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time nuttery – parte 1

Nel corso degli ultimi anni ho presentato qualche progetto inerente il mondo del timekeeping. In particolare ho “messo insieme” un po’ di pezzi per dare una dignitosa “casa” ad un oscillatore Bulova (estratto da un vecchio strumento di misura) ed a due GPSDO che sono stati corredati di antenna esterna (sul tetto dell’ufficio). Il tutto è corredato da un counter HP 53131A e da tonnellate di bit letti sulla mailing list dei time-nuts e siti correlati.

Nell’ultimo mese à nata l’esigenza di tenere un breve seminario sul timekeeping, materia che ho un po’ abbandonato (nella pratica) perchè mi sono dedicato molto al networking. L’occasione è stata quindi ghiotta per rispolverare un po’ di apparati e per cercare di fare qualche misura (almeno di noise floor) da discutere in mailing list. Detto questo ho riavviato ed aggiornato la VM che ospita il “windows 10 delle misure” e che è collegata all’adattore GPIB/USB. Questo approccio garantisce che la macchina possa fare misure anche per giorni, senza essere disturbata da altri eventi, essendo ospitata su una WS piuttosto potente e protetta da UPS.

Vista la scarsità di tempo a disposizione ho riesumato TimeLab (arrivato alla versione 1.7F) ed ho cercato un modo per fare la misura i Noise Floor. Ovviamente, il punto di partenza è stata la mailing list ed i siti correlati, nei quali ho navigato in lungo ed in largo senza trovare una soluzione al mio problema: come fare?

Primo test – Nel tempo
Per effettuare questo test, che dovrebbe essere una valutazione del noise-floor dell’apparato, mi sono attrezzato in questo modo. Da un GPSDO ho prelevato l’uscita PPS e l’ho inviata ad uno splitter coassiale. Una uscita dello splitter (cavo corto) alimenta il canale 1, mentre l’altra uscita dello splitter (con cavo “lungo”), alimenta l’ingresso 2.

La prima misurazione importante la ho fatta con una configurazione degli ingressi che si è rivelata perfettibile. Parlandone su “time-nuts” è venuto fuori che era possibile lavorare un po’ sui trigger per ottimizzare le prestazioni, cosa che ho fatto dopo avere analizzato il segnale con l’oscilloscopio.

Il sistema è meglio se lavora con impedenza adattata, quindi ho terminato i canali dell’oscilloscopio a 50ohm e visto il segnale di uscita dal GPSDO. Il segnale è piuttosto “rapido” nel fronte di salita ed ha una ampiezza un po’ bassina: siamo poco sopra i 600mV su 50ohm.

PPS

Mettendo a confronto entrambi i canali, è possibile determinare il ritardo introdotto dalla linea coassiale:

Uscite dal power splitter – Lunghezza differente del cavo

Siamo circa a 20ns, valore molto superiore ai 500ps di jitter (dichiarati) dal counter.

Gli ingressi sono configurati con “auto trigger OFF” e livello 0.3V. Tutti gli altri parametri sono lasciati ai valori di default, tranne l’impedenza fissata a 50ohm. Il counter ‘ configurato in modalità “time interval” e “T1 to T2”. In questo modo il segnale sul canale 1 triggera uno start, mentre quello sul canale 2 uno stop. La lettura del counter è in microsecondi ed è coerente con quanto misurato dall’oscilloscopio (circa 20ns).
In questa configurazione il jitter della sorgente non influenza la misura in quanto interessa entrambi gli ingressi. Eventuali sorgenti di rumore devono essere interne allo strumento.

