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DCF77-Uhr mit ATmega16

DCF77-Superhet-Empfänger

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Neue DCF77-Seiten hier:
Mehr und umfassenderes über DCF77-Empfänger gibt es hier:

Eine richtungsunabhängige Antenne für DCF77: die Kreuzantenne,
Einen empfindlichen Geradeausempfänger mit Transistoren gibt es hier,
Einen noch empfindlicheren Geradeausempfänger mit einem TCA440 gibt es hier,
Hier ein Superhet-Empfänger mit dem TCA440 und einem 32,768kHz-Quarzfilter, entweder mit einer Oszillatorspule oder einem Quarzoszillator und Teiler mit einem ATtiny25,
in Arbeit und geplant: ein ATtiny45-Controller für die automatische Frequenz- und Verstärkungseinstellung der vier Empfängerarten sowie für das Dekodieren der DCF77-Signale und die Übermittlung von Uhrzeit und Datum an einen Anzeigecontroller.
ebenfalls in Arbeit ist ein ATtiny24-Controller, der die seriellen Informationen vom ATtiny45-Controller empfängt und auf einer LCD anzeigt.
noch dazu geplant und in Arbeit: eine Übersichtsseite mit Kurzbeschreibungen.

1 Warum ein Eigenbau-Empfänger für DCF77

Es gibt viele vernünftige Gründe, einen DCF77-Empfänger selbst zu bauen:

Im Gegensatz zu käuflichen Modulen verfügt der Empfänger über eine sehr hohe Verstärkung und Empfindlichkeit. Er empfängt also in weiter Entfernung zu Mainflingen auch noch verwertbare Signale. In 30 km zu Mainflingen zeigt meine analoge Anzeige am Empfänger fast Vollausschlag (vier bis fünf), die Vor- und die ZF-Verstärkung des TCA440 wird also nahezu maximal abgeregelt. Eingeschlossen in eine Wellblech-Keksdose ist das Instrument immer noch bei eins, also auf geringer aber immer noch merklicher Abregelung (was auf Einstreuungen durch den Schlitz und die Leitungen in die Dose hinweist). Aber auch unter diesen erschwerten Bedingungen werden die DCF77-Signale noch einwandfrei empfangen.
Durch seine immense Trennschärfe mit fünf LC-Kreisen und einem Keramikresonator können Störsignale ausgeblendet werden, so dass auch noch in HF-verseuchter Umgebung brauchbare Empfangserfolge erzielt werden. Man glaubt kaum, was im Längstwellenbereich so alles sendet: chinesische Netzteile so wie das von meinem Lenovo-Laptop (bis in 30 cm Entfernung zwei S-Stufen), Fernseher (besonders alte Röhrenfernseher), röhrenbestückte Computermonitoren, u.v.a.m., ein dichter Störnebel. Käufliche Module geben da schnell den Geist auf, weil sie schon wegen ihrer Größe keine hochwertigen Quarz- oder LC-Filter an Bord haben.
Weil man es kann: so ein Eigenbau ist eine gehörige Anstrengung und entsprechend befriedigt ist man, wenn es gut funktioniert. Fertige Module anschließen kann schließlich jeder, aber ein richtiger Empfänger hat seine eigenen Reize.

Warum so ein altes IC, das es nur noch zu sehr hohen Preisen oder als Restposten zu kaufen gibt?

Weil modernere Chips meistens neben AM auch noch ein FM-Teil enthalten, der aber in dieser Anwendung gar nicht gebraucht wird.
Weil aktuell erhältliche AM/FM-Empfänger nur einen kleinen Bruchteil der Verstärkung des TCA440 aufweisen. Mit diesem Schrott dürfte im fernen Polen oder in Schweden nur noch Rauschen ankommen.
Weil es sich oft nur um simple Geradeaus-Empfänger-Schaltungen handelt, deren Verstärkung einfach schon dadurch kastriert ist, damit sie nicht von selbst schwingen.
Will man zum Schutz gegen Störsignale einige Trennschärfe erreichen, muss man den ungeeigneten Emfängerschaltungen so viel Peripherie hinzufügen dass das Ganze unpraktisch wird und ausartet. Der TCA440 bringt das alles schon von Haus aus mit.

2 Schaltbild des Empfängers

Das ist das Schaltbild des DCF77-Superhet-Empfängers.

Die Signale werden mit einer Ferritstabantenne empfangen, die mit zwei Kondensatoren und einem Trimmer auf die Sendefrequenz von 77,5 kHz abgestimmt wird. Der FET-Transistor BF245 entkoppelt den hochohmigen Empfangskreis vom Vorverstärker im TCA440 und erzeugt ein symmetrisches Eingangssignal für diesen Verstärker. Das symmetrische Signal wird mit zwei Kondensatoren auf den Vorverstärker gekoppelt.

