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リアルタイムクロック DS3231 のエージングレジスタを調整して精度アップ

リアルタイムクロックの DS3231 を Arduino から動かせるようにして約20日経ちました。ブレッドボードはそのまま残っているので、久しぶりに電源を入れて動かしてみました。

▼DS3231の動作テスト
DS3231動作テスト中
動かした目的は、どの程度の精度で時計が動いているか確認したかったからです。ちなみにバッテリーバックアップされているので、外部から電源を供給しなくても、基板単体で動き続けています。

DS3231 のモジュールは3枚ありますが、その誤差(時刻のずれ)は、A基板: -2秒、B:基板: -13秒、C基板: -6秒でした。なお、マイナスの誤差は遅れを表しています。これは約20日間経過後のずれ量なので、A基板についてはまずまずの結果だと思います。

ちなみに、 B と C の基板に載っているチップは偽物で、仕様書通りにすら動かない物なので、精度を語ってもあまり意味が無いです。まあ、そうは言ってもそこそこの精度では動いているようです。

20日で2秒の誤差なので、その精度は約 1.1ppm で、流石は TCXO です。こうなると欲が出て、もう少し精度を上げてみたくなります。そんなことで調べてみると、ありました。エージングレジスタを調整することで、オシレーターの周波数の微調整が出来るようです。

▼エージングレジスタの効果(DS3231のデーターシートより抜粋)
エージング調整特性
このレジスタは、水晶の経時変化 (Aging) を補正するために用意されているようですが、周波数の微調整のために使うことも出来ます。ということで、エージングレジスタの値を OLED の画面を見ながら操作する機能をプログラムに追加しました。

プログラムはこちら。20190731DS3231_OLED_Clock.txt (shift-JISエンコードです)
なお、エージングレジスタなどを設定する機能が、使用したライブラリでサポートされていなかったので、別途作り込んでいいます。また、設定変更がすぐに反映されるようにControl Redgister の CONVビットの操作も行っています。

エージング調整画面
使い方は、Inc.(+)ボタンを押しながら起動(リセット)すると、上の写真のようなエージング値の調整画面に入るので、+/-ボタンで値を調整。最後に Ent .ボタンを押すことで、エージング値がセットされます。なお、エージング値はバッテリーバックアップされるので、電源を切っても消えません。

ちなみに、エージングレジスタの値を変更しても、実際に反映されるのは、64 秒毎に行われる温度補正のタイミングになります。これでは調整がやりづらいので、強制的に値を反映させるように CONV ビットを操作しています。

▼調整の様子(32.768kHzの測定)
32.768kHz
周波数カウンタで水晶の周波数をモニタすると簡単に調整することが出来ます。この写真はぴったり 32.768000kHz に合わせた状態です。

▼エージングオフセットと周波数の測定結果
エージングオフセット値と周波数変化測定結果

▼エージングオフセットと周波数誤差のグラフ
エージングオフセット値と周波数変化グラフ
オフセット値は±120 の範囲で入力可能で、水晶の周波数は±4ppm の範囲で変化しました。ちなみに、オフセットの 1LSB で周波数は -0.035ppm 変化することになります。(あくまでもこの個体の値です)

これまでのオフセットはゼロだったので、約0.46pm の誤差があったことになります。なお、この記事の初めの方で誤差の実績は1.1ppm だったので、少し値が違っています。これはたぶん、温度の違いなどが原因では無いかと思います。まあ、目視で1秒以下のタイミングの違いをきちっと測定するには、何か工夫しないと難しいです。

◆エージングオフセットの調整
エージングオフセットに -12 を設定してとりあえず周波数をぴったり合わせました。なお、真夏で気温が高いのでたぶん年間を通した最適値は少し違ってくる気がします。

▼感度の高い測定方法
位相差測定
周波数を測定する以外に、ユニバーサルカウンタのタイムインタバル測定機能を使った測定方法も使えます。

正確な 1PPS 信号と、DS3231 から出ている1秒信号との位相差(位相変化)をユニバサルカウンタで測定することで、両者の周波数の差を高感度で検出することが出来ます。上の写真は位相差が 584.4543ms ですが、時間を置いて位相の変化を測定すると、極めて高感度な周波数の比較が可能になります。

ちなみに、BとCの基板の1秒信号には大きなジッタがあって、パルスの周波数測定では精密な測定は難しかったのですが、位相差測定を使うと、ジッタが平均化されるので、測定し易くなりました。

