GPS 同期基準パルス発生器の製作

GPS 同期基準パルス発生器の製作

技術検討

2009年9月2日、ユニバーサル周波数カウンタを校正する目的で GPS 同期基準パルス発生器 を製作しました。
製作前の技術検討は以下でした。
- GPS モジュールに SANAV の FV-17 を使う。
- FV-17 には GPS 衛星よりの 1PPS 信号 (1パルス／秒) 出力があり、UTC に対して ±1us の精度となっています。 1パルス分の1秒では 10^-6 (1ppm) の精度ということになります。
- UTC に対する誤差ですから、例えば10パルス分として10秒で見ても ±1us の誤差ですから、この場合の精度は 10^-7 となります。 100秒だと 10^-8、1000秒だと 10^-9、10000秒だと・・・・
- 目的は8桁カウンタの校正なので、この精度が出れば使えそう。

回路図

1PPS 信号を取り出すだけなら FV-17 だけでもよいのですが、使い易くするために若干回路を追加しました。右の図が回路図です。回路図をクリックすると等倍の pdf ファイルで参照できます。
GPS と同期が取れたことを表示する [SA LOCK] ランプを追加しました。
- FV-17 では GPS 衛星を4個以上捕捉できたら 1PPS 信号が出ます。 4個以上捕捉後は3個捕捉でも 1PPS 信号が出ます。
- これを利用して、1PPS 信号でワンショットマルチをトリガし、LED に導いています。
- シリアル通信で GPS 捕捉状況を確認しなくても、この LED 点灯を確認することで、安心して使うことができます。
シリアル出力を OC 化 (オープンコレクタ化) しました。
- ケース加工を楽にやりたかったので、コネクタ類は全て丸穴加工だけでよいものを選んでいます。シリアル入出力はステレオミニジャックにしました。
- 構造上、ミニジャックにプラグを挿入する過程でシリアル入出力が一瞬ショートします。最悪、FV-17 が壊れる心配があります。
- 回避策として、シリアル出力を OC 化 (オープンコレクタ化) する回路を追加しました。製作した後で判ったのですが、FV-17 の TX 出力は既に OC 化されていたので、この回路は余計でした。
1PPS 出力を2系統にしました。
- 主用途はユニバーサル周波数カウンタの校正ですが、他の用途にも使うかも？と考えました。
- フロントパネル側は BNC ジャックとしてユニバーサル周波数カウンタに直接接続します。
- リアパネル側は RCA ジャックとしてその他の用途に使うことを意図しています。

主要部品

FV-17 GPS モジュール

定価は高いと思うのですが、ヤフオクで（出品されていれば）2～3千円くらいです。付属品として [MMCX(M)～TNC(F) 変換ケーブル] [7pin ケーブル] が付いています。
ちょっと形状は違うのですが、古野電気から OEM 用に販売されている GN-79N と全く同じようです。 FV-17 でも NMEA-0183 出力の [maker ID] は [FEC] (Furuno Electric Company) ですから古野電気専用品なのかもしれません。

コネクタのピン配列は以下です。写真の一番右が 1pin です。

Pin No.	Name	I/O	用途	備考
1	1PPS	O	1 pulse/sec out UTC ±1us 以下の精度の基準パルス	TTL レベル, Duty = 50% 基準点は立ち上がりエッジ
2	TX	O	GPS data out	TTL レベル OC で内部で 4.7kΩでプルアップ
3	RX	I	Data In / DGPS-in 9.6kbps	TTL レベル内部で 4.7kΩでプルアップ
4	GND	-	System ground
5	V-BATT	I	SRAM Back-up
6	V-ANT	I	MMCX アンテナ端子からアクティブアンテナに電源供給が必要な場合に使う
7	Vcc	I	System power supply	+5V

GPS アンテナ
- アキバの液晶工房で1,500円で販売されている GPS アンテナを使いました。私はトリックを使って480円で入手しました。
- 同軸コードの長さが 2m でマグネット付です。自動車の屋根などにペタッと貼り付けられます。
- このアンテナでなくても、+5V 仕様の GPS アクティブアンテナであれば使用できます。カーナビの GPS アンテナでＯＫです。中古品で探せば1,000円以下と思います。
- 接続プラグを TNC プラグに交換します。
RS-232C <--> TTL 変換ケーブル
- 本格的な RS-232C <--> TTL 変換回路を基板に組み込むのは面倒です。
- お手軽にしようと、アキバの CompuAce で399円の携帯電話用データ転送ケーブル 9-KE を使いました。
- 携帯電話用のコネクタの所でチョキンと切断して、ステレオミニプラグに置き換えました。これだけでシリアルインタフェースケーブル完成です。お手軽～お手軽～
- 9pin D-SUB コネクタハウジング内に RS-232C <--> TTL 変換回路が内臓されています。
ケース
- アキバの千石で販売されている TAKACHI CD-90 を使いました。
- このケースは安い割には質感が良く、上手い作りになっています。
- 通常はアルミパネル側にコネクタなどを取り付けるようですが、加工が面倒なのでプラスチックパネル側に取り付けました。
- ケース内部に基板を固定するのに TAKACHI T-600 を使いました。
- これ！イイです。脚の粘着部でペタンとケース貼るだけですから、穴開け加工が不要でラクです。
- アキバのネジの西川にあります。
5V AC アダプタ
- アキバの秋月で600円のスイッチングタイプ AC アダプタを使いました。

製作しました

自慢できるような仕上げではありません。基本はデジタル回路ですから、これでＯＫです。蓋をしたら中身は判りません。動けば良いのお気軽工作です。
GPS モジュール FV-17 が基板に対して少し平行ではありませんが、これは FV-17 には裏側から留める2個のネジ穴があり、その間隔を 2.54mm ピッチ基板で合わすと、こうなってしまうのです。別に問題はありません。
CR2032 リチウム電池は交換しやすい位置にしました。交換するのは10年後か20年後か？？？
ユニバーサル基板にはガラスエポキシを使っています。こういうところは、コダワリがあります。

