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ダイソーの 3.4A USB充電器 (500円) の特性測定

ダイソーの 3.4A のUSB充電器を買ってきたので、例によって特性などを調べてみました。

▼ダイソーの 3.4A USB充電器
ダイソー3.4A USB充電器
ダイソーでは高額商品となる500円です。3.4A と言っても2.4A + 1A の2口出力で、自動判別機能という知らない機能が付いています。

▼メーカーの仕様表示
ダイソー3.4AUSB充電器
型番 G208、テラ・インターナショナル製、入力100-240V/0.5A、出力 5V/3.4A、当然ですがPSEマーク付きです。

▼出力コネクタ
ダイソー3.4A(500円)充電器
モールドの文字の凹みに細い油性ペンで2.4A/1.0Aと書き込むと見易くなりました。

一番の関心事は出力電流とリップルです。昔のダイソーのUSB充電器は0.5Aすらまともに出ない物があったので、ちょっと警戒しちゃいます。

きちんと特性を調べるために、自作の電子負荷を使って電流/電圧委特性を測定してみました。

▼特性測定
出力特性測定
測定用のUSB-Aコネクタで接続しました。電圧は出来るだけ電源に近い位置から引き出し、電圧降下の影響が最小になるようにしています。

左下に写っている白いケーブルは、USBコネクタの先に5Ω(10//10Ω)のセメント抵抗を付けたもので、これを挿すと約1Aの負荷になります。

測定した結果ですが、ポートは二つありますが、合計電流が約3.4Aでリミッタが働くようになっていました。つまり、片側のコネクタから3.4Aを取り出せば、残りのコネクタから取り出せる電流はゼロになります。実は容量が2.4Aと1.0AのDCDCコンバーターが別々に入っているかと思っていたのですが、そうではありませんでした。まあ、こうなっている方が電子工作であれこれやりたい時に便利です。

▼電流測定
電流測定
USB電源チェッカーを使っても良いのですが、電流測定は0.1Ωのシャント抵抗の電圧降下をこのDMMで測定しました。なお、3.4Aも流すとシャント抵抗で1Wくらい発熱するので注意が必要です。

▼特性測定結果
出力電流電圧特性
最大負荷まで電圧が一定値(約5.1V)を維持していてすばらしい特性です。回路と実装設計がうまく出来てないとこうはいかないと思います。

▼無負荷時リップル
無負荷時リップル
P-Pで70mVくらい(スパイク含む)。スイッチング周波数16.6kHzなので若い人なら音が聴こえるかも。

▼100%負荷時のリップル
全負荷時リップル
P-Pで170mVくらい(スパイク含む)。スイッチング周波数は70kHzくらいまで上がっています。

微小な信号を扱う回路で無ければ問題無いレベルだと思います。

▼温度上昇測定
温度測定
フルパワーで動かすとケースが温かくなるので熱電対で表面温度を測ったところ、最大で60℃くらいまで温度が上がっていました。室温は25℃だったので、Δt =35℃です。真夏だとちょっとヤバイかも知れません。

▼USBの各端子の電圧
以上の測定結果から、電源としての素性はなかなか良さそうです。あと判っていないのは、この充電器の売りの「自動判別機能」という機能です。たぶん iPhone や Android の違いがあっても、出来るだけ多く電流を使ってもらうように充電器が振る舞う仕掛けではないかと思います。但しポートによってその上限を変えてあるので、2.4Aと1Aで振る舞い方が違うのだと思います。

ともかくあまり良く判っていないのですが、無負荷時の端子電圧を見るくらいは出来るので測っておきました。

▼出力コネクタ周りの回路図と電圧
接続系統図と端子電圧
D+の電圧がポートによって違っていました。2つのコネクタ間でVBUSとGNDは単純にパラになっているだけだと思います。コネクタのシェルはGNDに落ちていました。あと、電源OFFの状態でピン間の抵抗を当たってみたのですが、何かのデバイスに接続されている感じで、少なくとも純抵抗ではなさそうでした。

◆まとめ
殻割りして中を見ればもっと情報が増えます。しかし、こういうAC電源を扱う物を殻割りすると、安全性が確保出来なくなるのでやらない方が良いです。もちろんそのまま捨ててしまうのなら問題ありません。

