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ルビジウムオシレーター(FE-5680A)の周波数調整

 さて、発注ミスでルビジウムオシレータが2台届いちゃったのですが、まあこんなチャンスはなかなか無い、と前向きに考えて2台持ってないと出来ない実験をやって見ました。

 まずは2台同時に動かせるように電源を準備して、

▼2台同時動作中
ルビジウムオシレーター2台
 オシロの波形は2台の10MHz出力で描かせたリサージュ波形。ルビジウムオシレータはかなり発熱するので右側のファンで空冷しています。

◆リサージュ観察
 オシレーターの出力の波形が悪いのでしょう、綺麗な楕円になっていないです。
 片方の電源を先に入れて安定させておいて、おもむろにもう一台の電源を入れてみます。当然最初は周波数ロックしていないのでリサージュは四角に塗りつぶされます。でも周波数をスキャンしてロックするポイントをソフトで探しているようで、時々リサージュ波形がくるくると正逆に回転するのが見えます。そんな状態が数分続いた後、突然波形が静止し同時にロック表示がONになります。この状態が上の写真の波形です。

 ところで、一見静止しているように見えるリサージュ波形ですが、非常にゆっくり位相が変わっていました。つまり両者の周波数は完全には一致してないことになります。

◆位相差をユニバーサルカウンタで測定
 どれくらいのズレがあるのかはリサージュの回転速度から求めてもいいのですが、正確を期してユニバーサルカウンターによる位相差測定を行ってみました。

 測定には1秒周期で出力されている1PPSパルスを使用。2台のオシレーターの位相の変化を測ることで周波数の差の精密測定が可能になります。また、位相差は累積していくので時間をかければその分測定精度は上がっていくので具合がいいです。

 でその結果は、9.5時間で、位相差は6.4μS増加。計算すると、1.875mHzほどの差があるようです。最初の写真の左をユニットA,右をユニットBとすると、Bの周波数が相対的に1.875mHzほど低いことになります。

◆RS-232Cから補正
 10MHzに対して1.875mHzは1.875×10^-10という誤差で、ルビジウムオシレータの誤差としては妥当な値だと思います。けど、せっかく調整方法が判ったのでRS-232Cのコマンドで更に周波数を追い込んでみることにします。

 ユニットAは欲しいという方がいてそちらに引き当て予定です。これをあれこれいじっては申し訳ないので、ユニットのBを調整します。補正量は、1.875mHz/6.80789μHz = 275ステップ。

 これを補正コマンドにすると、2C 09 00 25 00 00 01 13 12 このデータをRS-232Cから送り込みます。

◆補正結果
 7.8Hr経過後の位相の変化は0.19μS。これは周波数に換算すると6.77μHz。精度で表現すると6.77×10^-13の差まで追い込めたことになります。
 国家標準が1×10^-15程度だったと思うのでこれは凄く良い値だと思います。と言っても数字だけではどれくらい凄いのか判り難いので時計の精度で言うと、5万年に1秒しか狂わない時計に相当します。

 まあ、一次や二次標準器に対する差では無いし、時間や温度が変わったらどうなるのか判らない、いわば瞬間最大風速みたいな値。手放しで喜んでもしょうがないんですが、なんだかとても気分がいいです。

◆まとめ
 ルビジウム発振器をいじる遊びはこれで終了です。
 ユニットAはSunday Gamerさんが手を上げてくれたのでそちらに発送予定。あと、このオシレーターの1PPS信号を使ってアナログ時計を動かせば、ルビジウム原子時計が作れそうです。Arduinoでやれば簡単だと思うのでそのうちやってみたいと思います。うまくいったらまた記事で紹介します。

 あ、このバラックのままでは使いにくいので、熱対策して何か適当なケースを探さないといけなかった・・・

テーマ : ホビー・おもちゃ
ジャンル : 趣味・実用

RS-232CによるFE-5680Aの周波数オフセットの調整

 ルビジウムオシレーターFE-5680Aの廉価版は、オプション2が入っているとシリアルからのコマンドで周波数の微調整が出来るらしい、ということでRS-232Cでコマンドを送って反応を見てみました。

 なお、FE-5680Aの初期版は全く違うコマンドになっているので、以下の内容は使えません。

 また、ほとんどの情報はKO4BBさんのこのサイトを参考にしています。

 で、本題に入る前に、電源系などを含んだ接続回路。

▼回路図
FE-5680A接続回路図

◆調整にはバイナリーデータが扱えるシリアル通信ソフトが必要
 コマンドはバイナリーデータのやり取りなのでおなじみのハイパーターミナルは使えません。ということでフリーソフトを探して、RS232 Commというのを使ってみました。

