Tijdsein-ontvanger voor DCF77
De eerste stap naar de atoomklok
Gratis de juiste tijd, vierentwintig uur per dag en het hele jaar door, nauwkeuriger dan de telefoon en de radio, wat wil je nog meer? De Duitse zender DCF77 geeft deze tijd, die wordt betrokken van een cesium-atoomklok met een nauwkeurigheid van 2 × 10-13. De hier beschreven ontvanger is speciaal ontworpen voor de frekwentie waarop DCF77 uitzendt en maakt een stabiele ontvangst mogelijk in geheel Nederland.
De juiste tijd, bij de volgende toon is het precies ... Hoe vaak hoor je dat niet, zonder er bij na te denken wat daar allemaal achter steekt. Ons hele leven wordt beheerst door de tijd, een begrip waar we eigenlijk erg weinig vat op hebben. Met behulp van moderne technieken is het tegenwoordig wel mogelijk de "tijd" vrij nauwkeurig te meten aan de hand van definities die we daarvoor zelf hebben bedacht.
Sinds 1968 is de eenheid van tijd de sekonde. In dat jaar werd de sekonde gedefinieerd door de Conference Generale des Poids et de Mesures als de tijdsduur van 9.192.631.770 perioden van de straling die overeenkomt met de overgang tussen de twee hyperfijnnivo's van de grondtoestand van het atoom cesium 133. Een hele mondvol, nietwaar, en voor de meesten van ons ook niet zo duidelijk. Toch is het wel prettig om de exakte tijd te hebben in de huis- of hobbykamer zonder meteen met atoomovergangen te gaan knutselen. Gelukkig staat ons zo'n tijdstandaard helemaal gratis ter beschikking. Op allerlei plaatsen staan zenders die de atoomklok-tijd verspreiden over grote afstanden, voornamelijk ten behoeve van allerlei instanties en laboratoria. Met behulp van een ontvanger en een dekodeerschakeling kan iedereen over deze "atoomtijd" beschikken. Dus waarom zouden we dat niet doen?
De tijd-zender
De dichtstbijzijnde tijd-zender voor Nederland is DCF77 in de buurt van Frankfurt am Main in Duitsland. Het uitgestraalde vermogen bedraagt 20 tot 25 kW en mede door de gunstige ligging is het signaal van deze zender in een straal van 700 ... 800 km goed te ontvangen. De frekwentie waarop wordt uitgezonden is 77,5 kHz; deze frekwentie wordt ook van de atoomstandaard afgeleid. Gemiddeld over 100 dagen is de afwijking van de bij de zender gebruikte atoomklok kleiner dan 2 × 10-13. Schommelingen van de draaggolffrekwentie hoeven we dus niet te verwachten, afgezien van de voor het lange golf-gebied typische faseverschuivingen.
Als de zender uitgeschakeld moet worden voor onderhoudswerkzaamheden wordt een reserve-zender ingezet. Bij korte uitvalperiodes, voornamelijkveroorzaakt door onweer, komt er helemaal geen signaal binnen op onze ontvanger. Onze klok moet dan verder lopen op zijn eigen tijdbasis. Zodra de zender weer in de lucht komt wordt de klok weer automatisch bijgesteld. Langere uitvaltijden komen (gelukkig) zelden voor. Van 1974 t/m 1978 kwam er slechts zes maal een door onweer veroorzaakte uitval voor met een duur tussen een en vier uur. Heel korte storingen worden door de atoomklokontvanger-bezitter waarschijnlijk helemaal niet waargenomen, omdat de klok voortdurend de tijd die hij aangeeft vergelijkt met de door de zender uitgezonden tijd.
Het tijd-signaal
De draaggolf van DCF77 wordt gemoduleerd met sekondenmarkeringen, waarbij aan het begin van elke sekonde (met uitzondering van de 59-ste sekonde van elke minuut) de draaggolf-amplitude gedurende 100 of 200 ms wordt verminderd tot 25%. Elke sekonde begint exakt bij het verminderen van de amplitude. Door het ontbreken van de 59-ste sekondenmarkering wordt het begin van de volgende minuut aangegeven.