Im Schaltbild wird das Oszillatorsignal von 532,5 kHz mit einer Neosid-Spule, einem Festkondensator und einem C-Trimmer mit Hilfe des im TCA440 integrierten Oszillators gebildet. Als Alternative zu dieser Erzeugung, die etwas temperaturabhängig ist, habe ich hier einen Quarzoszillator entwickelt, der diesen Nachteil nicht hat.

Das verstärkte Eingangssignal wird im Mischer des TCA440 mit dem Oszillatorsignal gemischt, das im Oszillator-Kreis erzeugt wird (77,5 + 455 = 532,5 kHz). Das Mischersignal von Pin 15 wird in ein zweikreisiges LC-Filter eingekoppelt und niederohmig mit einem dazwischen geschalteten 455 kHz-Keramikfilter gefiltert.

Der Mischer koppelt sein Ausgangssignal ferner an Pin 16 auf ein LC-Filter aus, das das Signal mit einer Germanium-Diode gleichrichtet und mit einem RC-Siebglied die Regelspannung für den Vorverstärker erzeugt, damit der Empfänger auch im Nahfeld von DCF77 nicht übersteuert. Der Kreiskondensator ist mit 1n8 etwa zu groß. Dieser Kreis ist aber auch entbehrlich, wenn man einige 10 km von Mainflingen entfernt wohnt: man kann ihn ohne Weiteres durch einen Widerstand von 1k gegen Plus ersetzen, das Filter, die Germaniumdiode und den Elko entfernen und die Vorverstärker-Abregelung an Pin 3 mit dem Widerstand von 15k an Minus abschalten.

Im ZF-Verstärker des TCA440 wird das ZF-Signal verstärkt und an Pin 7 auf ein 455 kHz-Filter ausgekoppelt. Das mit der Germaniumdiode AA118 gleichgerichtete ZF-Signal wird mit einem 22 nF-Kondensator geglättet. Dem ist ein Spannungsteiler mit 2k2 und 10k nachgeschaltet, dessen Teilspannung über 39k und einen 220 µF-Elko geglättet und der Verstärkungsregelung und der Anzeigentreiberstufe des TCA440 zugeführt wird. Als Anzeige habe ich ein analoges Drehspulinstrument mit 268 µA Vollausschlag angeschlossen und mit 470Ω an die Anzeigespannung angepasst.

Die pulsierende gleichgerichtete ZF-Spannung wird über ein Zeitglied aus 2k2 und einen Elko mit 1 µF dem positiven Eingang eines FET-Operationsverstärkers CA 3140 zugeführt. Wer möchte, kann den Ausgang des Operationsverstärkers noch mit einem Widerstand von 10M an den positiven Eingang rückkoppeln und so eine geringfügige Hysterese dazu nutzen, um kurze Spursignale zu unterdrücken. Da die Auswerte-Software solche kurzen Störsignale schon von sich aus unterdrückt, braucht man das nur, wenn die Auswerte-Software das nicht von sich aus kann.

Es können auch andere FET-Opamps verwendet werden, wenn deren Eingangsstufe bei einfacher Versorgung (ohne negative Betriebsspannung) ab 0 V korrekt arbeitet. Normale Operationsverstärker wie der 741 funktionieren deswegen nicht, weil sie unter 1 V Eingangsspannung gar nicht laufen und weil ihr Eingangswiderstand zu klein ist.

Der negative Eingang des Operationsverstärkers wird aus dem vorgeteilten und mit langer Zeitkonstante geglätteten Signal verbunden. Am Ausgang des Operationsverstärkers treibt ein PNP-Transistor eine Leuchtdiode an, die bei erfolgter Anpassung im Modulationstakt von DCF77 leuchtet.

Der Ausgang ist Low-Aktiv, d.h. er folgt der Amplitude von DCF77 (Absenkung beim Übertragen von Nullen und Einsen, hohe Spannung in inaktiven Pausen und bei fehlender 59ter Sekunde.

Alle externen Komponenten sind über eine 6-polige Steckverbindung herausgeführt.

Simulation des Spannungsverlaufs

Dies ist der Spannungsverlauf an den Kondensatoren im RC-Netzwerk beim Eintreffen einer Null oder einer Eins im DCF-Signal (Absenkung der Amplitude auf ca. 15%).

Die Spannung am ersten Kondensator (nach dem Gleichrichter) folgt der Amplitude des ZF-Signals sehr rasch und geht nach Absenkung sehr rasch auf nahezu Null. Er hat wegen seiner geringen Kapazität nur bescheidenen Einfluss und verringert die 455kHz-Spitzen, die auf den 1µ-Elko gelangen.

Die Spannung am schnellen Integrator mit R3 (2k2) und C2 (1µF) geht mit der Amplitudenabsenkung zunächst sehr rasch abwärts, und stabilisiert sich dann auf niedrigem Niveau. In Zeiten ohne durchgeschalteter Gleichrichterdiode wirkt der langsame Integrator abpuffernd.

