40 минут. Я уж было обрадовался, но потом опять началось всё тоже самое. Периодически начинает скакать. Потом не на долго успокаивается, потом опять.
По водопаду видно, что скачки на 1296 МГц приблизительно на 40 Гц. Меньше не бывает. Это получается что на частоте 16 МГц проходит коррекция где-то на 0.49 - 0.5 Гц. Но вообще-то всегда измеряется частота 2.5 МГц и на основании этого измерения происходит корректировка. Попытался разобраться со скетчем, но чтобы что-то понять надо понимать работу Si5351. Посмотрел, там для меня темный лес....
Да собственно что разбираться, всё это делали люди знающие и понимающие. Наверняка выжали из этой конструкции всё что можно. А нам хочется из простой конструкции - конфетку. Так не бывает.
1.jpg
2.jpg
3.jpg
-
Получил сегодня OCXO 10 MHz, синус, 12 В.
Вот для сравнения водопады, более мощный сигнал - 130 гармоника c выхода GPSDO Si5351 10 МГц прямоугольник, слабый - с выхода OCXO 10 MHz синус без GPS. Управляющим напряжением специально немного сместил частоту OCXO в сторону. На первом скриншоте виден уход частоты при включении и выключении вентилятора трансивера.
Si5351_vs_OSXO_10
Si5351_vs_OSXO_10
Si5351_vs_OSXO_10
-
Андрей вот мои измерения 129 гармоники рубидиевого стандарта с внешней термостатированной опорой TS2000x. Интересно что будет у тебя с такими настройками спектрана?
При измерении кратковременной стабильности метки через минуту, долговременной - через час.
Внешняя опора 15.
Внешняя опора 15.
-
Виктор, о какой стабильности тут может идти речь!
Замучился ловить момент, чтоб хоть несколько минут не было скачков.
Да и при разрешении 0.031 Гц, сигнал тут же убегает за экран. Если конечно это можно назвать сигналом. Поэтому поставил 0.061 Гц
Скриншот 12-01-20