Trimble ThunderBolt

10MHz 基準周波数発生器の製作

2009年10月10日、GPS (Global Positioning System：全地球測位システム) 時刻を校正クロックとする 10MHz 基準周波数発生器を製作しました。

GPS 衛星からは GPS 時刻という超正確な時刻情報が発信されており、GPS 衛星に搭載されている原子時計の精度とほぼ一致します。 この GPS 時刻から得られる 1PPS (1秒間に1個のパルス信号) も同じ精度があります。

正確な 10MHz OCVCXO (Oven-Controlled Voltage-Controlled X'tal Oscillator：恒温槽付電圧制御水晶発振器) を準備し、これを 1PPS で PLL ロックすると GPS クロックの精度と同等の 10MHz 信号が作成できます。 この原理を使った業務機用マスタークロックシステムは超高価で、安いものでも２百万円はします。

高精度な OCVCXO を製作するのはアマチュアでは困難です。 そこで Trimble ThunderBolt という OCVCXO 付の業務機用 GPS 同期 10MHz 発振器の中古を入手しました。 ThunderBolt は中国の携帯電話の基地局で使われていたようで、システム更新時期となった2008年秋頃から大量に中古市場に出回っています。

超正確なマスタークロックがなぜ必要なの？ は愚問です。
業務用デジタルオーディオシステムなどのプロ用機器の世界では、同期を正確に取るために高精度基準クロック（マスタークロック）が必要です。 誤差や変動のある周波数でサンプリングすると録音と再生のピッチが狂ってしまいます。 プロスタジオには必ずこのようなマスタークロックシステムが設置されているはずです。

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主要部品

1. Trimble ThunderBolt
   
   
   • GPS の 1PPS 信号で OCVCXO を制御して 1.16×10^-12/日 の精度を誇る 10MHz 基準発振器です。
     
     
   • ファームウェアは Version 3.0 となっていました。
     
     
   • 以下の付属品が添付されていました。
     
     
     1. 電源コネクタ
     2. BNC-J/F-P 変換コネクタ
     3. RS-232C ケーブル (1.8m)
     4. 英文取説などが入った CD-ROM
     
     
   • メイン部の外寸は 103(W)×27(H)×130(D)mm とかなり小型です。 左右の取りつけツバの部分まで入れると 126(W)mm です。
     
     
   • 写真の前部にあるコネクタは左から [ANT] [10MHz] [1PPS] [RS-232C] です。
     
     
     • [ANT] は F 型で +5V 系のアクティブ GPS アンテナを接続します。
       
       
       • この F 型というのが特殊で、自動車用 GPS アンテナに多い 1.5DV-2C 同軸ケーブルに適合する F プラグを見つけることができませんでした。
         
         
       • どうしても [BNC-J/F-P 変換コネクタ] を使わざるをえないです。
         
         
     • [10MHz] [1PPS] は BNC 型で出力です。
       
       
     • [RS-232C] は 9pin メス型でパソコンのシリアルコネクタと接続します。 伝文は Trimble 独自のバイナリ形式の TSIP (Trimble Standard Interface Protocol) で、9600bps, 8bit, No-parity, 1-stop bit です。
       
       
   • 写真の後部にある黒いコネクタに電源供給します。 コネクタのピン配列は以下です。
     
     
     • 最後部側が 1pin で手前が 6pin です。
       
       
     • +5V, +12V, -12V の３電圧が必要なので少々やっかいです。
       
       

     Pin No.	電圧	定常電流 (実測)	ウォームアップ電流 (実測)	Trimble スペック 最大電流
     1	+12V	160mA	530mA	750mA
     2	GND	-	-	-
     3 4	+5V	260mA	260mA	400mA
     5	GND	-	-	-
     6	-12V	3mA	3mA	10mA

     
     
