Type Hucht GPS Controlled 10 MHz Frequenz Normal

Type HUCHT GPS Controlled 10 MHz Frequenz Normal

Habe dieses GPS Frequenz Normal im Auktionshaus gekauft. Es ist eine Eigenentwicklung von Axel Hucht.

Sein original Text aus der Bedienungsanleitung:

Experimenteller Normalfrequenzgenerator HUCHT UZF-#3-GPS-mae

Beschreibung und Inbetriebnahme:

Der Generator besteht aus den Funktionseinheiten
- GPS-Empfänger - digitaler Frequenzregler - Stromversorgung / Notstromakku - doppelt-ofengeheizter Quarzoszillator

1. GPS-Empfänger

Der Empfänger enthält eine Patchantenne, LNA und den kompletten GPS-Chipsatz "SirfStar4" sowie eine stabilisierte Stromversorgung. Er wird über den Frequenzregler mit Strom versorgt. Bei korrekter Synchronisation auf die Satelitten (Satfix) wird pro Sekunde ein Nadelimpuls synchron zur GPS-Zeit zum Frequenzregler gesendet. Das Modul ist feuchtigkeitsdicht in einem ABS-Gehäuse vergossen und für sicheren Stand mit Füllstoffen beschwert. Am Modul gibt es eine LED, die das Anliegen der Betriebsspannung signalisiert und bei Satfix mit 1 Hz jeweils kurz heller wird.

Das Empfangsmodul hat eine hohe Empfangsleistung und kann in der Regel innen auf einer Fensterbank positioniert werden.

ACHTUNG: Der Chipsatz im zum Betrieb bei normalen Raumtemperaturen vorgesehen ! Also unbedingt vor Frost und im Sommer vor direkter Sonnenbestrahlung schützen, ggf. abdecken.

Die Zeit bis zum ersten Satfix sollte unter 15 Minuten liegen, bei guten Empfangsbedingungen können 2 - 3 Minuten erreicht werden. Ist nach 15 min kein Satfix erfolgt: anderen Standort wählen.

Für optimale Langzeitstabilität und Vergiessbarkeit wurde ein GPS-Empfänger ohne (!!) integrierte Pufferbatterie gewählt. D.h. das Modul speichert beim Abschalten der Stromversorgung keine Positionsdaten und muss nach jeder (!) Unterbrechung der Stromversorgung einen neuen Reset und "Kaltstart" machen. Dafür sind sind keine Probleme mit leeren Batterien zu befürchten.

Das GPS-Modul kann im laufenden Betrieb beliebig an und abgesteckt werden.

2. Frequenzregler

Der Regler ist eine HUCHT- Eigenkonstruktion und volldigital und ohne Software aufgebaut.

Er wird durch das 1PPS-Signal (Puls pro Sekunde) des GPS- Empfängers gesteuert und erzeugt an seinem Ausgang durch einen hochlinearen D/A-Wandler mit nachfolgendem passiven Tiefpassfilter die Abstimmspannung für den spannungsgesteuerten ofengeheizten Quarzoszillator.

Beim Ausbleiben der 1PPS-Synchronisation für mehr als drei aufeinanderfolgende Pulse schaltet der Regler automatisch auf Haltebetrieb um (Holdover). Dabei wird die zuletzt erzeugte Abstimmspannung gehalten und konstant und beliebig lang ausgegeben. Ein Watchdog überwacht den 1PPS-Eingang: beim Wiedereinsetzten der Pulse wird der digitale Phasenfolgeregler initialisiert und die Frequenzreglung ab dem zweiten Puls wieder aktiv.

Es gibt drei LED-Anzeigen:

rot = PPS-Error / Holdover-Betrieb (Regler passiv)

2x grün: Increment / Decrement der Abstimmspannung (blinken mit 1Hz bei aktiver Reglung)

Nach einem "Kaltstart" des Generators (ohne angeschlossenes GPS-Modul !!) sollte nach max 3 Sekunden die rote LED konstant an sein. Nach dem Anschliessen des GPS-Empfängers nach etwa 1 Stunde Warmlaufen der Heizungen und bei erfolgtem Satfix muss die rote LED permanent aus sein und die beiden grünen LED in unregelmässiger Reihenfolge mit 1Hz blinken. Das ist dann der Normalbetrieb mit aktiver Reglung.