Ho eseguito una serie piuttosto lunga di misure, tutte in modalità “Time Interval” usando TimeLab ed un calcolatore (VM) collegato in GPIB al counter. Ad ogni misurazione (lunga 1000s) ho variato di 0.1 il valore del trigger. I risultati sono stati molto interessanti:

ADEV con differenti valori di trigger sullo strumento

La figura mostra che, seppur minime, ci sono delle differenze nel comportamento dello strumento al variare della tensione di trigger.

sigma(tau)/trigger in V0.10.20.30.40.5
1 secondo6.88E-107.05E-107.00E-107.14E-107.28E-10
10 secondi7.05E-117.07E-117.03E-116.89E-117.40E-11
100 secondi7.70E-127.95E-128.80E-127.59E-127.68E-12

I valori migliori (edited) si ottengono per valori di trigger bassi, visto che con 0.5V si ha 0.4E-10 in più. La pendenza della curva indica la presenza di rumore bianco o flicker (PM) (pendenza “-1”). La visualizzazione della MDEV, dovrebbe aiutare a discernere il “white PM noise”, solo che faccio un po’ fatica ad identificarlo. Devo lavorarci.

ADEV – 12 ore -PPS
MDEV -12 ore -PPS

Qualche considerazione POST MISURA:
– serve un convertitore 10MHz -> PPS. TAPR ne vende di ottimi ma costano un sacco le spese di spedizione in Italia (oltre 80 dollari). Cercherò di acquistarlo quando e se andremo in USA ad anno nuovo;
– in prima battuta vorrei usare il picdiv di Tom Van Baak ed il picpet per imparare a fare qualche misura decente con TimeLab e Stable32. S’è anche un ottimo progettino su github che varrebbe la pena di approfondire.
– ci sono un sacco di picchi che sono dovuti al crosstalk. Occorre assolutamente investire in qualche cavetto “decente” a doppia schermatura. Altrimenti compaiono questi artefatti che non sono piacevoli.

Riferimenti:

Best counter setting for ADEV? – Time-nuts ML Oct 1 2012
Recommended parameters for Timelab ADEV analysis – Time-nuts ML Nov 15 2012
Measuring ADEV for a beginner – Time-nuts ML Nov 1 2014
TimeLab – Manuale uso

GPSDO: finalmente stabile

Quasi una settimana di utilizzo dei due GPSDO, tempo di fare qualche considerazione “a caldo”:
1- L’interfacciamento dei due dispositivi con il calcolatore mi ha fatto penare. Avevo preso un convertitore USB seriale su PCB, ma è risultato “non funzionante”, pertanto ho dovuto optare per la classica “frusta” USB-RS232.
2- Devo modificare il circuito di alimentazione: un solo LM317 è poco e la temperatura che raggiunge il dispositivo è decisamente alta. Meglio usarne due in parallelo e montarli sui dissipatori in alluminio che la scatola prevede, possibilmente uno per lato.
3- Il “trimble” viene “digerito” da Linux senza problemi e Lady Heather ne mostra i (pochi) parametri in modo immediato. Più complesso collegare il Samsung: ho dovuto usare un artificio. Esportare la seriale /dev/ttyUSB1 in rete con ser2net e poi collegare Lady Heater via IP:
ser2net -C 3202:raw:0:/dev/ttyUSB1:57600 -l
sudo ./heather -tz=UTC -ip=192.168.1xx.yy:3202
La mia impressione è che il software e l’hardware non si accordino sulla velocità dell’interfaccia.
4- Il Trimble mostra tutta la sua età: stabilizza poco il PPS e ha un valore di TFOM pari a 4. Considerata l’età è tanto che ancora funzioni bene.
5- Adesso che tutto funziona… vorrei uno splitter GPS a 4 porte ed un ThunderBolt da mettere a sistema, per vedere se le performances che promette (e di cui tutti parlano) sono reali.

Sistema funzionante e settato.

Dallo screenshot si nota come, a parità di antenna, cavo e condizioni “al contorno”, i due sistemi rilevino una posizione leggermente differente:
Trimble:
Latitudine: 43.5866217 N – Longitudine: 13.5170019 E- Altezza: 224.19m
Samsung:
Latitudine: 43.5866175 N – Longitudine: 13.5170086 E- Altezza:223.89m
La differenza di altezza è di 30cm, la distanza è di 71.5 cm. In pratica il Trimble è “in alto a sinistra” rispetto al Samsung.

