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DCF77-Superhet-Empfänger mit Quarzfilter

4 DCF77-Superhet-Empfänger mit Quarzfilter

Wer was Ordentliches bauen will, baut einen Superhet: Das DCF77-Eingangssignal auf 77,5 kHz, z. B. von der Kreuzantenne hier, wird da mit einem Oszillatorsignal gemischt, aus den Mischprodukten wird die gewünschte Mischfrequenz ausgefiltert (mit einem LC-Schwingkreis und/oder einem Quarz) und im Zwischenfrequenzverstärker ganz hoch verstärkt. Die Zwischenfrequenz (ZF) wird dann gleichgerichtet und stellt die Amplitudeninformation als Input für die DCF77-Signalauswertung zur Verfügung.

Superhets haben gegenüber Geradeaus-Empfängern den immensen Vorteil, dass die ZF sehr eng gefiltert werden kann. Störsignale unmittelbar neben der Empfangsfrequenz, z. B. meine Schreibtisch-Energiesparlampe auf 80 kHz, haben da keine Chance mehr gegen die Nutzfrequenz anzukommen. Und Rückwärtseinstrahlungen von der verstärkten ZF auf den hochohmigen Ferrit-Eingangskreis mit den 77,5 kHz sind auch kaum mehr möglich, wenn man die ZF geschickt auswählt. Dadurch kann die Verstärkung viel höher (und der Eingangskreis räumlich viel näher) sein, ohne dass es zum Eigenschwingen kommt. Ideal für kleine Gehäuse mit wenig Platz.

4.1 Die Schaltung des Superhets

Das ist das Schaltbild des Superhets.

Das symmetrische Eingangssignal von der Kreuzantenne mit FET-Pufferstufe hier wird dem internen Vorverstärker an den Pins 1 und 2 zugeführt. Die Abschwächung des Vorverstärkers ist abgeschaltet, wird im unmittelbaren Nahfeld von DCF77 gearbeitet, kann hier eine Spannung zwischen 1 oder 2 V zugeführt werden.

Den Oszillatorpins 4 und 5 wird das Oszillatorsignal 77,5 + 32,768 = 110,268 kHz zugeführt. Dieses Signal kann entweder mit einem LC-Schwingkreis erzeugt werden (siehe hier) oder mit einem Quarzoszillator (siehe hier) oder mit einem frequenzgeregelten LC-Oszillator (siehe hier).

Aus den Mischprodukten wird mit einem LC-Kreis aus L=15mH und C1=1,5nF das 32,768 kHz-Signal ausgekoppelt. Dazu wird ein 32,768kHz-Quarz verwendet. Anstelle von drei Quarzen kann auch ein einzelner Quarz verwendet werden. Die Eigenschaften solcher Quarzfilter sind hier ausführlicher gezeigt.

Der Ausgang des Quarzfilters wird an den positiven Eingang des ZF-Verstärker an Pin 12 angekoppelt, der negative Eingang liegt über ein C=1µF auf Nullpotenzial. Der Emitterausgang des ZF-Verstärkers koppelt in einen LC-Kreis aus L=100µH und den beiden parallel geschalteten C von 220nF und 15nF aus. Das Signal wird mit zwei Schottky-Dioden und zwei 470nF-Kondensatoren gleichgerichtet. Die Amplitudenabsenkung wird mit einem Widerstand von 33kΩ zur Entladung der Kondensatoren erhöht. Das Signal wird der automatischen Auswertung zugeführt, das hier beschrieben wird. Für die Schaltung des Superhets gibt es zwei Varianten:

mit einem LC-Oszillatorkreis, oder
mit einem Quarzgenerator als Oszillator.

4.1.1 Die Schaltung des Superhets mit LC-Oszillatorkreis

Wer den Oszillator im TCA440 mit einer Spule zum Schwingen anregen möchte, nimmt diese Kombination. Es handelt sich um einen 18mm-Schalenkern mit einem AL-Wert von 2850 nH pro N². Er kann mit Hilfe einer Abgleichschraube in seiner Induktivität etwas variiert werden und wird damit (und mit Hilfe eines Frequenzzählers) auf 77,5+32,768=110,268 khz oder auf das Maximum der gleichgerichteten ZF-Spannung abgeglichen.

Die Oszillatorfrequenz kann auch mit dem C-Trimmer verstellt werden, falls die Abgleichschraube nicht in das Loch passt oder das Loch gar kein Gewinde für die Schraube hat.

