10MHz Rubidium clock ervaringen

Ha heer miedema,

Welke koelplaat/profiel gebruik je niet te groot anders staat de oven alleen maar continu te stoken :o
Bouw je er nog een interface bij en uitgang filter, temperatuur regeling?
Ik heb nog een aantal LPRO's liggen voor een project GPS gecontroleerd en een actief 10 MHz filter.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
miedema

Golden Member

Ha electron920,

De koelplaat is ongeveer 1°C/W, naar advies van de fabrikant. (Van eigenlijk alle Rb's die ik hier nu heb)
Dat is inderdaad tegenstrijdig : een koelplaat op een oven, maar anders gaat de rest van de elektronica maar zo kort mee :-).
Liever wat meer stoken dan de elektronica koken....

EDIT: Het verschil in stoken met/zonder koelplaat blijkt wel mee te vallen: zonder koelplaat (maar met beetje fan koeling) was Iwarm 405mA, nu met 1°C/W koelplaat is Iwarm 425mA. 5% meer stoken voor een verdubbelde levensduur van de elektronica (volgens de fabrikant) is toch niet zo slecht :-).

Dit is een tijdelijke oplossing, om aan deze LPRO te kunnen meten. Mocht hij beter bevallen als m'n Temex LPFRS-01, dan komt hij natuurlijk in een kastje met uitgangsbuffers etc.

Tempco van de Rb's begin ik nu inderdaad ook tegen te komen :-).
Maar nog niet bedacht of ik daar (actief) wat aan wil doen.
Voorlopig hou ik tijdens metingen de temperatuur op m'n kamer zo constant mogelijk, en de deur dicht :-).

groet, Gertjan.

[Bericht gewijzigd door miedema op 7 mei 2019 14:39:10 (18%)]

miedema

Golden Member

Rubidiums precies op 10MHz justeren – deel 2, praktijk

Om een Rubidium precies op 10MHz te justeren heb je uiteraard een betere referentie nodig :-).
In principe is een GPSDO daarvoor prima. GPS satellieten hebben Cesium en Rubidium klokken aan boord, die bovendien keurig voor ons door NIST bijgestuurd worden. De lange termijn nauwkeurigheid van GPS is dan ook uitstekend.

Die nauwkeurige atoomklokken boven ons hoofd moeten dan nog wel netjes gevolgd worden door de GPSDO... In de praktijk zit er af en toe een slingertje in het uitgangssignaal van mijn Miller GPSDO, met name elke keer als er een satelliet onverwacht achter een gevel o.i.d. verdwijnt...

Die slingertjes zijn maar heel klein, minder dan een miliHertz. Maar als je zo nauwkeurig gaat kijken, dan speelt het wèl mee... Om die slingertje weer uit te middelen meet ik de gemiddelde frequentie over uur.
Dat ziet er zo uit in de VNWA:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/Temex-LPFRS-01-freq-adfust-F1F-600pix.png
Klik op plaatje voor grotere versie

In de blauwe ruisband zie je duidelijk de slingertjes gedurende het uur van de meting. De verticale schaal is 1mHz per divisie, daar blijven ze dus ruim binnen. Rechts onder staat de gemiddelde frequentie over dat uur. Voor mijn gemak heb ik die uitlezing op de afwijking (in mHz) t.o.v. van 10MHz gezet. (delta Frequency)

Die slingertjes zijn dus meer een beperking van mijn antenne als van de GPSDO zelf. Die antenne ligt nu op zolder. Ik heb wel eens m’n antenne op een flink statief uit een dakraam 5 meter omhoog gestoken, en dat leverde een flinke verbetering op. (maar dat ga ik niet doen voor deze dagen/weken lang durende metingen :-)).

Zelfs met middelen over een uur blijft er een kleine variatie in gemeten frequentiewaarden. (ter grootte van honderdste miliHerzen) Niet alleen variatie in GPS ontvangst speelt mee. Maar natuurlijk zie je ook tempco, drift, en het verder stabiliseren van de Rubidiums :-).

Toen de LPRO-101 binnenkwam heb ik die er bijgezet, met een blower er voor, voor tijdelijke koeling. Vervolgens kwam ik er achter dat de andere Rb’s tussen 0,5 en 0,15mHz verlopen waren... Stonden ook nog een beetje in de wind.Tempco... :-).

Even een overzichtje van de stand van zaken:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/Rubidiums---frequentie-afwijkingen-voor-en-na-justeren-600pix.png

De eerste 3 Rubidiums zitten nu na justeren ruim binnen mijn richtlijn van binnen 0,1mHz, die ik hier inmiddels aanhoud.

Alleen van m’n Temex LPFRS-01 ken ik de geschiedenis: die had ik in augustus vorig jaar, meteen na reparatie, gejusteerd. In driekwart jaar is hij dus ongeveer 1,3mHz verlopen. Dat zegt eigenlijk niks, ik had hem toen net gerepareerd, en daarvoor heeft hij waarschijnlijk jaren uitgestaan...

Dat alle drie die Rb’s, ondanks onbekende kalibratie geschiedenis toch ongejusteerd nog binnen 1 à 2mHz op 10MHz stonden is een positieve indicatie van de stabiliteit van deze Rubidiums!

