DCF77-Ontvanger
De langegolf tijdseinzender DCF77 levert een uiterst stabiele draaggolf die men heel goed als frekwentiestandaard kan gebruiken. Het enige dat daarvoor nodig is, is een goede ontvanger. De hier beschreven schakeling is dan ook speciaal ontworpen voor een optimale ontvangst van de DCF77-zender.
De DCF77-zender zendt normaal de officiële tijdkode uit. U herinnert zich vast wel de universele tijdsein-processor die we in 1981 gepubliceerd hebben. Omdat we het DCF-signaal hier niet voor een tijdsein-processor willen gebruiken, gaan we niet verder in op de gekodeerde tijd-informatie. Mocht u hier toch interesse voor hebben: in het septembernummer van 1981 staat op bladzijde 45 alles wat u wilt weten. Hoe maken we nu van een draaggolffrekwentie van precies 77,5 kHz - gemiddeld over 100 dagen is de afwijking kleiner dan 2 × 10-13 - een standaardfrekwentie van 10 MHz?
Dat gaat betrekkelijk eenvoudig. Kijkt u eens naar het blokschema in figuur 1. Daar zien we een heterodyne-ontvanger met een 10-MHz-oscillator die door een PLL-schakeling geregeld wordt. Het geregelde 10-MHz-signaal is onze standaardfrekwentie. Het ontvangen signaal komt natuurlijk van de DCF zender. In frekwenties uitgedrukt ziet het er als volgt uit: het oscillatorsignaal wordt gedeeld door 128 (10 MHz : 128 = 78,125 kHz) en gemengd met het ingangssignaal (77,5 kHz). Hieruit resulteert een frekwentie van 625 Hz (78,125 kHz - 77,5 kHz = 625 Hz). Het oscillatorsignaal wordt verder door een aantal deeltrappen gedeeld door 32, daarna door 125 en door 4, totaal dus door 16000 (10 MHz : 16000 = 625 Hz), waarna dat 625-Hz-signaal wordt toegevoerd aan een tweede mengtrap waarin de fase van beide 625-Hz-signalen met elkaar wordt vergeleken. Het zo verkregen foutsignaal stuurt de 10-MHz-oscillator, zodat deze exakt die frekwentie van 10 MHz blijft produceren.
De schakeling
Om de werking van de DCFontvanger beter te kunnen begrijpen, is het verstandig om bij de beschrijving van de schakeling ook af en toe het blokschema op figuur 1 te bekijken.
Figuur 1. Het blokschema van de DCF-ontvanger toont een heterodyne-ontvanger, waarvan de 10-MHz-oscillator door een PLL geregeld wordt. Bovendien kan er een tijd- en een foutsignaal worden afgenomen. Een piëzo-zoemer waarschuwt bij storingen in de ontvangst.
De aktieve antenne bestaat uit een ferrietstaaf van 20 cm lengte en een diameter van 1 cm. Hierop bevindt zich een kokertje van karton of kunststof, dat over de ferrietstaaf verschoven kan worden. Om het kokertje worden 200 windingen koperlakdraad met een diameter van 0,2 mm gewikkeld. Zo ontstaat spoel L5, die samen met kondensator C44 de ingangskring vormt (figuur 2a). Deze LC-kring is verbonden met de source-volger T13, die weer gevolgd wordt door de versterkertrap T15. T14 verzorgt de gelijkstroominstelling van de source-volger. Omdat de LC-kring een hoge kwaliteitsfaktor (Q) heeft, zou de versterker kunnen gaan oscilleren. Om dit oscilleren te voorkomen, wordt de ingangskring gedempt door de weerstanden P2 (hiermee wordt de Q ingesteld) en R47. Wie de juiste meetapparatuur heeft, kan met P2 de Q op 100 instellen. Heeft u die niet, stel P2 dan zo in dat de versterker net niet oscilleert (loper langzaam richting massa draaien); als een signaal ontvangen wordt, regelt men de Q naar een lagere waarde (loper richting R47).
Figuur 2a. De aktieve antenne van de ontvanger.
Meetwaarden: a = 2 - 3 V, b = 1,3 - 2,3 V; c = 12,4 - 13,6 V.
Het in het blokschema aangegeven bandfilter (Band Pass Filter, BPF) filtert eventuele storende pulsmodulatie uit het ontvangen signaal. Dit bandfilter zal in een latere publikatie aan de orde komen en wordt hier dus niet verder besproken.
