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Das Zeit-GesetzKeine Angst, jetzt folgt keine theo-retische Abhandlung im Sinne derRelativitätstheorie. Wie so vieles inunserer Gesellschaft is nämlich auchdie Zeit gesetzlich festgelegt. Es gibtbei uns nicht nur einfach "die Zeit"; esgibt vielmehr ein Gesetz über die Zeit-bestimmung, in dem die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) mitder Darstellung der gesetzlichen Zeitfür die Bundesrepublik Deutschlandbeauftragt wird. Das von der PTBErzeugte Signal mit (Atom-) Normal-ftequenz wird von dem LangweIlen-sender DCF77 ausgestrahlt.

Der Zeit-SenderDer Sender DCF77steht bei Frankfurtam Mainund ist aufgrund seinerzen-

Normalzeit-Empfänger für DCF 77

ten.Bei längeren Abschaltzeiten für War-tungsarbeiten wird ein Reservesendereingeschaltet. Bei kürzeren, überwiegenddurch Gewitter bedingten Ausfällenbleibt natürlich auch die Funkfern-steuerung der heimischen Atomuhraus. In diesem Fall muß die Uhr eineGangreserve haben, also mit eigenerZeitbasis weiterlaufen können. Oderman muß den Zeitpunkt abwarten,zu dem die Uhr automatisch per Funknachgestelltwird. Inden Jahren zwischen1974 bis 1978 gab es nur sechs durchGewitter bedingte Abschaltungen miteiner Dauer zwischen 1 Stunde und4 Stunden. Ganz kurze Störungen(im Sekunden- oder Minuten-Bereich)werden vermutlich von den Atomuhr-Besitzern gar nicht registriert, weildie Uhr sich ja ständig selbst nachstellt.

DirDer erste Schrittzur Atom-Uhr

Die "Atomuhr" hat nichts mitAtomkraftwerken, Atombombenoder ähnlichen (Un-)Dingen zu tun,Vielmehr weist das Wort auf denUrsprung ihrer Zeitbasis hin:eine aus der Resonanzfrequenzbestimmter Atome abgeleiteteNormalfrequenz. Es handelt sichum eine Uhr ohne Knöpfe,Schalter und Tasten. Sie wird ganzalleine von einem Signal funkfern-gesteuert, das der Langwellen-Sender DCF77 rund um die Uhrausstrahlt. Der Artikel beschreibtdie Eigenschaften des kodiertenSteuersignals und die Schaltungeines geeigneten Langwellen-Empfängers. Die Dekodierungder Informationen und derendigitale Anzeige werden ineinem späteren Heft die Atom-Uhrvervollständigen.

tralen Lage mit einer Sendeleistungvon 20 bis 25 kW im Umkreis von 700bis 800 km gut zu empfangen. DieTrägerfrequenz beträgt 77,5 kHz und istaus einem Atomfrequenznormal abge-leitet. Ihre relative Abweichung vomNennwert beträgt im Mittel über 100Tage weniger als 2 x 10-13. Frequenz-schwankungen sind also nur aufgrundder für diesen Frequenz-Bereich (LW)typischen ausbreitungsbedingtenPhasen-schwankungen des Trägers zu erwar-

Das Zeit-SignalDer Träger von DCF77 wird mit Sekun-denmarken moduliert, indem zu Beginnjeder Sekunde (mit Ausnahme der 59.Sekunde jeder Minute) eine Absenkungder Trägeramplitude auf etwa 25%entweder 100 ms oder 200 ms langerfolgt. Die Sekunde beginnt genau mitder einsetzenden Absenkung. Die59. Sekundenmarke fehlt, dadurch wirdder folgende Minuten-Beginn angekün-digt. Beim Einfügen einer "Schalt-

1

"'~Odi.run9nochBedarf

Bild 1. Schema der kodierten ZeitinformationM MinutenmarkeP1,P2,P3 PriifbitsR AntennenbitA Ankündigungsbit für Obergang auf Sommerzeit oder zuriickSZ SommerzeitbitS Startbit der kodierten Zeitinformation