De LPRO-101 is door de Chinese verkoper gejusteerd. Zo te zien had hij niet het geduld om de LPRO eerst een paar dagen in te laten slingeren... Om dezelfde reden heb ik niks aan de LPRO gedaan. Laat die eerst maar eens rustig inbedden...

Als je gaat kalibreren / justeren, dan is het goed om in het achterhoofd te hebben welke nauwkeurigheid eigenlijk zinvol is.
Daarom heb ik de lange termijn drift specs van deze Rubidiums hier op een rijtje gezet:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/Rubidiums---long-term-stability-specs-600pix.png

Voor het gemak heb ik er ook bij gezet wat die drift vertaald in mHz is.
Dan zie je meteen waar mijn richtlijn van binnen 0,1mHz vandaan komt: Niet alleen komt dat in de buurt van de grens van mijn GPSDO setup, maar de Rb’s verlopen met een week ook 0,1mHz :-) En dat is nog los van invloeden door temperatuur... dus daarbinnen proberen te justeren is gewoon niet zinvol :-).

Verder valt in deze tabel op dat 3 Rubidiums vrij dicht bij elkaar zitten (De Temex LPFRS-01 heeft optie A, met wat betere specs dan standaard.) De FE-5680A valt er hier buiten, en wordt een factor 10 slechter gespect... Waarschijnlijk wordt deze soep niet zo heet gegeten, de spec is waarschijnlijk erg conservatief omdat hij een hele reeks van (uitgeklede!) versies moet dekken. Ook zijn er verschillende opties voor de FE-5680A met betere specs die wèl in lijn zijn met de andere Rubidiums.

Voor het perspectief heb ik de specs van een mooie OCXO (Oscilloquartz 8663, van de MasterClock) er bij gezet: die is ongeveer 100x minder stabiel!

Ook goed om in de gaten te hebben: de meeste specs gelden pas na een maand (of zelfs 3 maanden) continue aanstaan! Zolang duurt het voor een oscillator ècht helemaal stabiel is geworden... :-)

Groet, Gertjan.

miedema

Golden Member

Ik heb m’n Efratom LPRO-101 een (tijdelijk) koellichaam gegeven:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/IMG_5375--Efratom-LPRO-101-voorzien-van-koelplaat-600pix.jpg
alle foto's weer klikbaar voor grotere versies

De noodoplossing met een fan verslechterde de stabiliteit, en veroorzaakte ook nog problemen met de andere Rb’s waar de lucht ook overheen streek...

Het koellichaam is ongeveer 1°C/W, wat de meeste Rb fabrikanten adviseren in hun installation guides en/of application notes. Tussen Rb en koelplaat zit nog een 5mm dikke aluminiumplaat. Nodig voor de mechanische koppeling tussen de Rb en koelplaat (schroefgaten van de LPRO zaten op ongelukkige afstanden (Amerikaanse/inch maten en Europees/metrisch koellichaam...). Maar vooral ook voor meer thermische en mechanische massa, beiden dragen bij aan een betere stabiliteit.

Die koelplaat er onder is eigenlijk onzin :-). De bodem (eigenlijk het deksel) van de LPRO wordt nauwelijks warm. Maar met de koelplaat wat hoger kan ik er zo schuimsponsjes omheen zetten, zodat de LPRO ook wat beschermd wordt voor tocht. (Die staan er inmiddels ook omheen, maar nog geen meting gedaan om het effect te beoordelen. De LPRO moet sowieso nog verder stabiliseren...)

Meteen maar een overzicht plaatje gemaakt van de meetopstelling:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/IMG_5370--meetopstelling-4-Rubidiums-totaal-600pix.jpg

Vier Rubidiums op een rijtje :-). Met daarvoor de VNWA, hier gebruikt als super nauwkeurige frequentiemeter. Met m’n Wandel & Goltermann RT-1 als ingangsverzwakker (ideaal voor dit doel :-)).
De andere Rubidium waar mee vergeleken wordt, sluit ik aan op de clock ingang van de VNWA. Via een blokvormer, om de VNWA met een sterk signaal (5Vtt), met zo steil mogelijk flanken aan te sturen. Daardoor verlaag ik de meetvloer van de VNWA.

Die blokvormers zijn nog een lopend project, ik heb inmiddels verschillende aanpakken geprobeerd, met CMOS poorten, en/of met een snelle comparator. Deze relatief simpele CMOS oplossing voldoet vooralsnog het best. (Een versie op een meerlaags printje, met enkele SMD poortjes is de volgende stap.)

We zitten weer diep te meten, en veel is gevoelig.... M'n RG-58 kabels lijken microfonisch: als je er tegen tikt dan zie je grote uitslagen op de VNWA (terwijl dit een frequentiemeting is :o).
Geleende Teflon kabels van Blackdog vertonen dat effect niet...

Het koelblokje net boven de blokvormer dient alleen maar om de USB kabel op afstand van10MHz kabels en blokvormer te houden.

De plastic bak op z'n kant, rechts naast de PRS10, beschermt de Rubidiums tegen tocht als de deur open gaat. (die deur zit rechts net naast de foto).

