GPSDO GPS Disciplined Oscillator

Un oscillatore di riferimento stabile e preciso
è un utile strumento per il laboratorio dell’hobbista elettronico e del radioamatore. Il segnale generato può essere utilizzato per la taratura di strumenti di misura come i frequenzimetri, o dei VFO dei ricevitori radio. Inoltre può essere impiegato come riferimento esterno per la strumentazione ed in particolare per i generatori. In generale, in un ambito in cui si abbia a che fare con segnali RF, non può mancare un riferimento campione di frequenza.
Ovviamente anche in questo campo vi è una vasta scelta di soluzioni, dagli oscillatori termostatati a singolo o doppio fornetto, ai sistemi che sfruttano la stabilità delle emissioni di sostanze come il rubidio o il cesio, fino a quelli radiocontrollati agganciati al segnale di stazioni campione. Uno dei sistemi più semplici è appunto quello di avere localmente un oscillatore abbastanza stabile che viene in qualche maniera agganciato ad un campione di riferimento preciso e maggiormente stabile. A tal proposito si può sfrutttare il dato temporale trasmesso dalla costellazione di satelliti GPS, ognuno dei quali è dotato di un orologio al cesio.
In tal caso la stabilità a breve termine dell’oscillatore è garantita dall’utilizzo di sistemi termostatati, che mantengono costante la temperatura di funzionamento del quarzo riducendone la fluttuazione in frequenza. La precisione del segnale generato e la stabilità a lungo termine sono garantite dall’aggancio al riferimento campione del sistema GPS. Con questa soluzione si ottiene un riferimento dalle ottime caratteristiche a basso costo e facilmente realizzabile.

Caratteristiche

• Oscillatore di riferimento a 10MHz OXCO;
• Correzione con PLL su segnale derivato da costellazione satelliti GPS, basato su orologio al cesio;
• Uscita 10MHz onda quadra livelli TTL;
• Uscita 10MHz sinusoidale 2Vpp su 50ohm (10dBm);
• Uscita 5MHz onda quadra livelli TTL;
• Indicazione di aggancio di fase del PLL;
• Indicatore impulso 1PPS;
• Display opzionale con visualizzazione parametri ricevitore GPS;
• Interfaccia opzionale RS-232 per scambio dati con ricevitore GPS.

Funzionamento

Il segnale ad onda quadra a 10MHz generato dall’oscillatore di riferimento, attraverso una serie di buffer, viene posto in uscita allo strumento. Su IC1A e IC1B il segnale non subisce condizionamenti, pertanto si hanno due uscite ad onda quadra, livello TTL, una sistemata sul pannello frontale dello strumento e l’altra su quello posteriore. I due segnali provenienti da IC1C e IC1D vengo sommati tra loro attraverso le resistenze R9 ed R10 a formare un generatore con impedenza interna di 50ohm, quindi il filtro a 3 poli provvede ad eliminare le armoniche indesiderate, restituendo in uscita un segnale sinusoidale, con livello 2Vpp su 50ohm. Il condensatore C7 elimina la componente continua.
Dall’altro lato il segnale del generatore raggiunge la catena di divisori, dove viene diviso per 1000. Il segnale ottenuto viene comparato in fase, dal PLL IC4, con il segnale di riferimento a 10kHz proveniente dal ricevitore GPS. Sul piedino PC2 del PLL si ottiene un segnale proporzionale allo sfasamento dei due ingressi che pilota il filtro passa basso costituito da R2, R3 e C3. All’uscita del filtro si genera una tensione, che bufferizzata da U1B, pilota il controllo di frequenza dell’oscillatore di riferimento.
Quando il segnale prodotto dall’oscillatore interno è perfettamente sincronizzato con quello proveniente dal GPS, il sistema entra in equilibrio, il PLL si aggancia e mantiene stabile il controllo del loop di retroazione.
Il piedino PP del PLL genera un segnale ad onda quadra con duty variabile in base allo sfasamento degli ingressi. Questa condizione viene sfruttata dall’integratore U1D per segnalare l’avvenuto aggancio del PLL.
Il circuito necessita di alimentazione stabilizzata 5Vdc, con un assorbimento massimo di circa 2.5A, dovuto maggiormente al consumo del fornetto dell’OXCO durante le fasi di riscaldamento.

Schema elettrico

Clicca sul disegno per visualizzarne la versione ingrandita.

Realizzazione

Il circuito è stato realizzato su scheda millefori, pertanto al momento non è disponibile il disegno per il circuito stampato. I componenti sono tutti di facile reperibilità, l’OXCO ed il ricevitore GPS sono generalmente disponibili su ebay. In particolare come oscillatore ho utilizzato un Isotemp OCXO131-100, acquistato usato da un venditore Cinese, come ricevitore GPS un Conexant Jupiter TU30-D160 che avevo da un po’ di tempo nel cassetto, ora è fuori produzione ma può essere sostituito con qualsiasi ricevitore GPS OEM che abbia l’uscita di riferimento a 10KHz.
L’antenna per il ricevitore GPS è anch’essa facilmente reperibile su ebay, in particolare se ne trovano di usate appositamente concepite per questo tipo di utilizzo, dotate di amplificatore interno ad alta sensibilità e con elevata immunità al rumore.

Collaudo

Collegare l’alimentazione e verificare che la tensione giunga correttamente ai piedini di alimentazione dei vari IC presenti. Attendere che il ricevitore GPS completi l’aquisizione dei satelliti affinché il segnale di riferimento sia stabile, nel frattempo si vedrà l’indicatore PLL lock accenderesi periodicamente. A questo punto il PLL comincia a lavorare fino a portare in fase i due segnali, occorrerà più di qualche minuto. L’indicatore PLL lock si accenderà stabilmente.
Per una buona stabilità del segnale occorre che l’antenna del ricevitore GPS abbia una sufficiente visibilità del cielo, da garantire l’acquisizione di almeno 4 o 5 satelliti.

Elenco componenti

R9, R10 = 100
R1, R8, R12 = 470
R4, R5 = 1.2k
R6, R7 = 22k
R11 = 27k
R2, R3 = 1M

C5, C6 = 330p
C7 = 10n
C2, C8, C9, C10 = 100n
C4 = 470n
C3 = 47u
C1 = 100u

L1 = 1u

D1 = 1N4004

Q1 = BC548

U1 = LM324
IC1 = 74AC04 o 74AC14
IC2, IC3 = 74AC390
IC4 = 4046

QG1 = OCXO 10MHz

Riferimenti e Bibliografia

– J. Miller G3RUH, “Simple GPS Stabilised 10 MHz Oscillator”;
– S. Brovero I1KFH, “10 MHz / 1 MHz GPSDO”;
– Valter Corda IZ0NHT, “Frequency Standard da 10 MHz”, RadioRivista 2/2010.

 

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