サポートソフト

FV-17 のシリアル出力フォーマットは NMEA-0183 ですから世界標準です。
NMEA-0183 はテキストベースですから、ターミナルソフトでそのままパソコンのモニタに表示できます。しかし、1秒ごとに大量に出力される NMEA-0183 データは目で追いきれません。
そこで、フリーソフトの NMEA Monitor for windows を使うと、NMEA-0183 データが分析され、衛星位置や測位値などをビジュアルに把握できるようになります。

使ってみました

FV-17 は思いの外、感度が良く、室内でも GPS アンテナを窓際に設置することで1分くらいで測位可能になります。右の写真はフロントパネルです。左から [SA LOCK] ランプ、[1PPS] 出力 (BNC) です。
校正器でありがちなウォーミングアップ時間が不要です。 GPS 測位可能になった時点から高精度です。
未校正であったユニバーサル周波数カウンタ ADVANTEST TR5822 で 1PPS 信号の周期計測をしてみると、0.9999982秒と表示され、安定しています。
- と言うことは、1PPS の1秒計測ではスペックより上の 10^-8 (0.01ppm) 程度の精度が出ていることになります。ちなみに10秒計測としてみると10^-9 (0.001ppm) 程度の精度が出ているようです。この精度があれば8桁カウンタは十分校正できます。
- TR5822 はこの「GPS 基準タイムベース」を使ってピッタリに校正できました。 ！！！成功です！！！
1PPS が予想以上の精度である考察です。右の写真はリアパネルです。左から [GPS ANTENNA] (TNC) コネクタ、[Serial] 入出力 (Stereo Mini Jack)、[1PPS] (RCA)、[DC-IN] (+5V) です。 DC-IN は 2.1φのセンター＋です。
- FV-17 では 1PPS は UTC±1us の精度と言っているだけです。
- 例えば常に UTC+1us にズレているならば、1PPS 間の1秒に対する誤差がゼロということになります。
- FV-17 では 1PPS が出るタイミングは、-999.9～+999.9us の範囲で 0.1us 単位で変更できるようになっています。 UTC に対する補正機能です。これは FV-17 のハードカウンタでやっているに決まっています。すなわち、FV-17 の 1PPS タイミング分解能は 0.1us と思われるのです。
- 以上のように考えると、1PPS の1秒計測で 10^-7、10秒計測で 10^-8 以上の精度が出ても不思議はありません。
- FV-17 のタイミングシフト (UTC に対する補正) の短期精度が良ければ、上記の10倍程度の精度もあり得ます。
こういう校正器って、よく使っても1回／年くらいの頻度でしか使いません。右の写真はサイド側より見たものです。
- 必要な方がおられましたら貸し出しＯＫです。
- しかし、製作費は5千円程度ですから、借りる往復の送料を考えたら2往復分・・・自作がお奨めです。
本機には RS-232C 出力もあるので、このまま GPS 地図と連動させて GPS ナビとしての使用も可能です。

ADVANTEST TR5822 の精度検証

製作した GPS 同期基準パルス発生器の 1PPS 出力をユニバーサル周波数カウンタ ADVANTEST TR5822 で周期計測し、それをプロットしてみました。
縦軸は 10^-7 での確度です。横軸は経過時間 (時：分) です。
- TR5822 は8桁カウンタなので、1秒周期計測は 1.0000000 のように表示されます。すなわち、1秒に対する計測分解能は 0.0000001 となり、10^-7 単位の確度になります。
- TR5822 電源 ON 直後の確度を 0×10^-7 として、その後の計測値変化をグラフ化しています。
- 周囲温度が 34℃ と 28℃ の2ケースを測定しました。
考察
- 34℃ と 28℃ いずれもよく似たカーブを描きます。最初の30分ほどは確度がマイナス方法に振れ、それから上昇に転じ、2時間以内には安定します。
- この最初のマイナスに確度が振れることに疑問を持ちました。 TR5822 が要因か GPS 同期基準パルス発生器が要因か？
  - この切り分けをするために TR5822 を6時間電源通電して十分安定させてから、1PPS 出力周期を計測しました。
  - 結果は、0×10^-7 の確度で安定していることが確認でき、TR5822 が要因であったと判明しました。
  - 製作した GPS 同期基準パルス発生器の確度は TR5822 より高いと言えます。
- 測定結果からはおおよそ45分以内に TR5822 の確度は ±5×10^-7 になります。従って、TR5822 は通電1時間以上経ってから使うのが良いようです。
- ±5×10^-7 の確度というと、有効数字6桁は信頼できるが、7桁目は参考程度にしかならないと言うことです。
  - 例をあげると、0.9876543 と計測されたとすると、0.987654 は信頼できるが最後の3は参考程度と言うことです。
  - TR5822 は内蔵 10MHz 基準クリスタル発振器は温度補償されていないので、マアこんなものと思います。 8桁と思って過信しないことです。
結論
- 製作した GPS 同期基準パルス発生器は TR5822 の校正に問題なく使えることが証明できました。
- GPS って、こんなバラックみたいな校正器で十分な精度が出ることに驚きました。

ドキュメント

SanJose Navigation FV-17 User Manual
- FV-17 のオリジナル取扱説明書ですが、書いてあることと実際の FV-17 の動作が少し違う箇所があります。
FURUNO GN-79N Specification/Protocol Manual
- GN-79N と FV-17 は（ほぼ）同じです。こちらの取扱説明書のほうが解り易いです。
- こちらのほうが、書いてあることと実際の FV-17 の動作が一致します。