Auf vielfachen Wunsch wieder online:

www.GPS-Frequenznormal.de.vu

+++++ Version vom 13. September 2006 +++++
Der folgende Inhalt dient nur zur technischen Information.
Bausätze und spezielle Teile sind nicht mehr verfügbar!
Einige Bilder und Namen sind urheberrechlich geschützt!

 


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Funkamateur Nach fast einem Jahr Aufarbeitung und Latenzzeit mit anschließender Veröffentlichung im Funkamateur® 8/2005 und 9/2005 und im zusätzlichen Nachtrag 10/2005 ist es nun möglich, alle nötigen Information auch hier im Internet zu publizieren.

Alle wesentlichen Informationen, welche nicht im Funkamateur veröffentlicht werden konnten, sollen hier zusammengetragen werden, sei es, dass sie aus Platzgründen bei der Redaktionsbearbeitung vorenthalten wurden, sei es aus Gründen der Aktualität und dem Innovationswandel oder sei es, dass es Weiterentwicklung und Verbesserungen bedingen. Ich werde auch Anregungen potenzieller Nachbauer hier mit einfließen lassen. Mails sind jederzeit willkommen.

Eingangs sei ausdrücklich erwähnt, dass die Basis aller Informationen der oben beschrieben Artikel darstellt. Hier werden nur Erweiterungen, Verbesserungen, Neuheiten und Informationen dargestellt, welche nicht im Funkamateur® veröffentlicht werden konnten. Ich biete allen Funkamateuren durch diese Veröffentlichung die nichtgewerbliche Nutzung dieser Schaltungen an und erlaube den privaten Gebrauch dieser Anwendungen im Rahmen unseres gemeinsamen Hobbys. Diese Seite wird ständig aktualisiert und optimiert.


  1. Die LösungsansätzeInformationen zu GPS

Schon vor einigen Jahren, habe ich eine äußerst komfortable Möglichkeit  gefunden, relativ simpel, aus dem Videosignal, das aus der Sendeanstalt des ZDFs stammt, ein hochgenaues Referenzsignal abzuleiten. Unzählige Nachbauer haben sich mit vollster Zufriedenheit dieser Technik bedient. Nachdem aber in geraumer Zeit, die analoge Fernsehübertragung der z.Z. in einigen Bundesländern schon erfolgreich angewandten DVB-T-Technologie komplett weichen wird, ist es an der Zeit, sich ein anderes Referenzsignal zu suchen. Das Digitalfernsehen ist für die Rückgewinnung eines 10-MHz-Frequenzsignals nicht mehr so einfach zu gebrauchen. Welche Systeme bieten sich alternativ an? Nun dafür gibt es viele: den althergebrachten, nationalen DCF-77 oder „fremde“ Zeitzeichensender, andere stabile und genaue „Funkreferenzen“ und natürlich, konsequenter Weise die weltumspannenden zeit- und frequenzstabilen Navigationssatellitensysteme. Ein Gerät, welches sich auf eine Referenzquelle synchronisiert, wird im weiteren kurz als „Frequenznormal“ bezeichnet.
Brook Shera, W5OJM, hat sich bereits sehr erfolgreich 1998 der Anbindung an die mit über zwei Duzend untereinander synchronisierten Satelliten des Global Positioning Systems, kurz GPS genannt, des amerikanischen Militärs bedient.
Sogar hierzulande hat man sich schon an Eigenbau auf diesem Sektor gewagt. Allen Projekten gemeinsam ist, dass die Technologie sehr, sehr aufwändig ist und für den 08/15-Amateur in weite Ferne rückt, weil der interne Oszillator höchste Kurzzeitstabilität aufweisen muss. Dafür wird häufig der bekannte, recht teuere OCXO HP10811 oder ein Rubidiumoszillator eingesetzt. Ein OCXO, diese Bezeichnung ist aus dem englischen Wort abgeleitet, ist ein thermostatgeregelter Quarzoszillator, im Gegensatz zu einen TCXO, wo lediglich die Temperaturabhängigkeit durch entsprechende Komponenten reduziert ist. Beide Bezeichnungen werden im Verlauf des Textes noch öfter benutzt. Zur Regelung eines solchen Frequenznormals wird generell das so genannte 1-pps-Signal verwendet. Das ist schlichtweg der 1-Sekunden-Impuls. Logischerweise dauert damit dann der eigentliche Regelvorgang extrem lange. Folge: ohne hochstabilen OCXO wäre in der Zwischenzeit die Frequenz schon wieder weggelaufen. Diese Nachregeltechnik geschieht häufig durch schwach angekoppelte und träge eingreifende, digitale oder prozessorgesteuerte Regelschaltungen in unterschiedlicher Konzeption. Sie ist aber immer ein Mittelding zwischen Regelung und Steuerung und berücksichtigt dabei sogar weitgehend das zeitliche Einschwingverhalten, den „Temperaturgang“ und die Alterung des Referenzoszillators. Die Daten werden digital gespeichert und für den weiteren Regelvorgang mit berücksichtigt und  „eingerechnet“.
Auch kommerzielle Geräte, u.a. von der amerikanischen Nobelmarke Hewlett-Packard (jetzt unter dem wohlklingenden Namen „Agilent Technologies“ auf dem Weltmarkt) funktionieren nach diesem System. Stellvertretend sei hier das beispielsweise auch auf europäischem Markt bereits im Surplus günstig zu beziehende HP Z3801A genannt. Ich habe mir ein solches, nicht gerade ansehnliches und unhandliches Einschubmodul selbst beschafft und dieses samt Schaltnetzteil in pedantischer, mühevoller (mechanischer) Klein(st)arbeit in ein ausgedientes R&S-Halbschalengehäuse der 80-er Reihe eingebaut und, neben einem ERC-Rubidium-Oszillator, als Vergleichsgerät und „Messlatte“ für seine GPS-Frequenznormalentwicklung herangezogen. Schließlich kann man ja nur eigene Produkte messen (d.h. vergleichen!) und optimieren, wenn man entsprechende Vergleichstücke zur Verfügung hat.