▼RS232C Commの画面(クリックで拡大)
RS-232C接続ツール

 個人的には文字が明朝なのが残念ですが、タダだから贅沢は言えません。ありがたく使わせていただいてます。

 通信条件は9600bps,Data=8bit, Stop bit=1、パリティ無し、無手順。送信受信ともHEX表示で使います。

◆コマンド
 使えるコマンドは以下の三種。詳しくはFE-5680A OPTION 2のマニュアル参照下さい。
・2C:オフセットをセットし、EEPROMにも書き込み。
・2D:現在設定されているオフセット値を読み出す。
・2E:オフセットをセット、但しEEPROMには書かない。

 EEPROMに書くと電源を切ってもオフセット値が残る。但し、EEPROMの書き換え回数制限(10万回)に注意が必要。まあ、手でコマンド打ってるくらいでは問題にはなりませんが、

 まずは2Dコマンドを送って現在値を読み出すと、
送出コマンド:2D040029
返答:2D0900240000000000
オフセットはゼロが書かれていました。なお2Dコマンドは上記の値で固定です。

 ならば、2Eコマンドで+30Hzにオフセットを変えてみると、

▼+30Hz設定コマンド
オフセットが+30Hzになっている

▼うまくいってるか確認
+30Hzに設定
 うまくいってるみたい。

▼周波数カウンターで実際の周波数を確認
カウンタで+30Hz確認
 10MHzの上位の1がオーバーフローしてますが、10,000,029.9Hzを表示してます。

▼念のためにオフセットをゼロに設定してみた
オフセットを外すと10MHzに戻る
 ちゃんと10MHzに戻ってます(0.1Hz違ってますが、±1LSBってことで、)

 ということでちゃんと周波数が変わっています。なお、オフセットを変更すると一旦アンロック状態になり、しばらくしてからロック状態に戻ります。
 オフセット値の設定可能範囲は+側は40Hz程度、マイナス側は調べてないですが、多分-150Hz程度だと思います。つまり電源ONしたあとロック周波数を探す範囲で、これは内部のVCXOのスキャン可能範囲ということになると思います。

 こう書くと簡単に出来たように見えますが、最初はちょっと苦労しました。というのは、2Cや2Eコマンドは何もレスポンスを返さないのです。つまり、コマンドが間違っていたのか、正常に受け付けられたのか、その場では判りません。コマンドが有効だったかどうか確かめるには、2Dコマンドを送って状態を確認するしか方法は無いようです。
 普通の実装なら何か反応を返すと思うのですが、FE-5680Aはコンシュマーな製品では無いのでこんな仕様になっているんでしょうね。プロがコマンド間違えることは無いですから。

◆よく使いそうなコマンド
 オフセットを設定する場合は、4バイトのコマンド本体。それに続く4バイトの設定値。さらにXORで計算した1バイトのチェックサムの合計9バイトを送る必要があります。毎回計算するのも面倒なので良く使いそうなコマンドをまとめると、

オフセット確認:2D040029

EEPROMに書かずにオフセットを設定、
  0Hz:2E0900270000000000
+10Hz:2E090027001669D4AB
+30Hz:2E09002700433D7C02
注:上記コマンドは設定値の1LSBが6.80789μHzであることを前提に計算しています。

EEPROMに書く場合は先頭から4バイトを:2C090025に変更。つまり
EEPROMのオフセット0Hz:2C0900250000000000

◆おまけ
 以下のコマンドで何やらデータが帰ってきます。
DDS Valueの値リクエスト?:22040026
4ch ADCの値リクエスト:5A04005E
Serial No.のリクエスト:61040065
これ以外にもあるみたいですが、興味のある方は上に書いたKO4BBさんのサイトをご覧下さい。

◆まとめ
 FE-5680Aのオフセットの調整方法が判りました。約6.8μHzステップで指定できるので、かなり精密な周波数調整が可能です。でも、こんな高分解能な調整をするにはそれを上回る確度の信号源が無いとダメなので、我が家ではとりあえずは宝の持ち腐れです。

◆ご注意
 変なコマンドを送ると回復不能な状態にはまってしまう可能性があるかも知れません。また、この記事通りにならないかも知れません。試すなら自己責任でお願いします。

【2014/01/15追記】
 別の記事に初期型のFE-5680でのLock表示LEDの点灯回路につきコメントで質問がありましたので、ここに回答を書いておきます。
 初期型は15Vの単一電源で5Vがありません。やり方はいろいろありますが、とりあえずこんな回路でいけると思います。左側はFE-5680,現物持ってないのでピンアサインは推定です。

20140115Schem.gif
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