Figuur 2b. Het schema van de ontvanger met PLL-regeling en een kwarts-VCO. De 10-MHz-standaardfrekwentie wordt bij een storing in de ontvangst uitgeschakeld.
Het 77,5-kHz-signaal gaat daarna naar het netwerk L1/C3/C4 en komt vervolgens terecht op gate G1 van de mixer (T1). T1 wordt geschakeld door uitgang Q7 van IC3, die is aangesloten op gate G2 van de mixer (frekwentie 78,125 kHz). Als meng-produkt ontstaat het MF signaal met een frekwentie van 625 Hz. Aan de uitgang van de mixer ligt een soort gyratorschakeling T2/C8/C9, waardoor op deze plaats een zeer hoge versterking ontstaat. Op gate C1 wordt ook het signaal voor de automatische versterkingsregeling (AGC) toegevoerd.
Het 625-Hz-signaal wordt gefilterd door een 700-Hz-laagdoorlaatfilter (LPF) bestaande uit R8...R10, C10...C12 en T3, en een 550-Hz-hoogdoorlaatfilter (HPF) bestaande uit C13...C15, R11... R13 en T5. T4, T6, R13 en R14 verzorgen de gelijkstroom-instelling van de beide aktieve filters. Daarna volgt IC1. Deze is als wisselspanningsversterker geschakeld en versterkt het 625-Hz-signaal ongeveer 100 keer.
Het uitgangssignaal van IC1 legt verschillende wegen af. Als eerste vervolgen we de weg via IC2. We hebben een analoge PLL gekozen, waarbij de bandbreedte weliswaar bij slechter wordende signaal/ruisverhouding afneemt, maar dat is hier niet storend zolang de PLL ingevangen is. Bij een digitale PLL zou de regeling bij een sterk stoorsignaal en bij slechter wordende signaal/ruisverhouding uit de synchronisatie kunnen lopen, wat natuurlijk ongewenst is. Na "soft clipping" met de dioden D1 en D2 wordt het mengsignaal met het referentiesignaal van FF1/FF2 in fase vergeleken. FF1 en FF2 leveren een "kwadratuursignaal" (Q en Q) voor de symmetrische ingangen van de S042P. Het fasefout-signaal aan de uitgang (pen 2) van de mixer wordt gefilterd (PLL-lusfilter R22/C20) en gaat dan als stuursignaal (regelspanning) naar de kapaciteitsdiode D4. Hiermee wordt de 10-MHz-kwartsoscillator net zo lang bijgeregeld totdat het binnenkomende 625Hz-signaal en het 625-Hz-referentiesignaal overeenkomen. De tweede weg van het uitgangssignaal van IC1 leidt na gelijkrichting met D3 (als AGCsignaal) via D5 naar gate C1 van mixer T1.
Verder gaat het uitgangssignaal van IC1 nog naar komparator IC6. Het signaal wordt eerst door D7 en C33 gelijkgericht. Zo ontstaat de referentiespanning voor de plus-ingang van de komparator. Via sample-&hold-transistor T11 wordt het signaal naar de min-ingang van IC6 gevoerd. Daarbij schakelt T11 in het ritme van het referentiesignaal voor de fasevergelijker (625 Hz). Zo ontstaat aan uitgang T het tijdsignaal, dat als sturing voor een DCF klok kan dienen.