Voor de fun nog even een fotootje van 4 Rubidiums op een rijtje:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/IMG_5369--meetopstelling-4-Rubidiums-600pix.jpg

En nu maar Allan Deviation meten... De langst mogelijke meettijd met de VNWA is 6500seconden, ongeveer 1:45uur. Dat levert dan een Allan Deviation op tot ruim 3000 seconden. (is ongeveer de helft)
En zo alle combinaties van deze Rb’s meten, en elke meting een paar keer doen om te kijken of het resultaat consistent is… Dus ik ben nog wel even zoet :-).

Groet, Gertjan.

miedema

Golden Member

Ik kreeg van een aardige CO'er het aanbod om zijn VNWA te lenen, om zo de snelheid van Allan Deviation meten te verdubbelen...

Maar daar zit op het moment niet de bottleneck.... Eigenlijk is het wachten tot de Rubidiums echt stabiel geworden zijn. Ze worden nog steeds beter...

Hier 2 metingen van de Efratom LPRO-101 in vergelijk met de Temex LPFRS-01:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/LPRO-101-opwarmen,-groen-07-05-blauw-09-05-clock-LPFRS-01-600pix.png
klik op grafiek voor grotere versie

De groene meting is van 7 mei, de blauwe van 2 dagen later, 9 mei.
Bij een ideaal stabiele oscillator zou die schuine lijn oneindig lang rechtdoor naar beneden blijven lopen (met een eveneens ideaal meetsysteem ;-))
En, uiteraard, hoe lager de lijn loopt, hoe stabieler de oscillator....

Het resultaat van deze metingen wordt bepaald door de slechtste van de 2 gemeten signalen. Omdat ik in feite 2 min of meer gelijkwaardige Rb's meet is het dus lastig om de oorzaak aan te wijzen.
Maar hier is het vrij zeker dat het de LPRO-101 is, die nog aan het stabiliseren is. Want de Temex staat al veel langer aan, en had recent ook al langer aangestaan. De LPRO daarentegen staat nog maar een paar dagen aan, en komt net uit China....

Over dat meten aan gelijkwaardige Rubidiums: Daarom ben ik ook 4 Rubidiums aan het vergelijken, in de hoop patronen te vinden. Als 1 Rb in vergelijk met alle andere Rb's minder is, dan is het dus zeker dat die ene Rubidium wat minder is....
Zo kun je dus toch wat zinnigs over het gedrag van de Rubidiums te weten komen, zonder over een veel betere referentie oscillator te beschikken :-).

Om de stabiliteit van de Rubidiums in het plaatje hierboven in perspectief te zetten, hier dezelfde meting, maar nu met 2 paartjes OCXO's erbij:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/LPRO-101-opwarmen-versus-OCXOs-600pix.png
klik op grafiek voor grotere versie

De roze en rode curven zijn dus metingen met mijn mooiste OCXO's als bron èn als clock. Dat die rode curve onder 1x10-12 duikt is echt heel erg goed!
Dit is klassiek OCXO gedrag: lage faseruis, en vanaf zeg 1...10sec. wordt de stabiliteit weer minder omdat allerlei driften de overhand beginnen te krijgen.

Twee dingen worden meteen duidelijk:
- op lange termijn zijn Rubidiums vèèl stabieler dan OCXO's (hier vanaf 500sec ongeveer 10x beter!)
- op korter termijn (faseruis!) zijn deze OCXO's juist 10x beter.... (Zeg tot 1 seconde)

groet, Gertjan.

Ha heer miedema,

De oscilloquartz heeft een elektronische frequentie controle die is te gebruiken.
Je kunt dus de Rb vergelijken met de OCXO en bijsturen dit moet wel gebeuren zonder ruis overdracht.
Net als een GPSDO een redelijk lange tijd in acht nemen.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
miedema

Golden Member

Ha electron 920,

Dat is precies ook mijn plan, om een OCXO aan een Rb te locken :-). Voor een meetreferentie met minimale fase ruis, gekoppeld aan optimale lange termijn stabiliteit.
M'n mooiste OCXO daar voor heb ik al gevonden, doel van deze metingen is om de optimale Rb er bij te vinden :-).

Inderdaad kun je in bovenstaand plaatje al aardig zien wat het te verwachten resultaat zou moeten zijn :-). En wat de tijdconstante van het PLL filter zou moeten worden...

Maar dat is een volgende stap, die komt later. Tegen die tijd ben ik ook benieuwd naar jouw PLL oplossingen:

Op 5 mei 2019 13:00:52 schreef electron920:
....Dat is de reden dat ik bij de meeste klokjes niet direct gebruik maak van de interne 10 MHz oscillator maar een externe oscillator aanstuur. ....

groet, Gertjan.

miedema

Golden Member

Meetvloer van m'n VNWA meetsysteem

Eerder schreef ik dat het meetresultaat van een Allan deviation meting bepaald wordt door de slechtste van de twee vergeleken oscillatoren.
Maar er is natuurlijk nog een derde beperkende factor: het meetsysteem zelf....

Dus, terwijl de Rubidiums nog steeds verder verbeterden heb ik gekeken of de meetvloer van m'n VNWA meetsysteempje geen beperkende factor aan het worden is.

Dat doe je door hetzelfde signaal zowel aan de ingang, als aan de clockingang aan te bieden. Er kan dan geen verschil tussen beide signalen zijn, en het resultaat is "ideaal stabiel". Dus het residu dat overblijft is de eigenruis / meetvloer van het systeem.