Bij het tussenvoegen van een "schakelsekonde" wordt in plaats van de 59-ste sekondenmarkering de 60-ste weggelaten. Deze schakelsekonde wordt een-of tweemaal per jaar toegevoegd om het verschil tussen de internationale atoomtijd en de gekoördineerde wereldtijd te korrigeren.
De tijd-kode
De komplete tijd-kode, dus de juiste tijd plus de datum, wordt elke minuut eenmaa) uitgezonden. De duur van de sekondenmarkeringen wordt gebruikt om de uurtijd en de datum in BCD-kode over te brengen naar de gebruiker. Een sekondenmarkering met een duur van 100 ms stelt een logische nul voor en een markering van 200 ms een logische een. In figuur 1 is een schema gegeven met daarin de plaats van de tijd-informatie gedurende elke minuut.
Figuur 1. Schema van de gekodeerde tijd-informatie.
De kodering van de sekonden 1 ... 14 ligt nog niet vast, zodat de eerste bruikbare informatie bij de vijftiende sekonde begint. Het antenne-bit "R" geeft met een logische een aan dat de reserveantenne ingeschakeld is. Bit "A1" geeft vanaf een uur voor het omschakelen van (Duitse) zomer- naar wintertijd (en omgekeerd) een logische een. Daarnaast geeft bit "Z1" door middel van een "1" aan dat de aangeboden tijd-informatie betrekking heeft op de zomertijd en bit "Z2" geeft doormiddel van een "1" aan dat de aangeboden tijd-informatie betrekking heeft op de wintertijd. Bit "A2" geeft vanaf een uur voor het invoegen van een schrikkelseconden met logische "1" aan dat er een schrikkel seconden eraan komt.
Met startbit "S" begint de eigenlijke tijd-informatie. Het startbit is altijd logisch een en daarna volgen in BCDkode de minuut- en uurtijd en de datum (bit 21 ... 58). De uitgezonden minutentijd geldt altijd voor de daaropvolgende minuut.
P1, P2 en P3 zijn pariteitsbits ter kontrole van de ontvangen informatie. In figuur 2 is een voorbeeld van zo'n DCF77-kode gegeven (alleen de uren en minuten).
Figuur 2. Hier is de omhullende getekend voor de gekodeerde uurtijd 19.35 uur. De getallen onder de omhullende zijn de nummers van de sekonden. Daar boven zijn de binaire waarden aangegeven en de bijbehorende gedekodeerde decimale getallen.
Driemaal in elk uur, in de minuten 19, 39 en 59 (steeds gedurende de sekonden 20... 32) wordt twee keer achter elkaar de roepnaam "DCF77" in morse uitgezonden. Elke letter en elk cijfer wordt tussen twee sekondenmarkeringen gezonden, waarbij de morsetekens gegeven worden in de vorm van een 250 Hz-blokgolf die de draaggolf-amplitude dan vermindert van 100 naar 85%. De roepnaam-opwekking gebeurt geheel elektronisch zonder onderbreking van de tijdmarkering.
De tijdsein-ontvanger
In figuur 3 is het blokschema getekend van de tijdsein-ontvanger. Bij de ontwikkeling van deze ontvanger werd uitgegaan van drie eisen waaraan deze beslist moest voldoen:
- Geen spoelen die afgeregeld moeten worden.
- Grote gevoeligheid.
- Kleine bandbreedte.
Figuur 3. Blokschema van de tijdsein-ontvanger. Rond het IC TCA440 is een superheterodyne ontvanger opgebouwd. Het hoogfrekwentingangssignaal (77,5 kHz) wordt ontvangen door een aktieve (ferriet-)antenne. De schakeling heeft twee "open kollektor"-uitgangen "DATA" levert het DCF-signaal en "TX" levert een signaal bij zenderuitval of ontvangststoring.