   • ThunderBolt の構成は右図です。
     
     
     • 10MHz OCXO 出力と 1PPS 信号を位相比較して比較デジタル値を得ます。
       
       
     • 比較デジタル値を D/A 変換でアナログ電圧値にして 10MHz OCXO にフィードバックします。
       
       
     • このフィードバックループで 10MHz OCXO 出力を GPS 同期するのです。
       
       
2. 電源ボード
   
   
   • ThunderBolt の電源として十分過ぎるスペックのスイッチング電源です。 アキバの ラブロス で美品の中古が525円でした。
     
     
   • 外寸が 100(W)×30(H)×75(D)mm と ThunderBolt の上にチョコンと載る大きさです。
     
     
   • 写真の右側のコネクタが DC 出力で、一番上が 1pin です。 ピン配列は以下です。
     
     

     Pin No.	出力電圧	出力電流
     1	+12V	2A
     2 3	+5V	3A
     4 5	GND	-
     6	-12V	0.5A

     
     
   • 写真の左側のコネクタが AC 入力で、一番下が 1pin です。 ピン配列は以下です。
     
     

     Pin No.	入力電圧	最大電流
     1～2	AC100～240V	1A
     3	GND	-

     
     
   • 接続ケーブルが付属していたのがミソです。 器用な私はコネクタハウジングからピンを取り出し、圧着部分を緩めてケーブル芯線を上手に外して再利用しました。 ハイ！
     
     
   • 裸状態のため、感電の危険性があり、ケースに組み込む必要があります。 スイッチング電源なので、周辺へのノイズ発散の影響を考えると金属ケースに入れるのが最良です。
     
     
3. ケース
   
   
   • アキバのケース専門店 エスエス無線 で LEAD PS-13 を購入しました。 外寸 130(W)×80(H)×180(D)mm と割と小型です。 1,155円で安い！
     
     
   • ThunderBolt にピッタリ！ で、ThunderBolt の横幅 (126mm) に対し、PS-3 の内寸は 126.4mm と 0.4mm の差しかありません。 ThunderBolt を内蔵すると PS-13 に付属のゴム脚が使えなくなるため、100円ショップで売っている粘着ゴム脚を使いました。
     
     
   • 今回製作したような基準周波数発生器は、一旦電源を入れると精度を上げるため、24時間連続運転することが多くなります。 この場合、考慮すべきは熱の問題です。 PS-13 は放熱穴が開いているので長時間の使用にも大丈夫です。
     
     
   • このような安い金属ケースは、安いなりにフロントパネル／リアパネルの強度が少々足りません。 対策はアルミ L 柱材でフロント～リア上部間を連結して補強するとよいです。 今回は ThunderBolt のパネル部をそのまま出すようにしたので、特に補強しませんでした。
     
     
4. 小物
   
   
   • ThunderBolt の上に電源基板を固定するのに TAKACHI T-600 ボスを使います。
     
     
   • 脚の粘着部でペタンと貼るだけですから、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。 たしか1個60円だったと思います。
     
     

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製作しました

1. 製作したと言っても ThunderBolt と電源ボードの配線をしただけです。 たったこれだけです。
   
   
2. 電源ボードは T-600 ボスを ThunderBolt の上に4個貼り付け、そのネジ穴にネジ止めしてあります。 本当は T-600 ボスを電源ボードに先にネジ止めし、次にそのまま ThunderBolt に貼り付けました。 こうすれば、電源ボードとボスの位置合わせは必ず成功します。
   
   
3. ケースの加工は「ThunderBolt のコネクタ用の長方形穴」「AC100V 電源コードの丸穴」の2個の穴を開けただけです。 丸穴はドリルとリーマで、長方形穴はハンドニブラで加工しました。 ハンドニブラを握るのは10年ぶりくらいかな？
   
   
4. 最初は 10MHz 出力の分配器を入れようかと思いましたが、こうすると、せっかく ThunderBolt が備えているコネクタ類がケース内部で無駄になってしまいます。 で、ThunderBolt のコネクタ類をそのままパネルに出すことにしました。
   
   
5. 電源スイッチとパイロットランプはどうしよう ・・・ などと考えましたが、こういう基準器は電源を入れたら長時間切ることは考えられません。 従って、必要性がないので何にも追加しませんでした。
   
   