Immagine del setup completamente operativo

Con l’occasione ho riacceso il counter HP 53131A ed il mio EIP 350, almeno si sono un po’ riscaldati. Mi sono divertito a calcolare la deviazione standard del rapporto tra gli intervalli del segnale PPS. IL conteggio è stato fatto su 10k secondi ed ha mostrato un valore molto interessante: 1.09uS.

Valore della deviazione standard del rapporto tra i periodi PPS.

Notare come sia comparso un altro giocattolo: un vecchissimo counter HP 5315B trovato nello scatolone dei cespiti (monnezza). Lo ho accesso a vita persa ed ha funzionato subito. Sicuramente è possibile rimetterlo in riga ed ho trovato un interessante articolo per dotarlo di un ingresso 10MHz esterno. Ne riparleremo.

GPSDO: finalmente uno screenshot!

Il primo GPSDO, marcato Trimble e modello 57963-08 lo ho acquistato su Ebay nel 2015. Poi è rimasto nel cassetto fino al 2017, anno in cui lo ho alimentato e ho scoperto che senza antenna sul tetto non avrei combinato nulla.
Durante questi anni, ho continuato a leggere la mailing list di “time-nuts“, convincendomi che non avrei mai avuto un oscillatore al Rubidio e quindi era meglio affrettare i lavori del GPSDO. Sono quindi “nati” i due apparati: il primo contiene il vecchio Trimble e l’altro una unità Samsung basata su Ublox Lea-6T.
Nel 2021 sono finalmente riuscito ad installare l’antenna sul tetto del mio ufficio e ieri, dopo ben 6 anni dal primo acquisto, ho accesso il GPSDO collegandolo alla sua antenna. Non nascondo che mi sono emozionato nel constatare che:
– non ha funzionato nulla, la scheda era non raggiungibile (fixed, connettore invertito);
– non c’è stato verso di effettuare un lock ( dopo una interminabile sequenza di comandi, ho dato un SYSTem:PRESet e tutto ha iniziato a filare liscio);
– l’adattatore USB seriale preso su Ebay non funziona (MAx2323 bruciato);

Alla fine, solo questa mattina sono riuscito a collegare le seriali alla nuova WorkStation ed a godermi Lady Heather. Rimangono molte cose da fare:
– monitoraggio nel lungo periodo del funzionamento elettrico;
– ripristino della connessione seriale;
– richiudere i contenitori;
– monitoraggio delle forme d’onda in uscita;
– misure, misure, misure;
– godersi lo spettacolo.

Screenshot in ambiente linux dei sistemi GPSDO in fase di settling.

TimeLab – Step 2

Finito di litigare con l’oscillatore Bulova, di cui ho parlato in un precedente articolo, è il momento di pensare a qualche cosa di nuovo. Il problema del Bulova è che, vista l’età, avrà sicuramente subito un po’ di effetti dell’età. Per verificarli mi serve un buon riferimento in frequenza, che sia giovane, stabile sul lungo periodo ed economico.
Con questo ultimo aggettivo, scarto a priori tutto il mondo dei riferimenti al rubidio ed al cesio. Rimane solo una strada: il GPSDO.

Tanti, anzi tantissimi anni fa, ho acquistato un GPSDO Trimble 57693-B, caratterizzato da un oscillatore OCXO della Trimble ed un ricevitore GPS. Qualche informazione su questo GPSDO si trova in questi siti:
Tipok.org.ua
– Febo.com diversi contributi: primo secondo
EEvblog

Avevo provato il GPSDO con una “scrausissima” antenna dalla finestra dell’ufficio, ottenendo un risultato pessimo: non aggancia satelliti. Adesso ho dato una scatola ed una alimentazione stabile al sistema e sono pronto a collegare l’antenna sul tetto, appena mi monteranno un palo per fissarla.

