Rubidium Frequenznormal

Allgemeines Funktionsprinzip FE5680A Anschlüsse DDS DDS-Platine mit PIC16F84 DDS-Platine mit MC68HC711 Praxis Fazit

Funktionsprinzip

Wikipedia:
Der Rubidium-Oszillator besteht aus einer mit Rubidium gefüllten Gasentladungslampe deren Licht durch eine kleine Kammer mit gasförmigem Rubidium geleitet wird und die Intensität des Lichtes durch einen Photodetektor gemessen wird. Wird die Kammer mit gasförmigem Rubidium durch Mikrowellen mit einer Frequenz von 6.834.682.610,904324 Hz (ca. 6,8 GHz) bestrahlt, dies ist die Frequenz des Hyperfeinstrukturübergangs von ⁸⁷Rb mit einer relativen Standardabweichung von 3 * 10^-15, kommt es zufolge von Resonanzeffekten im Rubidium zu einer Intensitätsreduktion des Lichtes am Photodetektor welche gemessen werden kann. Diese Helligkeitsänderung dient als Regelsignal in einer Frequency Locked Loop um einem elektrisch verstimmbaren Quarzoszillator zu verändern, welcher im Mittel auf die Frequenz des Hyperfeinstrukturübergangs von ca. 6,8... GHz abgestimmt ist. Die vom Quarzoszillator erzeugte elektrische Schwingung dient einerseits als Teil des Regelkreises dazu um über eine Antenne in die Resonanzkammer mit gasförmigen Rubidium abgestrahlt zu werden. Anderseits wird diese Frequenz verwendet um daraus mit Frequenzteilern, je nach Anwendung sind verschiedene Werte üblich wie 10 MHz oder einen Sekundenimpuls, für die weitergehende Verarbeitung zur Verfügung zu stellen.

OK. Rubidium wird also verdampft (weshalb das FE5680A einen recht hohen Stromverbrauch hat), und dann kommt da irgendwie eine hochstabile Frequenz raus. Die ca. 6.8 GHz werden im FE5680A noch mal durch 136 geteilt, wodurch man dann etwa 50,225 MHz hat. Diese Frequenz ist zwar stabil, aber ihr Wert ist nicht gerade praxistauglich. Deshalb wird mit ihr ein DDS-Chip (AD9830A) betrieben, der daraus einen brauchbare Frequenz von z.B. 10 MHz macht. Der DDS-Chip wird von einem Microcontroller gesteuert, und dieser Microcontroller hat ein RS232-Interface. Darüber lässt die die Frequenzerzeugung beeinflussen, und eine weitgehend beliebige hochstabile Frequenz einstellen.

Wer sich mal die Innereien des Rubidiumelements (also des physics package) genauer anschauen möchte, ohne das eigenen FE5680A zu opfern, dem empfehle ich das Teardown-Movie von Mike

FE5680A Vom FE5680A gibt es ein Datenblatt, und in diesem sind auch diverse unterschiedliche Versionen (genannt: Optionen) aufgelistet. Allerdings sind diese Baugruppen auch Wundertüten. Bevor man sie aufgemacht hat, weiß man nicht was wirklich drinnen ist. Im (fast) immer gleichen Gehäuse wurden die verschiedensten Schaltungen verbaut. Während das eigentliche Physics-package immer gleich zu sein scheint, und immer ~50.225 MHz liefert, gibt es von der nachfolgenden Frequenzaufbereitungsschaltung diverse Varianten. Aber alle beruhen auf dem DDS-Chip AD9380A. Das nebenstehende Foto gibt einen Überblick über das Innenleben - zumindest einer Variante des FE5680A. Über den gesamten Boden zieht sich eine Leiterplatte. Diese besitzt im oberen Teil eine Aussparung für das Rubidium-Element. In einigen Ausführungen (nicht in dieser) haben die oberen Platinenteile eine Wärmeisolation aus Schaumstoff. Auf halber Höhe zieht sich eine Aluminium-Profil durch das ganze Gehäuse. Es dient zur Befestigung von Grundplatine, Rubidiumelement und Gehäuse, aber auch als Kühlkörper. Die obere Hälfte der Grundplatine (beidseitig des Rubidiumelements) gehört offensichtlich zur FLL und gibt die ~50.225 MHz aus. Diese Frequenz gelangt dann durch das dunkelblaue Koaxialkabel in die untere Hälfte der Gerätes. Unten rechts stapeln sich dann drei Platinen übereinander, deren obere die DDS-Schaltung enthält, die aus den ~50,225 MHz die gewünschte Frequenz erzeugen. Das wird weiter unten beschrieben. Das erzeugte Signal gelangt dann über das hellblaue Koaxialkabel wieder zur Grundplatine. Unten links befindet sich eine Sub-D-9 Verbinder, der im wesentlichen der Stromversorgung dient.