Normalzeit-Empfänger für DCF 77 Elektor Oktober 1980 - 10-45

sekunde" wird anstelle der 59. die60. Sekundenmarke weggelassen. Diese 2Schaltsekunde korrigiert die aktuelleZeit bei mehr als einer halben SekundeAbweichung der astronomischen Zeit(bestimmt durch die Erdrotation) vonder künstlichen. physikalischen Zeitbestimmt durch das Atomfrequenz-normal).

Der Zeit-KodeDie unterschiedliche Dauer der Sekun-denmarken von 100 ms oder 200 mswird dazu benutzt. im BCD-Kode

I

Uhrzeit und Datum zu übertragen.Dabei entsprechen Sekundenmarken miteiner Dauer von 100 ms der logischeno und solche mit einer Dauer von200 ms der logischen 1. Bild 1 zeigt dasSchema der Kodierung und die Zuord-nung der einzelnen Sekundenmarkenauf die übertragene Zeitinformation(die Wertigkeit der logischen Informa-tionen).Die Kodierung der Sekundenmarken1 bis 14 ist noch nicht festgelegt, sodaß die erste auswertbare Informationmit der 15. Sekunde beginnt. DasAntennenbit "R" zeigt mit einerlogischen 1 (200 ms) an, daß die Re-serveantenne (bzw. der Reservesender)eingeschaltet ist. Bit "A" (Nr. 16) gibteine Stunde vorher mit einer logischen1 den Wechsel von Sommer- nachWinterzeit und umgekehrt an (60maligeWiederholung). Bit "SZ" (Nr. 17) gibtAuskunft darüber, ob sich die folgendeZeit-Information auf die Sommer- oderWinterzeit bezieht.Mit Startbit "S" beginnt die aktuelleZeit-Information. Eingeleitet von einerlogischen 1 erfolgt die kodierte Über-tragung von Uhrzeit und Datum imBereich der Sekundenmarken Nr. 21 bis

0,2. 0,"80524 . 2

Bild 2. Trägereinhüllende für die kodierte Uhrzeit 19.35 Uhr. Die unterhalb der Trägerein-hüllenden stehenden Zahlen sind die Nummern einiger Sekundenmarken. Oberhalb der Träger-einhüllenden findet man zunächst die Binärwerte der Sekundenmarken und darüber die deko-dierten Dezimalziffern.

Nr. 58 jeder Minute. Dabei gelten dieübertragenen Bitmuster jeweils für diedarauf folgende Minute.Die Prüfbits (Nr.28, 35 und 58) ergänzendie jeweils vorhergehenden Informa-tionen auf eine gerade Zahl von logi-schen Einsen.Als Beispiel für die Kodierung beiDCF77 ist in Bild 2 die Modulationdes Trägers für eine Uhrzeit darge-stellt.Dreimal stündlich in den Minuten 19.39 und 59 (jeweils während der Sekun-den 20 bis 32) wird zweimal hinter-einander das Rufzeichen "DCF77" alsFolge von Morsezeichen ausgesendet.Je ein Buchstabe oder eine Ziffer wirdzwischen zwei Sekundenmarken ausge-strahlt. wobei die Morsezeichen inForm von 250-Hz-Rechteck-Trägerab-senkungen von 100% auf etwa 85%gegeben werden. Die Rufzeichenerzeu-gung erfolgt elektronisch ohne Unter-brechung der Zeitmarkenfolge.