Dit metend kwam ik iets vreemds tegen. Het frequentie tegen de tijd plot zag er zo uit:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/VNWA-meetvloer-meting-met-storing--freq-600pix.png

Er zat een soort van onregelmatig repeterende storing op het meetsignaal. En een soort storing dat ik nog niet eerder gezien had. Als je dieper gaat kijken is er altijd weer wat :-).

Met wat testen kwam ik er achter dat de storing via de voeding geïnduceerd werd in m'n blokvormer, en dat de oorzaak uit de meet PC kwam.

Voorheen voedde ik m'n blokvormer uit een labvoeding, maar inmiddels had ik moeite gedaan om een kabeltje met aangeknepen RJ12 connector te maken, om daarmee de blokvormer uit de accessoire in/uitgang van de VNWA te kunnen voeden. Dat scheelt weer een labvoeding (Op het moment draaien er alleen al 7 labvoedingen om de Rb's, OCXO's, GPSDO, en dus ook de blokvormer te voeden)

Via de VNWA werd de blokvormer nu dus gevoed uit de USB spanning van de PC, en dat ging niet goed. Blokvormer weer uit een Delta gevoed, en probleem opgelost..... Vervolgens een USB galvanische scheider tussen PC en VNWA, en de VNWA + blokvormer uit een Delta gevoed, en dat bleek ook prima.

Nog maar een nachtje slapen wat de optimale oplossing is.... Voorlopig hangt voor deze serie metingen de blokvormer weer aan z'n vertrouwde Delta, en is alles weer zoals het hoort :-).

Dit leverde de meting van de meetvloer op, met als bron de Temex LPFRS-01:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/VNWA-meetvloer-met-Temex-LPFRS-01-als-bron-en-Clock-6500sec-(11-05-2019)-600pix.png
klik op grafiek voor een grotere versie

In blauw de meetvloer, met de LPFRS-01 zowel als bron, als clocksignaal.
Ter vergelijk heb ik metingen van 2 Rubidiums onderling, en twee OCXO's onderling mee geplot.

Meteen wordt duidelijk dat het meetsysteem bij lange na geen beperking zal vormen voor deze Rubidium metingen :-).
Alleen helemaal links komen de OCXO's met erg lage faseruis in de buurt van de grens van m'n meetsysteem.

groet, Gertjan.

blackdog

Golden Member

Hi Gertjan, :-)

Je bent goed opweg zie ik!
Binnenkort natuurlijk je beste OCXO gelockt aan je beste rubidium! dan zien we de meetgegevens hier graag ;-)

Groet,
Bram

Waarheden zijn "Illusies waarvan men vergeten is dat het illusies zijn"
miedema

Golden Member

Ha Bram,

Ik ben goed op weg, jij gaat hopelijk goed op weg :-)
Goede reis!

Die PLL is inderdaad de volgende stap, maar daar komen eerst wat andere dingen tussendoor....

edit: En om van die PLL combinatie een Allan Deviation te kunnen meten moet ik er dus 2 bouwen.... (of iemand lief aankijken die een mooiere referentie heeft dan ik ;-)

groet! Gertjan.

[Bericht gewijzigd door miedema op 14 mei 2019 16:42:46 (32%)]

Ha heer miedema,

Vraag welke ga je gebruiken ? kan ik wel raden maar toch.
Om je vraag te beantwoorden dan moeten een aantal zaken bekend zijn over de gebruikte componenten.
Met name de gevoeligheid van de stuurspanning.
Maar ook het ruis profiel moet bekend zijn ik kan aan de hand van de plaatjes wel de SSB ruis uitrekenen maar dat geeft alleen een benadering vanaf 1 kHz.

De doelstelling kan ik raden zo goed als mogelijk korte tijd en lange tijd maar dat valt niet mee :o
Een standaard PLL systeem is niet bruikbaar daar wordt de zijband ruis niet vrolijk van en dus de korte tijd (jitter) ook niet.
Als we uitgaan dat de Rb klok als referentie gebruikt wordt en de OCXO als slaaf dan wordt de zijband ruis voor het grootste deel bepaald door de Rb en dat wil je nu juist op de korte tijd niet.

Er kan gebruikt gemaakt worden van een sampling PLL systeem die doe je ook met een GPSDO (als je het goed wil doen) dan kijk je ook om een bepaalde tijd naar de referentie.
Een andere manier is om geen gebruik te maken van een PLL maar een klok clean up systeem te gebruiken later meer.

Je vraag wat ik gebruik ik werk (nu nog) op 100 MHz al eens in een ander draadje ter spraken geweest.
Met een vertragingslijn welke gestuurd wordt door de fase meting.

Wat ik wel eens wil proberen is gebruik maken van een DDS om de 10 MHz te regenereren.
Gebruik maken van een 10 MHz kristal filter is alleen voor de afstanden verder van de Fo.
Verder zou je misschien de SSB ruis nog verder willen verbeteren dit om de korte tijd stabiliteit te verbeteren.
Vergeet ook de amplitude stabiliteit niet voor de jitter eigenschappen.

Groet,
Henk

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
miedema

Golden Member

Ha electron920,

Het is nog een beetje prematuur, maar wat is er mis mee om een OXCO met een PLL aan een Rubidium te hangen? Door de lange integratietijd van het filter (zeg 50...100 seconden) heb ik het idee dat faseruis en korte termijn stabiliteit van de OCXO behoorlijk overeind zullen blijven. Alleen de OCXO drift wordt dan door de Rb in toom gehouden. Dat is het idee...