Durch die Frequenzerzeugung mit dem DDS-Chip befindet sich die 50,225MHz-Taktfrequenz auch noch im Ausgangssignal, und muss mit einem Tiefpass unterdrückt oder herausgefiltert werden. Wie gut das der im FE5680A enthaltenen Verstärker schon erledigt, kann ich nicht nachmessen. Wer extreme Ansprüche an die Reinheit des erzeugten Signales hat, sollte sich überlegen, das Signal mit einer PLL-Schleife zu erzeugen, und das FE5680A-Signal dabei als Referenzfrequenz zu verwenden.

Anschlüsse

Laut Datenblatt hat des FE5680A einen 9-poligen Sub-D-Verbinder und einen Koax-Anschluss. Aber weder dieser Aussage noch den Pinbelegungen des Datenblattes kann man vertrauen. Bei den auf Ebay zu erwerbenden Typen handelt es sich anscheinend um Spezialversionen, die auf einen bestimmten Anwendungszweck zugeschnitten sind.

Den Koax-Anschluss wird man in der Regel nicht vorfinden. Vermutlich wird ein Pin des Sub-D-Verbinders als (geschalteter) Frequenzausgang oder als Ausgang für einen 1pps-Puls verwendet. Das herauszufinden ist nicht ganz einfach, da ist es besser, sich einen neuen Frequenzausgang an das FE5860A zu basteln. Dazu lötet man ein dünnes Koax-Kabel an den Koax-Steckverbinder J1 des DDS-Bords (ist weiter unten genauer beschrieben). Das Signal kommt aus einem Leistungs OPV über einen 68 Ω Widerstand zu diesem Koaxverbinder und liefert 0.5 Vrms an eine  50 Ω Last (+7dBm).

Der Sub-D-Verbinder ist wahrscheinlich immer vorhanden, die Pinbelegung ist aber sehr "variabel".

• Pin 1   +15V Betriebsspannungs Eingang (max. 2A)
  
• Pin 2   Masse (return für die 15V)
  
• Pin 3   Loop_Lock Indikator Ausgang
  
• Pin 4   (+5V input)
  
• Pin 5   Masse
  
• Pin 6   (1 pps output)
  
• Pin 7   (10 MHz output)
  
• Pin 8   (RxD)
  
• Pin 9   (TxD)
  

Die in Klammern gesetzten Bezeichner kennzeichnen Pisn, die nur bei einigen Modellen auch wirklich so belegt sind. Man sollte besser nicht darauf bauen.

Zwischen Pin 1 und Pin 2 wird die Hauptbetriebsspannung angelegt. Diese beträgt (fast immer) 15 VDC. Mit dem Einschalten zieht das FE5680A etwa 2A auf dieser Versorgungsleitung. Nach einer Aufheizphase von wenigen Minuten verringert sich der Stromverbrauch auf etwa 0,7A (nach 4 Minuten: 1A / nach 8 Minuten 0,7A).
Notfalls reichen hier auch 12V aus einem PC-Netzteil, aber dann braucht das Gerät 5,5 Minuten zum Aufheizen (bei 1,7 A) und der Strom geht nur auf ca. 1 A zurück. Außerdem sinkt dabei die Versorgungsspannung für den Ausgangstreiber-OPV deutlich unter die vorgesehenen 14V.