出力電流/電圧特性が極めて優秀なのには驚きました。昔のダイソーのひどいACアダプタから思うと今昔の感があります。

DC5V/3.4A のACアダプタが500円で手に入る訳で、これは魅力的な製品(部品)だと思います。少しパワーを出すようなものを作るときに重宝しそうです。

ルビジウムオシレーター (FE5680) の周波数をGPSで校正

GPSモジュール (GNSSモジュール) の u-blox M8Nを買ったので、これを使ってルビジウムオシレーターの周波数を測定し、さらに誤差の補正までやってみました。このルビジウムオシレーターの精度(確度)のチェックは2015年の2月にやったのが最後だったので、4年半ぶりの確認になります。

測定は単純で、GPSとルビジウムから出ている1秒パルス(1PPS)の位相差をユニバーサルカウンタで測定するだけです。以下、
順番に内容を見て行きます。

▼窓際にGPSモジュールを置く
GNSSレシーバーを窓際に設置
ここから同軸ケーブルで測定器が置いてある場所まで1PPS信号を送ります。

▼ルビジウムオシレーターとユニバーサルカウンター
ユニバーサルカウンタで位相差変化を測定
私の記事ではおなじみのルビジウムオシレーターとユニバーサルカウンター (アドバンテスト TR5822) です。

ユニバーサルカウンターをタイムインターバルモード (TI) に設定して、GPSとルビジウムの1PPSパルスのタイミングの差を測定します。アベレージング回数を10回にすると分解能10ns で時間差の測定が可能です。この写真は時間差が 405.27570ms であることを表示しています。

なお基準、つまり時間測定の開始信号はGPSにしています。あと、トリガ極性はプラスエッジに設定し、トリガは出来るだけ測定誤差が小さくなるような条件に設定します。

ともかく仕掛けはこれだけで簡単なのですが、高精度(高確度)の測定を行うためにはそれなりに時間がかかります。以下は、実際の測定結果です。

▼測定結果
補正前のルビジウム
これは約24時間の位相の変化グラフです。時々カウンタの値を紙に書き留める、という原始的な方法で記録しているので、測定間隔がばらばらになっています。実はこれを自動測定にしたいのですが、なかなかうまい手がありません。

グラフは右下がりになっているので、位相差は減っていく傾向です。ということはルビジウムの周波数が高いことになり、その量はグラフの傾きから判ります。

エクセルで求めた近似直線の傾きは -0.0015 となっているので、1日当たり0.0015ms、つまり1.5μsの変化となっています。この値から計算すると誤差は 1.5 e-6 / (3600 * 24) = 1.736 e-11 ということになります。以前(2015年2月)測定した時の誤差は1.4 eー11 だったので僅かに誤差は拡大しているようです。

まあこの程度ならどうでも良い範囲なのですが、せっかく値が判ったのでこれを補正してみることにします。このルビジウムオシレーターは外部からコマンドを送ることで、周波数の微調整が出来ます。最後にその調整を行ったのは2012年の6月なので、もう7年も前になります。

以下は調整の手順とその内容です。まずは書き込みのためのアダプタを引っ張り出してきます。

▼RS232C to USBインターフェイスアダプタ
RS232C to USB 変換アダプタ
ルビジウムのインターフェイスはRS232Cなのでその仕様に合ったアダプタを使います。なお、たぶんTTL(CMOS)レベルのアダプタでも強引に使えないことはありませんが、ともかくここはRS232C のアダプタを使いました。これ、ひょっとしたらもう使うことは無いかもです。

通信はバイナリーモードで行うので、それに対応した通信ソフトを用意します。私はRs232c を使っていますが今ならもっと新しいものがあると思います。

まずは確認のために現在の補正値を読み出してみます。コマンドは 2D 04 00 29 です。すると値は 762 (0x02FA)が帰ってきて以前設定した値と同じでした(当たり前ですが)、これで一安心です。

GPSとの比較測定結果から誤差は +1.736e-11 ですが、これを出力の 10Mhz に換算すると、173.6μHz 高いことになります。補正量の感度は 6.80789μHz/LSB なので、補正量は 173.6/6.80789 = 25 ということになります。つまり、周波数が高かったので 25 だけ補正量を減らせば良い、ということになります。絶対値で言うと、762 (0x02FA) だったのを 737 (0x02E1) に減らすことになります。