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屋外 GPS アンテナの製作と設置

1. 主要部品
   
   
   • カーナビの Panasonic CN-DV2000VD に付属していた中古 GPS アンテナです。 330円でした。
     
     
   • 接続プラグをアキバの 千石 で買った 1.5D-2V 用の BNC プラグに交換しました。 330円でした。
     
     
   • +5V 系アクティブ GPS アンテナです。 底にマグネットが付いています。
     
     
   • 同軸ケーブルの長さが 5m あって柔らかいので配線しやすいです。
     
     
2. 屋外設置のための主な部品
   
   上記の GPS アンテナは自動車の屋根に設置するタイプなので、元々防水性があると思いますが、じっくり構造をチェックすると防水の面でイマイチ心配です。 固定アンテナは 雨ニモマケズ・風ニモマケズ ノーメンテナンスで動いてほしいです。 一度設置したら手間がかからないのがよいです。
   
   
   • 防水性を確保するために、100円ショップのダイソーで2個105円で売っている サンコープラスチック P-1 というフレッシュパックをアンテナカバーとして使いました。
     
     
     • 一般にはタッパーとかタッパーウェアと呼ばれる容器です。 材質はポリプロプレンで柔らかく加工が楽。 耐熱性は -20～+120℃ と十分です。
       
       
     • ケースの上下を逆で使います。
       
       
   • アンテナ支柱とフレッシュパックの結合部品にはホームセンターで売っている 矢崎化工 の イレクター を使いました。 パイプ H-600 (直径28mm×長さ600mm) とジョイント J-103 です。
     
     
     • H-600 はプラスチックコーティングされているので耐水性があります。 210円でした。
       
       
     • J-103 はフレッシュパック同様、上下逆で使います。 センターに穴をあけると GPS アンテナの同軸ケーブルが H-600 の中を通せると、具合が良いです。 68円でした。
       
       
3. 屋外設置しました
   
   
   • アンテナをどこに設置すべきか・・・それもお手軽に・・・と探すと２階のベランダが良さそうと思いました。 具合が良いことにベランダルーフのサイドに４本のボルトが出ています。
     
     
   • ベランダルーフのサイドのボルトで強度を持たせるためには４本のボルト全てを有効に使う必要があります。 このためにサイズ 600(W)×120(H)×14(D)mm の当木を使いました。 317円でした。 ベランダルーフと色合いを合わせるためと耐水性を上げるために黒のアクリル塗料で塗装しました。
     
     
   • 防水性が必要な箇所はブチルゴムテープとバスボンドで養生しました。 ブチルゴムテープは時間と共にお互いに溶着して防水性が確保できます。
     
     
   • 全ての部品を一旦、当木に組み立てて周到に準備しました。 そうして、ワイフがお買い物に出かけた僅かな時間にベランダルーフに取り付けました。 なかなか良い出来でしょ！！！
     
     
   • それほど目立たないのか、ワイフはいつの間にかアンテナが設置されたことに気付いていません。 事前に相談すると反対するのに決まっていますから、コッソリやるしかないのです。 敵は家の中にあり
     
     

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サポートソフト

• Thunderbolt Monitor
  
  
  1. Trimble 社より Tboltmon.exe というモニタ＆設定ユーティリティソフトが提供されています。 インストール不要でアイコンをクリックすると即動作します。 動作環境は以下です。
     
     
     • Windows パソコン
     • パソコン側にシリアルポートまたは USB－シリアル変換器が必要
     • ThunderBolt とはシリアル (RS-232C) で接続
     
     
  2. ThunderBolt の動作状況や GPS 衛星との位相ロック状況などがパソコンに表示できます。 また、ThunderBolt に種々の設定をすることができます。
     
     
  3. 右の画像は、実際に Tboltmon を使って ThunderBolt の動作状況をモニタしたものです
     
     
     • Disciplining Status 項の [Mode : (0) Normal] [Activity : (0) Phase Locking] となればロック完了です。
       
       
     • GPS 衛星を8個（フル）捕捉しており、1PPS 出力は GPS 時間と 1.46ns のオフセットでロックしており、10MHz 出力の精度が 0.00ppb ですから 10^-12 台であることが判ります。
       