Der Regler baut dann die anfängliche Frequenzabweichung des Oszillators GPS-gesteuert ab. Das Einschwingverhalten ist exponentiell / ohne Überschwinger.

Frequenzabweichungen werden in etwa 5 Stunden auf 50% des Wertes abgebaut.

Nach ca 3 Tagen "Einlaufen" wird der stationäre Zustand und die spezifizierte Genauigkeit erreicht.

Das Reglermodul gibt das 10 MHz-Ausgangssignal an einer BNC-Buchse aus ( ca 1Vss Rechteck )

Im Modul befindet sich eine hochkonstante Spannungsreferenz für den D/A-Wandler sowie die Stabilisierung der Stromversorgung.

Das Modul ist HF-dicht zugelötet und mit Epoxid + Füllstoffen vergossen. Zur Verminderung des Aufheizens (Zugluftempfindlichkeit !) des Moduls ist oben ein Alu-Kühler aufgeklebt. Das dient der Stabilität der Abstimmspannung (nachgemessen !).

Am Regler gibt es zwei parallelgeschaltete Kleinspannungsbuchsen für die Stromversorgung (Hohlstecker 2,5 x 5,5 mm) und ein kleines LED-Voltmeter als Indikator für die unstabilisierte Versorgungsspannung.

3. Stromversorgung

Der Generator ist für Dauerbetrieb vorgesehen und kann im warmen stationären Zustand problemlos mit einem kleinen Steckernetzteil 9 V / 300 mA betrieben werden. Unterbrechungen der Stromversorgung können mit einem Ni-MH - Akku ( 7,2 V / 2 Ah) überbrückt werden. Die mögliche Pufferzeit beträgt im warmgelaufenen Zustand mehrere Stunden. Der Akku erhält über einen Vorwiderstand permanent einen kleinen Strom für die Ladung und übernimmt bei einem Ausfall der Netzversorgung über eine Diode die Stromversorgung. Der Akku ist ein gängiges Akkupack aus dem Modellbau ("Racing Akku" 6 Zellen, mit Kabeln) und kann im Defektfall leicht ersetzt werden.

Am LED- Voltmeter ist die Versorgungsspannung zu erkennen, die über 7 V liegen muss.

Bei Notstrombetrieb hat man damit einen Hinweis auf die verbleibende Akkuspannung. Beim Abfall der Spannung unter 7 Volt sollte man den Akku trennen, um schädliche Tiefentladung zu vermeiden. Im Normalbetrieb liegt die Anzeige bei > 9 Volt.

Bei einem Kaltstart ziehen beide Temperaturregler am Anfang einen relativ hohen Strom für das Anheizen, was das Stecker-Netzteil in den ersten Minuten sehr stark belastet.

Es empfiehlt sich deshalb bei einem Kaltstart, den Notstromakku mit zum Anheizen heranzuziehen: zuerst Stecker des Akku einstecken und gleich danach das Steckernetzteil
Für ein möglichst kurzes Einschwingen des Frequenzreglers sollte das GPS-Modul bei einem Kaltstart nicht angeschlossen sein und erst nach einer Warmlaufphase von min 1 h zugeschaltet werden.

Für einen Funktionstest des Normalfrquenzsystems und Ermittlung eines guten Standortes für den Empfänger kann natürlich auch gleich mit angeschlossenem GPS-Modul ein Kaltstart ausgeführt werden. Dadurch kann sich aber evtl. die Einschwingzeit um etwa einen Tag verlängern.

