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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 aber 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  bis zu 10MHz unmittelbar ausgeben. Hiermit sollte es also möglich sein, eine preiswerte GPS-Referenz herzustellen. Auf einen Controller, der die Konfiguration des NEO-7-Moduls übernimmt, will ich verzichten, um eine möglichst einfache Lösung zu erreichen. Daher muss das Modul einmalig per PC-Tool konfiguriert werden.

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 100KHz Frequenz zu generieren.

Einstellungen für die 100KHz 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 100KHz 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 GPS-NEO-7-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.

Bei diesem GPS-Standard wird eine externe Zelle (CR2032) als Backup-Spannungsquelle verwendet. Die Zelle auf dem NEO-7-Modul muss dabei entfernt werden und ein Anschluss der Backup-Spannungsversorgung vom Modul zum Board hergestellt werden. Hierzu ist eine Steckbuchse auf dem Board vorhanden.


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.


HardwareAufbau der Hardware mit GPS-Modul NEO-7 und 10MHZ-OCTCXO

Ein externer VCO wird verwendet, um die erforderliche Kurzzeitstabilität zu erreichen. Versuche mit dem PLL internen VCO sind allesamt gescheitert. Zu unstabil und ein zu großer Frequenzhub.

10MHz GPS-Signal (gelb)

Wie man erkennen kann, ist der GPS-Takt mit einem Jitter behaftet, der eine direkte Verwendung ausschließt. 

Da der Jitter des GPS-Taktes bei niedrigeren Frequenzen wesentlich geringer ist, wird  ein Teiler realisiert, um mit einem GPS-Takt von 100KHz zu arbeiten. Da es also ohne entsprechenden Aufwand nicht geht, wird der externe VCO dann auch mittels OCTCXO realisiert, um größtmögliche Stabilität zu erreichen. Diese OCTCXOs werden gebraucht für etwa 5€ angeboten. Damit kommt man recht preiswert zu einem GPS-Standard mit einer Kurzzeitstabilität von etwa 7x10-11 . bei 4 Sekunden. Siehe auch das Diagramm der Allen Deviation weiter unten.

Schaltbild des GPS-Normals

Ein Zählerbaustein 74HCT390 teilt den 10MHz-VCO-Takt durch 100. DIe 100KHz vom GPS-Modul werden vom Komparator der PLL HCT4046 mit dieser Frequenz verglichen. Der Komparator-Ausgang wird mittels Loopfilter integriert und als Regelspannung dem OCTCXO zugeführt. Der interne VCO der PLL wird abgeschaltet. Die Comparator-Ausgänge sind auf einen Pfostenstecker geführt und können frei gewählt werden. Sinnvollerweise nutzt man den Comparator 2. Dieser hat im Lock-Zustand High-Impedanz und sollte die besten Ergebnisse liefern. Aber hier kann man natürlich noch experimentieren. Das Loop-Filter besitzt eine relativ lange Zeitkonstante, um den vorhanden Rest-Jitter des GPS-Signals zu eliminieren und den OCTCXO stabil zu halten. Daher dauert es auch nach dem GPS-Lock noch eine Weile, bis die Regelung eingeschwungen ist. Wenn man das GPS-Normal in Betrieb nimmt, sollte man - auch nach Aufleuchten der LED - noch ca 15 Minuten warten, bis dass der COTCXO auf Temperatur ist und die Regelspannung stabil steht. Bei mir wird das durch ein zusätzliches Instrument kontrolliert.

Kontrolle der Regelspannung mit Spannungsmodul

Im Bild oben sitzt das GPS-Normal in einem vorläufigen 3D-Druck-Gehäuse.

Printentwurf der  des GPS-Normals

Auf die eigene Stromversorgung wurde hier verzichtet. Die Versorgung erfolgt über den USB-Anschluss des GPS-Moduls oder sinnvollerweise via eigenem USB-Netzteil über die zusätzliche USB-Buchse. Der USB Anschluß muss in der Einschaltphase bis ca. 700mA liefern können (OCTCXO-Heizung) und sollte sehr stabil sein. Also nicht gerade das preiswerteste USB-Netzteil verwenden. Es ist natürlich jedem unbenommen, dem GPS-Normal ein eigenes Netzteil zu spendieren.

Als Ausgang steht ein TTL-Takt und ein Sinussignal mit 50 Ohm Quellimpedanz zur Verfügung. Der Pegel des Sinus-Signals beträgt 680mV - bis 975 mV RMS an 50 Ohm. Das ist abhängig von der Güte der Filterspulen.

Sinus-Ausgang des GPS-Normals im Zeitbereich

Sinus-Ausgang des GPS-Normals im Frequenzbereich

Mein Funkfreund Norbert, DG1KPN, hat umfangreiche Messungen  zur Stabilität dieses GPS-Standards durchgeführt. Unter anderem auch die Messung der Allan Deviation, die ein Maß für die Stabilität von Oszillatoren ist.

Allan Deviation des GPS-Normals            Messung und Bild: Norbert, DG1KPN

Ich denke, dass kann sich sehen lassen und ich bin zufrieden mit dem Ergebnis. An dieser Stelle vielen Dank an Norbert, der durch viele Versuche und Messungen massgeblich zum Gelingen beigetragen hat. 

Für Interessierte gibt es hier noch eine Doku als PDF-File und einen kompletten Datensatz (23MB).

Die Platine für dieses GPS-Normal kann man bei Dirk Ruffing, DH4YM, beziehen.

Aktueller Stand: V3.1-21.09.2020.

Georg Latzel DL6GL, hat auf seiner Webseite ebenfalls dieses GPS-Normal beschrieben und auch ein PDF bereit gestellt, in dem die Handhabung vom "U-Center" und die Konfiguration des NEO-7-Moduls sehr gut beschrieben sind. 


Bilder