Angeregt durch die guten Erfolge mit dem „ZDF-Normal“ und durch eine Veröffentlichung eines passenden GPS-Empfängers mit 10-kHz-Referenzausgang durch Herrn Sander im Funkamateur®  entstand der Gedanke, es mit einfacheren Mitteln zu probieren, damit brauchbare Ergebnisse zu erzielen und eine mit gut erhältlichen Komponenten nachbausichere Schaltung zu entwerfen. Und was ist nun dabei ‘raus gekommen?
Hier der Prototyp. Es ist ein Konzept, welches nachbausicher allen amateurmäßigen Anforderungen mehr als gerecht werden kann, ohne aber damit den Anspruch erheben zu wollen, allen hochgezüchteten Frequenzstandards in Form einer „eierlegenden Wollmilchsau“ das Wasser reichen zu wollen.
 
 

2.  Die Technik eines GPS-gestützten Frequenznormals

Die Frequenzanbindung an GPS birgt entscheidende Vorteile:

GPS ist:

Aber auch die Nachteile sollen nicht verschwiegen werden:

Trotz dieser Nachteile ergibt das aus quantitativer Sicht aber dennoch sicher ein klares Plus für diesen Lösungsansatz. Für die Umsetzung gelten natürlich auch einige praktische Maxime. Von der Bewertung her wird der geneigte Leser sicher positiv gestimmt sein.

Die Qualität des erzeugten Referenzsignals ist für alle Amateuranwendungen vollkommen ausreichend. Damit wird aber auch wohl verständlich, dass das Objekt der Begierde nicht an einem Sonntagnachmittag „zusammengezimmert" werden konnte, sondern sich über ein Jahr Brainstorming, Arbeiten am Computer, am Lötkolben und am Messplatz sich abwechselten und schließlich die x-te Version der Platine entworfen, abgeändert, geätzt, gebohrt, aufgebaut, getestet, optimiert und neu gestaltet wurde. Selbst nachdem das Produkt fertig zu sein schien, mit der Radaktion des FA bereits die ersten Absprachen erfolgt sind und der Artikel im Computer schon fast druckreif abgeschlossen war, wurden immer noch kleine kosmetische Operationen an Platine und Layout fällig, eingearbeitet, gemessen, getestet und modifiziert. Wohl auch eine Methode, die Freizeit tot zu schlagen und dem Hobby Amateurfunk zu frönen!
Damit aber der reproduzierende OM auch die hohe Qualität des nachgeregelten Referenzoszillator in seinem vollem Umfang ausschöpfen kann, ist ein gewisses Maß an Verständnis für die Funktionsweise unumgänglich. Es wäre schade, wenn man durch einen übereiligen, nicht ins Detail überlegten Nachbau zwar einen geregelten Oszillator „zusammennageln" würde, dessen Stabilität und Frequenzgenauigkeit aber sehr zu wünschen übrig lassen würden. Deshalb ist vor dem Aufbau das Studium aller Einzelkomponenten und deren Funktionsweise angesagt.
Nach allgemeiner Theorie geht es deshalb gleich mit Volldampf an das Eingemachte, zu konkreten Fakten:
 
 

2.1 Die physikalische Grundlage

Etwas Systemtheorie muss aber doch noch sein! Zu den Messaufgaben des GPS-Systems gehört die Ermittlung äußerst präzisen Zeitintervalle; daraus lassen sich naturgemäß Frequenzen ableiten. Die Frequenzgenauigkeit leidet erstaunlicherweise dabei nur unmerklich durch die militärisch bedingte "Verschleierung". Im Empfängermodul wird intern aus dem synchronen Zeittakt nebenbei natürlich auch die Referenz für den Empfängersynthesizer und die Taktfrequenz zur Re-Digitalisierung des Empfangssignals gewonnen. Zusätzlich ist die zeitliche Berechnung durch schnelle Prozessoren so genau geworden, dass man innerhalb dieser Sekunde ohne weiteres, weitgehend jitterfrei 100 Zyklen (sprich 100 Hz) mit gleicher Genauigkeit erzeugen kann. Die Firma Motorola brachte als erste einen solchen Empfängertyp heraus. Seit einigen Jahren ist nun bei Conexant eine Entwicklung unter dem Namen „Jupiter-T" mit 10-kHz-Synchrontakt auf den Markt geworfen worden, was die Voraussetzung für diese Arbeit schuf. Denn nichts liegt näher, als dieses Signal für ein nachgeregeltes Frequenznormal heranzuziehen.

Das Ergebnis liegt nun nach vielen Monaten Entwicklungsarbeit und entsprechender Test- und Latenzzeit vor. Ohne hier weiter, mangels des beschränkten Platzangebots durch den ohnehin umfangreichen Artikel, auf die Technik der Erzeugung des Referenzsignals im GPS-Empfänger selbst und dessen technische Details näher eingehen zu wollen, soll das Grundprinzip der Funktionsweise des vorliegenden, „nachgeschalteten" Systems zur Verwirklichung eines GPS-unterstützten Frequenznormals doch wegen dem Verständnis für die hier vorgestellte Technik wenigstens in den Grundzügen verdeutlicht werden. Daraus entnimmt man, dass alles recht einfach zu sein scheint:

GPS-Empfänger, 10 kHz, Regelschaltung, 1000er Teiler, 10-MHz-Oszillator, noch eine 5-V-Stromversorgung, fertig!
 
 

2.2 Die Elektronik
 

Doch die Umsetzung in ein brauchbares Konzept stößt jedoch noch auf allerlei Hürden. Damit höchste Qualität erreicht wird und sich die Anschaffung des hochgezüchteten Spezial-GPS-Empfängers auch lohnt, sind vorrangig an alle Komponenten spezielle, beachtenswerte Anforderungen gestellt.