       
  4. 完全に GPS との同期が完了しても [Stored Position] というマイナーアラームが残ることがあります。
     
     
     1. この解消には [Setup]-[Self-survey ...] 画面を開いて、以下の設定をします。
        
        
        [Self-Survey] = Enable, [Save Position Flag] = Save
        
        
     2. こうすると、Self-Survey 後に Stored Position してくれ、このアラームは消えます。
        
        
     3. この設定をすると [Position] 項の緯度・経度・高度が固定化されます。 GPS アンテナを移動した時は [Control]-[Restart Self-Survey] を実行すると、新しい場所の位置情報が設定できます。
        
        
  5. Tboltmon のドキュメントがないので、イマイチこのソフトの詳細な使い方が判りません。 試行錯誤で以下のメニューを纏めてみました。 Tboltmon の使い方メモ も参考になります。
     
     
     1. ThunderBolt の各モードについて
        
        設定メニューを理解するために、ThunderBolt の各モードと遷移を知る必要があります。 右図がモード遷移図です。
        
        
        1. 電源 ON や Warm Reset, Cold Reset で、[Power-Up] モードに入ります。
           
           
        2. [Power-Up] モードの状態から Self-Survey して十分な GPS 測位が出来るようになると [Normal] モードに移行します。 このモードが通常使用する状態で、10MHz 出力を GPS 校正しています。
           
           
        3. [Normal] モードの状態から電波障害などで GPS 測位ができなくなると [Recovery] モードに移行し、GPS 測位回復を待ちます。
           
           
        4. 以上のモードの他に [Holdover] モードがあります。 このモードは GPS 校正なしで 10MHz 出力している状態です。 [Normal] モードまたは [Recovery] モードからコマンド発行（手動）でこのモードに移行します。
           
           
        5. [Holdover] モードから抜けるにはコマンド発行（手動）が必要で、必ず [Recovery] モードを経由して [Normal] モードに戻ります。
           
           
     2. Control メニュー
        
        

        項目	内容
        Enable Disciplining	GPS による周波数校正を有効にします。
        Disable Disciplining	GPS による周波数校正を無効にします。
        Oscillator Control Voltage ...	OCVCXO の制御電圧と DAC 制御値を設定します。
        Place PPS	Place PPS on time (jam sync) コマンドを実行します。
        Fast Recovery	Fast Recovery コマンドを実行します。
        Enter Manual Holdover	Holdover モードに移行します。
        Leave Manual Holdover	Holdover モードを抜け出し Recovery モードに移行します。
        Restart Self-Survey	Self-Survey を開始します。
        Warm Reset	ウォームリセットしてリスタートします。
        Cold Reset	電源 ON 時の状態に戻してリスタートします。
        Factory Reset	EEPROM の設定値を工場出荷時の状態に初期化してリスタートします。

        
        
     3. Setup メニュー
        
        

        項目	内容
        GPS Receiver ...	受信モードなどを設定できます。
        Serial Communications ...	RS-232C 端子の動作モードを設定できます。通常は 9600, 8-N-1 とします。
        Timing Outputs ...	①PPS 出力：「タイミングエッジを立ち上がり／立下り」「PPS 出力の有効／無効」を設定できます。 ②10MHz 出力：「タイミングエッジを立ち上がり／立下り」を設定できます。 ③[Date/Time Report] を [UTC] にすると UTC 時刻を出力します。（GPS 時刻＝UTC 時刻＋15秒）
        Self-Survey ...	①[Self-Survey]=Enable, [Save Position Flag]=Save にしておくと、Self-Survey 後に Stored Position 　してくれます。 ②一旦 Stored Position されると、電源 ON 時の Self-Survey は実行されなくなるので、Self-Survey 　したい時は [Control] メニューから [Restart Self-Survey] を実行します。 ③デフォールトでは [Survey Length]=2000 なので2,000回測位しますが、200くらいでよいと思います。
        Position ...	デフォールトの緯度, 経度, 高度をマニュアル設定 (Stored Position) できます。
        Packet Masks and Options ...	RS-232C に流れるパケットのマスクやその他の設定ができます。
        Disciplining ...	GPS 校正のパラメータ他を設定できます。
        Save All Segments	設定変更した全てのパラメータを EEPROM に書き込みます。 以後はこの書き込みされたパラメータがデフォールト値になります。
        Default All Segments	設定変更したパラメータをデフォールト値に戻します。Save Segment されたパラメータ値に戻るだけで 工場出荷時のパラメータ値に戻る訳ではありません。