4.1.2 Quarzoszillator für den Superhet mit ATtiny25

Damit man nicht auf wandernde LC-Schwingkreise angewiesen ist, habe ich mehrere Varianten von Oszillatoren entwickelt, die eine quarzstabile Oszillatorfrequenz von 77,5+32,768 kHz zur Verfügung stellen.

Die erste dieser beiden´Varianten arbeitet mit einem Quarz, der durch einen festen Teiler geteilt wird. Diese ist im Detail auf dieser Seite hier beschrieben.

4.1.3 LC-VCO-Oszillator für den Superhet mit ATtiny25

Diese zweite Variante beschreibt einen VCO, dessen Frequenz mit einem ATtiny25 gemessen und mit dem Sollfrequenzbereich verglichen wird. Entsprechend wird die Frequenz mit einer Kapazitätsdiode nachjustiert.

Die Schaltung ist hier ausführlich beschrieben.

4.1.4 Aufbau des Superhets

So sieht das Kondensator- und Quarzgrab auf dem Breadboard aus, hier ist die Einzelquarz-Variante zu sehen.

Links der Trennverstärker mit dem FET (die Antenne ist nicht zu sehen). Die Frequenz des Eingangskreises lässt sich mit dem linken R-Trimmer justieren. Dann der TCA440 mit der Oszillatorspule und dem C-Trimmer. Rechts oben die drei kleinen Quarze und der 1µF-Verhau. Rechts unten die vier 470nF-Kondensatoren des AM-Gleichrichters. Mit dem R-Trimmer rechts lässt sich die Verstärkung des TCA440-ZF-Verstärkers verstellen.

4.2 Das Quarzfilter für 32,768 kHz

Messung der Filterdurchlasskurve von 32,768kHz-Quarzen

Um die Filtereigenschaften von 32,768kHz-Quarzen zu messen, wurde diese Schaltung hier aufgebaut. Sie erzeugt ein 32kHz-Sinussignal mit einstellbarer Frequenz. Die Frequenzeinstellung erfolgt mit einer MW-Kapazitätsdiode, es kann auch eine BB112 oder ein Drehko verwendet werden.

Der Quarz wird mit dem niederohmigen Signal des Sinusgenerators angesteuert und ist mit 1kΩ abgeschlossen.

Filterdurchlasskurve eines 32,768kHz-Quarzes

Filterdurchlasskurve eines 32,768kHz-Quarzes

Das hier ist die aufgenommene Durchlasskurve. Die Durchlasskurve ist weniger als 10 Hz breit, besonders der abfallende Ast bei der hohen Frequenz ist sehr steil.

Bei der Messung kam es knapp über der Quarzresonanz zu einer leichten Rückkopplung auf den Oszillator, daraus erklärt sich der eine Ausreißer in der Messung.

Bemerkenswert ist, dass die Weitab-Selektion, also die Abschwächung weit unter und über der Resonanzfrequenz, recht bescheiden ist. Das liegt an der Streukapazität des Quarzes. Quarzfilter sind daher immer mit einem LC-Filter zu kombinieren, um Frequenzen weit ab von der Quarzresonanz auszufiltern.

4.3 Automatische Auswertung des DCF77-Signals

Die Verstärkungsregelung als auch die Frequenzregelung können beide zum Testen mit Trimmern vorgenommen werden. Das muss kein 10-Gang sein, ein normaler 270°-Trimmer reicht aus.

Komfortabler geht das mit einem Controller. Die automatische Auswertung des Empfangssignals erfolgt in einem Controller mit einem ATtiny45. Dieser ist hier ausführlich beschrieben.

Der Controller stellt folgende Signale zur Verfügung:

AGC: An OC1A wird mit zwei Widerständen und zwei Kondensatoren ein Pulsweitensignal für die automatische Verstärkungsregelung erzeugt. Dieses stellt, nach Auswertung des Amplitudensignals am Gleichrichter, die Verstärkung so ein, dass eine immer gleiche Spannung am Gleichrichter anfällt (natürlich nicht bei der Amplitudenabsenkung). Die Mittelung erfolgt dabei über sehr lange Zeiten (mindestens 2,3 Sekunden) hinweg.
AFC: An OC1B wird das Pulsweitensignal für die automatische Frequenzeinstellung der Kreuzantenne zur Verfügung gestellt. Diese stellt die Frequenz des Eingangskreises auf maximale Amplitudenabsenkung ein. Das schließt auch Ungenauigkeiten des Mischer- und Quarzfilters mit ein.