Einige Versionen sollen auch eine zusätzliche externe 5V-Betriebsspannungbenötigen. Auf meine Geräte traf das nicht zu, und ich würde jedem empfehlen, es erst mal ohne zusätzliche 5 V (an welchem Pin auch immer) zu versuchen. In einigen Geräten dient diese 5V-Spannung auch nur zum Freischalten des Frequenzausgangs am Sub-D-9-Verbinder.

Pin 3 (low aktiv) zeigt an, ob die Regelschleife des Elementes eingerastet ist. Nach dem Einschalten liegt hier erst mal TTL-High-Pegel. Nach wenigen Minuten (bei mir sind es 2 Minuten) geht der Pegel auf Low, und die Ausgangsfrequenz stimmt nun. Solange am Pin3 High ausgegeben wird, schwankt die Ausgangsspannung noch um mehrere hundert Herz.

Von den anderen Pins sollte man die Finger lassen, es sei denn man kennt seine Version des FE5680A sehr genau.

Pin 4 ist bei einigen Versionen ein +5V-Eingang. Die meisten FE5680A haben aber intern einen Spannungsregler, der die benötigten 5V aus der 15V-Betriebsspannung erzeugt. Damit entfällt dann die Notwendigkeit einer zusätzlich einzuspeisenden 5V-Spannung. Bei einigen Geräten scheint dieser Pin ein TTL-Eingang zu sein, der das Ausgangssignal freischaltet.

Pin 6 ist bei einigen FE5680A ein 1pps-Ausgang. Hier kommt dann ein positiver 1Hz-Puls mit TTL-Pegel raus. Der Puls ist aber lediglich 1 us breit!

Der Wert im 32-Bit Register wird dadurch immer größer, bis das Register überläuft. Dann beginnt alles von vorn. Der Zahlenwert im 32-Bit-Register beschreibt also eine digitale Sägezahnfunktion.

Die oberen Bits dieses Sägezahns werden laufend einer Sinus-Look-up-Table zugeführt, an deren Ausgang dann anstelle des digitalen Sägezahns ein digitaler Sinus vorliegt. Der wird dann noch mit einem DAC in einen analogen Sinus gewandelt. Der verlässt dann den AD9830A.
Die Ausgangsfrequenz ist also die Frequenz der Überläufe des 32-Bit Registers. Errechnen kann man diese logischerweise nach

Dabei ist N die Zahl, die im Takt der 50,225 MHz immer wieder auf das Register addiert wird. Durch eine Veränderung von N wird die Ausgansgfrequenz eingestellt. Um 10 MHz zu erzeugen, muss N=215714732944  betragen. Da kommt man schnell an die Genauigkeitsgrenzen des Taschenrechners. Der genaue Wert für N hängt natürlich auch von der genauen Frequenz des Physics -Package ab. Das ist ja nicht genau 50,225MHz, und es ist auch noch bei jedem Gerät verschieden. Deshalb ist der Wert dieser Frequenz im Microcontroller des DDS-Boards abgelegt, und kann (bei den meisten Geräten) ausgelesen werden.

DDS-Platine mit PIC16F84

Dies ist eine häufig anzutreffende Version des DDS-Boards im FA5680A.
Das Ausgangssignal steht am Koax-Verbinder J1 (im Bild am linken Platinenrand, oben, schwarz) zur Verfügung. Es wurde vom AD9830A erzeugt, vom LM6182 verstärkt und über einen 68 Ohm-Widerstand an J1 gelegt. Ohne Last liegt der Pegel bei 1,33V p-p.

Wer dieses DDS-Bord in seinem FE5680A findet, kann sich glücklich schätzen. Es ist weit verbreitet, gut analysiert und man kann die Ausgangsfrequenz des Bords in weiten Bereichen (0,5 ... 20 MHz) via RS232 einfach einstellen.