Der Zeit-EmpfängerIn Bild 3 ist das Blockschaltbilddes

Normalzeit-Empfängers dargestellt. Beider Entwicklung mußten drei For-derungen erfüllt werden:1. kein Spulen-(HF-)Abgleich,2. große Empfindlichkeit und3. geringeBandbreiteDie geringe Bandbreite wurde mitHilfe eines Bandfilters erreicht. Diegroße Empfindlichkeit erzielt mandurch die Verwendung einer aktivenAntenne mit einem Rauscharmen Vor-verstärker und durch die schon er-wähnte geringe Bandbreite. Ein Spulen-Abgleich erübrigt sich dank des Ein-satzes eines Quarz-Oszillators undeines Bandfilters mit festgelegten Para-metern.Da alle drei Forderungen zusammennur mit einem Überlagerungsempfängerzu realisieren sind, wird in der Schaltungdas verbreitete ICTCA440 verwendet.Es enthält eine geregelte HF-Vorstufe.den Mischer. einen Oszillator undeinen geregelten ZF-Verstärker. Außer-dem sorgt die interne Spannungs-Stabilisierung für eine rückwirkungs-freie Arbeitsweise aller Schaltungs-teile.

3

I

y:I

AGC80524 . 3

Bild 3. Blockschaltbild des Normalzeit-Empfängers. Rund um das IC TCA440 ist ein Festfrequenz-Oberlagerungs-Empfänger aufgebaut. Dashochfrequente Eingangssignal (77,5-kHz-Träger) wird von einer aktiven (Ferrit-)Antenne empfangen. Die Schaltung hat zwei "Open Collector".Ausgänge: "DATA" liefert das DCF-Signal; und an "TX" steht ein Signal bei Senderausfall oder Empfangsstörung zur Verfügung.

I I I

Minuten :PI Stunden :P2:I 1 I I I

5 I 3 , 9 I 1 I II I I I II D I, I, I, 0 11 1 0 0 0 1 0 I

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Durch die hohe Integration ist indiesem Falle nur noch die externeErzeugung der Regelspannung für dieVorstufe und den 3-fach-ZF-Verstärkernotwendig. Diese Regelspannung(AGC) wird durch Gleichrichtung undFilterung aus dem ZF-Signalgewonnenund dem Regelverstärker über Pin 9des IC zugeführt. Die Vorstufe erhält'das gleiche Regelsignal nach Ent-kopplung durch einen im Regelver-stärker enthaltenen Emitterfolger(AusgangPin 10) über Pin 3 des IC.

Das DCF-Signal gelangt nach Gleich-richtung und Filterung über einenSchmitt-Trigger TTL-kompatibel' anden Open-Collector-Ausgang."OA-"rA"und über einen Puffer-Verstärker' andie LED-Betriebsanzeige. Außerdemliegt am Ausgang "TX" nach Gleich-richtung und Filterung des DtF-

5

Normalzeit-Empfänger für DCF 77

L8:

10cm

'1=~1I

. 100 Wdg CuL (0.2 mm 41)auf 10 cm Ferritstab (10 mm 11I1

{Bild 4. Ein Empfänger ist nur so gut wie seine Antenne! Im Umkreis von bis zu 800 km vonMainflingen bei Frankfun, dem Standon des DCF-Senders, erhält man mit dieser aktivenAntenne einen guten Empfang.

80524-5

Bild 5. Das Schaltbild des Normalzeit-Empfängers. Seine richtige Funktion wird mit R25,R27 und C29 eingestellt und mit Hilfe eines Oszillo-skops an den Testpunkten TP1 . . . TP3überprüft. Eine Einstellung"nach Gehör" ist auch möglich:dazu braucht man einen Kristall-Ohrhöreroder Verstärker und ein Vielfach meßinstrument.

Signals eine Spannung an, die als 6Störungs-Indikator dienen kann.

Schaltu ngDie Bilder 4,5 und 6 zeigen die gesamteSchaltung des Normalzeit-Empfängers.In Bild 4 ist die aktive Antenne darge-stellt. Die auf den Ferritstab ge-wickelte Spule L8 läßt sich beim Ab-gleich noch so verschieben, daß dieResonanzfrequenz des EingangskreisesL8/C43 genau "getroffen" wird. Dashochfrequente Signal wird von derVerstärker-Stufe mit FET T5 etwa20mal verstärkt und über T6 ausgel<op-pelt.

