Если кратко рассмотреть основные модели этих приборов, то их можно разделить на две категории — быстрые и медленные.

Быстрые работают по принципу сравнения двух частот, используя систему PLL (ФАПЧ).

Одна частота (обычно несколько КГц) берется с блока GPS приемника.

Вторая, с местного генератора управляемого напряжением — VCO (ГУН) с делителем.

Эти обе частоты подаются на схему PLL — напряжение с которой управляет VCO.

Время вхождения захвата петли PLL исчисляется от долей секунд до десятков секунд, после чего прибор входит в рабочий режим.

Второй принцип работы (медленный), основан на использовании секундных импульсов 1PPS, которые выходят с блока GPS приемника.

Логическая схема считает импульсы с OCXO, в которые вкладывается некоторое количество 1PPS и вырабатывает напряжение ШИМ для управления OCXO, методом последовательно приближения. Время вхождения в рабочий режим составляет от минуты до получаса.

Оба принципа имеют преимущества и недостатки относительно друг друга.

Выбор конкретной модели зависит от задач, где они будут применяться.

Если вы решились изготовить очень полезный прибор GPSDO, то эта информация позволит вам не блуждать в потёмках исследований и не изобретать велосипед. Надеюсь вы уже знакомы с основными принципами функциональных схем этого девайса. Рассмотрим  GPSDO на базе PLL.

Важно! Для быстрого и успешного изготовления такого прибора, вам понадобится поверенный частотомер, с его гарантированной точностью измерений до одного Герца.

Далее вам понадобится блок GNSS приемника, который вы можете запрограммировать на возможность получения с него частоты для заведения её на фазовый детектор. Очень подходят для этого блочки NEO LEA-6T. Программировать необходимые установки нужно в программе U-center.

Запрограммируйте на второй выход тайминга частоту сравнения ФАПЧ. Например 10КГц и наблюдайте её на осциллографе, когда приемник найдет спутники. Измерьте ее. Можно даже предварительно сверить и  откалибровать свой частотомер по ней.

Третьим  важным делом, нужно промерить ваш TCXO. Применить можно любой, лишь потом подобрав необходимый коэффициент деления для ФАПЧ. Самое главное, это определить у вашего генератора его выбег частоты, который обеспечивается  изменением напряжения в небольших пределах на его входе VCO.

И вот тут понадобится ваш точный частотомер. При изменении напряжения от 1 до 4 вольт — частота вашего генератора должна меняться _+ не более всего несколько сот Герц от основной частоты.

В идеальном случае, при среднем напряжении управления 2 Вольта, частота —  должна точно соответствовать необходимому значению.

Если вы выберете схемное решение с малым временем ФНЧ интегрирующей цепи управления генератором, то вообще можно применить совсем простой ГУН. При этом он должен иметь более широкий диапазон изменения частоты _+, вплоть до нескольких КГц, при том-же диапазоне напряжений 1- 4 Вольт, чтобы обеспечивать захват частоты в широком диапазоне рабочих температур.

Для большинства случаев синхронизации приборов и генераторов, такой GPSDO полностью обеспечит необходимый функционал.

Когда вы пройдёте «на макете»  эти самые важные предварительные шаги, то вам останется  потом, в чистовую, правильно спаять схему и произвести окончательную настройку прибора.

При изготовлении GPSDO на основе ШИМ, например по этой схеме,  нужно найти по возможности самый качественный OCXO. 

При этом измерить его характеристики, чтобы расстройка частоты от напряжения управления была не слишком большой. Оптимально всего _+ 5 Герц относительно рабочей частоты при прогретом генераторе. При этом напряжение управления должно составлять 2-3 Вольта на рабочей частоте.

Если ваш OCXO имеет более «широкие ворота», то вы можете снизить его чувствительность применив обыкновенный резистивный делитель. Для удобства и простоты настройки используйте подстроечный резистор номиналом 100К. Точки подключения — крайний корпус, второй крайний плюс, средний — вывод управления VCO вашего OCXO. Найдите положение подстроечника такое, чтобы при отключенной ШИМ — генератор встал ровно на выходную частоту. После подключите этот средний вывод к ШИМ через резистор, номинал которого выбирайте таким — чтобы получить необходимую «ширину ворот». Чем больше сопротивление — тем уже ворота. Оптимально от нуля до 30К.

От качества вашего OCXO будет непосредственно  зависеть кратковременная нестабильность в периоде 1000 сек.  А это довольно большое время, в периоде которого частота по возможности не должна вообще изменяться. В противном случае будете иметь постоянную погрешность и непрерывную работу микроконтроллера по пересчёту и применению меняющегося поправочного коэффициента.  Дополнительно, обязательно поместите OCXO в теплоизолирующую коробочку.

Реально отличные результаты в качестве OCXO — показал отечественный  генератор «Гиацинт-М». В приведённой схеме выше, применяйте умножение на два.

Так-же важный фактор в этой схеме — качественный БП, с очень малым дрейфом напряжения 5 Вольт. Пульсации и дрейф уровнем более 10мВ — это уже много.

