PLLでJJYに超高精度VCTCXO・VM39S5Gを同期させてみた

“超高精度”というのは秋月さんの製品紹介にそう書いてあるというだけですが、確かにそここそ正確でそれに安定しています。GPSのとき（「高精度発振器をGPS受信モジュールとPLLで作る - はじめに」）と同様にこれをPLLを使ってJJYおおたかどや山40kHzに同期させてみました。

回路的にはGPSのときとほとんど同じなのですがループフィルターの時定数はけっこう大きくしてあります（150kΩ+4.7μF）もっと大きくした方がいいのでしょうが、まだVM39S5Gの断熱処理もやっていないのでこのあたりから始めることにします。

JJYの40kHzはクリスタルフィルター2個（水晶振動子の個数で言えば3個）通してコンパレータを通し4分周したものを使います。したがってVM39S5Gの出力も1280分周してあります。

余談ですがクリスタルフィルターは可能であれば特性のいいもの（直列共振周波数が40kHzに近いもの）を選ぶのがいちばん大切みたいです。単に振動子2個を使ったフィルターよりいいのを1個使ったものの方がシャープなような気がします。周波数があってないと調整もたいへんです。

実験結果（１）

周波数と制御電圧を測っています。
周波数を測るためのゲートタイムはGPSの１PPSです。電圧は分解能が高く電源ノイズに強いMCP3551で測ります。

周波数が落ち着くにつれてゲートタイムを長くとり周波数分解能をあげています。とうぜんその分時間分解能は悪くなります。

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最初の部分の拡大図
時刻は測定を始めた時刻で実際に個々の測定値を取得した時刻とは違います。このため二つのデータがちょっとずれてしまっています。赤い線（制御電圧）は実際はもっと左にあると考えてください。

まずPFDの出力はVCO（VM39S5G）には接続しないでおきます。VM39S5Gは12,800,008Hzくらいで発振しています。目標とする周波数より高いのでこれを下げようとしてPFDの出力はほぼ0Vになっています。

PFDの出力をVCOに接続すると0V近い電圧がVCOにかかるので一気に周波数が下がります。このため周波数は急に上がりオーバーシュートします。こういうことを繰り返しながら周波数は次第に落ち着いていきます。


20分もたつと周波数の変動は0.01Hzくらいになります。

最後のところで周波数の変動がちょっと大きくなって0.02Hzくらいになっていますが、これには理由があります（実験結果(2)の45分過ぎ、75分過ぎのところと同じ理由です）

なおほんとうに12.8Mhzで0.01Hzまで正確に測れるのかと思われる方がいらっしゃるかもしれませんが、その理屈(?)は「確度0.0005ppmの周波数測定 - GPSの1PPS出力を使った高精度周波数カウンタ」 にあります。

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実験結果(2)

上のやり方は周波数を正確に測ろうとするため時間分解能が悪くなります。つまり細かな変化が見えなくなってしまいます。

そこで周波数の測定はゲートタイム1秒でだいたいのところを測定しPFDの出力電圧（＝VCOの入力電圧）を細かく測ってみます。電圧はドリフトとゆらぎがあるのですが、ドリフトは室温の変化による周波数の変化を補正するためのものなので今回のところは気にせずにゆらぎの方に注意します。電圧のゆらぎの分だけ周波数も変動しているはずです。


全体的な動きは条件を変えていないのでそんなに変わりません。電圧の変化を拡大して見てみます。


Aで周波数がジャンプしていますが、これは今のところ何が起きたのかわかっていません。
電圧は数mVくらいの細かい動きが連続しています。これだと周波数も十分の数Hzくらいの変動が起きているはずです。上に書いたように100秒前後のゲートタイムで見れば不確かさ±0.01Hzが実現できているように見えるのですが、実際はその中に細かい変動が含まれていると思われます。
これでもVM39S5Gの本来の周波数より二桁は改善しているのですが、GPS版に比較すると一桁悪いです（「VCTCXO/VM39S5G+GPSはほんとうに12,800,000.00±0.01Hzを実現できたか？」 にあるようにGPS版の方は10μVオーダーの変動が気になるくらいのレベルになっています）

これをこれから1桁できれば2桁改善しようと思っているのですが、先が思いやられます。おそらく雑音によって発生するジッタが原因だと思います。フィルターの選択度を上げるとか発振器を入れて受信周波数に引き込むとかそんなところしか思いつきません。PLLのループフィルターの時定数をもっと大きくするという手もありますが、これはVM39S5Gの安定度を上げるというのとセットになります。

ところで上のB（15分過ぎ）とC（75分＝15分過ぎ）のところで電圧が乱れています。時刻から見てこれはJJYのコールサインの送出時のようです。コールサイン送出前に10%振幅（1パーセント出力）が0.8秒間あり、それから0.56秒間の0%出力という“魔の1.36秒間”があり、これをクリアできていないようです。
この対策は不確かさの向上と共通するものがあります。

