トランジスタ技術 2016年 2月号 -

3.0 / 5.0

ここ1ヶ月ぐらい GPSDO に興味があって調べていたのですが、先月のトランジスタ技術がまさにGPSの特集だったようでした。

なんか知らずに流行りに乗ったみたいでかっこわるい…… というのはおいといて、おもしろそうなので買って読んでみました。

GPSDO については1記事だけでした。しかしMCUなしでの製作という、男らしい感じなのですが、残念ながらあんまり参考になりませんでした…… 使っているモジュールはちょっと前に買ってみたNEO-6Mで親近感がありました (というか1PPS出せて安いのをebayで探すとこれが最安なので第一候補になるわけですが)

ublox のモジュールは TIMEPULSE ピンに 1PPS に限らず安いものでも10kHzぐらいまで可変で出せるのですが、製作記事でもこの機能を使っていました (MCUを使わないことによる副作用として)。個人的にはこの機能を使うのはいまいちというか、他のGPSモジュールとの互換性がなくなるのがなあと思ってしまいます。

読んでていて疑問に思った点

  • 出力にバンドパスフィルタをつけてサイン波にしているのは?
    • 普通はサイン波で出すから?
    • 高調波成分が含まれるのが嫌?
    • 矩形波出力で立ちあがりを高速にしたほうがクロックとして有利なイメージがあるけどそうではない?

そもそも基準クロックというのに疎いので根本的なところがよくわかっておらず難しい。

出力を4分配にしているところで、バッファ+トロイダルコアを4つ使って分配しつつ直流的に?アイソレーションしているみたいでしたが、1つのバッファアンプ+ハイブリッドのほうが部品点数は減りそうだけど、うまくいかないのだろうか?とか机上の空論を考えてました。

精密なAD変換器のような非常に敏感な回路などではこの問題を避けるために、矩形波の代わりに正弦波をタイミング基準として使用する。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%9F%A9%E5%BD%A2%E6%B3%A2

Wikipedia にも書いてありましたが、クロックの高調波の影響を排除するために正弦波を使うんですね。無知でした。

その他

現在 GPS に載っている発振器のほとんどがルビジウムオシレータでびっくりしました。なんとなく全てセシウム原子時計が載っていると思い込んでいました。

AD9851 は Arduino で一度動かしてみましたが、LPC1114/mbed な環境でも動かしてみました。


DDS モジュールの定格は5Vですが、3.3Vで動かしてみています。振幅は当然減りますが、ちゃんと70MHzぐらいまでは波形が確認できました。

コード

Arduino のコードとほぼ一緒です。というか殆ど正規表現で置換しただけで動かすことができました。GPIO の操作だけなので本当に頭を一切使わずに移植できました。

GCC かつ -std=c++14 な環境なため mbed のオンラインコンパイラではコンパイルできないと思います (すこし修正すればいけるはずですが C++14 が使えない環境に興味がないので……)

また、なんとなくシリアル経由で周波数を変えるインターフェイスにしてみました。mbed のライブラリに CircularBuffer があるので簡単です。C++ の STL に circular buffer / ring buffer 相当のものがないのが不思議なんですが、いつか入る予定はあるんでしょうかね?

#include "mbed.h"
#include <CircularBuffer.h>
#include <cstdlib>
#include <string>

template <uint32_t CLKIN, bool MULTIPLIER>
class AD9851 {
	static constexpr double PHASE_FACTOR = 0x100000000 / (double)(CLKIN * (MULTIPLIER ? 6 : 1));

	DigitalOut PIN_DATA;
	DigitalOut PIN_FQ_UD;
	DigitalOut PIN_W_CLK;
	DigitalOut PIN_RESET;

	void serial_write(uint32_t freq, uint8_t phase, bool powerdown) {
		// freq (delta phase)
		for (int i = 0; i < 32; i++) {
			PIN_DATA = (freq>>i & 1);
			PIN_W_CLK = 1; wait_us(4);
			PIN_W_CLK = 0; wait_us(4);
		}

		// control bits
		PIN_DATA = MULTIPLIER ? 1 : 0;
		PIN_W_CLK = 1; wait_us(4);
		PIN_W_CLK = 0; wait_us(4);
		PIN_DATA = 0;
		PIN_W_CLK = 1; wait_us(4);
		PIN_W_CLK = 0; wait_us(4);