        
        
• Lady Heather's Disciplined Oscillator Control Program
  
  
  1. Lady Heather KE5FX 3.00 bata です。
     
     
  2. まだ使い始めたばかりで、全然理解できていません。 とりあえずの紹介です。
     
     
  3. GPS のロック状態をビジュアルに時間経過表示できるようです。
     
     

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使ってみました

1. 右の写真がフロントパネルです ・・・ と言っても何にも取り付けていないのでノッペラボウです。
   
   
2. OCVCXO を使っているので、高精度を得るにはオーブンが十分温まる時間や制御電圧が安定するウォーミングアップ時間が必要です。
   
   
   1. 電源 ON 5分で 10^-9 以上の精度になりました。 この精度があれば ADVANTEST TR5822 などの8桁周波数カウンタの基準クロックとして十分使えます。 この時点ではまだ OCVCXO の温度が上昇中で安定していません。
      
      
   2. 電源 ON 1時間で 5×10^-11 程度の精度になりました。 この辺りが ThunderBolt の短期精度と思います。 OCVCXO のオーブン温度は35～40℃程度になります。
      
      
      • スペックの [1.16×10^-12/日] の精度というのは、おそらく、この状態での1日の平均値と思います。 過度の期待は禁物です。
        
        
      • しかしながら、10^-11 台の短期精度であってもアマチュアには必要十分な超高精度です。
        
        
   3. 「サポートソフト」で書いた [Stored Position] 設定しておくと、2の状態になる時間を大幅短縮できます
      
      
      • Self-Survey が不要になるので、数分でロック完了します。 ただし、OCVCXO のオーブン温度が十分上がっていないと精度が出るのに更に時間がかかります。 ThunderBolt の電源が瞬断したケースではすぐに精度が出ます。
        
        
      • 同時に GPS 衛星捕捉3個でもロックできるようになります。 [Stored Position] 設定していないと GPS 衛星捕捉4個必要です。
        
        
      • GPS アンテナ位置を固定して使うなら、[Stored Position] 設定しておくのがお奨めです。
        
        
3. 右の写真が実際に使っている状態です。
   
   
   • ThunderBolt では通電中は常時 10W 程度電力消費するので、ケースの上側がホンノリ温かくなります。
     
     
   • 我が家も遂に マスタークロック を手に入れました。 放送局と変わらない高精度クロックです。
     
     
4. その他
   
   
   • 10MHz 出力を分配したいことがあると思います
     
     
     • この時はテレビ用のアンテナ分配器を使っても、ほぼ問題ないと思います。 50Ω用の分配器は高価です。
       
       
     • 10MHz 出力インピーダンス50Ω、テレビ用分配器インピーダンス75Ωとアンマッチングになりますが、SWR 1.5 なので、分配用途では無視できる範囲です。
       
       
   • 周波数カウンタの基準クロックに使う
     
     
     • ThunderBolt の 10MHz 周波数精度なら ADVANTEST TR5822 などの周波数カウンタの校正には十分すぎる確度です。 しかし、いくら校正しても周波数カウンタ内蔵発振器の精度は ThunderBolt に及びません。
       
       
     • そこで、周波数カウンタの基準クロック入力に ThunderBolt の 10MHz をそのまま入力するのです。 こうすると周波数カウンタが GPS の原子時計精度になります。 安い周波数カウンタが超高級品に化けます。 例えば、 ADVANTEST TR5822 なら8桁全ての計測数字が信頼できるようになります。
       
       

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ドキュメント

• Catalog
• Manual Version 3.0
• User Guide Version 5.0

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