以下、実際に補正量の入力を行います。

▼補正量の入力(クリックで別窓に大きな図)
ルビジウムの周波数補正コマンド
2C 09 00 25 00 00 02 E1 E3 が設定コマンドです。
コマンドの意味は、最初の29が補正値書き込み命令、09 00 が全体のデーターサイズでリトルエンディアン表現のバイト数、25 がここまでのデーターのチェックサム、次の 00 00 02 E1 が 補正値でビッグエンディアン(負の値は2の補数表現)表現の値、最後のE3が補正値のチェックサムです。詳しくはFE5680のOption2のマニュアル参照ください。

▼ちゃんと設定されているか確認(クリックで別窓に大きな図)
確認
確認コマンド2D 04 00 29を送って、応答は2D 09 00 24 00 00 02 E1 E3 が返ってきました。オフセットは正しく 0x02E1 に設定されているのでうまくいったようです。

ここまでやったら確認のために再度測定します。この測定にも24時間かかります。

▼測定結果
ルビジウム補正後
傾きがほぼ水平になったので誤差の補正はうまくいっているようです。

えいやっと線を引くと、傾きはおよそ -0.2μs/Day なので、誤差は 0.2e-6 / (24 * 3600) = 2.31e-12 ということになります。つまりルビジウムオシレーターの精度(確度)を12桁まで追い込めたことになります。

◆まとめ
久しぶりにルビジウムオシレーターの校正をやってみました。以前同じことをやった時に使ったGPSモジュールと比べ、今回買った物は1PPS信号のジッタがものすごく小さくなっているので、短い時間で測定が出来て楽でした。技術の進歩をはっきりと感じることが出来て気持ち良いです。なお以前の記事のグラフと見比べるとその進歩を実感することが出来ると思います。

全く独立した系で作っている信号のタイミングが、24時間経っても 0.2μsしかズレないというのは恐るべき精度です。特に、このルビジウムオシレーターは数千円で買った物で、小さな箱なのに、電源を入れるだけでこんな精度(確度)の信号が得られる訳で、これは良い買い物でした。

この測定の最中に実はリアルタイムクロックのDS3231 の精度測定もやっていました。こっちは水晶なのでどんなに合わせ込んでもフラフラとズレて行くのですが、それはそれで興味深いデーターが取れています。近日中にご披露したいと思います。

GPS(GNSS)モジュール u-blox M8N で正確な時刻信号を作る(セットアップ編)

◆まえがき
最近の GPSレシーバーの性能はすごく良くなっているらしいので、Aliexpress からモジュールを買ってみました。なお、以下の記事ではGPSではなく GNSS と呼ぶことにします。

▼u-blox m8n 搭載モジュール GG-1802
GG-1802
値段は送料込みで$7.38です。 Aliexpress の商品のページはこちら

GNSS モジュールはいろいろな物が売られていて、どれを買えばいいのか良いか良く判りません。とりあえず今が一番旬のような雰囲気がして、購入数が多い物(とセラー)を選びました。

u-blox 社の製品名の命名ルールがよく判っていないのですが、下位の階層から書くと、ジェネレーションは m8n、チップパッケージは M8030-KTで、基板モジュール名は GG-1802という感じではないかと思います。なお基板モジュール名はTOPGNSS社の製品名だと思います。

ちなみにジェネレーションが 6 の世代だと2ドルくらいの安値で売られています。それって昔はトラ技のGPS特集でメインに解説されていて、aitendo でも2000円以上の値段が付いていたので今昔の感があります。なお、テクノロジが 8 でも単なる 8 と m8 は違うようなのですが、そのあたりがどう違うのかよく判らないです。あと現在の最新版は9です。

ともかくドローンンの普及に合わせ、高性能化、小型化、廉価化が急速に進んでいるようです。

▼GNSS モジュール到着
u-blox m8n 搭載GNSSモジュール
本物かどうか判らないですが、ともかく届きました。

▼ケースに入れた
使い易いように配線
モジュールのままでは使い難いので、USBシリアルインターフェイスを付けて、電波の反射板と一緒に小さなケースに入れました。

▼インターフェイス
u8mモジュールにシリアルアダプタを接続
右側から来ている線がGNSS モジュールからの配線です。ピンソケットを経由してシリアルインターフェイスと、1PPS信号取り出し用のBNCコネクタに振り分けました。なお、1PPS信号はポートの保護のために 1kΩの抵抗を通して引き出しました。