Das komplette Schaltbild steht hier auf Wunsch als gezipptes File mit BMP-, GIF- und Splan30-Datei zum Download bereit!

Um das Ganze nicht unnötig aufzublähen, sei hier auf die Veröffentlichung im Funkamateur verwiesen! Dort sind auch wichtige Downloads zu finden. Die dort hinterlegten und hier gezeigten Platinenlayouts wurden mit Sprint-Layout 4.0 gezeichnet und können mit dem kostenlosen "Viewer" der Firma ABACOM geöffnet und ausgedruckt werden. Hier nur das gesamte Blockschaltbild zum "Brainstorming".

  Diese Grafik ist bereichssensitiv. Durch Anklicken der entsprechenden Bereiche erhalten Sie detaillierte Informationen!

DC-StromversorgungGPS-EmpfängerGPS-PufferbatterieFrequenzregler10MHZ-Quarz-Oszillator10MHZ-Quarz-Oszillator5V-ReglerFLLDC-Regelung100er-TeilerGPS-AntennePräzisionsreglerSchaltwandlerdifferenzierende PLLSignalisierung

Wer nicht unbedingt einen Nachweis über das Regelverhalten des Geräts braucht, der kann auf die Signalisierung, im Blockschaltbild blau gezeichnet, ohne weiteres verzichten. Sie ist zwar eine äußersts komfortable Einrichtung nach innovativem Konzept, hat aber auf die grundlegende Funktion des Frequenznormals keinerlei Einfluss.
 
 

2.3 Der Nachbau

  Diese Grafik ist bereichssensitiv. Durch Anklicken der entsprechenden Bereiche erhalten Sie detaillierte Informationen!GPS-EmpfängerGPS-Pufferbatterie5V-ReglerFehlersignalisierung5V-Präzisionsregler9V-SchaltreglerFrequenzregler10MHZ-Quarz-OszillatorDC-StromversorgungEinschalterSignaliserungs-ModeEinRegelungReadyFehler

Achtung: Fehler!  In den Layoutzeichnungen dieser Veröffentlichung wurde der Tantalelko C2 (gelb, im Platinenmitte!) zwischen IC8 und C30 ist leider verpolt eingezeichnet. Der Pluspol muss zu C30/R23 zeigen. In den gezeigten Foto ist er natürlich richtig eingebaut. Rechts oben im Layout taucht nochmals ein C24 auf. Das soll logischerweise der C31 sein; ein Tantal, mit etwa 10 uF/16V!
 

Bildermappe zum GPS-Frequenznormal

Es ist beabsichtigt, eine Baumappe zu erstellen. Bis es soweit ist, soll in der Zwischenzeit durch Anklicken des linken Bildes, dem Leser eine verkürzte online-Bilderbuchvarante, in der man mit der Maus beliebig blättern kann zusätzliche Informationen bringen. Das bei mir zu beziehende Paperback wird neben ausführlichster Beschreibung Funktion, Modifikationen, alle Details des Aufbaus und Platinenausschnitte enthalten. Auch die mechanischen Arbeiten, das Löten, Bohrpläne, Schaltungsauszüge, Platinen Tabellen und Skizzen werden in dieser Beschreibung sicher nicht zu kurz kommen. Möglicherweise ist dann auch eine universelle Platine und ein Bausatz erhältlich. Bitte etwas Geduld und gelegentlich wieder hier nachschauen!

  Diese Grafik ist bereichssensitiv. Durch Anklicken der entsprechenden Bereiche erhalten Sie detaillierte Informationen!




2.4 Die Adapterplatine

Während der Veröffentlichung dieses Projekts im Funkamateur erhielt ich die Nachricht, dass der GPS-Baustein Jupiter-T nicht mehr produziert, bzw. nicht mehr erhältlich sein soll, obwohl bis jetzt (Ende September 2005) auf allen nationalen und internationalen Internetofferten dieser weiterhin als "verfügbar" angeboten wird.
In aller Eile entwickelte ich eine Adapterplatine, welche mit dem wesentlich kleineren Nachfolger Jupiter-Pico-T versehen den für das Frequenznormal vorgesen Jupiter-T volkommen kompatibel ersetzen kann. Hier ist die Schaltung.




Technische Einzelheiten und Hinweise zum Aufbau finden sich auf der Veröffentlichung im Funkamateur im Heft 10/2005. Von der Funktion und der Qualität her gesehen ist diese Lösung noch eine Idee besser einzustufen und perfekt zu integrieren. Das Löten der winzigen SMD-Komponenten bedart allerdings doch einiger Erfahrung und Geschick
.


Wichtig!...wichtig:

Wie ich Ende des Jahres 2005 erfahren habe, hat eine Gruppe Funkamateure bei Navman direkt den "alten" Jupiter-T bestellt und nach ca. 1,5 Monaten Lieferzeit problemlos ausgeliefert bekommen. Ich favorisiere nach wie vor diesen Baustein; der Einfachheit halber im Handling! Deshalb empfehle ich  jedem Interessenten, diesen Weg ebenfalls zu gehen! Man möge bedenken, nachdem nun die Jupiterserie-20/21 als direkter Nachfolger der Jupiter-11/12 mit dem Sirf-III-Chipsatz gefertigt wird, ob nicht über Kurz oder Lang auch sämtliche ZODIAC-Versionen mit 10-kHz-Ausgang verschwinden werden, welche für das Frequenznormal unbedingt notwendig sind!


