Rob's web

Precisietijdbasis voor frekwentieteller

Foto 1

De nauwkeurigheid van een frekwentieteller wordt uitsluitend bepaald door de nauwkeurigheid van de gebruikte tijdbasis. Voor zeer nauwkeurige frekwentiemetingen, zoals bijv. het afregelen van kristaloscillatoren, is dus een precisietijdbasis vereist. Deze kan op een betrekkelijk eenvoudige wijze worden verkregen uit het draaggolfsignaal van de Engelse langegolfzender Droitwich.

De tijdbasis voor een frekwentieteller heeft tot taak diverse stuursignalen met verschillende frekwenties te leveren. In ons geval is het nodig dat deze signalen TTL-kompatibel zijn, omdat daarmee immers de TTL-IC's van de teller moeten worden gestuurd.

Met behulp van een kwartskristal kan al een tamelijk nauwkeurige oscillator worden gebouwd. De bereikbare nauwkeurigheid ligt dan bij ongeveer 5 × 10-6/°C. Moet hiermee echter een andere kristaloscillator worden afgeregeld, dan treden er nauwkeurigheidsproblemen op. Voor goede resultaten moet in dat geval de standaardoscillator een minimale nauwkeurigheid van 10-8/°C hebben. Aan deze eis is met een kristaloscillator niet eenvoudig te voldoen. Er treden nl. stabiliteitsmoeilijkheden op, welke worden veroorzaakt door voedingsspanningsvariaties, temperatuurinvloeden en verouderen van de komponenten.

De invloed van de voedingsspanningsvariaties kan bij een goed gestabiliseerde voeding worden verwaarloosd. De natuurlijke veroudering van de komponenten kan door kunstmatige veroudering worden versneld. In de praktijk gebeurt dit door de totale schakeling een aantal malen op te warmen tot ca. 80°C en weer af te koelen (liefst tot temperaturen flink beneden het vriespunt). Als de komponenten op deze wijze verouderd zijn, treedt nauwelijks nog verdere veroudering op.

De door temperatuurveranderingen veroorzaakte frekwentieafwijkingen zijn hoofdzakelijk te wijten aan het kwartskristal. Dit kristal zal daarom bij voorkeur in een termostaat geplaatst moeten worden, dus in een ruimte waarin de temperatuur zeer nauwkeurig konstant gehouden wordt. Met al deze maatregelen is een nauwkeurigheid van 10-8 te bereiken, maar de kosten zijn dan ook sterk gestegen.

Het alternatief

Waarom zou men geen gebruik maken van iets dat men goedkoop kan krijgen? Goedkoop is in dit geval een betrekkelijk kleine investering en verder gratis! Daar de draaggolffrekwenties van omroepzenders meestal zeer precies op hun waarde worden gehouden, vormen zij in principe namelijk ook een geschikte 'tijdbasis'. Een draaggolffrekwentie die zich hier bijzonder goed voor leent, wordt geleverd door de Engelse zender Droitwich. Dit is een lange-golfzender welke in Zuid-Engeland staat en uitzendt op een frekwentie van 200 kHz. Deze frekwentie heeft een nauwkeurigheid van 7 × 10-11.

Het blokschema van figuur 1 laat zien hoe de algemene opzet van onze tijdbasis is. Het zendersignaal wordt versterkt en daarna gebruikt om een 'phase locked loop' (PLL) te sturen. De uitgangsfrekwentie hiervan wordt in frekwentiedelers gedeeld, waardoor een aantal voor een frekwentieteller bruikbare tijdbasisfrekwenties onstaat.

Fig 1
Figuur 1. Blokschema van de precisie-tijdbasis. Deze bestaat uit Droitwich-ontvanger met PLL en een frekwentiedeler.