▼最終的な状態
同軸ケーブルを用意して準備完了
GNSS モジュールは窓際、あるいは屋外に置かないといけません。一方で 1PPPS 信号は離れた場所で使うので、両者を接続するケーブルが必要になります。そこで、2m の BNCケーブル3本をアダプタで継ぎ足し、全長6mのケーブルにして 1PPS の信号を送るようにしました。そんなことで、モジュール自体はとても小さいのですが、使う時にはかなりの量のケーブルが必要になりました。

このモジュールは u-blox 社から提供されている u-center というソフトで動作確認や設定が出来ます。実際に GNSS を受信している様子が下の画面です。

▼u-center で動作確認 (図をクリックで別窓に拡大)
u-centerの画面
全天の半分しか見通せない状態(左上のSky view参照)なのですが、衛星を20個以上捕捉出来ています。EU のガリレオ、アメリカの GPS,、日本のみちびき (QZSS)、ロシアの GLONASS を同時受信出来ていてなかなか壮観です。

ちなみに設定を変えれば中国の北斗(beiDou)の受信も出来ますが、その場合はどれか(GLONASS?)の受信が出来なくなります。

ところで、こんなにたくさんのGNSS衛星が受信できるなら、日本のみちびきは無くても大丈夫な気がしてきます。位置の決定には受信ソフトが最適な位置関係にある衛星の組み合わせを自動的に選択するのですが、その様子を見ていると、みちびきが天頂付近にあっても選択されないことが結構あります。まあ無いよりはあった方が良いのは間違いありません。

あと、みちびきに関していろんな情報が公開されていますが、これを受信すれば数センチの測位精度がすぐにも得られるような書き方になっている資料がいっぱいあって、なんだかなーと思います。

◆GNSSモジュールの設定
このモジュールは買ったままの状態で u-center に接続すればすぐに GNSS の受信が出来ました。ただ、より多くの衛星を受信するためには設定の修正が必要です。

ということで修正のポイントを以下に書いておきます。なお、うろ覚えで書いた部分もあるので適宜修正していきます。あと、設定後はその内容を Send ボタンで書き込みます。また、次回起動時に有効にするためには、内部のフラッシュ?に書き込む操作が別途必要です。

1.シリアルのボーレート
View - Configration View (Ctrl + F9) - PRT の Baudrate の選定(プルダウン)を115200にする。

2.受信する衛星の種類
View - ConfigrationViwe (Ctrl + F9) - GNSSを選択
受信メッセージの選択
私の設定は上記の通りです。出来ない組み合わせを選ぶと自動的にチェックが外れます。

3.受信メッセージの設定
View - ConfigrationViwe (Ctrl + F9) - MSGを選択
受信衛星の選択
これをやらないと、2項で選択しても受信されない衛星があります。
追記:Message は 01-30 NAV-SVINFO に設定(上図は間違っているかも?)
なお、この設定を行うと、TeraTermで受信データーを見ると文字化けする部分があります。バイナリーデーターが流れているのかも知れません。

4.パルス出力の設定
View - ConfigrationViwe (Ctrl + F9) - TP5を選択
Timepulse Settings から設定が可能。とりあえず以下の設定で使用しています。
TP5
アンロックの時は8Hz/50%の出力にしておくと、LEDが高速で点滅するので判り易いと思います。

ロックした時は1Hzで100msだけ消灯するようになります。なおコネクタに出ている信号はLEDが消灯している期間がHighレベルです。Rising Edge on TOS にチェックが入っているので、パルスの立ち上がりタイミングが秒の時刻の開始タイミングになるのだと思います。

なお、ここに高い周波数を設定することも可能なようで、100kHz くらいまではちゃんとパルスが出ていました。10MHz が出せると面白いのでそのうちやってみたいと思います。現在の状態ではケーブルの負荷が重く、さらに1KΩが入っているので、充分にドライブ出来ていない感じです。

◆まとめ
これで現在の(ほぼ)最新のGNSSレシーバーが動くようになりました。測位がとても早く、また 1PPS信号のジッタが 30ns とすごく小さくなっているのが嬉しい進歩です。

使い道はいろいろありますが、久しぶりにルビジウムオシレーターの確度確認でもやってみたいと思います。あとは、高精度RTCのDS3231の精度確認なども短時間に出来そうです。

そんなことでやりたいことはいっぱいあるのですが、おもちゃ病院で持ち帰ったものがいくつかあるので、そちらの処理が先です。
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