 
 

2.5 Die Billiglösung durch "kleinen Bruder" des Jupiter-Ts
 
 

Im elektronischen Auktionshaus und auch auf vielen Flohmärkten werden teilweise unheimlich günstig, neue "Jupiter"-GPS-Module angeboten. Die Typenbezeichnung beginnt mit "TU30-D145-...". Sie sind etwas kleiner, also nicht ganz scheckkartengroß und haben einen doppelreihigen 20-pin Pfostensteckeranschluss in 2-mm-Raster. (Die passende Buchse gibt es übrigens bei "Conrad".) Datenblätter sind bei www.gpskit.nl/downloads-en.htm zu finden. Diese Module sind ebenfalls hervorragend für unser Frequenznormal zu gebrauchen. Eine abweichende "D-Nummer" in der Typenbezeichnung verweist auf gerätespezifische Eigenheiten. Das Bild zeigt im Ausschnitt das angepasste Platinenlayout. Schaltungstechnisch sind keinerlei Änderungen notwendig. Was unterscheidet diese funktional vom Jupiter-T? 

Folgende Unterschiede sind aufgefallen:

  • anderer, nicht zeitoptimierter, nicht standortbezogener Algorithmus zur Frequenzbestimmung,

  • dennoch fast gleiche Frequenzgenauigkeit, Abweichung nur im Vergleich feststellbar,

  • etwas unstabiler, häufigeres Nachregeln, auch nur im Vergleich zu bemerken,

  • verliert eher die Synchronisation bei schwachen GPS-Signalen,

  • braucht mindestens drei Satellitensignale um stabile Frequenz zu erzeugen

  • und zusätzlich wäre das NMEA-Telegramm auch noch verfügbar.

Wer also vielleicht sogar schon im Besitz eines entsprechenden Exemplars ist und/oder die wirklich "hauchdünnen" Vorteile des wesentlich teureren Präzisions-Empfängers nicht unbedingt ausreizen will, der ist mit dieser Variante bestens beraten. Das passende Platinenlayout steht hier als BMP zum Download bereit.
 
 

2.6.1 Die alternative Adapterplatine

Auch die eben genannte Jupitervariante lässt sich natürlich mit einer Adapterplatine auf die ursprüngliche, im FA veröffentlichte Platine setzen, welche ebenfalls zum  Jupiter-T vollkommen kompatibel ist. Diese enthält keinerlei Elektronik. Deshalb erübrigt sich ein Schaltbild. Der Vollständigkeit halber ist hier das Layout verfügbar. Die Platinenvorlage steht als ZIP-File bereit. Bei Bedarf kann am abgewinkelten Pfostenstecker das Datentelegramm in inverser TTL-Logik samt 5-V-Stromversorgung für eigene Experimente exportiert werden. Sofern nicht notwendig, erübrigt sich natürlich deren Bestückung. Für das Funktionieren des Frequenznormals ist die digitale Auswertung nicht notwendig und auch nicht unbedingt sinnvoll. Einerseits speichert beim Jupiter-12 der verwendete Chipsatz die Konfiguration, die Übertragungsrate und die Telegrammeinstellungen. Verwendet man ein auf Secondhand-Basis erworbenes Stück, dann setzt die Umstellung entsprechendes Knowhow voraus. Andererseits sagt die Anzahl und die Feldstärke der empfangenen Satelliten nichts über Stabilität und Frequenzgenauigkeit aus. An anderer Stelle wird zu dieser Thematik noch ausführlich Stellung genommen werden. Alle bisher gezeigten Platineversionen sind so konfiguriert, dass die Daten im Binärcode (nicht NMEA!) mit einer Geschwindigkeit von 9k6 ausgegeben werden. Sofern NMEA mit 4k8 gewünscht wird, muss Pin7 auf GND gelegt werden. Allerdings funktioniert das nicht in jedem Softwarestand. Legt man Pin8 ebenfalls auf GND, dann schaltet der Jupiter-12 zwar auch dann das gewünschte Datenformat ein, jedoch wird damit die Batteriepufferung unwirksam; d.h. auch nach wiederholtem Einschalten dauert das Synchronisieren über 5 Minuten, was eben durch die Almanach-Pufferung im internen SRAM in der Regel sonst auf unter eine Minute verkürzt wird. Wer pedantisch ist, sollte Pin5 auf "high" legen, damit zuverlässig ein Reset während des Betriebs unterbunden wird.

Einige Worte zur Mechanik: Der auf der Mutteplatine vorne rechts vorgesehen Haltebolzen wird nicht bestückt. Mit einer 16 mm langen M3-Schraube wird das ganze "Sandwich" an dieser Stelle später "durchgeschraubt". Die anderen drei Abstandsbolzen sind 12 bis 12,5 mm lang, die drei auf der Adapterplatte selbst 9 mm. (Zum Kürzen leistet eine Drehbank beste Dienste!) Die Adapterplatine liegt später mit den drei im obigen Foto sichbaren Schrauben auf der Basisplatine auf. Die nachfolgend beschriebene Variante ist somit allerdings leider nicht mehr möglich! Bei kurzen Pfostenstiftkontakten sind zwei ineinander gesteckte Buchsenleisten einzusetzen.
 
 





Manche Ausführungen der kleinen Jupiter-12-Variante haben als HF-Konnektor keine gewinkelte Ausführung. Deshalb ist auf der Adapterplatine rechts in der Mitte die Position markiert, an welcher dann eine entsprechende Ausfräsung notwendig wird.
 
 

2.6.2 Die verbesserte alternative Adapterplatine

Die verbesserte alternative AdapterplatineNachdem die Jupiter-12-Module häufig im "Internet-Auktionshaus" online angeboten werden, habe ich mich mit diesen Varianten näher befasst. Grundsätzlich sind diese gut für ein Frequenznormal zu verwenden. Die Genauigkeit des produzierten 10-kHz Signals ist vollkommen ebenbürtig mit dem Jupiter-T, wenngleich auch die Stabilität durch häufige Korrekturvorgänge etwas dem hochgezüchteten Modell nachhinkt. Für Amateuranwendungen stört das in keiner Weise. Da viele OMs diesen Typ auch mit großer Zufriedenheit verwenden habe ich mir auf vielfachen Wunsch eine kleine hilfreiche Ergänzung einfallen lassen. Eine kleine Zusatzschaltung erzeugt aus dem NMEA-Telegramm ein Kriterium für die Signalqualität, das mit einer LED signalisert wird. Alles sitzt auf einer Adapterplatine anstelle des ursprünglich vorgesehenen Jupiter-T. Somit ist es nicht mehr nötig einen Prozessor einzusetzen um eine Hinweis auf die Anzahl der empfangenen Satelliten zu erhalten. Alle Details zu diesm Konzept finden Sie hier!

