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DCF77-Empfänger

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DCF77-Empfänger

Klar: es gibt billigst (und auch sehr teure) fertige DCF77-Empfänger zu kaufen. Warum also selbst bauen? Nun, weil es Spaß macht und weil man auf einfache Weise lernt, Funkwellen zu beherrschen (und nicht als verelendeter Handy-Sklave dahin zu vegetieren).

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Überblick ür die beschriebenen Empfänger

Hier gibt es ein paar Bauvorschläge für eigene Empfänger. Da ist für jeden Geschmack etwas dabei:

Eine Kreuzantenne für DCF77, die weniger richtungsabhängig ist als die üblichen geraden Antennen, direkt mit einem FET als Trenn- und Treiberstufe für die nachfolgenden Schaltungen gekoppelt ist und mit einem AFC-Eingang, der mit einer Kapazitätsdiode die optimale Einstellung der Empfangsfrequenz ermöglicht, so dass Störer weniger Einfluss haben.
Geradeaus-Empfänger mit einem Transistorverstärker: Empfang, Signalverstärkung und die Gleichrichtung des amplitudenmodulierten Signals finden allesamt auf der Empfangsfrequenz 77,5 kHz statt. Das in zwei selektiven Verstärkerstufen hoch verstärkte Signal wird in einer dritten Stufe gepuffert, um danach gleichgerichtet zu werden und die Amplitude als Gleichspannungssignal zu erhalten. Natürlich hat der Verstärker einen AGC-Regelungseingang damit er nicht übersteuert und schwingt. Der oberste Kästen stellt dies dar.
Eine Alternative zum Transistor: der Geradeaus-Verstärker mit einem TCA440 mit totgelegtem Oszillator. Noch mehr Verstärkung und feinfühlige AGC-Regelung mit etwas geringerem Bauteilaufwand, dafür ist der TCA440 etwas schwerer zu beschaffen.
Ein Superhet-Empfänger: Empfang und Vorverstärkung finden auf 77,5 kHz statt, dann wird das Signal mit einem Oszillatorsignal so gemischt, dass eines der beiden Mischprodukte (f_Empf + f_Osz oder f_Empf - f_Osz) mit einem LC-Filter und 32kHz-Quarzen ausgefiltert und im Zwischenfrequenzverstärker hoch verstärkt werden kann. Die Zwischenfrequenz von 32 kHz wird gleichgerichtet und die Amplitude als Gleichspannungssignal erhalten. Als Oszillator wird dabei ein einstellbarer LC-Kreis verwendet. Der dritte Kasten stellt das dar.
Derselbe Superhet-Empfänger, nur mit einem quarzgenauen Oszillator als Oszillatorsignal-Lieferant. Die 77,5+32,768 kHz werden aus einem 15 MHz-Quarz an einem ATtiny25 und durch Teilen in seinem Timer/Counter durch 68 erzeugt und mittels zweier RC-Netzwerke zum quarzgenauen Sinus umgeformt und dem positiven und negativen Oszillatoreingang des TCA440 zugeführt. Der unterste Kasten stellt dieses Konzept dar.
Weitere Kästen stellen dar:
- die Erzeugung eines quarzgenauen Oszillatorsignals für 77,5 + 32,768 kHz mit einem ATtiny25 (links unten),
- die Gleichrichtung und Demodulation der AM-Amplitudenhöhe von DCF77 (wird bei allen vier Empfängern gebraucht),
- die Messung der Amplitudenvariation mit einem ATtiny45, das Filtern der DCF77-Bits und -pausen und die Dekodierung der Informationen, die serielle Übertragung von Zeit/Datum sowie von Fehlermeldungen an den Uhrencontroller, die Pulsweiten-Steuerung für die automatische Frequenz- und Verstärkungsregelung AFC und AGC der vier Empfänger,
- der Empfang der seriellen Signale des ATtiny45-Controllers durch einen ATtiny24 mit angeschlossener LCD und die Darstellung der Informationen auf der LCD.

Beschrieben werden hier vier Varianten: zwei nach dem Geradeaus-Prinzip und zwei nach dem Superhet-Prinzip mit LC- und Quarzfilter.

Für alle Varianten wurde ein Controller mit einem ATtiny45 entwickelt, der

die Gleichspannungen mit einem AD-Wandler misst, über eine längere Zeit hinweg mittelt, Maxima und Minima feststellt und daraus
ein AFC- und ein AGC-Signal mittels pulsweiten-modulierten Ausgängen erzeugt, und
anhand der erkannten Flanken im Signal
- auf korrekte Dauer hin überprüft,
- übertragene Nullen und Einsen anhand der Pulsdauer erkennt und einsammelt,
- das Minutenende erkennt, die versammelten Bits auf Fehler hin analysiert und bei korrektem Empfang in Zeitinformationen umwandelt,
Statusinformationen und korrekte Zeitinformationen über ein serielles Zweidrahtsignal sendet, das von einer angeschlossenen Uhr ausgewertet und angezeigt werden kann.

a) Geradeaus-Empfang

Hier, nicht weit von Mainflingen entfernt, liegen an meinen Ferritantennen-Kreisen Signale mit einigen mV an. Ich kann also mit einem einfachen Oszilloskop das amplitudenmodulierte Signal am Eingangskreis schon sehen. Verstärke ich das Signal um das 1000-fache, reicht eine Diode und ein Kondensator zum Gleichrichten. Weiter weg ist das Signal nicht so üppig stark und es braucht etwas mehr Verstärkung, um die Mikrovolte HF aus dem Rauschen weiter hochzupeppeln.

