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GPS gesteuertes 10MHz-Frequenz-Normal

Als Funkamateur benötigt man zeitweise eine genaue Frequenzquelle, um halt seine Geräte zu prüfen oder zu kalibrieren. Zu diesem Zweck habe ich mir vor einiger Zeit einen OCXO, einen "Quarzofen" angeschafft. Damit hat man eine ausreichend genaue Referenzquelle für seine Mess- und Abgleich-Arbeiten.

Seit einiger Zeit gibt es sehr preiswerte GPS-Module, die mit den GPS-SUB-Modulen der Fa. u-blox aus der Schweiz bestückt sind. Die Module - ab der Version NEO-7 - können  einen 10MHz Takt unmittelbar ausgeben.


GPS-Modul NEO-7

Die Module besitzen eine Speisung für externe Aktivantennen (50mA). Eine externe Antenne sollte man für den Gebrauch als Frequenznormal auf jeden Fall vorsehen, um eine möglichst große Anzahl an Satelliten zu empfangen.

Von der Webseite der Fa. u-blox kann man sich die Software "U-Center" auf den PC laden. Auch entsprechende Datenblätter und Beschreibungen findet man hier. Mithilfe dieses PC-Tools können die GPS-Module komplett konfiguriert werden.


Grafische Oberfläche des U-Center

Unter dem "Punkt "View / View Configuration" findet man den Eintrag "TP5 Timepuls 5". Hier finden wir die Einstellung, die wir benötigen, um eine 10MHz Frequenz zu generieren.


Einstellungen für die 10MHz Ausgabefrequenz

Hat man die gewünschten Werte eingestellt, kann man diese mit einem Klick auf den Button "Send" übernehmen.  Sobald eine gültige GPS-Zeit vorliegt, werden am PPS-Ausgang des Moduls 10MHz ausgegeben. Fehlt eine gültige GPS-Zeit oder ist der Empfänger noch in der Startphase wird gar kein Impuls oder nur der Sekunden-Impuls ausgegeben.

Den Navigations-Modus sollte man auch noch als "Stationär" deklarieren.


Einstellmenü für den Navigationsmodus

Die Elevation steht hier defaultmäßig bei 5° über Horizont. Die kann man ggf. auch noch anpassen. Mit "Send" werden die Daten übernommen.

Um die Werte ins Backup-RAM zu übernehmen, müssen sie noch abgespeichert werden.


Einstellmenü für die Speicherung der Konfiguration

Mit den obigen Einstellungen werden die Werte durch einen Klick auf den Button "Send" übernommen. Die Datenspeicherung erfolgt im Backup-RAM oder in einem Flash EPROM.  Dieses Flash-EPROM findet man aber nur in den Empfängern der Serie "N", also z.B. NEO-7N. Der hier verwendete Empfänger NEO-7M besitzt nur das Backup-Ram, welche durch einen wiederaufladbare Zelle gestützt wird.

Diese, auf den China-Modulen verbaute Zelle, taugt allerdings nur sehr bedingt als Backup-Spannungsquelle. Auf jeden Fall sollte man die Konfiguration in ein File abspeichern, um die Daten bei Bedarf einfach wieder hochladen zu können.  Im meinem Fall verwende ich eine externe Zelle (CR2032) als Backup-Spannungsquelle.


Laden / Speichern eines Konfigurations-Fils

Unter "Tools / Receiver Configuration" gelangt man zum obigen Menü. Hier kann man jetzt einen Namen und einen Speicherort bestimmen und mit "Transfer GNSS -> File" auf dem PC abspeichern. Mit "Transfer file -> GNSS" kann man ein Konfigurationsfile wieder in den Empfänger laden. Hierbei sollte das Häkchen bei "Store configuration into BBR/Flash" setzen. Wie schon erwähnt, gibt es beim NEO-7M nur das Batteriegestützte Backup-RAM.


Hardware Version 1

Der 10MHz Takt ist aber leider mit einem kräftigen Jitter behaftet und muss nachbearbeitet werden. Für dieses einfache Frequenznormal sollen die 10MHz mit einer PLL nachbearbeitet werden. 


Schaltplan GPS-Frequenz-Normal, 1. Versuch

Das Signal wird als TTL-Signal und via Filter als Sinus-Signal ausgegeben. Über einen Schmitt-Trigger erfolgt noch eine Signalformung. Sobalt eine gültige GPS-Zeit vorliegt, zeigt eine "Lock-LED" an, das ein gültiges Signal am Ausgang anliegt.

Anders als bei den üblichen Schaltungen für diese Anwendung, erfolgt die Verarbeitung hier direkt auf der 10MHz Frequenz. Hierdurch bleibt der Aufwand sehr gering. Mit einem größeren Aufwand kann man hier auf jeden Fall noch mehr herausholen. Üblicherweise wird ein VCO mit hoher Kurzzeitkonstanz verwendet und mit einer niedrigen Referenzfrequenz gearbeitet, was aber zusätzliche Teiler  und einen externen VCO erfordert. 


Oben 10MHz GPS-Signal, unten Ausgang PLL

Die gemessene 10MHz-GPS-Frequenz hat eine Differenz von 0,05Hz zu meinem Quarzofen.


Frequenz des Quarzofens bei externer Zähler-Referenz durch das GPS-Signal

Damit bin ich erst einmal ansatzweise zufrieden. Ein GPS-Normal für unter 20€, welches für Amateurfunkanwendungen schon ausreicht.  

GPS-Normal Version 2

Zufrieden bin ich aber noch nicht damit und ich werde hier doch noch Veränderungen vornehmen. Das das GPS-Signal bei niedrigeren Frequenzen wesentlich stabiler ist, werde ich doch noch einen Teiler einbauen um die Qualität noch etwas zu verbessern. Der interne VCO wird aber erst einmal bleiben.

Versuch mit einer GPS-Frequenz von 1MHz und einem Teiler 1:10

Hier sieht man jetzt ein ein 1MHz-GPS-Signal (Kanal 1), welches wesentlich sauberer erscheint, als das GPS-Signal bei 10MHz. Kanal 2 zeigt das 10MHz-Ausgangssignal der PLL. Realisieren werde ich dann 100KHz-GPS-Takt und einen Teiler 1:100. 


Schaltbild des erweiterten GPS-Normals


Printentwurf der Version 2 des GPS-Normals

Auf die Stromversorgung wurde hier verzichtet. Die Versorgung erfolgt über den USB-Anschluss des GPS-Moduls. Ein Zählerbaustein 74HCT390 wurde hinzugefügt, welcher den 10MHz-Takt durch 100 teilt. DIe 100KHz vom GPS-Modul werden vom Komparator der PLL mit dieser Frequenz verglichen.

Alles Weitere folgt hier dann, wenn der Print aufgebaut ist.