De vierde en laatste weg van het uitgangssignaal van IC1 loopt via C35 naar N2. Het uitgangssignaal van N2 en het referentiesignaal voor de fasevergelijker staan op de beide ingangen van de EXOR-poort N3. Het uitgangssignaal van deze "mixer" heeft na filtering door R39/C36 de volgende eigenschappen: is de PLL ingevangen, dan is het signaal ongeveer nul. Wordt de fasefout groter, dan stijgt ook de amplitude van het signaal. Als de PLL uit zijn synchronisatie gelopen is, wordt het foutsignaal zo sterk, dat de nivo's aan de ingangen van N4 verschillend zijn. De piëzo-zoemer geeft dan als waarschuwing een zoemtoon. Het uitgangssignaal van N3 bedient dus enerzijds de zoemer (die overigens bij een beginnende storing in de ontvangst ook "tussentonen" afgeeft) en anderzijds schakelaar T12 (via de komparator IC7). Bij een storing in de ontvangst moet T12 namelijk het 10-MHzuitgangssignaal kortsluiten. Als het 10-MHz-signaal moet dienen als referentie voor een teller, dan kan men het via R44 en D9 geleverde signaal aan uitgang E gebruiken voor een automatische tijdbasis-omschakeling. We mogen bij deze beschrijving natuurlijk niet het "hart" van de schakeling, namelijk de 10-MHz-kwarts-oscillator, vergeten. De oscillator bevat een kristal met een parallelkapaciteit van 30 pF. T10 werkt als nivo-aanpasser, zodat deler IC3 een voldoende sterk signaal ontvangt. Het is niet zinvol om dit rechthoeksignaal met een amplitude van 15 V verder via een koax-kabel te versturen, dat zou een flinke stoorzender worden! Daarom wordt het signaal eerst verzwakt en gefilterd, voordat het naar de uitgang gaat. Bij afsluiting van de 10-MHz-uitgang met 50 ohm is tenslotte een sinussignaal met 750 mVtt met een stabiliteit van ± 0,5 ppm ter beschikking. Tenslotte nog een woord over de delers. IC3 (een CD4024BE) kan moeiteloos een 10-MHzrechthoeksignaal verwerken. Hiervan worden de uitgangen Q7 (10 MHz : 128 = 78,125 kHz) en Q5 (10 MHz : 32 = 312,5 kHz) gebruikt. Het Q7-signaal gaat naar de eerste mixer en het Q5-signaal wordt verder gedeeld (IC4 deelt door 125 en FF1/FF2 door 4), zodat het referentiesignaal van 625 Hz ontstaat.
In figuur 2c is de voeding voor de DCF-ontvanger te zien.
Figuur 2c. De voeding voor de ontvanger hoeft alleen maar +15 V te leveren.
Opbouw en afregeling
Behalve de nettrafo, spoel L5 en zoemer Bzl wordt alles op de print gemonteerd (figuur 3). De elektronica voor de aktieve antenne bevindt zich op een stukje print dat van de hoofdprint afgezaagd kan worden. De om het kartonnen kokertje gewikkelde spoel L5 (op de ferrietstaaf) wordt met iets langere aansluitdraden verbonden met de print voor de aktieve antenne, zodat de spoel voor de instelling gemakkelijk over de staaf verschoven kan worden. Als bij het instellen zou blijken dat het kokertje gedeeltelijk van de staaf geschoven moet worden (afhankelijk van materiaal en aantal wikkelingen), dan moet het aantal windingen zodanig verkleind worden, totdat de spoel zich ongeveer in het midden van de staaf bevindt.
Figuur 3. Print-layout en komponentenopstelling voor de ontvanger. De elektronica voor de aktieve antenne wordt op een stukje print ondergebracht dat van-tevoren van de hoofdprint afgezaagd moet worden.
| R1,R2,R48 | 68 Ω |
| R3,R5,R7,R16,R25,R26,R29,R30,R31 | 220 k |
| R4 | 1M |
| R6 | 680 k |
| R8,R9,R10,R47 | 100 k |
| R11,R18,R19,R33,R34 | 22 k |
| R12 | 10 k |
| R13,R14 | 330 k |
| R15 | 2k2 |
| R17 | 470 Ω |
| R20,R21,R24,R32,R40,R41,R46 | 1 k |
| R22 | 220 Ω |
| R23,R39 | 47 k |
| R27 | 56 Ω |
| R28 | 560 Ω |
| R35,R38 | 10 M |