Der Einbau ins Original-Gerät erfolgt, indem die Error-LED entfernt wird. Notfalls sind um ca. 2 mm längere Haltebolzen einzusetzen. Natürlich lässt sich unter Verwendung eines höheren Gehäuses das "Sandwich-Paket" auch in der Höhe strecken. Neben längeren Haltebolzen fordert das das Zwischenstecken von entsprechenden Buchsenleisten. Zum Abgleich der beiden Potis muss entweder die Frontplatte abgenommen werden oder ein "Stelzen-Adapter" aus Buchsenleisten-Bausteinen und verlängerten Schraubbolzen provisorisch angefertigt werden.
Übrigens kann durch konventionelle Verdrahtung das NMEA-Telegramm für eigene Zwecke in 4800 Baud in inverser Lage direkt abgenommen werden.
 
 

Wie unter 2.6.1 beschrieben besitzen manche Ausführungen der kleinen Jupiter-12-Variante als HF-Anschluss keine gewinkelte Ausführung. Deshalb ist auch auf dieser Adapterplatine rechts in der Mitte die Position markiert, an welcher dann eine entsprechende Ausfräsung notwendig wird. Es ist natürlich auch möglich, auf der GPS-Platine den HF-Anschluss zu wechseln. Das fordert neben dem passenden Entlötwerkzeug das nötige Geschick und die entsprechenden antistatischen Vorsichtsmaßnahmen.
 
 

2.7.1 Die alternative Adapterplatine für eine GPS-Maus

Die Adapterplatine für eine GPS-MausNachdem die ZODIAC-Chips anscheinend nicht mehr gefertigt werden, scheint das Konzept eines Frequenznormal mit 10-kHz-Anbindung zum ewigen Dornröschenschlaf verurteilt zu werden. Damit das nicht so ist, habe ich mich nach Restbestände umgesehen. Ich konnte bei einem deutschen Lieferanten noch eine größere Stückzahl der letzten, passenden Exemplare (allerdings leider nicht zum Schrottpreis) ordern. Es handelt sich dabei um eine GPS-Maus, welche nach einem Umbau neben den NMEA-Daten auch die benötigten 10-kHz-Taktung erzeugt. Wer daran Interesse hat, tut gut Anfrage beim Autor daran, sich mit mir in Verbindung zu setzen, da passende Geräte bei mir in verfügbare Stückzahlen logischerweise begrenzt sind und andere einsetzbare Module auf dem freien Markt fast nicht zu bekommen sind. Die Genauigkeit des produzierten 10-kHz Signals ist vollkommen ebenbürtig mit dem Jupiter-T, wenngleich auch, wie bei Jupiter-12-Modellen üblich, die Stabilität durch häufige Korrekturvorgänge etwas dem hochgezüchteten Modell nachhinkt. Für Amateuranwendungen stört das in keiner Weise. Die kleine Zusatzschaltung erzeugt, wie in der bereits beschriebenen Variante aus dem NMEA-Telegramm ein Kriterium für die Signalqualität, das mit einer LED signalisert wird. Alles sitzt auf einer Adapterplatine anstelle des ursprünglich vorgesehenen Jupiter-T. Dieses Konzept ist mit allen Basisversionen meines Frequenznormals verwendbar. Alle Details zu diesm Konzept finden Sie hier!

Der Einbau ins Originalgerät erfolgt, indem die Error-LED (LED4) und der dazugehörige Widerstand (R24) entfernt werden. Notfalls sind um ca. 1 mm längere Haltebolzen einzusetzen. Zum Abgleich der beiden Potis muss entweder die Frontplatte abgenommen werden oder ein "Stelzen-Adapter" aus Buchsenleisten-Bausteinen und verlängerten Schraubbolzen provisorisch angefertigt werden.
Übrigens kann auch hier durch konventionelle Verdrahtung das NMEA-Telegramm für eigene Zwecke in 4800 Baud in normgerechter RS232-Form direkt abgenommen werden.
 
 

Der Anschluss der GPS-Maus erfolgt mit einem 6-poligen Westernstecker an der Frontplatte. Mit dieser Lösung hat man eine absolut "HF-freie" Technik, welche demzufolge leicht in den Griff zu bekommen ist. Das Kabel lässt sich so auch fast beliebig verlängern. Diese Maus ist natürlich selbstredend wettergeschützt an einem passenden Ort anzubringen, wo möglichts ein großer, ungehinderter "Korridor zum freien Himmel" besteht. In der Regel reicht die Fensterbank in der Funkbude vollkommen aus. Denn wenn nicht genügend Satelliten "zu sehen sind" und so kein 3D-Fix erfolgt, signalisiert das die neu gestaltete "ERROR-LED" umgehend und äußerst zuverlässig.
 
 

2.7.2 Die ultimative Lösung ohne Adapterplatine, mit einer GPS-Maus, mit Bausatz, mit industrieller Platine ....
 

Daran arbeite ich zur Zeit, kommt also in Kürze; ich habe da so viele Ideen eingebracht, dass alles leider noch nicht ganz fertig ausgegoren ist! Bitte aber noch etwas Geduld. Ich habe "nebenbei" auch noch ein QRL. 