4. Oszillator / Heizung

Die Schwingschaltung ist ein kommerzieller ofengeheizter Quarzoszillator und über eine Steuerspannung im Feinbereich in der Frequenz abstimmbar. (VC-OCXO) Der Oszillator läuft mit stabilisierter 5 Volt Betriebsspannung und gibt ein 10 MHz Rechtecksignal aus (HCMOS). Er ist mittig in dem Thermosgefäss montiert und enthält an seinem Metallgehäuse zur Überwachung der Gehäusetemperatur ein fest angelötetes Thermoelement (Ni / NiCr Typ K). Ein zweites Ni / NiCr Element misst die Lufttemperatur im Gefäss. ( 62°C typ) Beide Elemente sind über zwei Normstecker Typ K von aussen zugänglich. Jedes handelsübliche Digitalthermometer für K-Thermoelemente ist anschliessbar.

Im Gefäss befindet sich ein zweiter selbstgebauter Temperaturregler mit Heizwiderständen und Heiztransistoren zum Temperieren des Gefässinneren.

An der Öffnung des Thermogefässes gibt es in dem transparenten Silikon, mit dem die abschliessend verschlossen wurde, eine rote LED als Indikator der Spannung an den Heizwiderständen: beim Kaltstart leuchtet die hell und wird dann immer dunkler. Im stationären Betrieb nur noch schwach glimmen.

Es gibt auch einen etwas tiefer liegenden Spindeltrimmer zum Einstellen der Solltemperatur. Der ist experimentell / messtechnisch auf den optimalen Wert justiert und sollte nicht verstellt werden.

Die zweite Heizung wird aus Gründen der Stabilität auch aus einer stabilisierten Versorgung gespeist. Dieser 5 V low drop Spannungsregler befindet sich oberhalb des Thermosgefässes an einem kleinen Alukühlkörper, der sich im stationären Betrieb aber nur gering erwärmt.

Wie alle Quarzoszillatoren reagiert auch dieser Generator auf Kippen mit kleinen Frequenzänderungen von einigen 10 exp(-9), teilweise nicht ganz ganz reversibel (Hysterese), was ein erneutes Einlaufen von mehren Stunden (!) auf die Sollfrequenz erfordert.

Der Generator sollte also im Dauerbetrieb stationär an einem festem Ort betrieben und nur im Notfall während des Betriebes herumgetragen bzw. gekippt werden.
ACHTUNG: Thermosgefäss besteht aus Glas !
VORSICHTIG BEHANDELN !!!
Bei Fragen : 0xx - xxxxxxx
(C) Axel Hucht 11 / 2015 Rev 1.0

So hat das Teil früher mal ausgesehen, der Vorbesitzer hatte es dann weiß lackiert. In weiß ist es auch schön, passt dann gut zu einer weißen gekalkten Wand, an der es tagtäglich steht und somit dann dezent getarnt ist.

Links unter der GPS Empfänger. Ob genau dieser auch in dem schwarzen Kästchen verbaut ist, der momentan der GPS Empfänger ist, weiß ich nicht.

Messung von Herr Hucht

An solchen Geräten wurde von Herrn Hucht das Normal geprüft.

Er nutzte hier einen Modulation Domain Analyzer.

DUT: UZF-3-Mae
Frecuency Jitter: 2.004mHz Pk-Pk
Standard Abweichung: 278.663µHz
Messintervalle: 500ms
Externe Frequenz Referenz: HP Z3801A GPS

Sind beeindruckende Zahlenwerte.

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Eigene Messungen

Zeitsignal am 9304A gemessen

Messung am Spektrum Analyzer

Meine Messung am HP8568A, ein 1.5 GHz Spektrum Analyzer.

(Dieser Analyzer hat noch einen Fehler in der Elektronik, seine Referenz Amplitude geht falsch und er zeigt zu wenig Spannung an, diesen Fehler muss ich zuerst noch reparieren, ansonsten misst das Gerät richtig, habe das Gerät mit Fehler gekauft).

Sieht gut aus, woher die eine abstehende Nadel kam, ich kann mich nicht mehr daran erinnern, das Foto wurde vor ein paar Monaten gemacht.

Span reduziert auf 100 kHz und Bandbreite auf 30 Hz. Der Analyzer benötigt 200 Sekunden für diesen fein aufgelösten Frequenzabschnitt.

Das Spektrum dargestellt bis 50 MHz. Die Oberwellen des Rechteck alle 10 MHz sind zu sehen. Sieht tadellos aus.

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