Implementation and analysis of a low-cost GPSDO to drive a Grandmaster White Rabbit Switch

CERN's timing system in the particle accelerators is now based on the system named White Rabbit (WR) that is driven at its root from an atomic clock, which is an extremely expensive device. To run WR, even in laboratory tests, it requires the same infrastructure with the associated costs. This master's thesis introduces an alternative in non-critical situations by using a low-cost GPS disciplined oscilator (GPSDO) to simulate an atomic clock. To realize this GPSDO, a printed circuit board (PCB) with a voltage-controlled crystal oscillator (VCXO) is used as a timing source. The master's thesis describes the choice of oscillator, its typical frequency and voltage-controlled characteristics, which will then form the low-cost GPSDO. The developed system uses a PPS (pulse per second) input generated by a GPS receiver, which is connected with the system to track the official time. The device outputs a signal at 10MHz and another PPS, respecting between the two signals the constraints of frequency and phase that are typical for an atomic clock. A digital-to-analogue converter (DAC) is used inside the PCB, equipped with a voltage reference, to accurately drive the VCXO. The implemented control algorithm on the board keeps track of the reference PPS while the board generates the output signals. The goal is to be able to drive a WR network in the best possible way using only a low-cost GPS receiver and a simple microcontroller system.

Implementazione ed analisi di un GPSDO a basso costo per pilotare un Grandmaster White Rabbit Switch. Il sistema di temporizzazione utilizzato da CERN per gli acceleratori di particelle, si basa oggi sul sistema White Rabbit (WR), pilotato a monte da un orologio atomico, dispositivo estremamente costoso. Per far funzionare WR, anche nei test di laboratorio, occorre la stessa infrastruttura, con i costi associati. Questa tesi di laurea magistrale introduce un’alternativa per le situazioni non critiche, usando un GPS disciplined oscilator (GPSDO) a basso costo per simulare un orologio atomico. Per realizzare questo GPSDO viene usato un circuito stampato dotato di un oscillatore controllato in tensione (VCXO) come fonte di temporizzazione. Nella tesi si descrive la scelta dell'oscillatore, della sua frequenza tipica e le caratteristiche di controllo in tensione, che andrà poi a costituire il GPSDO a basso costo. Il sistema sviluppato utilizza un ingresso PPS (pulse per second) generato da un ricevitore GPS, a cui agganciarsi per tenere traccia del tempo ufficiale. Il dispositivo emette in uscita un segnale a 10MHz ed un altro PPS, rispettando tra i due segnali i vincoli di frequenza e fase tipici di un orologio atomico. All'interno del PCB viene utilizzato un convertitore digitale-analogico (DAC), dotato di riferimento di tensione, per pilotare con precisione l'oscillatore VCXO. L’algoritmo di controllo implementato sulla scheda tiene traccia del PPS di riferimento nella generazione dei segnali di uscita. L'obiettivo è poter pilotare una rete WR nel miglior modo possibile usando solo un ricevitore GPS economico e un semplice sistema a microcontrollore.