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GPSでルビジウムオシレーターの周波数を確認

 久しぶりにルビジウムオシレーターの発振周波数を測定してみました。前にやったのは2012年の6月なので約2年ぶりの測定になります。

 使った機器や測定原理は以前のままなので詳細は以前の記事をご覧下さい。 

▼測定の様子
ルビジウムオシレーターとユニバーサルカウンタ
 上がルビジウムオシレーター、下は位相差測定用のユニバーサルカウンタ。双方の位相差は262.62938msです。

▼GPSモジュール
GPS
 これも以前の記事の時に使ったものと同じです。

 カウンタの値をパソコンに読み取れれば簡単ですが、そういうインターフェイスが無いので手書きのメモを取ることで位相の変化を記録します。

 データーをグラフ化すると、

▼生データー
GPS vs Rubidium
 上位の数字は262msで変わらないので省略し、縦軸はμs単位でプロットしています。

 明らかな外れ値が四つあるのでこれを除外すると次のグラフになります。外れ値はGPSの測地がうまくいかなかった結果発生していると推定しています。

▼異常値を除いたデータ
GPS vs Rubidium 異常値除く
 測定のばらつきが大きい(たぶんGPSの1PPS信号のジッタ)ので5日分ものデーターが必要になりましたが、明らかに右下がりのグラフとなっています。グラフの縦軸はGPSを基準にしたルビジウムの位相で、時間の経過と共に位相ズレ量が減少しています。これはルビジウムの周波数がGPSより高いということになります。

 どれくらい周波数が高いかは近似直線の傾きから計算できます。近似直線の傾きは -1.2121μs/Dayなので誤差は、1.2121e-6 / (24*3600) = 1.4e-11 となり、10MHzに対する誤差は0.14mHz。つまりルビジウムオシレーターの10MHz出力の周波数は正確な10MHzから0.14mHzだけ高かったことになります。

 実は1mHz以上ずれていたらコマンドを送って補正しようと思っていました。でも、これくらいのズレなら補正するまでも無いのでこのまま放置しておくことにしました。

 約2年前にぴったり合せた(つもり)なので、エージングレートは0.07mHz/年ということになります。まあ測定時の温度などの影響は無視しているのでずいぶん乱暴な話ですが、ルビジウムオシレーターの安定度は凄いということを再認識しました。

 ところで、こういう原始的な方法でデーターを取るのでは無く、マイコンを使って自動的にデータを大量記録したいのですが、Arduino単独ではうまくいきそうもありません。PSoCを併用するか、GP-IB付きのユニバーサルカウンタを買うか。どちらにしてもやっかいですが、なんとかしたいところではあります。
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