80524 _6

Bild 6. Die Speisung des Empfängers ist bis auf Netztrafo, 2 Widerstände, Netzschalter undSicherung ebenfalls auf der Platine enthalten.

Normalzeit-Empfänger für DCF 77 Elektor Oktober 1980 - 10-47

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tild 7. Layout und Bestückungsplan der doppelseitig kupferkaschierten Platine für den Empfänger. Die Bauteile-8eite ist gleichzeitig die Masse-:Iäche der Schaltung, so daß dort auch alle Lötverbindungen nach Masse hergestellt werden müssen. Die Elkos werden senkrecht eingesetzt undönnen entweder Print- oder "Normal"-Typen mit entsprechend zurechtgebogenen Drahtenden sein. Tantal-Elkos sind nur don erforderlich, woie in .der Stückliste ausdrücklich als solche gekennzeichnet sind.

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Die Antenne erhält ihre Speisespannungüber das am Ausgang angeschlosseneKoaxialkabel. Sie wird zweifach gesiebt.(durch R1/C4 und R4/C1) an den Ein-gang des eigentlichen Empfängersgelegt(siehe Bild 5).Zwischen den Pins 12 und 16 liegt ein700-Hz-Bandpaß, aufgebaut mit Fest-induktivitäten. Seine Bandbreite ist indieser Dimensionierung etwa 100 Hz.Man kann die Bandbreite zwar auchkleiner wählen, muß dann aber dasFilter abgleichen! Der Formfaktor desLC-Bandfiltersist etwa 3 (Formfaktor =-60-dB-Bandbreite geteilt durch -6-dB-Bandbreite) .An Pin 4 wird das Signal des externenOszillators eingespeist. Mit dem Quarzergibt sich eine Schwingfrequenz von2.4576. MHz. Dieses Signal wird mitIC2 durch,32 geteilt, so daß eine Span-nung mit der Frequenz von 76,8 kHzentsteht. Durch Multiplikation (Mi-schung) des Eingangssignals mit einerFrequenz von 77,5 kHz mit diesemOszillatorsignal entsteht das ZF-Signalmit einer Frequenz von 700 Hz(77,5 kHz - 76,8 kHz = 700 Hz).Nach Filterung und Verstärkung gelangtdas Signal an den Ausgang von IC1(Pin 7). Das Regelsignal AGC wird vonD3 durch Gleichrichtung des 700-Hz-Signals erzeugt. Ober D4, den Schmitt-Trigger mit IC4, D7 und T3 gelangt dasDCF-Signal an den "DATA" -Ausgang.T4 steuert die LED im Rhythmus desempfangenen Zeit-Signals. Mit D5 undT2 ist die Störungs-Anzeige "TX"aufgebaut. Schließlich ist in Bild 6noch die einfache Speisung des Emp-fängers dargestellt.

Aufbau

Alle zum Aufbau des Empfängersnotwendigen Einzelheiten sind Bild 7 zuentnehmen. Die Platine für die aktiveAntenne wird von der Haupt-Platineabgesägt.Die komplette Antenne wird in einkleines Kunststoff-Gehäuse eingebaut.Eine BNC-Buchse stellt die Verbindungmit dem Empfänger her. Den Einbaubitte erst nach dem Abgleich ver-nehmen!Der Empfänger wird (ebenfalls erst nachdem Abgleich!) in ein abschirmendesWeißblechgehäuse eingebaut. Die not-wendigen Verbindungen stellt man dannüber Buchsen oder Durchführungskon-densatoren her.