 

2.8 Der Einbau eines 13MHz-Konverters
 

Der Prototyp mit 13 MHz-Konverter

Der Prototyp mit 13 MHz-Konverter Auf Flohmärkten geistern manchmal Bauteile herum, welche anfangs für die Allgemeinheit nutzlos erscheinen. Dafür sind sie dann spottbillig. So ging es mir mit den VCTCXOs von Philips mit 13MHz Betriebsfrequenz. Bei entsprechenden Recherchen stellte sich heraus, dass diese in der GSM-Technik Verwendung finden. Vorwiegend ältere Geräte, speziell der Marke Siemens sind damit bestückt.
Nachdem diese Dinger hervorragende Temperatur- und Frequenzstabilität besitzen, drängte sich der Gedanke auf, diese doch in irgend einer Form ins GPS-Frequenznormal zu integrieren. Erste Versuche liefen mit einem Synthesizerbaustein. Der PIC musste dazu bei dessen Programmierung mit herhalten (er hatte ja noch ein "freies Bein"!). Viele Versuche zeigten, dass aber ein einfacher Frequenzkonverter vollkommen ausreichend war. So wird dieser einfach als Oszillatorersatz in den Regelkreis mit eingefügt. Der DA-Wandler steuert direkt den 13MHz-Oszillatorbaustein, dieser treibt den Konverter an und die Ausgangsfrequenz von 10 MHz versorgt die restliche Schaltung des GPS-Frequenznormals, welches genauso funktioniert, als würde die Taktfrequenz direkt aus dem Oszillator entnommen. Alle Details für den Nachbau sind hier zu finden. Durch Anklicken des nebenstehenden Bildes ist der Prototyp groß zu bewundern. In der Zwischenzeit ist eine Variante mit einem qualtitativ höchstwertigen SMD-TCXO erhältlich. Eine Adapterplatine mit gleichen Ausmaßen ersetzt den abgebildeten Typ. Ich verwende nur noch diese Variante, da das Frequenznormal damit ein absolut rückwirkungsfreies, äußerst stabiles Signal liefert.
 
 

2.9 Die Weiterentwicklung

Das Projekt ist noch nicht abgeschlossen. Ich arbeit ständig daran, alternative Lösungsvorschläge mit zu integrieren. Folgende Möglichkeiten sind teilweise fertig, bzw. in Bearbeitung:

Die oben erwähnte Baumappe soll universell auf alle Varianten anwendbar werden.
 
 

3. Der alltägliche Einsatz

Der praktische EinsatzDas GPS-gestützte Frequenznormal kann nach Fertigstellung permanent betrieben werden und ist natürlich auch für gelegentliche und vor allen Dingen spontane Kontroll- und Vergleichsmessungen bestens geeignet. Die erste Maßnahme wird wohl gleich die Kalibrierung des für den Abgleichvorgang angeschlossenen Frequenzzählers sein.
Durch die wahlweise schaltbare, akustische und optische Signalisierung der Betriebszustände ist ein bequemes und zuverlässiges Arbeiten jederzeit möglich. Besonderes Augenmerk gilt der schnellen Verfügbarkeit einer sehr stabilen, universellen Referenzfrequenz von standardmäßig 10 MHz.
Der praktische EinsatzWahrscheinlich wird nach erfolgreichem Zusammenbau das nachgeregelte Frequenznormal das genauste Messmittel im Amateurlabor sein. Sofern die Umgebungstemperaturen einigermaßen konstant sind und die relativ kurze „Warmup"-Phase eingehalten wurde, ist die Stabilität ebenfalls nicht von schlechten Eltern. Da die Satelliten des GPS militärische Aufgaben besitzen, darf die ständige und langfristige Verfügbarkeit ebenfalls als gegeben angesehne werden. Also wird dem praktischen Einsatz zu diversen Messaufgaben wohl eine lange Zukunft beschieden sein.

Das GPS-gestützte Frequenznormal dient als Referenzquelle. So wird es wohl primär zur direkten Ansteuerung von Synthesizer, Zählern, Messgeräten und DDS-Bausteinen mit dekadischen Referenzoszillatoren bis hin zu Gleichwellenfunknetzen und kohärentem CW-Funkverkehr und anderen pragmatischen Aufgaben eingesetzt werden. Für diese Anwendungen wäre es auch, bedingt durch entsprechende Modifikation am Frequenznormal möglich, andere, von 10 MHz abweichende Frequenzen zu entnehmen.

Überwiegend wird man das Gerät jedoch in der vorliegenden Form zu gelegentliche Vergleichsmessungen für Kalibrierungszwecke heranzieht. Dafür sind die 10 MHz prädestiniert.
Das Allerwichtigste an dem Frequenznormals ist, dass man eine Referenzquelle besitzt, welche immer exakt eine genaue und sehr stabile Frequenz erzeugt, die weder von Alterung, Umwelteinflüssen noch anderen Störquellen beeinflusst wird. Wer jemals einen Oszillator gebaut, abgeglichen und optimiert hat, der wird diese Kriterien sehr zu schätzen wissen. Dennoch sollte man traditionell, mangels dieser Erfahrungen aber nicht voreilig geneigt sein, anzunehmen, so ein Ding kann man deshalb ja doch dann eigentlich ohne weiteres auch weiterhin entbehren. Wer als aktiver Elektroniker bzw. als HF-Enthusiast oder eingeschworen Messprofi mit dem GPS-Frequenznormal einmal „gespielt" hat, wird sich wohl unweigerlich fragen, wie es möglich war, bisher ohne auszukommen. Anwendungen beim experimentellen Funkdienst Amateurfunk gibt es mehr als genug!
 