Mit dem Geradeaus-Konzept nach (1) kommt man bei Verstärkungen von 10.000 und mehr trotz der vergleichsweise niedrigen Frequenz schnell an Grenzen: Transistorschaltungen oder Operationsverstärker neigen dann durch parasitäre Rückkopplung zum Schwingen und erzeugen ihr eigenes, leider gänzlich unmoduliertes DCF77-Signal. Das kann man nur vermeiden, wenn die Verstärkung regelbar ist und immer knapp unterhalb des Schwingungseinsatzes bleibt.

Ein weiterer Nachteil des Geradeaus-Konzepts ist, dass außer dem Eingangskreis meist keine weitere Selektion mehr erfolgt. Es wird also alles mitverstärkt, was sich so neben der Empfangsfrequenz so alles tummelt und auch Längstwellen aussendet (z. B. chinesische Schaltnetzteile, Energiesparlampen, etc.). Ganz schlimm sind Transistorverstärker, die nur einen Widerstand im Kollektorkreis haben: sie verstärken das Nutzsignal eben so gut wie eingestreute Kurzwellen oder 50Hz-Einstreuungen vom nahen Trafo. Weitere LC-Filter auf 77,5 kHz können kaum schmalbandiger filtern als der Ferrit-Eingangskreis. Keramikfilter für 77,5 kHz gibt es für Normalbürger nicht zu kaufen und Quarze für 77,5 kHz sind auch sehr rar.

Hier werden zwei Arten von Empfängern nach dem Geradeaus- oder Direktprinzip beschrieben. Schaltungen

mit drei Einzeltransistoren in diskreter Bauweise, und
hier mit einer integrierten Schaltung.

b) Superhet-Empfang

Das Mischkonzept nach (2) erfordert hingegen etwas mehr Schaltungsaufwand. Dafür wird man mit einer höheren Variabilität beglückt. Eine Grundentscheidung bei diesem Konzept: welche ZF soll man wählen? Hier wurden dafür 455 kHz gewählt, aber die für diese ZF verfügbaren Standardbauteile wie Spulen, LC-Filter und Keramikfilter sind kaum noch zu beschaffen.

Daher wurde hier entschieden, mit einer ZF von 32,768 kHz zu arbeiten, denn Uhrenquarze für diese Frequenz sind leicht zu beschaffen und spottbillig. Sie taugen hervorragend als sehr schmalbandiges Filter, haben aber eine lausige Weitab-Filtergüte und werden daher hier mit einem LC-Filter für 32,768 kHz kombiniert.

c) Optimierter Eingangskreis

Bei Längstwellenempfang mit Ferritantennen tritt eine Richtungsabhängigkeit auf: steht die Antenne quer zum Sender, kann es zu einem völligen Signalausfall kommen.

Um das zu ändern, habe ich eine Kreuzantenne gebaut. Diese besteht aus zwei Ferritstäben, die um 90° versetzt angeordnet sind. Der Aufbau und die Eigenschaften sind hier beschrieben.

d) Steuerung für AFC und AGC

Alle DCF77-Empfänger benötigen eine automatische Verstärkungsregelung (Automatic Gain Control, AGC), damit die Signale bei unterschiedlichen Empfangsverhältnissen und Dämpfungen immer ein optimales Gleichspannungssignal liefern. Alle hier beschriebenen Empfänger haben daher einen AGC-Eingang, der mit steigendem Potenzial die Empfangsverstärkung reduziert. Beim Direktempfang mit Transistoren brauchen die Regeldioden maximal ca. 10 mA. Bei Direktempfang oder Superhet-Empfang unter Verwendung des TCA440 ist in diesem IC ein Regelverstärker integriert, der praktisch keine Last darstellt.

Da der Eingangskreis der hier beschriebenen Empfänger eine Frequenzregelung mit Kapazitätsdioden besitzt, muss auch eine Frequenzregelung (Automatic Frequency Control, AFC) her. Da durch die Kapazitätsdioden kein Strom fließt, kann die AFC-Regelung lastlos betrieben werden.

Für beide Regelungen kann natürlich ein einfacher Trimmer oder ein Potentiometer dienen und statt einer Automatik auch manuelle Einstellung verwendet werden. Dann entfällt das A im AGC und im AFC und ein M für Manuell tritt an seine Stelle. Für das A braucht es sinnvollerweise einen kleinen Controller, der das für uns erledigt. Mit zwei 8-Bit-PWM-Kanälen lässt sich die Aufgabe leicht lösen. Dazu braucht man ferner einen ADC-Eingang, der die Gleichspannung am Gleichrichter beobachtet, analysiert und die beiden PWM-Kanäle AFC und AGC entsprechend einstellt.

Da die Analyse des Gleichspannungspotenzials sowieso erforderlich ist, kann man auch gleich die empfangenen DCF77-Signale auswerten und in fertige Zeit- und Datumsinformationen umwandeln. Natürlich mit den diversen Fehlererkennungen, die bei der Umwandlung ohnehin anfallen. Dann braucht die eigentliche Uhr diese Aufgaben nicht mehr erfüllen und wird viel einfacher. Damit der Controller seine Informationen an die Uhr weitergeben kann, braucht es eine Einfachst-Einweg-Sende-Einrichtung im Regel-Controller. Ein solcher Allround-Controller ist hier näher beschrieben.

e) Empfang und Anzeige der Informationen

Um zu demonstrieren, wie der Empfang der seriellen Signale durch den Uhren-Controller funktioniert und um die diversen Fehler- und Erfolgsmeldungen des ATtiny45-Controllers zu beobachten, wird hier eine an einen ATtiny24 angeschlossene einfache LCD verwendet. Die Hardware dafür wurde hier ausführlich beschrieben, hier erfolgt die Software-Anpassung an diese Aufgabe.

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