Hodinový kmitočet 12MHz pro čítač odvozený od GPS normálu.

Úvod.

Po zprovoznění GPS normálu 10MHz jsem potřeboval na tento normálový signál pověsit taky svůj Čitač a dosáhnout tak vysoké přesnosti měření kmitočtu. Bohužel ale má můj jinak skvělý čítač podle pana Zajíce kmitočet hodin 12MHz. Proto jsem musel vstupní signál nějakým způsobem "přetvořit" na 12MHz se stejnou přesností. Původní myšlenka byla použít fázový závěs. Pak mi ale přátelé poradili lepší systém který jsem použil a výsledek je popsán v tomto článku.

Popis konstrukce.

Můj požadavek byl, abych mohl používat čitač i bez GPS normálu a abych mohl měřit bezprostředně po zapnutí čítače. GPS normál ale najíždí na vysokou přesnost až po dlouhé době po zapnutí. Použil jsem tedy 2 zdroje hodinového kmitočtu. První který používá TCXO 24MHz má sice nižší přesnost ale je funkční okamžitě po zapnutí čítače a umožňuje jeho funkci i bez GPS normálu. Druhým zdrojem je elektronika která převádí signál 10MHz z GPS normálu na 12MHz. Oba zdroje signálů se pak přepínají přepínačem umístěným na čelním panelu čítače.

Obvod TCXO

Protože jsem chtěl lepší přesnost než jakou poskytuje původní zapojení s běžným krystalem zakoupil jsem na e-bay VCTCXO 24MHz. Jeho přesnost je nějakých 3ppm. VCTXO jsem použil proto, že původně jsem počítal s řízením fázovýnm závěsem od GPS normálu. Z toho ale později sešlo. Vhodnější by tedy bylo použít TCXO bez ladícího vstupu. Kmitočet 24MHz jsem použil z toho důvodu, že TCXO 12MHz nebylo zrovna dostupné. Zapojení je velmi jednoduché. TCXO VT1101 produkuje obdélníkový signál 24MHz v TTL úrovních. Za ním následuje polovina obvodu 74HC74 zapojená jako dělička dvěma. Na jejím výstupu je požadovaných 12MHz, které přes přepínač TCXO/GPS normál přivedeme do čítače. Na ladící vstup TCXO přivedeme dlouhodobě přesné a stabilní napětí 2,5V. Jako referenční zdroj 2,5V jsem použil obvod TL431 a napětí z něj ještě filtruji filtrem sestaveným z R16, C15 a C16.

Obvod pro GPS normál

Princip činnosti je jednoduchý. Signál 10MHz z GPS normálu vydělíme pěti. Výsledek je Obdélníkový signál 2MHz se střídou 1:4. Tento signál obsahuje množství harmonických. Mezi nimi je i námi požadovaná šestá harmonická 12MHz. Tu vybereme dvoukrystalovým filtrem a tvarujeme na TTL úroveň vhodnou pro Čitač.

Zapojení je jednoduché. Vstupní signál od GPS normálu tvarujeme tranzistorem T1 na TTL uroveň. Vstupní impedanci 50Ω zajišťuje odpor R4 51Ω. Za tvarovačem je dělička pěti vytvořená z obvodu 74HC4017. Výstupní mix signálů je přiveden do krystalového filtru tvořeného krystalu Q1 a Q2. Vybraný signál 12MHz na jeho výstupu je zesílen a tvarován Tranzistorem T3. Pozorný čtenář asi zakroutí hlavou nad přizpůsobením krystalového filtru či spíše nad jeho neexistencí. Filtr jsem nastavoval na VNWA a zjistil jsem že má přibližně V/V impedanci okolo 50Ω. Nevěděl jsem ale jaká je vstupní impedance následujícího zesilovače. Po jeho připojení zesilovač kmital. Připojením C82 jsem ale opět dosáhl požadované charakteristiky filtru a zesilovač kmitat přestal. Jaká je výstupní impedance z obvodu 74HC4017 nevím. Po připojení ale vše krásně funguje takže už jsem nepotřeboval dělat žádné změny. Jistě je tu ale ještě prostor k vylepšení. Zkoušel jsem i 3-krystalový filtr ale došel jsem k názoru že k našemu účelu dvoukrystalový postačí. Použil jsem krystaly 12MHz z vyřazených desek z PC komponentů. Kupodivu se ukázaly být výrazně kvalitnější než nově koupené. Ale koupené krystaly také postačí.

Ještě poznámku k použitým děličkám. Patrně Vás již napadlo, že pro obě děličky šlo použít pouze jeden obvod - například 74HC390. To jsem měl původně v úmyslu, ale žádný z mě dostupných prodejců součástek nebyl schopen mi tak "neobvyklý" obvod dodat. A platit za obvod v ceně 5kč mnohonásobně vyšší poštovné se mi nechtělo. Proto jsem použil to co jsem našel v šuplíku.

Mechanická konstrukce

Celý obvod je umístěn na malé DPS. Většina součástek je v SMD provedení a jsou umístěny na straně spojů. Vstupní konektor, TCXO a krystaly filtru jsou ve vývodovém provedení a jsou tedy umístěny z opačné strany. Pozor na zapojení TCXO. Když jsem ho připojil podle DS oscilátor nekmital. Rozborem problému jsem zjistil, že je TCXO zrcadlově otočeno. Nevím zda je chybně zapouzdřen můj kousek nebo mají chybu v DS. Ale buďte opatrní. Můj oscilátor to ale naštěstí přežil.

Klišé pro výrobu DPS fotocestou.

Připojení hodinového kmitočtu do čítače.

V původním čitači je použit procesor AT89C51 ve standardním zapojení. Zako zdroj hodinového signálu slouží oscilátor procesoru. Na vývody 18 a 19 je připojen krystal 12MHz a kondenzátory na zem. Při úprave jsem vyjmul krystal ale kondenzátory jsem tam kvůli špatnému přístupu ponechal. Ničemu to nevadí. Na Vývod 19 jsem pak přivedl TTL signál z popisované desky.

Mechanicky jsem desku připevnil na zadní panel čítače tak aby vstupní BNC konektor procházel zadním panelem ven. Pro napájení jsem využil stabilizovaných +5V ze zdroje čítače. Pro přepínání TCXO/GPS slouží tahový přepínač umístěný na čelním panelu čítače.