Belegung des RS232-Steckverbinders J2, die Pins sind hier von rechts nach links nummeriert (in anderen Veröffentlichungen werden die Pins leider von links nach rechts gezählt, also aufpassen), siehe auch Foto:

• Pin5 - Masse
  
• Pin4 - Tx - RS232-Ausgang des Bords, zu verbinden mit Pin2 am SubD-9-Stecker des PC
  
• Pin3 - Rx - RS232-Eingang des Bords, zu verbinden mit Pin3 am SubD-9-Stecker des PC
• Pin2 - +5V (nicht verbinden)
  
• Pin1 - +5V (nicht verbinden)

Bei geschlossenem Gehäuse ist oberhalb des RS232-Steckverbinders leider kein Platz, es empfiehlt sich also, die Buchse aus der Platine zu löten und dort ein RS232-Kabel fest anzulöten, dass man dann über eine einzubringende Öffnung durch das Gehäuse führt.

Die Steuerung erfolgt puristisch über ein Terminalprogramm oder komfortabel über meine Windows-Software Rubicon.

Als unterste nutzbare Ausgangsfrequenz wird im Allgemeinen 0,5 MHz angegeben. Darunter bricht die Amplitude des Ausgangssignals stark zusammen. Ursache ist die untere Grenzfrequenz des mit dem LM6182 aufgebauten Verstärkers. Eine deutliche Vergrößerung des Kondensators links neben Pin 10 des LM6182 soll die untere Grenzfrequenz deutlich verringern. (Quelle: Duane C. Johnson). Wird hier ein Elko eingesetzt, dann muss dessen Plus-Pol nach rechts (zum LM6182) zeigen.

DDS-Platine mit MC68HC711-Microcontroller - Reengineering

Das Foto zweigt die  DDS-Platine mit MC68-Controller. Über einen 6-poligen Platinensteckverbinder (unten links) gelangt ~50.225MHz auf die Platine. Der Steckverbinder führt außerdem +5V und +14V. Ein Gatter des 74AC04 (U406) "treibt" das 50,225MHz-Signal, dann gelangt es an den Takteingang des DDS-Chips AD9830A  (U407, Pin 7) und den Takteingang des 74AC161 (U402). Letzterer teilt die Frequenz auf ~5MHz herunter und erzeugt damit den Arbeitstakt des MC68HC711 (U401, Pin 31, EXTAL).

Der MC68 steuert den AD9830A mit Hilfe der Schieberegister U408 & U409 (2 x 74HC595). Die Chips bilden zusammen einen 16-Bit-Serial-zu-parallel-Wandler, in die der MC68 jeweils zwei 8-Bit-Worte hineinschiebt, die dann zusammen parallel in den AD9830A geladen werden. Der MC68 taktet die Daten in den U408, dessen serieller Ausgang geht dann zum seriellen Eingang des U409. Der U408 speist mit seinen Ausgängen D7..D0 die Pins DB7 .. DB0 des AD9380A. Der U409 speist folglich DB15 .. DB8.Der serielle Datenstrom aus dem MC68 startet also mit dem höchstwertigen Bit.

Bei meinem Bord initialisiert der MC68 den AD9830A mit folgender Sequenz:

• D15 ... D8, D7 ... D0

• 0101 0000 - 0011 1011, 50-3B
  
• 0010 1010- 1011 1011, 2A-BB
  
• 0101 0000 - 0011 1011, 50-3B
  
• 0010 1010 - 1011 1011, 2A-BB
  
• 0000 0000 - 0000 0000, 00-00
  

Eigentlich wird nur ein Frequenzregister benötigt, und um dieses zu beschreiben braucht man nur 4 Byte bzw. zwei Datenpakete. Hier werden wahrscheinlich beide Frequenzregister beschrieben, und dann wohl noch ein Phasenregister. Da aber zwei mal die selben Daten verwendet werden, ist es eindeutig, welcher Wert in das Phasenregister geschrieben wird. Für die beiden Frequenzregister bleibt dann noch:

• 2A-BB-50-3B
• 2A-BB-50-3B

Erwartet hatte ich für eine vermutete Ausgangsfrequenz von 2^23 Herz:

• 2A-BB-50-4x

Der ermittelte Wert liegt dicht an diesem Ideal, die Abweichung erklärt sich durch die individuelle Frequenz des physics package. In diesem Fall ergibt sich ein Frequenz von 50,255 056 581 019 MHz für das physics package.