Descrizione dell’oscillatore, da sinistra verso destra.
Trasformatore di alimentazione da 30VA, 2 secondari da 9V in parallelo. La tensione al primario arriva da un filtro di rete. La tensione di secondario passa per un ponte raddrizzatore da 25A e quindi arriva ad un blocco di elettrolitici da 10000uF. Ho messo un resistore da 1Mohm per agevolare la scarica dei condensatori. Il blocco del regolatore è realizzato con un LM317, fissato alla scatola metallica. La tensione di 6V arriva al GPSDO attraverso un fusibile ed un interruttore.
La board è interfacciata verso l’esterno con una seriale e con i cavi coassiali per l’ingresso dell’antenna e le uscite a 10MHz e 1PPS.
Attraverso la seriale è possibile dialogare con il micro per leggere lo stato del sistema ed, eventualmente, interfacciarlo con programmi tipo Lady Hater (e sue successive variazioni).

Qualche considerazione:
– non ho usato un regolatore di tensione a basso rumore in quanto, a bordo della board ne è installato uno “noisy” e non penso che valga la pena di modificare la board ulteriormente;
– la lana sotto alla board è messa non certo per motivi termici, ma per motivi di isolamento dalle vibrazioni;
– per fare un buon isolamento dai disturbi radioelettrici occorrerebbe mettere anche degli schermi interni, che attualmente non posso inserire;
– il case è stato preso su ebay, da un fondo di magazzino ex “Nuova Elettronica”, ha dei bei dissipatori ed è fatto molto bene.

Notare la maestosa qualità e pulizia del pannello frontale:
– presenza di tensione prima del fusibile;
– presenza di tensione sulla board;
– led “activity”, estratto dalla board;
– led “alarm”, estratto dalla board.
– interfaccia seriale DB9.
L’interruttore di alimentazione main è sul pannello posteriore, idem quello di bassa tensione. Tutto quello che è sul pannello posteriore non viene attuato in modo involontario!

Funziona tutto. Manca solo l’antenna (ho chiesto l’installazione più di 2 anni fa…).

GPSDO quanti grattacapi!

Qualche anno fà ho acquistato una scheda Trimble 57964-15, oscillatore quarzato associato ad un ricevitore GPS. La schedina è molto interessante dal punto di vista elettrico, minimalista e molto compatta. Ha 2 uscite: segnale sinusoidale a 10MHz e PPS.

Il vero problema di questa scheda è farla funzionare nel mio ufficio (ovvero dove ho tutta la strumentazione che necessita di essere sincronizzata). Da mio ufficio io vedo pochissimo cielo e sono orientato ad OVEST.

Il povero ricevitore GPS riesce quindi a tracciare pochissimi satelliti contemporaneamente, il massimo raggiunto con notevoli sforzi è stato 4. Questo porta inevitabilmente ad un degrado delle prestazioni del sistema che non riesce ad attivare il PLL.

Leggendo in rete ho trovato che:

I think that most probably your GPSDO board didn’t finished selfsurvay mode which is signalized by fast flashing green LED. My board 57964-05 sends 10us pulse on the connector in
tracking mode. The full operati ng mode requires at least 10-15mins to get a PPS
output with good GPS signal (better forget about using indoor or window located antenna).
You can check the mode u sing terminal connected to J5 pins (57600,N,8,1) typing one of these commands:

trimble is marginally better than the lucent, but still pretty helpless with a puck antenna in a window with full view of the sky. the oscilloquartz star4 with the same antenna in the same location absolutely obliterates them both in terms of gps sensitivity and lock

Insomma… serve cielo! Bisogna che mi inventi qualche cosa per ottenere una migliore visione dei satelliti. Certo che mettere una antennina sul tetto….