◆まとめ
リアルタイムクロックの DS3231 の精度は高いですが、エージングレジスタを調整することで、更に高い精度まで追い込むことが出来ました。

ここで問題は、こういう調整を行うためには絶対精度の高い測定器、あるいは信号源が必要になる点です。GPSの1PPS信号を使うことが出来れば、それが一番確実だと思います。それ以外にいろいろ方法があるので、考えてやって実際にやってみると面白いと思います。

◆おまけ
以前の記事に、挙動から偽物らしい DS3231 があると書きました。そのチップの拡大写真は以下の通りです。

▼Aの基板のDS3231
Aのチップ(本物と同じ挙動)
これはデーターシート通りの挙動だったチップです。ただ本物かどうかは判りません。鑑定できる人いませんか?

▼Bの基板のDS3231
Bのチップ(明らかな偽物)
これはおかしな挙動だったチップで、明らかに偽物だと思います。マーキングも違っています。

ドライブレコーダーのノイズが原因で発生した地デジテレビの受信障害対策

アマゾンで売っていた格安のドラレコを取り付けて使っているのですが、地デジへ少し妨害が入っています。現象としては、フルセグの状態からワンセグ受信に変わる地域の範囲が広がっています。まあ、あまりテレビを見ている訳では無いのですが、残念な状態ではあります。配線にフェライトコアを入れて対策してみたものの、たいした効果は無い感じでした。

そんなことで諦めていたのですが、先日ひらめきました。この問題って、ひょっとしたら電源の DCDC コンバーターのノイズが原因かも知れません。

▼ドラレコの取り付け状態
ドラレコ
ドラレコの配線はフロントウィンドウの上の隙間に押し込んで、左の A ピラーを通して下に抜いています。地デジのアンテナは前後の窓に設置されているらしいのですが、ここにドラレコの配線が通ると、耳元にノイズ発生源があるようなものです。つまり、ドラレコの配線から発生するノイズが、地デジのアンテナに飛び込んで、妨害を受ける可能性が高くなります。

こういう現象の影響を少なくするために、配線にフェライトコアを入れる対策が良く紹介されています。うちのドラレコにも上の写真の右上に写っているようにフェライトコアを入れています。でもこれって、コモンモードのノイズには効果がありますが、ノーマルモード(線間モード)には効果はありません。つまり電源の線間に発生するノイズに対して効果は無いはずです。

ということで、まずは電源の電圧波形を見てみました。

▼電源ノイズ
電源ノイズ波形(対策前) 電源ノイズ波形(対策前)
これは電源の DC 5 Vを AC カップルで接続し。ノイズを拡大した写真です。P-P で100mV くらいのリップルがあり、その周波数は125kHz くらいです。これは DCDC コンバーターのノイズと考えられます。このノイズの周波数は地デジに比べるとかなり低いので、影響を与える可能性は少ないかも知れません。ただパワーはものすごくありそうです。

横軸を拡大したのが右の写真です。スイッチングに伴うスパイクが発生していて、P-Pで 250mVもあります。こんなノイズが乗った配線が地デジのアンテナのそばを通っていたら、影響を受けないはずはありません。ちなみにこのノイズは線間に発生しているので、フェライトコアに配線をくぐらせる対策、つまり同相モードのノイズ対策をいくらやっても効果はありません。

怪しい所が見つかったので、早速対策です。差動モードと書くと大げさですが、要は普通の電源のノイズ対策をやれば良い訳です。まずは電源アダプタの中を見てみます。

▼電源アダプタ
12V-5V DCDCコンバーター
シガーライター用の電源アダプタで、この中に降圧 DCDC コンバーターが入っています。なお、このアダプタは助手席足元のパネル内に隠しシガーソケットを置き、そこに差し込んで使っています。

▼シガーアダプタ内部
シガーソケット用5V電源

シガーソケット用5V電源 裏側
予想通り簡単な降圧 DCDCコンバーターが入っていました。出力には 220μFの電解コンと、たぶん0.1μF くらいのセラコンが入っていて、これが出力のフィルタになっていました。たぶんこれでは不十分ということなんでしょう。
この基板上にノイズフィルタを追加する手もありますが、頑張って小型に仕上げる必要も無いので、外付けフィルタで行くことにしました。