Наличие гарантированно точного сигнала 1PPS даёт вам возможность измерить любую частоту с высочайшей точностью без наличия собственного точного опорного генератора. Для этого нужно иметь частотомер с двумя входами. Идеально подходит для этого широко распространённый отечественный Ч3-63. 

В режиме — «Сравнение частот А/Б», внутренний опорный генератор не используется и не влияет на точность измерения.

Поэтому, полученный результат будет основан только  на точности сигнала входа Б частотомера — 1PPS.

При этом на вход А подаем измеряемую частоту. При таком методе подключения, за время измерения 1 сек, получаем точность измерения 1Гц. Соответственно, при времени измерения 100 сек, получим точность одну сотую долю Герца при входной частоте канала А, например  5 Мгц.

Подавая на вход А сигнал от своего внутреннего опорного генератора, подстраиваем его до паспортного номинального  значения, после предварительного прогрева. Таким образом, можно выполнить калибровку своего частотомера с такой  гарантированной точностью, которая намного  превосходит возможности вашего внутреннего  опорного генератора, если производить измерение 1000 и более секунд.

В таком направлении как FMT, осциллограф имеет большую практику применения в сравнительных измерениях.

Глаз — напрямую взаимодействует с изображением в приборе, без необходимости производить какие бы то ни было вычисления.

Работая с фигурами Лиссажу — аналоговый двухканальный осциллограф незаменим. Очень удобно и простое сравнение движущегося одного изображения относительно стационарного другого.

В данных измерениях — он вне конкуренции со своими цифровыми собратьями. Это объясняется несколькими простыми причинами.

а) мгновенная неразмытая картинка обоих каналов

б) нет задержек при вычислении. Лучше видны некоторые процессы и артефакты

Большинство измерений проводится на относительно низких звуковых или иногда на частотах до 10 МГц, поэтому применяя такой не дорогой прибор — вы по праву даете вторую жизнь аналоговому осциллографу.

При измерении импульсных сигналов, трубка с послесвечением очень сильно облегчает процесс визуальной идентификации импульса и лёгкость его привязки к сетке шкалы. Примером такого осциллографа может служить модель С1-83.

Если вы работаете с малыми сигналами, то очень удобно пользоваться широкополосным линейным измерительным усилителем.

Такой усилитель встроен в милливольтметр В3-56. Этот прибор работает напрямую с напряжением, без детекторной головки по входу, частотой от нескольких Герц до 15 МГц.

Если, например, сигнал очень слабый для наблюдения осциллографом, то усилив его получаем на специальном BNC разъеме на задней стенке — приличный уже по уровню неискаженный сигнал.

Основные фичи усилителя:

а) высокоомный вход

б) качественный делитель-аттенюатор по входу, допускающий переменное напряжение до 300 вольт

в) возможность контроля уровня входного сигнала с большой точностью.

Для данного метода нужен только двухканальный осциллограф.

Подаем два разных сигнала на входы X и Y. Синхронизируем развертку сигнала от известной частоты.

По медленной  скорости движения синусоид относительно друг друга вычисляем разность частот в доли Герца. 

Если включен режим фигур Лиссажу, то помним, что за один период — происходит четыре вращения (одно вращение = 90 градусов).

Если принять за константу, что одна секунда равна одному Герцу, то несложно определить по скорости вращения — сдвиг частоты до сотых долей Герца используя всего лишь секундомер.

Есть методика как увеличить разрядность у имеющихся приборов косвенным методом на несколько порядков.

Эта методика в основном применима для определения точных значений кратных частот, например 5 10 или 20 МГц.

Для этого синхронизируем этой частотой ваш генератор стандартных сигналов.

На генераторе выставляем максимально возможно удобную увеличенную кратно частоту, которую способен обработать ваш частотомер.

Напрямую считаем с генератора его выходную частоту на частотомере, в котором добавилось «как бы» несколько разрядов после запятой, а именно на столько — сколько была ваша кратность.

Часто возникает путаница в определении фазового шума, который состоит из нескольких составляющих. Природу фазового шума можно разделить на естественное и искусственное начало.

Джиттер, на практике, в подавляющем большинстве случаев — относится к искусственному происхождению. Наиболее понятную причину возникновения джиттера наблюдаем в случае применения дробных коэффициентов деления в синтезаторах частоты различных генераторов. Петля ФАПЧ способна подавлять джиттер, но полностью избавиться от эффекта дрожания фазы — не получается.

Рассмотрим визуальное наблюдение трёх частот  5 Мгц, две из которых — синхронизированны от одного источника GPSDO и коммутируются на второй канал осциллографа.

Две частоты сравнения представленные ниже на видео, при  поочерёдном подключении к частотомеру, не покажут никакого отклонения от частоты 5 МГц. Точность при этом будет всегда одинаковой, между этими сигналами с джиттером и без джиттера, при любом продолжительном времени измерения.

На данном видео продемонстрирован случай, когда на второй канал поочередно выводится чистый сигнал от GPSDO, потом сигнал с джиттером от промышленного генератора стандартных сигналов с синтезатором частоты. На первый канал слева, постоянно подается опорный сигнал сравнения, от высококачественного  кварцевого генератора. От него же, происходит синхронизация развёртки осциллографа. 

https://youtu.be/daMXL3DI9HU