V časopise Praktická elektronika č.2/2021 vyšel článek [1] Frekvenční normál řízený signálem GPS. Autor se viditelně inspiroval článkem od OK2IMH [2] a dále [3]. Na první pohled mne zaujaly některé podivnosti. Základem je modul NEO-7 s logikou 3,3 V, ale řízen je z procesoru Atmega328 s logikou 5 V přímo. Ve schematu (obr.2 časopisu) je modul NEO-7 napájen z 5 V, přestože má být pouze 3,3 V - chyba vzniklá překreslováním obrázku, neboť na plošném spoji to je dobře. NEO-7 stojí přes 700,-Kč, takže dost zarážející neopatrnost. Z něj přímo vychází kmitočet 1 MHz, což zařízení výrazně zjednodušuje. Místní oscilátor 20 MHz po vydělení na 1 MHz se fázovým závěsem [4] řídí právě kmitočtem z NEO-7. Ovšem jako fázovací článek je obyčejný RC. Což mne překvapilo z hlediska stability. Takže jsem se rozhodl to vyzkoušet. Podle toho, že jako fázový detektor je použito hradlo XOR místo kruhového detektoru s jeho transformátory se zřejmě předpokládá nenáročné použití. Určitý náznak problému v článku je - čekat hodinu na ustálení kmitočtu, nejspíš tedy právě smyčky PLL. Ovšem během návrhu jsem se stále více odkláněl od původního vzoru. Samozřejmě jsem zavrhl výstup nižších kmitočtů, u svého normálu DCF sice mám výstupy od 10 MHz až do 1 kHz, ale ve skutečnosti používám jen nejvyšší dva a ostatní tam jsou vlastně jen pro parádu.

Kmitočty nižší až po 1 Hz možná někdo potřebuje s touto přesností, i když nevím k čemu. Dále výstup obdélníkových pulzů se skokově nastavitelnou přesnou amplitudou mi je k ničemu. Zato ale požaduji sinusové výstupy, abych mohl tímto zařízením seřizovat jiné oscilátory prostřednictvím Lissajousových obrazců. A skutečně - původně navržená smyčka PLL se synchronizaci dlouze brání. Dříve publikované podobné zařízení [5] je pravý opak - synchronizace proběhne během zlomku vteřiny, což ale znamená, že se na výstupech objeví i část šumu původního kmitočtu. Takže moje smyčka dokonale filtruje a usazení trvá jen několik vteřin. Ovládání NEO-7 procesorem je dobré, program lze snadno upravit konkrétním požadavkům. Vyhozeno tlačítkové ovládání výstupního kmitočtu, když bylo rozhodnuto jen pro dva nejvyšší, tak se prostě vyvedou přímo na panel. Displej je spíš pro ozdobu. Ale je to dobrá záminka pro použití procesoru, aby to vypadalo pokrokově. Proč ale utrácet za uvedený displej, když se v šuplíku válí pár nepoužitých, toužících po spotřebování. Jsou velké, 2x40 znaků. Aby byla jeho plocha nějak využita, tak se tam zobrazí zeměpisné souřadnice GPS polohy, i když nejsou potřeba. Je tu ale jiný problém - onen displej nemá podsvícení, takže údaje na něm jsou špatně vidět. Proto je vedle dvoubarevná LED dioda, která signalizuje, v jakém módu to právě pracuje: svítí - červeně: po zapnutí se hledají družice, žlutá (červená + zelená) - už jsou min. 3 družice a nabíhá smyčka PLL, zelená - fázový závěs sedí.

GPS moduly dříve měly výstup 1PPS (1 Pulse-per-second - česky jeden puls za vteřinu). U dnešních modulů je možno naprogramovat, kolik má těch pulzů za vteřinu být. Takže signál byl přejmenován na PPS (česky: ? pulzů za vteřinu - jak to asi přečíst?)

Tady se naprogramuje milion pulzů za vteřinu, takže 1 MHz. Ale není to čistý kmitočet, je nutno jej filtrovat. Navíc když modul nepřijímá signál alespoň ze třech družic, tak z modulu neleze nic. To se v zařízení řeší tím, že se smyčka PLL rozepne a řídící napětí pro interní oscilátor PLL je určeno nastaveným trimrem.

Na rozdíl od původního provedení je přístroj doplněn síťovým zdrojem, protože se jeho použití na kopci nepředpokládá. Případná úprava na bateriové napájení je jednoduchá: Napájení 12 V z akumulátoru se prostě přivede do bodu výstupu stabilizátoru 7812, jehož výstup (pokud používáme oba způsoby napájení) bude samozřejmě odpojen. Výstupem jsou jen dva kmitočty, ale sinusové. Velikost skříně je dána použitým displejem. Přístroj je rozdělen na 2 desky, na dolní je zdroj a filtry, na horní vše ostatní. Modul NEO-7 je samostatně připevněn na zadní panel. Sice má vestavěnou anténu, ale její citlivost většinou nevyhoví, proto se připojuje externí aktivní anténa.