Maar eerst deze Rubidium metingen maar eens afmaken ;-)

groet, Gertjan.

Hallo,

Ik lees altijd aandachtig mee, maar nu heb ik mogelijk iets nuttigs te melden.

Voor een ontwerp met een semi-high speed ADC moet ik een klok aanbieden met zeer lage phase noise / jitter (< 200fs). Tegelijk moet die klok instelbaar zijn voor verschillende sample rates. Daar vond ik de volgende oplossing voor: de Si5342 van Silicon Labs.

Er zijn nog heel wat meer varianten. Maar het gaat erom dat ze klokken / referenties kunnen combineren en het beste van beide werelden kunnen aanbieden. Het DSPLL gebeuren van Silicon Labs is behoorlijk sterk in dit soort dingen.

In mijn geval gebruik ik hem als free running clock generator omdat de jitter de belangrijkste specificatie is mijn geval.

Groet,
Giovanni

miedema

Golden Member

Ha Giovannii,

Dat is inderdaad een interessant IC.
Wat ik niet in de datasheet kon terugvinden is in hoeverre die mooie lage jitter beïnvloed wordt door de bron van het clocksignaal (X-tal, Oscillator module)
Natuurlijk worden tempco en drift ook geheel bepaald door dat kristal of oscillator module.....

Succes met je ontwerp!

groet, Gertjan.

miedema

Golden Member

Resultaten Allan Deviation metingen

De afgelopen weken heb ik de Allan Deviation van de 4 Rubidiums vergeleken.

Eerst maar de belangrijkste conclusies :

- Alle vier Rubidiums functioneren prima.
Niet zo vanzelfsprekend als je bedenkt dat ze alle vier uit de dump komen, na afgedankt te zijn voor hun oorspronkelijk gebruik. Rubidiums zijn een stuk complexer dan b.v. een OCXO, worden flink heet gestookt, en er zijn hardnekkige verhalen over de beperkte levensduur van de rubidium lamp zelf.

- hun prestatie niveau ligt dicht bij elkaar.
Natuurlijk zijn er onderlinge verschillen, maar hun gedrag als groep is duidelijk herkenbaar.

En dat brengt ons bij de belangrijkste plaatjes.
Bij die plaatjes, ik zeg het nog maar een keer, moeten we goed in gedachte houden dat we steeds (ongeveer) gelijkwaardige oscillatoren meten. Een meetresultaat is daarom altijd de combinatie van eigenschappen van zowel de gemeten oscillator als de oscillator die als clock gebruikt wordt.

Eerst de Rubidiums, gemeten met de Temex LPFRS-01 als clock:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/4x-Rb-vergeleken---LPRO-101,--FE-5680A,--PRS10,---met-Temex-LPFRS-01-als-Clock---Adev-6500sec-600pix.png
Klik op grafiek voor grotere versie

De blauwe curve van de combinatie van Efratom LPRO-101 met Temex LPFRS-01 ligt het laagst, en is dus het meest stabiel. Welke van die twee het beste is weten we niet, maar in elk geval zijn ze allebei behoorlijk goed :-).
(Van de korte termijn Adev metingen weten we dat de Temex LPFRS-01 de laagste fase ruis had)

De Stanford PRS10 (bruine curve) begint links erg goed met z’n (relatieve) lage fase ruis. Maar die “bult” van z’n X-tal PLL speelt hem over het hele midden gebied nog parte... Pas rond de 1000 seconden heeft hij de LPRO-Temex combi ingehaald. Wel suggereert z’n iets schuinere lijn dan die van de LPRO-Temex combi dat de PRS10 op lange termijn wat stabieler is. Maar dat kan ik niet meer meten....

De FE-5680A (rode curve) is net even maatje minder. Hij begint links wat hoger met z’n hogere fase ruis, en hij haalt dat verschil niet meer in. Maar het verschil is eigenlijk klein, en hij is het is de goedkoopste van het stel... (zowel ooit nieuw als nu e-bay prijzen)

En hoe ziet het er uit met de Efratom LPRO-101 als clock?

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/4x-Rb-vergeleken---FE-5680A,--PRS10,--LPFRS-01--met-Efratom-LPRO-101-als-Clock---Adev-6500sec-600pix.png
Klik op grafiek voor grotere versie

Niet veel anders... Niet verbazingwekkend, omdat het lijkt alsof de Temex LPFRS-01 en de Efratom LPRO-101 behoorlijk aan elkaar gewaagd zijn.

Vervolgens weer dezelfde Rubidiums, maar nu met de Stanford PRS10 als clock:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/4x-Rb-vergeleken---LPRO-101,--FE-5680A,--LPFRS-01--met-Stanford-PRS10-als-Clock---Adev-6500sec-600pix.png
Klik op grafiek voor grotere versie

Nu hebben alle curven de bult van de PRS10 meegekregen. Een mooie demonstratie dat het meetresultaat een combinatie is van de eigenschappen van beide gemeten oscillatoren :-).

Wel lijkt nu de Tempex LPFRS-01 het nu iets beter te doen dan de LPRO-101. Naast de lagere fase ruis (links, dat wisten we al) blijft de Temex curve net wat lager dan die van de LPRO.