De smalle band werd verkregen door gebruik te maken van een bandfilter, de grote gevoeligheid door het toepassen van een aktieve antenne in kombinatie met een ruisarme voorversterker en natuurlijk door de al genoemde kleine bandbreedte. Door het inzetten van een kwarts-oscillator en een bandfilter met vaste spoelen is een afregeling overbodig.
Een superheterodyne-ontvanger bleek het meest geschikt te zijn om al deze eisen samen te kunnen verwezenlijken. In de ontvanger is het al vaker gebruikte IC TCA440 toegepast, dat een geregelde hf-voortrap, een mengtrap, een oscillator en een geregelde mf-versterker bevat. Verder zorgt een interne spanningsstabilisator voor een degelijke voeding voor alle delen van het IC.
Extern hoeven we voor de voortrap en de drievoudige middenfrekwentversterker van het IC alleen nog voor de regelspanning te zorgen. Deze regelspanning (AGC) wordt verkregen uit het mf-signaal door gelijkrichting en filtering en daarna teruggevoerd naar het IC via pen 9. De voortrap krijgt dezelfde regel- spanning via een emittervolger in de regelversterker (pen 3 doorverbonden met pen 10). Na een tweede gelijkrichter- en filterschakeling en een schmitt-trigger is het DCF-signaal dan op TTL-nivo beschikbaar aan de "DATA"-uitgang (dit is een open-kollektor-uitgang). Tevens is ter indikatie via een buffer een LED aangesloten op de schmitt-trigger-uitgang. Een tweede uitgang "TX" geeft daarnaast nog informatie die als storings-indikatie dienst kan doen.
De schakeling
In de figuren 4, 5 en 6 zijn de schema's van de tijdsein-ontvanger getekend. De aktieve antenne is afgebeeld in figuur 4. De antenne zelf bestaat uit een op een ferrietstaaf gewikkelde spoel L8. Deze spoel vormt samen met kondensator C43 een kring die is afgestemd op 77,5 kHz. Door het verschuiven van de spoel over de ferrietstaaf kan men de kring nog wat bijstellen. Het ontvangen signaal wordt door de FET T5 ongeveer 20 keer versterkt en daarna door T6 doorgegeven aan de "ontvanger".
Figuur 4. Een ontvanger is zo goed als zijn antenne! Deze aktieve antenne garandeert een goede ontvangst in een straal van bijna 800 km rond Mainflingen bij Frankfurt in Duitsland, waar de zender staat.
De voedingsspanning voor de antenne-schakeling loopt via de koax-kabel. Deze voedingsspanning wordt bij de eigenlijke ontvanger nog eens extra afgevlakt en hf-ontkoppeld door R1, C1 en C4, waarbij R4 er voor zorgt dat het hfsignaal niet door de voeding wordt kortgesloten.
Ondertussen zijn we dan in het schema van figuur 5 aanbeland. Tussen pen 12 en 16 van IC1 is een bandfilter opgenomen met een centrale frekwentie van 700 Hz en een bandbreedte van 100 Hz. Men kan de bandbreedte weliswaar nog kleiner maken, maar dan wordt het noodzakelijk het filter af te regelen en dat wilden we nu juist vermijden. Aan pen4 van de TCA440 is het uitgangssignaal van de externe oscillator aangesloten. Dit signaal wordt verkregen vanuit een kwarts-oscillator die een frekwentie levert van 2,4576 MHz. Deze frekwentie wordt door IC2 door 32 gedeeld, zodat een frekwentie van 76,8 kHz ontstaat. In IC1 wordt dit signaal gemengd met het ingangssignaal van 77,5 kHz, waarna een middenfrekwentsignaal overblijft met een frekwentie van 700 Hz (77,5 kHz - 76,8 kHz = 700 Hz).
Figuur 5. Het schema van de tijdsein-ontvanger. Behalve de TCA440 kan men nog een bandfilter herkennen tussen pen 12 en 16 van IC1, een kwartsoscillator met deler (IC2) en een schmitt-trigger (IC4 met omringende komponenten). TP1,TP2 en TP3 zijn meetpunten voor de af regeling.