Záměrně jsou použity konektory různých velikostí, aby nebyla možná jejich záměna. Použitý oscilátor je 10 MHz, původní 20 MHz nebyl k sehnání. Ale objímka je tam připravena na oba typy. Ve schematu jsou zakresleny oba, osadíme samozřejmě jen jeden z nich. Podle použitého oscilátoru přepneme jumpery JP1 a JP2: Při 10 MHz je JP1 v poloze 2-3 a JP2 sepnut, při 20 MHz je JP1 v poloze 1-2 a JP2 rozepnut. Procesor je Atmega328 ze sady Arduino. Tak, jak je na desce zapojen se chová jako Arduino Uno. U použité dvoubarevné diody jsou nastavené různé proudy, neboť pokud je nastavíme stejné, tak zelená část svítí zeleně, červená červeně, ale pokud jsou oba stejné, tak svítí také téměř červeně, neboť zelený svit se v červeném prakticky ztrácí a výsledek není žlutý. Alternativou je samozřejmě použití dvou samostatných LED-diod.

Na horní desce Obr.1 a Obr.2jsou všechny podstatné obvody. Pro programování procesoru je konektor K2, ovšem jde o sérové linky, nikoliv USB. Pokud se programuje tímto vstupem, je nutný kabel s převodníkem.

Deska zdroje Obr.3 a Obr.4 slouží jednak pro napájení ze sítě a dále jsou na ní Butterworthovy filtry [6] pro převod původního obdélníkového signálu na sinusový. Vypočtené hodnoty součástek filtru jsou zaokrouhleny na nejblíže vyšší nabízené hodnoty součástek.

Z původního programu nezbylo skoro nic. Nejen použití jiného displeje, ale vynechání ovládání výstupního přepínače, které původně tvořilo podstatnou část programu a zavedení ovládání dvoubarevné LED-diody. A aby byla plocha tohoto velkého displeje nějak zaplněna, zobrazují se další údaje, nepodstatné pro činnost, jako je zeměpisná poloha, čas atd. Podle provedeného zapojení se program nahrává s nastavením, jako by šlo o Arduino Uno. Ovšem je nutný převodník USB/serial. Použitý MCU ATMEGA328 má být údajně náhradní čip do desky Arduino Uno, ovšem nešel naprogramovat a v původní desce nefungoval. Zakoupený druhý kus (v GM Hr.Kr) se choval stejně. Ale šel do nich vypálit nový zavaděč (který je součástí původního IDE) a pak bylo již vše OK. Takže použít levnější provedení bez zavaděče a nahrát si jej (pokud to umíme).

Procesor IO2 Atmega328 naprogramujeme buď zasunutý v kitu Arduino Uno nebo přímo kabelem přes konektor K2. Po zapnutí nastavíme trimr R12 tak, aby displej byl čitelný. Pro další nastavování již potřebujeme signál z družic. Pokud již svítí LED zeleně (zachycené nejméně 3 družice), spojíme JP3 (tím rozpojíme smyčku PLL) a podle signálu na výstupu 6 obvodu IO5 nastavíme trimrem R9 oscilátor. Potom již zůstane JP3 trvale rozpojený.

Všechny kabely vedoucí k panelům jsou připojeny do horní desky přes konektory. Nápisy na panelu jsou navrženy na počítači, vytištěny na barevné laserové tiskárně a zalaminovány v copy-centru. Modul NEO-7 je umístěn na zadním panelu, aby bylo možno k němu připojovat vnější aktivní antenu. Bez této vnější antény celý přístroj i s modulem NEO-7 vyžaduje volný výhled přímo na velkou část oblohy, aktivní anténa pracuje i se signálem na vnitřní straně okna.

Z provozu byly získány další poznatky.
Naprogramované pulzy z modulu NEO-7 jdou dost nepravidelně, výsledkem je kolísání výstupního kmitočtu kolem normálové frekvence. Občas dochází k výpadkům signálu GPS, kdy se přístroj přepne do autonomního režimu daného místním oscilátorem. Obnovení signálu způsobí skok ve fázi signálu, což je velmi nepříjemné, pokud chceme využívat přesnosti signálu. Uváděnou přesnost 10^-10 tímto přístrojem proto nelze dosáhnout ani teoreticky. Proto stačí použití hradla XOR i s jeho nedostatky jako fázový detektor místo náročného diodového kruhového detektoru. Vliv rozptylu šíření vln z družic k přístroji lze v tomto případě zanedbat v porovnání s vlastními odchylkami přístroje.