Wat er boven de 1000 seconden gebeurt zit in de marge van m'n meet opstelling, drift van de Rubidiums (tempco...) en externe factoren.
Als voorbeeld van die marge nog eens het vorige plaatje, maar met een extra meting van de LPRO-101. Enig verschil is dat nu de PRS10 via een 10MHz trafo gekoppeld werd:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/4x-rubidium-vergeleken---LPRO-101-(PRS10-zonder-10MHz-trafo)--FE-5680A,--LPFRS-01--met-Stanford-PRS10-als-Clock-600pix.png
Klik op grafiek voor grotere versie

Andere verstorende invloeden op de metingen: tempco van de Rubidiums.... Aan het eind van de middag, als de zon op de gevel van m'n werkkamer stond kon ik het meetresultaat steevast weggooien...
Verder helpt het niet dat m'n blokvormer nog een open en bloot spinnenweb constructie is. (inmiddels lag daar een stalen afschermplaat onder).

Verder zijn de Rubidiums gevoelig voor trillingen. De LPRO-101 en PRS10 (die geen rubber pootjes hebben) stonden inmiddels op stukjes schuimrubber. Maar als er gedurende de 1:48uur van de meting door het huis gerommeld werd, was het meetresultaat boven de 500sec steevast minder...
Verder maken (al dan niet) massa verbindingen verschillen, vooral de PRS10 had daar last van (common mode van de schakelende voeding?)

In de praktijk deed ik elke meting 3 tot 5 keer, om het meetresultaat te verifiëren. Er is dus nog ruimschoots ruimte voor verbetering van m'n meetopstelling :-).
(hoewel de rechte lijn van m'n "meetvloer test", een meting met zelfde oscillator als bron en clock, liet zien dat de meet opstelling zelf wel OK is, zelfs tot 3000sec, en tot onder 1x10-15. De problemen beginnen bij het toevoegen van de Rubidiums, hun voedingen, aardlussen etc.)

Tot slot, om de prestaties van de Rubidiums in perspectief te zetten, hierbij nogmaals het eerste plaatje, maar nu met het gedrag van mijn mooiste OCXO's er bij geplot:

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/4x-Rb-vergeleken-met-Temex-LPFRS-01-als-Clock-OCXOs-ter-vergelijk---Adev-6500sec-600pix.png
Klik op grafiek voor grotere versie

Het verschil in karakter is zo wel erg duidelijk: De OCXO's excelleren in lage fase ruis en korte termijn stabiliteit. De Rubidiums daarentegen zijn meester in de langere termijn stabiliteit!

Het stuk curven van de Rubidiums voorbij de 50 seconden kon ik dus niet eerder meten, omdat je alleen met een andere Rubidium een voldoende stabiele clock hebt om dit te zien :-).

Ook tekenen de contouren van mijn plan om een OCXO via PLL aan een Rubidium te hangen zich duidelijk af: De tijdconstante van het loopfilter moet rond de 50 seconden zitten.

En meteen zien we ook dat de Rubidiums eigenlijk niet zo veel in prestatie niveau verschillen: als ik als doel stel dat de gezamenlijke oscillator (OCXO gelockt aan Rb) niet boven 2x10-12 uit mag komen, dan voldoen ze eigenlijk alle drie :-).

Groet, Gertjan.

Ha heer miedema,

Heldere presentatie en ik denk was te verwachten dat de verschillen klein zijn.
Nu het synchronisatie systeem of misschien frequentie lock heb je al nagedacht hoe dit te tackelen :?
En wat zijn de doelstellingen SSB ruis onderdrukken of de jitter periode op periode ?

Het IC van @Giovannii is interesant maar geeft geen toegevoegde waarde bij het locken van de twee oscillatoren wel bij het ontvangen van GPS tenzij er uit de rubidium klok een LOL aanwezig is door de modulus teller dat bedenk ik me nu.
Ik zou in ieder geval de 10 MHz te gebruiken om de fase detector te sturen.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
miedema

Golden Member

Ha electron920,

Doelstelling van mijn OCXO gelockt aan Rb is om een betere tijdbasis te hebben voor Allan deviation metingen met de VNWA, zoals hier boven. Om zodoende dieper, en betrouwbaarder te kunnen meten.

Ik heb al gespeeld met een simpele PLL, met een EXOR als fase detector.
Inderdaad met de 10MHz rechtstreeks op de fasedetector (na omvormen tot blok) Deze simpele opzet, zelfs op een breadboard, leverde eigenlijk al prima prestaties.
De locktijd (met de lange tijdconstante van het filter) is natuurlijk lang, maar tegelijkertijd komen de OCXO en Rb ovens op temperatuur. Van aanzetten tot warm en lock duurde 10 minuten. Maar inmiddels weten we dat je dan nog lang niet de beste prestaties van OXCO en Rb mag verwachten :-). Dus die locktijd is niet zo'n probleem.

