GPSを利用した高精度周波数カウンタ

仕様

測定周波数範囲
入力チャネル　　　　　１
入力感度　　　　　　　TTL
入力インピーダンス　　１MΩ
入力カップリング　　　DC
ゲート時間　　　　　　１０ｎSec～１０Sec
原発振　　　　　　　　１２．８MHｚ±１ｐｐｍ
表示　　　　　　　　　最大8桁
電源　　　　　　　　　AC100V　または　006P電池
サイズ　　　　　　　　190mm×54mm×200mm

8桁精度を有する周波数カウンタを作る
8桁精度を実現するために、GPSの１PPS(Pulse/Sec)信号を利用する
GPSが受信可能な環境では、GPSの1pps信号による、内蔵基準水晶発振器の校正と、周波数測定を同時に行う
GPSが受信できない環境でも、周波数測定が可能な構成とする
8桁精度を実現するために、信号入力回路、ゲート回路などはハードウエアのみで周波数カウント可能な構成とする（ソフトウエアによるタイミング制御はしない）
PICを利用し　最小のハードウエアで構成する
GPSが受信可能な環境では、GPSからの1PPS信号を基準ゲート信号とし、水晶発振器(12.8MHz)をカウントするすることにより、水晶発振器の周波数変動を補正する
GPSが受信できない環境では、水晶発振器の温度による周波数変動が±3ppm/℃と大きいため、温度センサーで水晶発振器の周辺温度を測定し、予め測定していた周波数変動を外部制御端子から制御することにより、温度による周波数変動を抑える

ブロック図(PICの周辺回路を用いたカウンタ構成)

周波数カウンタブロック図１

上記　ブロック図で下半分が、周波数カウンタを構成している
水晶発振器１２．８MHｚをTimer0で１００Hzへ分周する。
Timer４は、この１００Hzを入力クロックとし、１０１カウントする。
PWM７でDuty１００：１の設定をする。Duty１００のの期間がカウンタのゲート信号１Secとなる。
Duty１の期間(10mSec)で、Timer１、３を停止し、カウント値をメモリに退避する。
カウンタの計測信号は、７４HCU０４を介し、PIC１６F１８８５７の14pin（T1CKI)と13pin（T1G)に入力する。
14pin（T1CKI)は、ダイレクトカウント時の入力し信号であり、ゲート信号は、上記PWM７の出力信号である。
Timer1とTimer3で32bitのカウンタを構成する。このカウンタは、Fosc非同期とする。
13pin（T1G) は、レシプロカルカウント時のゲート信号であり、基準信号は水晶発振器の１２．８MHｚである。周期を計測し　その逆数から周波数を求める。
１KHｚ以上の周波数を入力した場合は、ダイレクトカウント、１KHｚ未満は、レシプロカルカウントを行う(ソフトで制御）。
次に、上半分の水晶発振器のキャリブレーションについて説明する。
GPSの１PPS信号を74HC4040の12ステージのバイナリカウンタのQ8出力で５１２分周する。この信号のH期間（256秒）をTimer5のゲート信号とする。
Timer5のクロック入力は、12.8MHzを入力する。
Timer5は、Fosc非同期とする。
Timer5は16bitカウンタであり、256秒ゲート、12.8MHzを入力すると　オーバーフローが発生する。よってTimer5のオーバーフロー（TMR5IF)割り込みで、ソフトでレジスタにカウントアップ信号を保存する
256秒のゲート信号の後縁の立下りエッジで割り込み（TMR5GIG) で、カウント値と基準カウント値256×12.8M＝3276800000との差を求める。
この差から、DACとPWM６のDutyを制御する。PWM信号は　ローパスフィルタ（LPF)で直流信号に変換され、水晶発振器の外部制御電圧に印加され周波数誤差が補正される。
DACの基準電圧は、FVRモジュールで生成され、4096mVに設定し分解能は5bit(32)から、電圧分解能は4096mV/32=128[mV]となる。DACの設定値をｘとすると出力電圧は、128*x[mV]となる。(0 =< x < 32)
PWMの基準電圧は電源電圧の５Vを利用し、PWM分解能が10bit(1024)から、電圧分解能は5000mV/1024=4.88[mV]となる。PWMの設定値をｙとすると出力電圧は4.88*y[mV]となる。(0 =< y <1024)
DAC出力とPWM出力は、オペアンプによる加算器を構成している。DAC出力は、560Ωと1kΩによって分電圧され出力電圧は128x1k/(1k+560)=82x[mV]となる。PWM出力は、36kΩと1kΩによって分電圧され出力電圧は、4.88y1k/(1k+36k)=0.13y[mV]となる。
以上より　水晶発振器の外部制御電圧は 82x + 0.13y [mV]となる。

回路図

水晶発振器

高精度　周波数カウンタを作るために、基準クロックとなる水晶発振器で入手可能なものとして、秋月電子で販売しているVCTCXO12.8MHzを使用する。
この水晶発振器の仕様を下記に示す。
ーーー仕様ーーー
型名　 VM39S5G VCTCXO 温度補償型水晶発振器
発振周波数　 12.8MHz±１ppm
温度による周波数変動　　　　±3ppm/°C (-10°~+60°）
エージングによる周波数変動　±1ppm/年
周波数外部制御　　　　　　　2.5V±２V (f0±6ppm)・・・実物を調べると１．５Vであった

tcxo_sデータシート

GPSユニット

高精度　周波数カウンタを構成するために、水晶発振器を制御する基準信号が必要である。
基準信号をGPS受信機の１PPS(1pulse/sec)信号を使用する。
GPS受信機で１PPS信号が出力している商品として、秋月電子で販売しているAE-GYSFDMAXB(太陽誘電製)を使用する。
AE-GYSFDMAXB(太陽誘電製)の仕様を下記に示す。
本GPS受信機の１PPSの精度は ±10nSecから、 10nSec/１Sec＝１×１０⁻⁸ から　カウンタの有効桁数を8桁とする。
GPS受信機の１PPS信号をWEBで調べると、誤差は累積しないと書かれている。例えば、１PPSを10回計測した１０Secに対しても±10nSecであると書かれている。
本カウンタでは、この１PPS信号を　７４HC4040の12ステージバイナリカウンタで分周し、４０９６秒毎に、上記水晶発振器の発振周波数を　外部制御電圧で、周波数誤差を補正している。
GPS受信機の本来の機能である位置情報、時間情報を利用し、本カウンタに日時、緯度、経度をLCDに表示する。

AE-GPS_manual_r1.06_s