▼回路図
  電源フィルタ
図面にするほどのものではありませんが、LC の簡単なフィルタを入れることにしました。負荷電流は 0.5A くらい流れるので、インダクタの電流容量もそれに見合った物を使う必要があります。(と言ってもジャンクの部品箱にあった物です)

▼フィルタの配線
LCフィルタ
電解コンデンサだと劣化が怖いので、大容量のセラコンを使いました。

▼裏面
LCフィルタ
車載で使うので、はんだ付けは充分熱を加えて、丁寧に行いました。

▼効果
電源ノイズ波形(対策後)
125kHz のリップルは無くなりました。100mV くらいのスパイクが残っていますが、その頻度は格段に少なくなっています(横軸が5ms)。たぶんプログラムの動作に伴う消費電流の変化がこのノイズの原因だと思います。

▼フリスクのケースに入れる
ノイズフィルタをフリスクのケースに入れた
フィルター回路をフリスクのケースに入れ、内部で部品や配線が振動しないように、ホットボンドでしっかりと固定しました。

▼電源ノイズフィルタ取付完了
ドラレコと電源アダプタ、電源ノイズフィルタ
フィルターはこの写真のように、DCDC コンバーターを出た直後の配線に入れています。あとはこれを車に取り付ければ作業完了です。

◆まとめ
1.効果
使ってみると明らかにフルセグで受信出来る範囲が広くなっていたので、電源ノイズフィルタを入れた効果がありました。

追記:なお、全く効果が無かったというコメントもいただいているので、この対策は必ず効果があるものではありません。また、当方でしばらく使った経験でも、ドラレコOFFで地デジへの妨害が減ることがある(減る場所がある)ので、効果は完全では無さそうです。

ドラレコからの地デジへのノイズ対策として、フェライトコアを入れてコモンモードのノイズ対策を行う例を良く見掛けます。そういう対策をやっても効果が無い場合、この記事のように電源間の(ノーマルモードの)ノイズ対策をやると効果があるかも知れません。

2.配線の太さ(細さ)が気掛かり
今回フィルタを入れるために電源線を切ったので判ったのですが、このケーブルに使われている導線はものすごく細いものでした。線が細いと導体抵抗が大きくなり、電流変化があった時も電位変化も大きくなります。つまりケーブルからの輻射ノイズが増える訳で、地デジに影響を与えやすくなります。

この問題はちょっと違うアプローチで対策する必要があると思います。具体的には、もっと太い線を使うのが簡単です。でもそれだったら、いっそのこと同軸(シールド)ケーブルを使うと、差動モードのノイズが外部に輻射されなくなるので効果が大きいはずです。ちなみに、ノートPCなどの DC の電源線にはシールドケーブルが使われています。

今回入れたノイズフィルタで、効果が不十分だったらシールド線を使う事も考えた方が良いかも知れません。あと、今回は問題が無かったので対策していませんが、リアカメラの配線にもシールド線を使うと効果があると思います。

◆その他あれこれ
ドラレコが地デジの受信状態に与える影響について、気付いた点をもう少し書いておきます。
・リアカメラの影響の調査方法
ドラレコを取り付けると地デジの受信状態が悪くなったので、最初はリアカメラを疑いました。なにしろリアウィンドウにはテレビのアンテナが貼り付けられているので、もろに影響を受けそうな気がしました。

でも、色々調べた結果、リアカメラの影響は無い(無さそうな)ことが確認出来ました。実際は少しは影響があるのかも知れませんが、ダイバーシティアンテナになっているので、影響が見えないだけかも知れません。ちなみに、影響の有無の切り分けはは、リアカメラのコネクタを抜いてテレビの受信状態の変化を見れば判ります。

・ドラレコの電源ノイズの影響の調査方法
影響があるかどうかは、ドラレコの電源を切って、その時の地デジの受信状態の変化を見れば判ります。まあこれは当たり前の調査法です。ちなみにドラレコの電源を切っても DCDC コンバーターの出力ノイズが完全に消える訳ではありません。でも、無負荷状態だとノイズの発生量が格段に減るので、影響も少なくなります。

同じ理屈で、ドラレコの液晶の画面表示が消えている(消している)時に地デジん受信状態が改善されるようであれば、電源ノイズが影響している可能性があります。液晶画面表示を消せばその分だけ消費電流が減るので、電源ノイズの発生量も減るという理屈です。

追記:この記事の続報は、ドライブレコーダーの発生ノイズ調査、があります。
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