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関連

　　「JJY受信機/電波時計の製作記事を集めてみた」
　　　　（ググッて集めたJJY受信機電波時計の製作記事集）

　　「JJY受信機で作る高精度発振器と時刻標準 - はじめに」

　　時刻
　　「時刻標準について」
　　「GPS受信モジュールあれこれ」

　　標準電波JJYの仕様
　　「JJYの報時信号の送出方法」
　　「JJYの秒信号の送出方法についてNICTに聞いてみた」
　　「標準電波JJY - 変調波振幅の「最大100%、最小10%」の意味」
　　　　旧記事
　　　　「JJYの受信法」
　　　　「JJYを受信したい（要旨）」
　　　　参考
　　　　　　「NICT 情報通信研究機構 - 電磁波計測研究所 - 時空標準研究室
　　　　　　　　　　　 - 日本標準時グループ 」

　　JJYの運用
　　「標準電波・長波JJYが停波するとき」
　　　　参考
　　　　「NICT 情報通信研究機構 - 日本標準時グループ 標準電波運用状況」

　　長波JJYの性質（電界強度等）
　　「JJYの電界強度と受信機の必要利得（増幅率）」
　　「難航するJJY電界強度時間変化の測定」
　　「標準電波JJYの電界強度の時間変化 - 電波時計をいつ合わせたらいいか」
　　「標準電波JJYの電界強度の時間変化を測ってみた(1)」

　　「JJY搬送波の周波数をGPS/1PPSで測ってみた」
　　「JJYの40kHzの電波をボイスレコーダーに録音してみた」

　　「JJY受信機を作る - すでに40kHzのキャリア（連続波）を検出できてるっぽい」
　　「JJY受信機を作る - JJYの電波がつかめた！」

　　参考
　　　　　「NICT 情報通信研究機構 - 日本標準時グループ  -  標準電波に関するQ&A」
　　　　　「NICT - 日本標準時グループ - 長波標準電波の電界強度予測値」
　　　　　「NICT - 日本標準時グループ　- 長波標準周波数（JJY)小金井本部　受信データ 」
　　　　　「NICT - 日本標準時グループ  - ライブラリー他 - Field Strength Pro Ver1.0」

　　アンテナ・プリアンプ
　　「JJY受信機を作る - バーアンテナとその特性」
　　「JJY受信機を作る - アンテナとプリアンプ」
　　　　参考
　　　　「RFワールド - ラジオで学ぶ電子回路
　　　　　　　　 - 第1部 ラジオのための基礎 第1章 ラジオの電波 」

　　クリスタルフィルター
　　「クリスタルフィルターの効果を目と耳で確かめる - JJY受信機を作る」
　　「JJY受信用40kHzクリスタルフィルタのその後」
　　「JJY受信機を作る - 40kHz/60kHzクリスタルフィルターの功罪」
　　「JJY受信機/電波時計用クリスタルフィルターの設計」

　　状態変数型フィルタ
　　「JJY受信機を作る - 状態変数型フィルタの周波数特性」
　　　　参考
　　　　「群馬大学 KobaLab@JP - 発振を利用したアナログフィルタの テスト・調整 」

　　PLL・周波数標準
　　「PLLでJJYに超高精度VCTCXO・VM39S5Gを同期させてみた」
　　「高精度発振器をGPS受信モジュールとPLLで作る - はじめに」
　　「標準電波にVCTCXO・VM39S5GをPLLで同期してみた - 長波JJY受信機の製作」
　　「高精度発振器の作成に向けて - VCTCXO・VM39S5GをPLLでJJYにロックする」
　　「JJYに同期した高精度発振器用PLLの過渡特性」

　　プロダクト検波・シンクロダイン検波
　　「シンクロダイン検波によるJJY秒信号の取得 - GPSとの比較」
　　「JJY受信機(シンクロダイン検波)とGPSとの比較のその後と平衡変調器の作成」
　　「JJY秒信号のシンクロダイン検波による取得の試み」
　　「音で聴くJJY - プロダクト検波による復調」
　　「四象限アナログ乗算器(マルチプライヤー)EL4083の使い方 - 1」　（アナログ乗算器）
　　「平衡変調器で直流をボイスレコーダーに記録する - JJY・GPSの秒信号」
　　「GoldWaveとawk(gawk)でボイスレコーダーの記録・音声をExcelのグラフにする」
　　　　参考
　　　　「JR7CWK - 長波JJY受信機の制作」

　　電波時計モジュール
　　「JJYを受信する（訂正あり）」
　　「電波時計モジュールを使ってみた（１）」
　　「電波時計モジュールを使ってみた（２）」
　　「電波時計モジュールが「使えない」理由」