 

4. Die Genauigkeit und die Schwächen des Systems
 

Frequenznormal auf dem PrüfstandDas hier vorgestellte Frequenznormal ist zwar äußerst genau, aber die Frequenz ist systembedingt minimal phasenunstabil. Mit besten und genausten Frequenzzählern ist allerdings dieser reine Phasenfehler nicht erkennbar. Das Bild zeigt das Frequenznormal auf dem Prüfstand. Wer jedoch, aus welchem Grund auch immer, ein wirklich extrem konstant phasenstarres Signal sucht, ist so mit dem hier aufgezeigten Verfahren nicht ganz zufrieden zu stellen. Hier kann höchstenfalls ein rubidiumvorstabilisiertes, „zart" nachgeregeltes Frequenznormal weiterhelfen um dann damit in fast unvertretbarem Zeitrahmen ein absolut „starres" Signal erzeugen zu wollen/können. Technischer und finanzieller Aufwand um das zu verwirklichen, überschreiten aber bei weitem das hier vorgestellte Konzept und wachsen je nach Bedarf und Umsetzung in kosmische Dimensionen. Übliche Homebrew-Konzepte und -Rezepte sind hier wohl unweigerlich zum Scheitern verurteilt.
Primäres Ziel war es doch, ein Referenzsignal zu konzipieren, was zeitlich und lokal äußerst flexibel immer ein verlässliches Vergleichssignal für zu messende Equipments liefert, an dem man sich wirklich orientieren kann, unabhängig von äußeren und inneren Störquellen. Das dürfte damit aber wohl auch sicher erreicht worden sein!
 
 

5. Die technischen Daten
 
 

Platine: 10 cm x 16 cm, einseitig Cu-kaschiert, FR-4, Europaformat
Gehäuse:

Standard-Industriegehäuse aus Aluminiumlegierung, dient gleichzeitig als „thermische Box" für den Quarzoszillator

Stromversorgung: 

extern: ungeregelte Gleichspannung ca. 10 bis 30 V, aus Steckernetzteil, Kfz-Betrieb ist möglich!
intern: verlustleistungsfreie Vorregelung durch Schaltwandler und Nachregelung durch hochgenaue, 
kurzschlussfeste und strombegrenzte Präzisionsregelung, 5V-Hilfsspannung aus Standardregler, Pufferbatterie für GPS-Empfänger

Stromaufnahme: 

extern: ca. 240 mA  bei nominell 12 V Stromversorgung

Temperaturbereich:

mindestens 40 oC; beim Abgleich auf 18 o
optimiert für eine Betriebstemperatur zwischen 0 oC und 40 oC

Ansteuersignal:

L1-Band des GPS-System: 1575,42 MHz, aus beliebiger 5-V-Aktivantenne üblicher Navigationssysteme

Antennenstandort:

im Außenbereich mit weitgehend freiem, uneingeschränkten Empfangsbereich zu den Satelliten

Synchronisation: 

Zeit- und Frequenzsynchronisation auf mindestens 3 Satelliten,
Kaltstart: < 2,5 Minuten
Warmstart: < 1 Minute 
Fixierung bereits auf 1 Satelliten nach erfolgreicher Erstsynchronisation

Regelung:

optimierte Software-FLL durch 8pin-PIC, automatisches Einphasen für 2 Sekunden, 
anschließend  alle 100 µS Frequenzvergleich und Nachregelung mit sofortiger Fehlersignalisierung

Regelspannung:

automatisch abgleichend auf 2,5 V durch PWM in optimalem Regelbereich;
Abgleichsignalisierung  mit 2 Hz Blinkfrequenz, 
beste Nachregeleigenschaften im Bereich von 1 bis 4 V

Regelsteilheit:

konstant ca. 12 mV/Hz
bezogen auf die 10 MHz Oszillatorfrequenz

Regelzeitkonstante:

kleiner 10 mS für 63% vom Scheitelwert

Regelbereich:

etwa -200 Hz bis +200 Hz vom Abgleichwert am 10 MHz Oszillator, d. h. ca. 5,5 * 10 -5

Fehlersignalisierung:

grob   intern:        bei Abweichung > 10 -6 (pro 100 µS) durch LED1, mit 4 Hz 
                           Blinkfrequenz; Aktualisierung alle 2 Sekunden (prozessorgesteuert!)
fein:   optisch:      etwa bei Abweichung > 10 -9 (pro 100 µS) durch  LED3 und LED4,
                           Empfindlichkeit intern mit  P1 einstellbar,
         akustisch:   durch wahlweise anschaltbaren Piezosignalgeber,
         analog:       durch Helligkeitsmodulation an LED2

Einsatzbereitschaft:

abhängig vom GPS-System, in der Regel unter 5 Minuten Aufwärmzeit,
durch Kaltstart nach weniger als 5 Minuten,
durch Warmstart meist in weniger als 3 Minuten, temperaturstabil nach ca. 10 Minuten

Frequenzerzeugung:

durch Standard-TTL-Oszillator mit 10 MHz-Quarz, nachgeregelt mit Varicap-Ansteuerung

Ausgang:

BNC-Ausgang, TTL-Signal, gepuffert; 10 MHz geregelt

Genauigkeit:

Langzeit: im Mittel max. bis zu 1 * 10 -11
Kurzzeit: je nach Empfangsbedingungen, Position und Anzahl der umlaufenden Satelliten, 


 
 

6. Der Ausblick

Wie wir gesehen haben, ist mit dem vorliegenden Konzept ein Gerät entstanden, welches mit moderatem Preis-Leistungsverhältniss und Kompaktheit allen Amateuranforderungen gerecht wird. Auch die eingangs gesetzten Ziele wurden  wohl hinlänglich erreicht. Obwohl es doch bei der Realisierung einige Klippen zu umschiffen galt, damit eine, mit gängigen Bauteilen ausgestattete, nachbausichere Schaltung entstand.