Na filtering en versterking is dit signaal aan pen 7 van IC1 beschikbaar. De regelspanning AGC wordt betrokken uit het 700 Hz-uitgangssignaal door gelijkrichten met D3. Via D4, de met IC4 opgebouwde schmitt-trigger, de zenerdiode D7 en transistor T3 komt het DCF-signaal dan ter beschikking aan de "DATA"-uitgang. Verder schakelt T4 de LED D8 in het ritme van het ontvangen tijdsignaal in en uit. Een storings-indikatie wordt geleverd door de kombinatie D5/T2. Tenslotte is in figuur 6 een eenvoudige voeding voor de ontvanger afgebeeld.
Figuur 6. De voeding voor de ontvanger. Alles wat aan de sekundaire kant van de trafo hangt is op de print ondergebracht.
De opbouw
Het in elkaar zetten van de ontvanger zal weinig problemen geven als men zich houdt aan de print die in. figuur 7 is afgedrukt. Het printje voor de aktieve antenne wordt eerst van de hoofd-print afgezaagd, waarna op dit printje alle onderdelen worden gemonteerd en dit, kompleet met de antenne, in een kunststof kastje wordt ondergebracht. De verbinding tussen antenne en ontvanger kan men het beste maken met koaxkabel en BNC-konnektors. Wacht wel met inbouwen totdat alles afgeregeld is.
Figuur 7. Print-layout en komponentenopstelling voor de ontvanger met de aktieve antenne. Het koper aan de komponentenzijde van de print is de massa van de schakeling, zodat hieraan ook alle soldeerverbindingen naar massa moeten worden gemaakt. De elko's worden loodrecht gemonteerd. Het printje voor de aktieve antenne wordt losgezaagd van de ontvanger-print.
| R1,R4,R41 | 56 Ω |
| R2,R3,R11,R29 | 2k2 |
| R5 | 100 k |
| R6,R16 | 6k8 |
| R7 | 220 Ω |
| R8 | 8k2 |
| R9 | 1k8 |
| R10,R30 | 47 k |
| R12,R28 | 470 Ω |
| R13,R14,R15,R21,R24 | 3k3 |
| R17,R18,R22,R31 | 10 k |
| R19 | 33 k |
| R20 | 22 k |
| R23 | 1 M |
| R25 | 50k instelpotmeter |
| R26 | 10 M |
| R27 | 25 k instelpotmeter |
| R32,R33,R34,R35 | 4k7 |
| R36,R37 | 100 Ω |
| R38 | 680 Ω |
| R39 | 180 Ω |
| R40 | 270 Ω |
| R41 | 56 Ω |
| C1,C4,C5 | 47 µ/16 V |
| C2 | 1 n |
| C3 | 1 µ/16 V |
| C6,C13,C17,C19,C21,C25 | 470 n |
| C7,C27,C39,C40 | 100 n |
| C8,C10 | 680 p |
| C9 | 1n5 |
| C11 | 10n |
| C12,C18 | 56 n |
| C14,C15 | 10 µ/10 V |
| C16 | 4µ7/16 V |
| C20 | 2µ2/10 V |
| C22,C23 | 47 µ/3 V |
| C24,C32,C34 | 1 µ/6 V |
| C26 | 1 µ/10 V |
| C28 | 100 p |
| C29 | 4...40p trimmer |
| C30 | 10 µ/10 V tantaal |
| C31 | 10 µ/16 V tantaal |
| C33 | 4µ7/10 V |
| C35 | 680 n |
| C36 | 180 n |
| C37 | 22 µ/16 V |
| C38 | 100 µ/10 V |
| C41 | 470 µ/25 V |
| C42 | 10 µ/25 V tantaal |
| C43 | 4n7 |
| C44,C45 | 4µ7/6 V |
| L1,L2 | 8,2 mH |
| L3 ... L7 | 100 mH |
| L8 | 100 windingen CuL (0,2 mm ø) op 10 cm ferrietstaaf (10 mm ø) |
| D1,D2,D5,D6,D13,D14 | 1N4148 |
| D3,D4 | DUG |
| D9 ... D12 | 1N4001 |
| D7 | zenerdiode 4V7/0,4 W |
| D8 | LED |
| T1 | BF494 |
| T2,T3,T4 | BC547B |
| T5 | BF256C |
| T6 | BC557B |
| IC1 | TCA440 |
| IC2 | CD4060 |
| IC3 | 78L08 |
| IC4 | 741 |
| IC5 | 78L12 |
| X-tal | 2457,600 kHz kristal |
| Tr1 | trafo 15 V/100 mA |
| S1 | dubbelpolige netschakelaar |
| F | zekering 200 mA |
| EPS 80524 |
Na het opbouwen van de ontvanger wordt deze in een afgeschermde behuizing gebouwd. Ook deze inbouw dient pas te geschieden na het afregelen.
