Термокомпенсированный генератор на 24МГц или история борьбы за точный отсчет времени на комьютере

Хотите иметь точные часы на компьютере и не боитесь его сломать?
Может работаете любительской цифровой связью?
Интересно почитать о GPS генераторе точной частоты?
Тогда вам под кат!

Мотивация

При работе цифровыми видами связи на коротких волнах чрезвычайно важно иметь очень точное время на компьютере, иначе у вас будет плохо получаться.
Насколько точное? Ну, 1 секунда погрешности — уже очень плохо.
Желательно быть точным в пределах десятой доли секунды. Вот как это выглядит на практике:

В столбце DT видна разница во времени между часами моего компьютера и часами компьютера корреспондента в секундах.
Пытливый ум читателя возразит: так поставь синхронизацию времени по NTP и радуйся жизни. Да, синхронизация у меня установлена. Но во время синхронизации, если работает приложение, скачёк времени назад(в моем случае) приводит к потере принимаемых пакетов данных.
Т.е. важна не только синхронизация точного времени, а и правильный его счёт.

Насколько всё плохо?

В моем случае стоковая материнская плата ASUS PRIME H310M-C R2.0/CSM в постоянно включенном состоянии каждые 12 часов спешила на +750мс. Т.е. за два часа работы время легко уходит в +0,12с и, если выставлять автоматическую синхронизацию по NTP каждый час, то у меня каждый час будут потери пакетов на прием.

Первая кровь — кварц на 32768Гц

Заменил кварц на RTC:

И… через 12 часов работы я увидел все те же +750мс.
Стало понятно, что компьютер во время работы не использует RTC для подсчета времени.
Я наивно полагал что Win 7 не считает время сама, как это делает Linux, но ошибался.
Система при старте берёт точное время из RTC и далее считает его сама, а RTC считает время отдельно.
При завершении работы системы — ОС записывает системное время в RTC и выключает/перезагружает компьютер.

Жертва номер два — кварц PCH

Я изучил материнскую плату и нашел ещё два кварцевых резонатора: на 25МГц для встроенной сетевой платы Realtek и 24МГц возле моста PCH.
Выпаял кварц:


Впаял цанговый разъем:


Взял из коробочки другой кварц на 24МГц и он занял место предыдущего:


Через 12ч работы системы я получил отставание на 2300мс, и это была радостная весть — ведь это он, искомый кварц!

Проба номер раз: GPS-опорный генератор

Достал из коробочки десятидолларовый GPS модуль с антенной u-blox NEO-7 и подключил его к компьютеру через USB-COM переходник.
Скачал u-center 21.09 и подключился к GPS модулю. Нажал view-configuration view-TP5 и вот так это настроил, нажав снизу Send:

Запитал GPS модуль от повербанка, а выход PPS через конденсатор 10нФ подал на одну из ножек PCH:

Компьютер включился, прошел POST но не смог обнаружить ни один диск. Ни SATA ни NVME :)
Заглядываю осциллографом(если что, то это должен быть меандр):

Конечно, на такое точное по частоте но безобразное по форме нечто ни один уважающий себя PLL не залочится :)
Вообще странно как он запустился…

Ищу TCXO

TCXO — Temperature compensated crystal oscillator или температурно-компенсированный кварцевый генератор.
Если очень просто на пальцах — это кварцевый резонатор и электроника вокруг него, которая обеспечивает стабильную выходную частоту при изменении окружающей температуры.
В шапке ссылка на генератор с точностью ±1.5ppm. Был куплен и доставлен на следующий день.
Полное наименование: I538-2O7-24.000 MHZ
Вид сверху:


Вид снизу:

Интеграция генератора и тест

К материнской плате был припаян ещё раз цанговый разъем так, чтобы посередине была припаяна земля, а по краям — два вывода экс-кварца. На второй такой же цанговый разъем был припаян генератор с двумя конденсаторами 0603: 100нФ по питанию и 10нФ от выхода генератора к одной из ножек кварца. А также был припаян провод для питания генератора.
Вид снизу:


Вид сверху:


Питание +3.3В взял от 8-й ножки микросхемы BIOS-а и установил это дело в панельку:


Форма сигнала:


Всё заработало как нужно.
За 12 часов получилась разница в -1мс с NTP сервером используя Net Time 3.14
Всем добра!