Eventuelle Optimierung der einzigen Schwachstelle Frequenzstabilität bedingen notgedrungen die Verwendung eines noch stabileren Oszillators, beispielsweise eines guten TCXO oder eines Quarzofens (OCXO), da man, nebenbei bemerkt, mit den aufgezeigten, verwendeten Mitteln in der Tat schon am Ende des Machbaren angekommen ist und bereits an die Grenzen der Physik stoßen wird. Wer aber wirklich an ein solches Stück heran kommt oder gar zufällig eines in seiner Bastelkiste liegen hat, der ist gut beraten, die Schaltung dahingehend zu modifizieren. Mit der Kompaktheit eines zierlichen Gehäuses ist es dann aber vorbei! Der Integrierwiderstand R1 darf bis zu 1 kOhm verkleinert werden. Der „Ladekondensator" C1 kann fast beliebig vergrößern werden. Notfalls ist der Abstimmbereich durch einen nachgeschalteten Spannungsteiler zu verkleinern. Ein kleiner TCXO lässt sich eventuell noch im Gehäuse unterbringen und „fliegend" verdrahten. Aufgrund der detaillierten Beschreibung wird das sicher individuell auch möglich sein. Das nötige Wissen dafür, dürfte in diesem Beitrag wohl „rüber gekommen" sein. Mit einem OCXO ist das schon diffiziler. Neben dem erhöhten Strombedarf, dem zusätzlichen mechanischem Umfang spielt aber in der Regel der Anschaffungspreis eine nicht unmaßgebliche Rolle. Abgesehen von den allgemeinen Beschaffungsproblemen und der damit verbundenen schlechteren allgemeinen Nachbausicherheit. Deswegen wurde das veröffentlich Konzept in einer gut reproduzierbaren Form gehalten, auch wenn damit nicht das letzte Quäntchen an Stabilität herausgepresst worden ist. Auch die wesentlich verlängerte „Einlaufzeit" wirkt sich bei Verwendung eines Quarzofens oder durch Verkleinern des Regelbereichs auf den späteren, rauen Alltagsbetrieb nachteilig aus. Wer aber dennoch daran gefallen findet, möge sich mit Abänderung und Optimierung der Schaltung in diese Richtung befassen. Möglicherweise wird in ferner Zukunft der Oszillatorbaustein vom Markt verschwinden. Eine kleine Huckepack-Platine an dessen Stelle mit einem 74HC04 sieht zwar nicht so gut aus, wird aber sicher ähnliche Qualität bringen können. Der Oszillatorbaustein ist schnell aus der Fassung genommen, die Signalleitungen sind problemlos auf der Platine verfügbar und auch leicht an einen externen Oszillator, bzw. an einen OCXO zu führen. Bei Misserfolg ist der Originalzustand schnell wieder hergestellt! Vielleicht ein Ansporn an die Leserschaft, ebenfalls technische „Entwicklungshilfe" zu leisten!
Und auch für alle „Dauerstöpsler und Lastprofis" unter den Lesern sei noch ein Hinweis angebracht: Angesichts des geringen Bauteileaufwands hält natürlich das Ausgangssignal nur in gewissen Grenzen einem entsprechenden „Belastungs-EKG" stand. Eine Signal mit genormter, sog. Standard-TTL-Belastung wird wohl allen Anforderungen gerecht werden. Ein Mehr kann und soll auch nicht Aufgabe dieses Projekts sein. Auch die geringe Rückwirkung auf die Oszillatorstabilität beim Kontaktieren wäre nur durch eine aufwändige Schaltung zu realisieren gewesen, was für der gewöhnlichen Umgang eigentlich auch nicht notwendig ist. Wer’s wirklich braucht, muss eben einen externen, selbst konstruierte Pufferverstärker nachschalten.
Und noch ein interessanter, recht praktischer Tipp: Auch der Einbau in ein Modulträgergehäuse mit Einschubtechnologie, forciert durch das Europakartenformat und die Anordnung der peripheren Elemente wird für manchen Praktiker kreativen Anreiz für eigene Gestaltungsmöglichkeit bieten.
 

Abschließend noch eine letzte, mentale Anmerkung für alle Nörgler, Besserwisser, Schreibtischtäter und Hamster: Für die Gestaltung dieser Arbeit wurden teilweise urheberrechtlich geschützte Namen oder Warenbezeichnungen verwendet. Weitgehend - soweit bekannt - wurden diese auch entsprechend gekennzeichnet oder es wurde speziell darauf verwiesen. Das vorliegende Konzept ist soweit optimiert, dass beste Werte zu erzielen sind. Auf absolute Genauigkeit kann natürlich keine Garantie gegeben werden. Da es sich um ein gewachsenes Projekt handelt, konnte beispielsweise die Bauteilenummerierung nicht konsequent chronologisch durchgehalten werden. Die Puristen unter den Lesern mögen das entschuldigen. Es steckt auch so noch genügend Arbeit in der deshalb möglicherweise nicht ganz fehlerfreien Dokumentation. Ein Umzeichnen aller Pläne hätte das noch zusätzlich intensiviert und verzögert. Auch das Bildmaterial ist in belanglosen Dingen nicht immer auf dem letzten Stand aktualisiert. Auf absolut fehlerfreie Publikation besteht deshalb und besonders aufgrund des Umfangs trotz aller Mühen keine 100%-ige Gewähr. Dieser Artikel wurde von einem Praktiker für Praktiker geschrieben, welche damit sicherlich zurecht und auf ihre Kosten kommen sowie wertvolle Anregungen für ihre schöpferische Tätigkeit finden werden.

Alle nicht durch Quellenangaben ausgewiesenen technischen Detail, speziell die Frequenzregelung mit dem Mikroprozessor, die differenzierende PLL und die Fehlersignalisierung stammen vom Autor selbst. Diese Konzepte sind urheberrechtlich geschützt. Eine kommerzielle Nutzung dieser Techniken und die gewerbliche Vermarktung, sei es auch nur die reine Reproduktion der Schaltung für nicht private Zwecke im Gesamten, in Details sowie in abgeänderter Form sind nur mit schriftlicher Zustimmung des Entwicklers statthaft.

Natürlich gibt es auch andere Methoden, ein Frequenznormal zu erstellen. Sofern Sie daran interessiert sind, besuchen Sie dafür auch meine Homepage unter  www.Frequenznormal.de.vu .
Bei dem oben gezeigten Lösungsansatz stand allerdings die Prämisse im Vordergrund, ein optimales GPS-Frequenznormal für Funkamateure zu entwickeln, was nur exklusiv mit besagter Technik möglich ist!



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last Update: 2006-09-13

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