Der AD9830 erzeugt daraufhin ~8.38 MHz (wahrscheinlich sind es 2^23 Hz = 8,388608 MHz). Dieses Signal wird mit dem OPV LM6181 (U410) verstärkt und über 68 Ohm an den Koaxverbinder J1 ausgegeben.

Hat der MC68 Betriebsspannung und Takt, dann blinkt er mit der LED CR403. Die Resetschaltung für den MC68 befindet sich auf der Platinenunterseite.

Der RS232-Treiber SP233ACT (U404) dient der Kommunikation mit dem MC68 über den Steckverbinder J2. Leider ist es mir nicht gelungen, den MC68 zur Kommunikation zu bewegen. Er scheint ein anderes Protokoll zu verwenden, als die anderen Versionen der DDS-Schaltung.

Belegung des RS232-Steckverbinders J2

• Pin1 - Tx - RS232-Ausgang des Bords, zu verbinden mit Pin2 am SubD-9-Stecker des PC
  
• Pin2 - Rx - RS232-Eingang des Bords, zu verbinden mit Pin3 am SubD-9-Stecker des PC
• Pin3 - Masse, zu verbinden mit Pin5 am SubD-9-Stecker des PC
• Pin4 - frei
  

Belegung des Interplatinensteckverbinders (Pin1 ist im Foto unten):

• Pin1 - +14V für den LM6181über 4,7 Ohm
  
• Pin2 - Masse
• Pin3 - +5V
• Pin4 - Masse
• Pin5 - ~50.225 MHz 
• Pin6 - Masse
  

Wer weiteres herausfinden, kann sich gern melden. Insbesondere das RS232-Protokoll wäre wichtig.

Praxis

Bei mir ist momentan das Rubidium-Normal im Einsatz, das mit einer DDS-Platine auf PIC16F84-Basis ausgerüstet ist. Ich habe es in ein altes externes Gehäuse für eine SCSCI-2-Festplatte eingebaut. Alle überflüssigen Steckverbinder an der Gehäuserückseite wurden entfernt und die Öffnungen verschlossen. Dadurch bleibt der enthaltene Gehäuselüfter wirksam. Das enthaltene Schaltnetzteil (12V/5V;3A) habe ich so modifiziert, dass es anstelle von 12V immerhin 15,6V liefert. Damit betreibe ich das Frequenznormal. (an Sub-D-Steckverbinder Pin 1 und 2) Ein frei fliegend verdrahteter npn-Transistor wird vom Pin 3 des Sub-D-Verbinders (Loop_Lock Indikator Ausgang) angesteuert und treibt die rote HDD-LED an der Gehäusevorderseite. Diese leuchtet nun nach dem Einschalten in warnendem Rot, und verlischt nach wenigen Minuten, wenn die Ausgangsfrequenz des Normals stimmt. Am Koaxverbinder J1 der DDS-Platine greife ich das Ausgangssignal ab, und führe es an eine BNC-Buchse an der Gehäusevorderseite. Den dafür hilfreichen Miniaturkoaxstecker mit Kabel bekam ich bei Reichelt. (R302 255 003; MML Pigtail H2.5 Kabel 1.33/50S 20cm) Der RS232-Port des DDS-Platine ist auf einen SUB-D-9-Buchse an der Gehäusevorderseite geführt. Der Netztschalter muss noch von der Rückseite auf die Frontplatte verlegt werden.

1. Ich verwende es, um meinen OCXO genau abzugleichen. Ist der OCXO warm, weicht seine Frequenz um weniger als 1/100 Hz von der Frequenz des Rubidium-Normals ab. Die Prüfung und Justage erfolgt mit Hilfe des Rubidium-Normals in größeren Zeitabständen.
   
   
2. Wird eine exotische  genaue Frequenz im Bereich bis 20 MHz benötigt, dann stelle ich diese mit der Rubicon-Software am Frequenznormal ein, und habe dann diese Frequenz zur Verfügung.
   

Fazit