ルビジウムオシレーターの周波数調整（2022年、最終）

◆まえがき

GPSの1PPS信号を使ったルビジウムオシレーターの周波数調整が完了したのでその内容のまとめです。なお詳しい調整方法は前回の記事を参照ください。

◆設定値と調整結果

3回の調整を経て誤差を-7.64E-13まで追い込みました。以下にその様子をグラフで振り返ってみます。なお最初の2つのグラフは前回の記事に掲載したものと同じです。

・初期状態

この時の設定値は、0737(0x02E1)で、誤差は 1.06E-11でした。

前回(2019年9月)に校正した時の誤差は2.3e-12だったので、エージングレートはおよそ3e-12／年ということになります。これって悪くない値だと思います。

データーシートに記載されている補正係数は6.80789μHz/LSB (6.81E-13/LSB)なので、この値を使って1回目の補正を行いました。

・1回目調整後

設定値：0753(0x02F1)、誤差：3.88E-12

まだ誤差が三分の一以上残っています。今回の変化量から補正係数を求めると4.25μHz/LSBとなるのでこの値を使って2度目の補正を行いました。

・2回目調整後

設定値：0762(0x02FA)、誤差：-2.71E-12

なぜかゼロを通り過ぎてマイナス側に行ってしまいました。そこで1回目と2回目の結果を案分した補正値を使い3回目の調整を行いました。

・3回目調整後

設定値：0758(0x02F6)、誤差：-7.64E-13。

やっとマイナス13乗台の値が得られたのでこれで調整は完了としました。

誤差が少ないので傾きを求めるのに長時間のデーターが必要になっています。グラフの欠測部は測定結果の記録を失敗していたためです。

◆調整の経緯

以上の調整結果を数値でまとめると、

・初　期　補正値：732(0x02E1), 誤差：1.06E-11

・１回目　補正値：753(0x02F1), 誤差：3.88E-12

・２回目　補正値：762(0x02FA), 誤差：-2.71E-12

・３回目　補正値：758(0x02F6), 誤差：-7.63E-13

グラフにすると以下のような経緯になります。

左上から始まり、誤差ゼロを目指して調整して行った様子です。一発で決まって欲しかったのですが、測定誤差などの問題でそうはいかなかったです。

◆まとめ

何とか10のマイナス13乗台の確度で調整することが出来たと思います。一番大きいのはGPSのご利益ですが、Arduinoを使って精密な位相比較が出来るツールを作ったのが今回の調整に役立ちました。

ところで測定結果のグラフのばらつきが大きいのが気になります。時間差測定の分解能が62.5nsであるのが一番影響が大きいはずですが、それ以外に波のような変動があります。これはひょっとしたら衛星の配置によってGPSの1PPS信号のタイミングが変化しているかも知れません。となると、GPSDO(GPS Defined Oscillator)の精度に悪影響があるのかも知れません。まあそんなこと言っても、GPSのアンテナは窓際に置いていて受信状態があまり良くないので偉そうなことは言えませんが、ちょっと気になる挙動です。