Die Spannung am langsamen Integrator mit R4 (39k) und C3 (220µF) bleibt von der Amplitudenabsenkung im Wesentlichen unbeeindruckt (sehr geringer Abfall). Er braucht sehr viele Sekunden um dieser zu folgen.

Das digitale Ausgangssignal ist sehr stabil, es können aber kurze Spikes vom gleichgerichteten ZF-Signal vorhanden sein. Diese sind von der Software auszufiltern.

3 Aufbau

3.1 Aufbau der Antenne

Die Empfangsantenne wird auf einem Ferritstab aufgebaut, indem diese möglichst dicht mit Kupferlackdraht bewickelt wird. Wer genügend HF-Litze hat, kann auch diese nehmen, wegen der niedrigen Frequenz ist das aber nicht unbedingt nötig.

An beiden Enden wird die Wicklung mit Isolierband befestigt. Der Stab wird mit entsprechenden Halterungen auf der Platine befestigt.

Antennenmessung

Um die Induktivität der Antennenspule zu bestimmen, wird dieser ein Kondensator von 10 nF parallelgeschaltet und das Signal aus einem Signalgenerator (z. B. aus diesem hier über eine kleine Kapazität, z. B. von 10 pF eingekoppelt. Die Amplitude am Schwingkreis wird mit einem Oszilloskop oder einem Gleichrichter wie im Schaltbild zu sehen beobachtet. Durch Variation der Frequenz des Signalgenerators wird die Resonanzfrequenz des Kreises ausgemessen.

Aus der Resonanzfrequenz f_Res ergibt sich die Induktivität der Antennenspule zu

L(H) = 1 / 4 / Π² / f² / C.

Die Induktivität sollte bei 3,5 mH liegen.

Aus der Induktivität kann der Kondensator C, der für die Frequenz von 77,5 kHz erforderlich ist, aus der Formel

C(F) = 1 / 4 / Π² / f² / L

errechnet werden.

3.2 Aufbau der LC-Filter

Die LC-Filter werden folgendermaßen aufgebaut:

3.2.1 Vorverstärkerkreis

Primärwicklung 91 Windungen, sekundär 45 Windungen 0,1 mm Kupferlackdraht auf einem Neosid-Spulenkörper.

3.2.2 Oszillatorkreis

Primär 30 plus 76 Windungen, sekundär 13 Windungen 0,1 mm Kupferlackdraht auf einem Neosid-Spulenkörper.

3.2.3 ZF-Filter

Das ZF-Filter ist ein fertig aufgebautes TOKO SFT006H.

3.2.4 ZF-Ausgangsstufe

Die ZF-Ausgangsstufe ist ein fertig aufgebautes Filter 7MC-A2549HM.

3.3 Aufbau der Schaltung

Die Schaltung lässt sich auf einer Lochrasterplatine aufbauen und mit lackisoliertem Kupferdraht verdrahten. Das TOKO-Filter passt nicht in das 2,54 mm-Raster und die Platine muss entsprechend aufgebohrt werden bis es passt.

3.4 Justierung

Bei der Justierung sollte die Ferritantenne auf Mainflingen ausgerichtet sein und während der Justierung nicht verändert werden.

Falls man ein Oszilloskop hat, wird zuerst die Antennenstufe auf maximale DCF77-Signal-Amplitude abgeglichen (Anschluss vorzugsweise am Source-Anschluss des BF245). Falls nicht, wird am Pin 5 des 6-poligen Steckers (Ausgang A) ein Gleichspannungsmessgerät angeschlossen und der Antennenkreis auf Maximalspannung justiert. Ist eine S-Meter-Anzeige angeschlossen, kann auch diese zur Justierung herangezogen werden.

Falls man einen Frequenzzähler mit analoger Eingangsstufe hat, kann man zuerst den Oszillator auf die Sollfrequenz einstellen (an Pin 6 des TCA440). Verwendet man den Quarzoszillator (siehe oben) kann das entfallen.

Die Einstellung aller anderen Kreise erfolgt reihum in immer gleicher Reihenfolge jeweils in Richtung auf das Maximum. Beobachtet und gemessen wird die Signalstärke am Pin 5 des Steckers oder die S-Meter-Anzeige.

Die Einstellung ist beim Spulenoszillator etwas von der Umgebungstemperatur abhängig. Es kann daher bei schwächerer Signalstärke bei optimaler Ausrichtung auf Mainflingen eine Neujustierung angezeigt sein. Beim Quarzoszillator entfällt das.

4 Betrieb

Die Signalstärke ist wegen der Richtungssensitivität der Ferritantenne sehr stark von der Aufstellungsrichtung abhängig. Bei Lageänderungen kann es etwas dauern, bis sich der mittlere Signalpegel korrekt einstellt und die DCF77-Signale korrekt erkannt werden, da die Anpassung an den veränderten Pegel länger andauert.

Erfahrungsgemäß kommt es vor, dass bei Pegelwechseln kurze Impulse (<10 ms) auftreten können. Das sollte die Auswertungssoftware ignorieren können.

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