		// powerdown
		PIN_DATA = powerdown ? 1 : 0;
		PIN_W_CLK = 1; wait_us(4);
		PIN_W_CLK = 0; wait_us(4);

		// phase
		for (int i = 0; i < 5; i++) {
			PIN_DATA = (phase>>i & 1);
			PIN_W_CLK = 1; wait_us(4);
			PIN_W_CLK = 0; wait_us(4);
		}

		PIN_FQ_UD = 1; wait_us(4);
		PIN_FQ_UD = 0; wait_us(4);
	}

public:
	AD9851(
			PinName data,
			PinName fq_ud,
			PinName w_clk,
			PinName reset
		) :
			PIN_DATA(DigitalOut(data)),
			PIN_FQ_UD(DigitalOut(fq_ud)),
			PIN_W_CLK(DigitalOut(w_clk)),
			PIN_RESET(DigitalOut(reset))
	{
		PIN_DATA = 0;
		PIN_FQ_UD = 0;
		PIN_W_CLK = 0;
		PIN_RESET = 0;
	}

	/**
	 * W0 ... W31  -> Freq (LSB first)
	 * W32, W33    -> Control (for factory test)
	 * W34         -> Power-Down
	 * W35 ... W39 -> Phase (LSB first)
	 */

	void reset() {
		// ensure low
		PIN_DATA = 0;
		PIN_FQ_UD = 0;
		PIN_W_CLK = 0;

		// reset
		PIN_RESET = 1; wait(1);
		PIN_RESET = 0; wait(1);

		// reset to serial mode
		// Pins of D0, D1 = 1, D2 = 0 for serial mode
		PIN_W_CLK = 1; wait_us(4);
		PIN_W_CLK = 0; wait_us(4);

		PIN_FQ_UD = 1; wait_us(4);
		PIN_FQ_UD = 0; wait_us(4);
	}

	void set_frequency(uint32_t frequency) {
		set_frequency(frequency, 0);
	}

	void set_frequency(uint32_t frequency, uint8_t phase) {
		uint32_t deltaPhase = PHASE_FACTOR * frequency;
		serial_write(deltaPhase, phase, 0);
	}

	void powerdown() {
		serial_write(0, 0, 1);
	}
};

AD9851<30000000, true> ad9851(/*data*/dp28, /*fq_ud*/dp26, /*w_clk*/dp25, /*reset*/dp1);

//AnalogIn adc1(dp9);
//AnalogIn adc2(dp10);
//AnalogIn adc3(dp11);
//AnalogIn adc4(dp13);

Serial serial(USBTX, USBRX);

CircularBuffer<char, 80> serial_buffer;

int main() {
	serial.baud(115200);
	serial.printf("init\n");

	ad9851.reset();
	ad9851.set_frequency(10e6);

	for (;;) {
		if (serial.readable()) {
			char c = serial.getc();
			if (c == 0x0D) continue; // ignore CR
			if (c == 0x0A) { // treat LF as line end
				std::string line(80, '\0');
				line.clear();

				char c;
				while (serial_buffer.pop(c)) {
					line += c;
				}
				serial_buffer.reset();

				serial.printf("GOT: %s\n", line.c_str());

				uint32_t new_freq = std::atoi(line.c_str()) * 1e6;
				ad9851.set_frequency(new_freq);
				continue;
			}

			serial_buffer.push(c);
		}
	}
	return 0;
}

メモ: mbed 移植正規表現

S/digitalWrite\(([^,]+), ([^)]+)\)/\1 = \2/
s/delayMicroseconds/wait_us/g
s/delay/wait/g
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アマゾンプライムビデオがはじまったのはもちろん知ってはいましたが「PC で見れてもなぁ」と思ってました。PC で動画を見る習慣がないので結局見ません。

しかし PS4 で直接見れることに気付いて、ただただ、最高という気持ちに変わりました。

まぁアマゾンプライムビデオとかは些細なことで、未確認で進行形を見なおしてるんですが、最高です。最高です。小紅は最高に可愛い。