| R36 | 3k3 |
| R37 | 1k2 |
| R42,R43 | 12 k |
| R44 | 6k8 |
| R45 | 2k7 |
| R49 | 150 Ω |
| R50 | 220 k |
| P1 | 10-M-instelpotmeter |
| P2 | 2M5-instelpotmeter |
| C1,C6 | 47 µ/16 V |
| C2 | 5n6 |
| C3 | 80 p trimmer |
| C4 | 56 p |
| C8 | 560 n |
| C9,C17,C26,C34 | 47 n |
| C5,C7,C13,C14,C15 | 10 n |
| C10 | 3n3 |
| C11,C23,C24 | 470 p |
| C12 | 8n2 |
| C16,C18,C45 | 4µ7/16 V |
| C19 | 47 µ/10 V |
| C20 | 470 µ/16 V |
| C21,C22 | 150 n |
| C25 | 100 p |
| C27,C31 | 1 n |
| C28,C29 | 220 p |
| C30,C35,C36,C39 | 220 n |
| C32 | 22 n |
| C33,C41 | 1 µ/16 V |
| C37,C38,C42,C43 | 100 n |
| C40 | 1000 µ/40 V |
| C44 | 2n2 |
| C46 | 100 µ/16 V |
| L1 | 33 m |
| L2, L4 | 2µ7 |
| L3 | 3µ9 |
| L5 | 140 windingen CuL (0,2 mm ø) om een kartonnen kokertje 13 cm lang) op 12 cm lange ferrietstaaf (1 cm ø) |
| D1,D2 | 1N4148 |
| D3,D6...D9 | AA119 |
| D4 | BB212 |
| D5 | zenerdiode 4V7/0,4 W |
| D10...D13 | 1N4001 |
| T1,T10 | BF981 |
| T2,T3,T5,T11,T15 | BC550C |
| T4,T6,T14 | BF256A |
| T7,T8 | BC560C |
| T9,T12 | BF494 |
| T16 | BF256C |
| IC1 | LF356 |
| IC2 | SO42P |
| IC3 | CD4024BE |
| IC4 | 40103 |
| IC5 | 4013 |
| IC6,IC7 | CA3130E |
| IC8 | 4030 |
| IC9 | 7815 |
| S1 | dubbelpolige netschakelaar |
| F1 | glaszekering 50 mA (flink) |
| Tr1 | nettrafo, sekundair 18 V/ 100 mA. |
| X1 | 10-MHz-kwartskristal (30 pF parallelkapaciteit) |
| Bz1 | piëzo-zoemer |
| EPS 86124 |
Vergeet niet weerstand R50 anders wordt slechts een diode afgestemd.
Bij de opbouw van de ontvanger moet men er aan denken dat verschillende onderdelen ook aan de komponentenzijde van de print gesoldeerd moeten worden. De koperlaag op de komponentenzijde dient tegelijkertijd als afscherming. Als de print gemonteerd en gekontroleerd is, kan de nettrafo aangesloten worden. De hoofdprint wordt eerst zonder aktieve antenne getest, waarbij men op TP1 een audio-versterker aansluit. De piëzo-zoemer moet kraken en de luidspreker die op de audio-versterker aangesloten is, moet flink ruisen. Als de schakeling dat allemaal doet, kan de aktieve antenne aangesloten worden. De loper van P2 wordt helemaal in de richting van R47 gedraaid. Nu moet de luidspreker zwakke pieptoontjes geven. De geluiden die de zoemer afgeeft, zijn - zoals in het voorgaande al gezegd werd - afhankelijk van de toestand waarin de PLL zich bevindt.
Nu kan de aktieve antenne op optimale ontvangst ingesteld worden. Daartoe verschuift men de spoel over de fer-rietstaaf en verdraait men trimmer C3. Op TP2 staat het AGC-signaal, dat een indruk geeft van het maximale ingangssignaal. De spanning aan de uitgang van IC1 moet groter zijn dan 1 Vtt. Als het ingangssignaal sterk genoeg is, zal de PLL invangen.
De triggerdrempel voor kom-parator IC6 wordt met P1 ingesteld. Daartoe sluit men op uitgang T een oscilloskoop aan en regelt af op minimale stoor-pulsen. Vantevoren wordt de antenne zo ver gedraaid dat de PLL net niet uit zijn synchronisatie loopt (kontrole met de piëzo-zoemer).
Daarmee is de ontvanger klaar voor gebruik. Men kan het 10-MHz-signaal bijvoorbeeld gebruiken als frekwentiestandaard voor de microprocessor-gestuurde frekwentiemeter. Bij storingen moet men echter weer omschakelen naar de interne kristaloscillator, anders heeft de teller geen referentie meer.
Figuur 4. De bevestiging van de elektronica voor de aktieve antenne aan de ferrietstaaf.
Figuur 5. Het 10-MHz-signaal op CMOS-nivo (a) en het uitgangssignaal van de ontvanger bij afsluiting met 50 ohm (b).
Het lek van Elektuur
In het schema (figuur 2b) is de polariteit van C6 verwisseld. De printopdruk is wel goed.