Zie schema hier: 10MHz PLL GJM - schema v1

Ik zie dat het alweer meer dan een jaar terug was dat ik daarmee bezig was....
En het blijft ook nu weer liggen. Inmiddels zit ik met m'n hoofd in een Revox A700. (letterlijk en figuurlijk :-)). Twee semiprofessionele recorders, kwamen hier voor reparatie, maar lijkt meer revisie te worden....

groet! Gertjan

miedema

Golden Member

Ter vergelijk een alternatieve Allan deviaton meting

Voor de liefhebbers hier ter vergelijk nog een andere bekende Allan deviation meting van Rubidiums, gedaan door John Miles, KE5FX.

http://www.miedema.dyndns.org/co/2019/rb/3rb/Stability-of-Various-Rubidium-Standards---John-Miles-600pix.png
Klik op grafiek voor grotere versie
Originele webpagina: Stability and Noise Performance of Various Rubidium Standards - John Miles

De verticale rode lijn op de grafiek geeft de 3000 sec. grens aan tot waar mijn metingen lopen.
Globaal komen deze meetresultaten behoorlijk overeen met de mijne.
Ook hier liggen de Rubidiums in het middengebied (10...200sec.) dicht bij elkaar.

De Stanford PRS10 (groene curve) is weer meteen te herkennen aan z'n karakteristieke bult. Ook hier heeft de PRS10 de laagste faseruis (links). Hier duikt de PRS10 nòg lager, vanwege de betere referentie.
En wat nu inderdaad te zien is, is dat de PRS10 inderdaad de beste lange termijn stabiliteit heeft, bij 1000 seconden en langer.
Wel was die PRS10 van deze vergelijking nieuw, terwijl de rest surplus was.....

De FE-5680A (paarse curve) heeft ook hier de slechtste faseruis. De slingers komen ongetwijfeld van de spurs van de FE-5680A.
Wat wel opvalt dat hier de lange termijn stabiliteit van de FE-5680A slechter is dan van de overige Rubidiums. Dat was bij mijn metingen niet zo...

Waarschijnlijk is dit een andere versie van de FE-5680A, met een over een breed frequentiegebied instelbare DDS (John Miles heeft het over de AD9832 DDS chip, een Direct Digital Synthesizer Waveform Generator...). Of het exemplaar van John Miles was eenvoudig verder verouderd. Het is tenslotte een surplus apparaat, aan het einde van z'n levensduur...

De LPRO-101 tenslotte, ziet er net zo uit als bij mij. Alleen het stuk boven de 1000 seconden wordt nu ook helder.

De gemeten waarden kloppen vrij goed met wat ik gemeten heb. Bijvoorbeeld op 100 seconden zitten de Rubidiums zo rond 1x10-12, dat is wat ik ook gemeten heb.
Bij de langste tijden lijken mijn metingen vast te lopen op een ondergrens in de buurt van 2x10-13, van die begrenzing heeft de meetopzet van John Miles geen last. (als je kijkt naar de HP5065A curve zou hier die bodem rond 7x10-14 kunnen liggen)

Één ding is jammer, dat John Miles geen Temex LPFRS-01 mee gemeten heeft :-).

En verder demonstreert zijn meting mooi het verschil tussen de budget Rubidiums voor Telecom gebruik, en een echte mooie Rubidium frequentie standaard voor metrologie (de rode curve, een HP 5065A). Die compromisloze Rb is toch een flinke maat beter... (Maar die is ook gemeten met een Maser als referentie....)

Groet, Gertjan.

Ha Gertjan,

Heel wat stof tot nadenken hoe de PRS10 te verbeteren. Het is weer een prachtig verslag geworden, dat niet zou misstaan in de bekende tijdschriften.
Ik heb met jaloerse blikken naar de Rubidium van Nanne gekeken. Prachtig gebouwd, ook met geschakelde voeding.
Dan het bijstellen van de frequentie. Ik denk aan 2 dingen: met een Raspberry PI, of met een ingebouwde Arduino nano en een lcd display.
Lady Heather draait nu op de Pi dus dat is een goede mogelijkheid. De instelling gaat vele malen beter en nauwkeuriger dan met de potmeter. Met de Nano kan het ook maar veel meer werk.
Je moet maar gauw een mooie print maken van de blokvormer Gertjan. Nodig voor meer metingen.
Alleen welke referentie dan? Heb jij niks electron920?

Groet,

Henk

miedema

Golden Member

Ha Camino 1,

Een schakelende voeding voor een Rubidium kan natuurlijk prima.
Maar, afhankelijk van hoe kritisch je toepassing is, zijn er wel aandachtspunten.
Goede filtering tussen voeding en Rb (ook common mode) lijkt noodzakelijk. Ook heeft elke schakelende voeding een ingangsfilter, waardoor de halve netspanning aan massa komt te liggen. (Rand)Aarding wordt daardoor een stuk kritischer, en verschillen in aarding strategie zijn duidelijk in de Allan deviation terug te zien.
Zoals gebruikelijk, hoe dieper je kijkt, hoe kritischer een en ander wordt :-)

Het is interessant om te kijken wat voor voeding Stanford Research zelf gekozen heeft voor de PRS10 in hun SR625 Rubidium timebase. Daar kozen ze voor lineair, met LM350 voor de heaters, en LM317 voor de elektronica.