Het zendersignaal wordt opgepikt met behulp van een ferrietantenne (L3 in figuur 2a). L3 vormt samen met C19 en de op de print gemonteerde kondensator C1 een op 200 kHz afgestemde kring. Het ontvangen signaal wordt daarna versterkt (ongeveer 250.000 maal) in de selektieve versterker met de transistors T1 ... T5 en vervolgens toegevoerd aan de PLL (IC1, type 567).

Fig 2a
Figuur 2a. Principeschema van de ontvanger, welke bestaat uit een selektieve versterker met een daaropvolgende PLL.

Fig 2b
Figuur 2b. Als het signaal in de tweede trap reeds vastloopt, kunnen twee dioden over de afgestemde kring worden geplaatst.

De PLL-schakeling heeft tot taak het ontvangen signaal, met modulatie, storing en ruis, om te zetten in een 'schoon' signaal, dus zonder modulatie, storing en ruis maar met dezelfde frekwentiekonstantheid en -nauwkeurigheid. Hiertoe is het nodig dat de ingangsfrekwentie en de frekwentie van de ingebouwde (vrijlopende) VCO niet te veel van elkaar afwijken, zodat de VCO kan worden 'ingevangen'. Dit invangen wordt aangegeven door oplichten van LED D1 ('Lock'). De frekwentie van de vrijlopende VCO wordt bepaald door R13, P1 en C14, waarvan P1 dient voor het afregelen. R17, C17 en C18 vormen samen met een in het IC aanwezige weerstand een laagdoorlaatfilter, terwijl C16 samen met een andere IC-weerstand een laagdoorlaatfilter voor de invangsignalering vormt. De output van de VCO, welke in de ingevangen toestand fasestar door het ingangssignaal wordt gesynchroniseerd, wordt afgenomen van pen 5. T6 vormt een scheidingstrap die het signaal voor de delerschakeling levert (figuur 3).

Fig 3
Figuur 3. Schakeling van de frekwentiedeler, welke de tijdbasisfrekwenties levert.

Onderdelenlijst behorende bij de figuren 2a en 3.
R1,R515k
R2,R633 k
R3,R7,R101 k
R4,R8680 Ω
R9,R17220 Ω
R11,R12,R144k7
R13,R182k2
R152k7
R16150 Ω
P14k7 instel
C12n2 ker.
C2,C71 n 5% ker.
C3,C8330 p 5% ker.
C416µ/6 V
C5,C92µ2/6 V
C6470 p
C1047 n
C11,C1310n
C12,C1847 µ/6 V
C141 n
C15100 µ/6 V
C1668 µ/6 V
C17330 n
C19470 p var.
L1,L2470µ
L3zie tekst en figuur 5
T1BC559C
T2,T4 .. T6BC547
T3BC557
D1LED
IC1567
IC2 ... IC77490
oortelefoon, bv. kristal > 2 k
PrintEPS 9448

Deze delerschakeling bestaat uit de IC's IC2 ... IC7 (type 7490); elke trap deelt de ingangsfrekwentie door 10 (eerst door 2 en daarna door 5). De signalen van 100 kHz (10 µs), 10 kHz (100 µs), 1 kHz (1 ms), 100 Hz (10 ms), 10 Hz (0,1 s), 1 Hz (1 s) en 0,2 Hz (5 s) worden naar buiten gevoerd als tijdbasisfrekwenties.

Ten behoeve van de mogelijkheid om vast te kunnen stellen of werkelijk de zender Droitwich wordt ontvangen, en geen andere zender, is een kontroleuitgang aangebracht welke met het kollektorsignaal van T5 is verbonden.

Voeding

In het voedingsgedeelte (figuur 4) is een stabilisator µA 7805 (IC1) toegepast, om het aantal benodigde komponenten zo klein mogelijk te houden. Dit IC moet voorzien zijn van koelribben. De kondensatoren C1 en C2 dienen om stoorspanningen weg te werken. C4, parallel aan C3, is nodig voor het opvangen van snelle variaties.

Fig 4
Figuur 4. Schema van het voedingsapparaat voor de Droitwich-ontvanger. Voor de stabilisatie wordt gebruik gemaakt van een driebenige regelaar.

