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パソコンを入れ替え (DELL OptiPlex 7010)

メインで使っているデスクトップパソコンの調子が悪くなってきたので入れ替えました。

以前から少し変な挙動が気になっていたのですが、とうとう「windowsのライセンス認証を行ってください」なんて出るは、IEが立ち上がらなくなったり、他にも動かなくなったプログラムがいろいろあります。最初はWindows Update が何かやらかしたのかと思っていたのですが、調べてみるとHDDが死にかかっていました。たぶん今年の夏の高温がとどめを刺したのでしょう。

HDDのSMARTを見ると黄色く注意の表示が出ています。項目としては、代替セクターカウントが上がっています。

▼HDDのSMART
smart

使用時間が12087時間となっていて、1万時間を超えているので、そろそろお迎えが来てもおかしくない時期です。

ちなみに重篤な状態になった時にSMARTを見ると、リードエラーレートが跳ね上がっていて、健康状態が赤い文字で危険表示になっていました。後で見るとその時の危険表示は出なくなっていましたが、エラーレートのグラフを見ると、

▼エラーレートのグラフ
SMARTのリードエラーレート

直近で指標を示す値が急減し、スレッショルドを超えていた(下回っていた)ことが記録されていました(上のグラフの右端)。

▼外観
HP pavirion

これ、HPのミニタワーマシンの Pavilion P6-2171というBTOマシンで。ヤフオクで店頭展示品の中古を買ったもの。CPUはCore i7 3770 なので今でもそこそこ強力です。

ともかくこれでは危なくて使っていられないので代替機を購入することに。アマゾンで中古のビジネス機を探して買ったのがこれ。

▼DELL OPTIPLEX 7010
DEL OP-7010

作られた時期はこれまで使っていたHPのミニタワーと変わらないと思います。たぶん2013年製。CPUは同じ core i7 3770 でメモリーは16GB、ストレージは480GBのSSDと豪華仕様です。正規のWindows10 64ビットプロフェッショナル版で、Office2016 (Home and Busyness) のライセンスも付いています。たぶんビジネス機の下取りを性能強化して再販している感じでしょう。この内容で4万2000円なら悪くないと思います。

▼裏面
背面

ビジネス機らしく、RS232C のD-sub 9 ピンコネクタがついています。USBコネクタは前後合わせて10個あり、うち4個はUSB3.0でした。

ディスプレイポートは VGA が1つと、DisplayPort が2つあって、トリプルディスプレイが可能な仕様です。とは言ってもチップセット内蔵グラフィックです。ディスプレイの接続コネクタは日本ではHDMIが多いですが、アメリカではDisplayPort の方が主流みたいです。なお、DisplayPortからHDMIやDVIへの変換アダプタはアマゾンで750円くらいで手に入るので大きな問題にはなりません。

▼内部
DEL OP-7010

工具無しで簡単に分解できるようになっていて、とても良く出来ています。SATAのポートが余っていたら、1TBくらいのHDDを増設してデータ保存用に使いたいです。

▼まとめ
これから少しずつ環境を移動させていきます。なお、この記事は新PCで書いています。

あと落ち着いたら、不調になったHPのミニタワーのHDDを入れ替えて修理する予定です。サブマシンがあると、何かあっても慌てないで済みます。それにミニタワーのマシンは、あれこれ増設できるのが魅力です。とは言っても、これ買ってから何も増設していないんですけどね。

GPSとArduinoでRTC (DS3231) の誤差の原因を徹底調査

◆まえがき
前回の記事で、周波数カウンタ(ユニバーサルカウンタ)を使わないでも、GPSとArduinoを使ってRTCの位相変化を高感度に測定出来るようになりました。つまり手軽にRTCの誤差を評価できるようになった訳です。

そこで早速、これまでやりたかった測定をやってみました。

◆RTCの誤差要因の確認
まずは電源電圧変化に対する精度の変化です。

▼電源電圧 v s誤差特性
電源電圧vs誤差

電源電圧が増えると誤差はマイナス方向に変化することが判ります。位相差が小さくなるので、時計としては追い付いている、つまり進む方向に変化することになります。(なお、誤差の絶対値としては遅れ)

5Vと3.3Vでは0.4ppmも違っています。このRTCの精度は2ppmなので仕様内の変化ではありますが、かなり大きな差だと思います。5V電源としてUSBのACアダプタを使うことが多いですが、その電圧精度は悪くて0.2Vくらいの違いは平気であるので、要注意です。

このRTCはTCXOですが、そういう高級なことをやる以前に、電源電圧変化に対する対策をきちんとやっておいて欲しかったです。なお、この測定はエージングレジスタの値をゼロで行っています。