De afregeling
Zoals in het begin al vermeld hoeft men in het hf-gedeelte niets af te regelen. De overige instellingen zijn eenvoudig uit te voeren. Eerst worden de instel-potmeters R25 en R27 en de trimmer C29 in de middenstand gezet. Nadat de antenne met de ontvanger is verbonden, wordt de voeding ingeschakeld en gerne-ten of de voedingsspanning in orde is (ook de spanning na IC3 meten). Dan wordt een oscilloskoop aangesloten op meetpunt TP2 en de amplitude van het 700 Hz-signaal bekeken. Door het verschuiven van de spoel over de ferrietstaaf en draaien van de staaf loodrecht op de zender wordt geprobeerd de amplitude zo groot mogelijk te krijgen. Eventueel kan men proberen door verdraaien van C29 nog iets meer er uit te halen. Een nauwkeurige afregeling van de kwarts-oscillator is alleen mogelijk met behulp van een frekwentiemeter. Als men dat niet doet kan C29 gewoon in de middenstand blijven staan.
Heeft men geen skoop ter beschikking, dan wordt dit deel van de afregeling uitgevoerd met een multimeter in de 500 µA-stand die aangesloten is op meetpunt TP1. Op dit punt is een spanningsbron beschikbaar met een maximale spanning van 600 mV bij een inwendige weerstand van 400 Ω. De afregeling wordt dan zo uitgevoerd dat de uitslag van de meter zo groot mogelijk is. Verder kan een kristal-oortelefoontje of klein lf-versterkertje met luidspreker, aangesloten op TP2, goede diensten bewijzen. Als de 700 Hz-toon goed te horen is, heeft men ook een goede ontvangst.
Bij punt TP3 staat het gelijkgerichte DCF-signaal. Als men hierop een skoop aansluit krijgt men ongeveer hetzelfde te zien als in figuur 2 getekend is (natuurlijk wel gelijkgericht en een andere tijd).
Als laatste is de instelling van de schmitt-trigger aan de beurt. Met R27 in de middenstand wordt R25 zo verdraaid dat de LED D8 knippert in het ritme van het ontvangen DCF-signaal. Lukt dit niet met R25, dan wordt de instelling van R27 ook veranderd. Het is in elk geval mogelijk een instelling van beide instelpotmeters te vinden waarbij de LED regelmatig knippert.
En verder ...
Na het inleidende verhaal over de tijdkode die de DCF77-zender verstuurt, zal het wel duidelijk zijn dat de uitgang van de ontvanger niet zo maar op een eenvoudige digitale schakeling kan worden aangesloten die een paar displays stuurt. Hiervoor is een uitgebreide dekodeerschakeling nodig.
Het ligt voor de hand voor dit doel een microprocessor te gebruiken, die aan de hand van een uitgekiend programma uit de ontvangen signalen de tijd en datum destilleert in decimale vorm. In het Elektuur-lab is dan ook een tijdsein-processor ontworpen waarbij gebruik wordt gemaakt van de in de junior computer toegepaste microprocessor 6502. Deze processor vormt een hechte eenheid met de DCF77-ontvanger en biedt verder ook nog enige extra's.