Onderdelenlijst behorende bij figuur 4.
R1150 Ω
C1,C2100 n
C32200 µ/16 V
C4470 n
C510 µ/6 V
D1 ... D41 N4004
D5LED
IC1µA7805 of LM129
Tr220 V prim., 9 V 0,5 A sek.
PrintEPS 9448-1

Montage

De ontvangerschakeling wordt met de delerschakeling op een print gemonteerd. Figuur 6 toont de print-layout met de komponentenopstelling. Voor de kondensatoren C1, C2, C3, C7 en C8 dienen typen met lage verliezen te worden gekozen, dus bijvoorbeeld keramische kondensatoren. De print dient te worden gemonteerd in een metalen doos. Spoel L3, de antenne-spoel, wordt gewikkeld met gelakte koperdraad van 0,2 mm diameter op een ferrietstaaf van 10 mm ø en een lengte van 20 cm. Deze spoel is getekend in figuur 5. De opstelling van L3 en C19 dient zeer stabiel te zijn, zodat geen verandering van de afstemfrekwentie kan optreden. Deze kring is namelijk zeer selektief.

Fig 5
Figuur 5. Schets van de gebruikte antenne-spoel. Deze spoel wordt als gerichte antenne gebruikt.

Foto 2

Fig 6
Figuur 6. De print (koperzijde en komponentenzijde) van de schakeling volgens de figuren 2 en 3.

Fig 7
Figuur 7. Printtekening en onderdelenopstelling van de voeding volgens figuur 4.

Afregeling

Bij het afregelen dient een (draagbare) radio-ontvanger als hulpapparaat te worden gebruikt. Hiermee wordt in de woning een plaats opgezocht waar een goede ontvangst van Droitwich wordt verkregen. Op die plaats zal dan de ingangskring L3/C19 moeten komen. Dit geldt vooral voor het oosten van ons land, waar de ontvangst van Droitwich meestal aanzienlijk zwakker is dan in het westen.

Voor de verbinding van de antennespoel en de kondensator met de Droitwichontvanger kan gebruik gemaakt worden van mikrofoonkabel. De lengte van deze kabel mag maximaal 20 meter bedragen. Als de plaats van de antennekring en de lengte van de kabel bepaald zijn, kan met het afregelen van de ontvanger worden begonnen. Hiertoe wordt een oortelefoon op de ontvanger aangesloten; liefst een met een afgeschermd snoer. Vervolgens wordt kondensator C19 afgestemd tot op beide ontvangers de zender Droitwich wordt gehoord. Daarna wordt de instelpotmeter P1 langzaam verdraaid tot, bij een duidelijk zero-beat, LED D1 oplicht. Door even uitschakelen en daarna weer inschakelen van het apparaat wordt gekontroleerd of de afregeling juist is; bij korrekte afregeling zal de LED meteen na het inschakelen weer oplichten. Zo niet, dan dient de afregeling van de potmeter te worden herhaald.

Bij sterke ontvangst is het geluid minder fraai, omdat in de versterker begrenzing gaat optreden. Dit heeft echter voor de tijdbasisfrekwenties geen konsekwenties. Als de veldsterkte van Droitwich zo groot is dat het signaal in T2 reeds 'vastloopt', kunnen twee begrenzer-dioden over de afgestemde kollektorkring worden geplaatst (zie figuur 2b). Ook kan eventueel C9 worden weggelaten, waardoor tegenkoppeling naar T3 ontstaat.

Bij de definitieve opstelling van de antennekring en de ontvanger verdient het aanbeveling beide zo ver mogelijk uit de buurt van digitale schakelingen te houden, omdat deze schakelingen nogal storend kunnen werken. Verder dient nog te worden opgemerkt dat dit apparaatje niet gebruikt kan worden voor het sturen van digitale klokken en dergelijke omdat de zender Droitwich 's nachts enkele uren uit de lucht is.