◆バッテリーバックアップの時は
電源を切ったバッテリーバックアップ状態では、1秒パルスが出なくなるので位相差の測定は出来ません。しかし、再度電源を入れた時の位相の値から、バッテリーバックアップ中の変化を知ることが出来ます。そうやって測定した誤差の量は+0.57ppmでした。この値を上のグラフに赤い点線で書き込んでおきました。

ちょっと乱暴な言い方ですが、バッテリーバックアップ中は電源電圧が 3.4V くらいの状態に相当しているようです。まあ、バックアップ電池(CR2032)の電圧から考えると当然の傾向なんでしょう。そんなことでこの値は、バッテリーのへたり具合で徐々に変わってくると思います。

以上が電源電圧の違いによる時間誤差への影響でした。こうなると、電源電圧が変わった時のエージングレジスタの感度も気になるので、これも測定してみました。

▼エージングレジスタの感度
エージングレジスタの値に対する誤差の変化

電源電圧が3.3Vと5Vの時のエージングレジスタの値に対する誤差の変化をグラフにしたものです。

グラフが平行移動したようになっているのは、前項の測定結果と同じ傾向です。よく見ると、傾きが少し違っていて、5Vの場合は 0.0339ppm/LSB なのに対して、3.3Vでは0.0306ppm/LSB になっています。この値はエージングレジスタを調整して時計の誤差を補正する時に使うので重要です。

ちなみに、以前の記事に掲載したエージングレジスタの感度特性は次のグラフです。

エージングオフセット値と周波数変化グラフ

このグラフはルビジウムを基準オシレーターに使った周波数カウンタで測定したもので、電源電圧は5Vの状態です。この組み合わせの測定器を持っている人はめったにいないと思うので、誰にでも出来る測定ではありません。(このグラフはRTCの32.768kHzのオシレーターの周波数変化を見ているのでグラフの傾きが逆になっています)

これと同じことが7ドルちょっとのGPSモジュール(u-blox M8N) とArduinoを使うと出来ちゃうんだから、技術の進歩ってすごいです。

さて、これでRTCのDS3231の誤差要因は調べつくしました。というか、実は温度特性が残っているのですが、これは測定が難しいのでとりあえずパス。

ともかくここまでで判ったことを整理します。RTC の精度を上げるためには、
1) 電源電圧が変わると時計の歩度に影響がある。
2) 電源を切ることがある(バッテリーバックアップを使う)なら電源電圧は3.3Vで使う。
3) 姿勢差があるので、鉛直方向に対して同じ角度で使う

なお、電源を入れっ放しで使うなら2) 項は無視してもOKです。

さて、ここまでの話の集大成です。判った知見を反映してRTCのエージングレジスタの値を調整し、少し長い時間動かして、RTC の誤差を測定したのが次のグラフです。

◆RTC(DS3231)の精度確認結果
合わせ込み後の誤差
これは約3日間の1秒パルスの位相変化で、基準はもちろんGPSの1PPSです。

赤と黒の線の色分けは、黒い線がRTCの電源ON、赤い線が電源OFFで動かしています。どちらもほぼ一本の線に乗っているので両者の誤差(歩度)はほとんど同じになっています。

傾きはRTCの誤差を現わしていますが、その量は約4ms/Day です。つまり、1日当たり0.004秒しか狂わないという素晴らしい精度に調整出来ていることになります。誤差で言うと0.0463ppm、月差では0.12秒、年差で1.46秒のズレになります。こういう精度が1ドルくらいで手に入るRTCで出るのだから嬉しい限りです。

なお、この測定は温度の影響を無視しています。同じことを冬にやれば結果は変わってくるでしょう。

あと、同等の測定はルビジウムオシレーターの1PPSパルスを使っても出来ます。但しこの場合、ルビジウムオシレーターの電源は入れっ放しにしておかないといけないのでちょっと不便です(電源を入れ直すと位相は保存されません)。

◆まとめ
ふとしたことから買ってみたRTC(DS3231) ですが、突き詰めていくといろいろ知らなかった現象が見えて来て面白いです。

GPSモジュールは安くなったので、基準信号の1PPSを使うためだけに買うのも有りだと思います。最新の neo-9 はまだとんでもなく高いので neo-8 あたりがお勧めです。

ところで、ここまでさんざん遊び相手になってくれたRTC(DS3231)は、3個買った中に入っていた、「当たり」の1個で、この記事に出てくるモジュールのAです。もしこれも外れだったら、ここまでの一連の記事は生まれなかった訳で、偶然とは怖いものです。
ちなみに、モジュールのBとCの誤差を同じようにして測定してみると値が安定しなくて全然ダメ、見てはいけないものを見てしまった感じでした。
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