Overigens is een lineaire voeding ook niet zonder problemen. Uit mijn metingen bleek al eerder dat het bijna niet mogelijk is een trafo in dezelfde (redelijk kleine) kast te plaatsen. Hoe je het ook wendt of keert (hier letterlijk: de trafo :-)), altijd bleven er door het magnetische veld extra spurs verschijnen in het 10MHz spectrum....
(In een 19" formaat kast zou dat, doordat een grotere afstand mogelijk is, wel probleemloos moeten kunnen lukken)

Een extra processor met display (touchscreen?) lijkt me een mooie manier om een luxe Rubidium te maken, met ook leuke monitor mogelijkheden.
Maar een extra µP er bij alleen om de frequentie bij te stellen lijkt toch wat omslachtig.... (doe je maar een paar keer per jaar....)
En je moet weer zorgen dat die µP kloksignalen uit je 10MHz blijven. Weer extra aardings aandachtspunten etc....

Een volgende versie van m'n blokvormer (met losse SMD poortjes, betere ontkoppeling, op print) zit in m'n hoofd. Maar er is een flinke to-doo lijst, dus dat zal nog wel even duren....

Groet, Gertjan.

Lupus

Golden Member

Voor wie het nog niet wist en direct aan de slag wil:
Quote EEVBlog
texaspyro
Super Contributor

Re: GPSDO with LCD Recommendations
« Reply #1 on: April 20, 2019, 11:39:57 am »

Get any non-display type GPSDO that Lady Heather supports. Use a Raspberry PI with the official 800x480 touch screen (or any compatible touch screen for that matter) to contol and monitor it.

Frans

Ha Lupus,

Hoe moet ik dit zien is dit een speciale versie of wat :? of gaat het om de PI of om de GPSDO.

Ha Camino1,

Ik geloof niet dat het de bedoeling was/is van @TS om de PRS10 te verbeteren maar om zijn beste Rb klok op de een of andere manier schoon te poetsen :P
Het idee van @heer miedema is (verbeter mij maar als ik het verkeerd begrijp) om gebruik te maken van twee oscillatoren een Rb en een OCXO en deze door middel van een DPLL (Digital Phase Lock Loop) aan elkaar te vergrendelen.
Hierdoor ontstaat een combinatie van beide eigenschappen.
Dat werkt maar bijlange na niet optimaal ;( dus is het kijken of hier ruimte is voor verbeteringen.
Maar wel in het achterhoofd dat het om (amateur) hobby gaat ;)

We kunnen onderscheid maken tussen twee meetmethodes de eerste is in het tijd domein en de tweede in het frequentie domein beide zijn aan elkaar gerelateerd maar met een andere invalshoek.
Belangrijk om je te realiseren dat voor metrologie de meet nauwkeurigheid op de eerste plaats staat dus hoe kleiner (grotere definitie) maar voor de telecom het belangrijker is dat je buiten je kanaal geen rommel (ruis) neer zet.

De meeste Rb klokjes komen uit de telecom of van een moederklok denk aan het synchroon sturen van de klokken in een gebouw.
Hierbij is de lagentijd stabiliteit veel belangrijker (geen onderhoud) dan een paar nanoseconde jitter.
Dus we moeten poetsen nu heb ik nog niet gerekend aan de voorzet van @TS maar uit ervaring weet ik dat dit niet het gewenste resultaat gaat opleveren.

De opzet met een DPLL bestaat uit een Rb oscillator een fase detector en een VCO.
Eerst een ruis model maken : de ruis bijdrage is opgebouwd uit deze drie componenten faseruis afkomstig van de Rb klok, faseruis van de VCO of OCXO, de faseruis van de fasedetector en als laatste de quantiseringsruis van de VCO of OCXO.

Dicht bij je signaal kijken wat is er te zien :S nauw behoorlijk veel
de meeste kennen de plaatjes van de spectrum analyzer van zo'n skirt maar dit geeft een grof beeld.
Als we de witteruis verlaten en omhoog kijken hebben we met verschillende spectrale ruis dichtheden van doen.
Vanaf het verlaten van de witte ruis omhoog naar de top 1/f, 2/f, 3/f, 4/f met allemaal mooie namen :D
Waar het omgaat al deze ruis typetjes leggen een ander gewicht in de schaal en dus ook een andere Allan variance.
Om goed te begrijpen hoe je klok jitter is opgebouwd moet je alle componenten kennen alleen dan is een aanval op de zijband ruis mogelijk.

Uitbreiding van het fase meetsysteem en het toepassen van een DDS.
In de eerste plaats zou ik liever een analoge fase detector gebruiken in samen werking met een begrenzer voordeel geen blok omzetter nodig.
Naast de fase ruis is er namelijk ook amplitude ruis en naarmate we nauwkeuriger regelen lopen we hier tegen aan AM---PM conversie.
Verder denk ik dat een DMTD (dual mixer Time Difference) een goede keuze is als meet systeem.

Tja ik heb vandaag wat spullen opgezocht LPRO-101 VCOCXO wat mixers vertragingslijn richtkoppel elementen enz enz.
Ik heb ook een model geschreven voor de verschillende ruis dichtheden ik weet niet of er interesse voor is want dat moet ik via mathtype eerst bewerken anders kan ik het hier niet posten 8)7 wordt onleesbaar en onsamenhangend de formules.
De oscilloquarz 8666 van @TS haalt nu -120dBc op 10 Hz en de LPRO-101 -75dBc op 10 Hz.
Eens kijken waar we uitkomen in mijn systeem moet weer opnieuw opgebouwd worden kom ik -153dBc op 1 Hz :D maar daar is iets meer voor nodig.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.