AbgleichWie schon erwähnt, ist kein HF-Abgleichder Schaltung notwendig. Als Abgleich-punkte sind TP1..TP3 und als Abgleich-Elemente R25, R27 und C29 gekenn-zeichnet.Zunächst geht man von der Mittel-steIlung der Abgleich-Elemente aus.Nach der Verbindung der Antenne mitdem Empfänger und der Kontrolle derBetriebssp,mnung(en) wird an TP2 einOszilloskop angeschlossen. Dort wird

..

StücklisteWiderstände:

R1,R4,R41 = 56 QR2,R3,R11,R29 = 2k2R5 = 100 kR6,R16 = 6k8R7 = 220 QR8 = 8k2R9 = 1k8R10.R30 = 47 kR12,R28 = 470 QR13,R14,R15,R21,R24 = 3k3R17,R18,R22,R31 = 10 kR19=33kR20 = 22 kR23 = 1 MR25 = 50-k-TrimmpotiR26 = 10 MR27 = 25-k-TrimmpotiR32,R33,R34,R35 = 4k7R36,R37 = 100 QR38 = 680 QR39 = 180 QR40 = 270 QR41 = 56 QKondensatoren:

C1,C4,C5 = 47 p/16 VC2 = 1 nC3=1p/16VC6,C13,C17,C19,C21,C25=470 nC7,C27,C39,C40 = 100 nC8,ClO = 680 pC9 = 1n5C11=10nC12,C18 = 56 nC14,C15= 10p/10VC16 = 4/17/16 VC20 = 2p.2/10 VC22,C23 = 47 p/3 VC24,C32,C34 = 1 p/6 VC26 = 1 p/10 VC28 = 100 PC29 = 4 .. .40-p-TrimmerC30 =10 p/10 V TantalC31 = 10 p/16 V TantalC33 = 4/17/10 VC35 =680 nC36=180nC37 = 22 p/16 VC38 = 100 p/10 VC41 = 470 p/25 VC42 = 10 p/25 V TantalC43 = 4n7C44,C45 = 4/17/6 VSpulen:L1,L2 = 8,2 mHL3. . . L7 = 100 mHL8 = 100 Windungen CuL (0,2 mm </»auf

10 cm Ferritstab (10 mm </»

Halbleiter:

D1 ,D2,D5,D6,D9 . . . D14 = 1 N4148D3,D4 = DUGD7 = Zenerdiode 4V7/0,4 WD8 = LED rQtT1 = BF494T2,T3,T4 = BC547BT5 = BF256CT6 = BC557BIC1 = TCA440IC2 = CD4060IC3 = 78L08IC4 = 741IC5=78L12

außerdem:

X-Tal = 2457,600-kHz-QuarzTr1 = Netztrafo 15 V1100 mA sek.S1 =doppelpoliger NetzschalterF = Feinsicherung 200 mA träge

nun durch Verschieben der Spule aufdem Ferritkern und gleichzeitige Aus-richtung auf den Sender die maximaleAmplitude des 700-Hz-Signals beobach-tet. Eventuell läßt sich durch Verstel-lung von C29 noch etwas mehr "raus-holen". Der genaue Abgleich des Quarz-oszillators ist aber nur mit Hilfe einesFrequenzzählers möglich. Sonst bleibtC29 in MittelsteIlung.Steht kein Oszilloskop zur Verfügung,wird der beschriebene Abgleich miteinem Vielfach-Meßinstrument im500-/1A-Bereich an TP1 durchgeführt.Hier steht eine Spannungsquelle vonmaximal 600 mV und einem Innenwider-stand von 400 Q zur Verfügung. Maxi-maler Ausschlag bedeutet guten Emp-fang! Außerdem kann ein Kristall-Ohrhöher oder ein Verstärker mitLautsprecher an TP2 als NF-Empfängerdienen. Der 700-Hz-Ton muß hier gutzu hören sein.An TP3 liegt das gleichgerichtete DCF-Si9nal an. Steht ein Oszilloskop zurVerfügung, dann kann man dort die inder Einleitung beschriebene Signal-Struktur beobachten.Nun folgt die Einstellung des Schmitt-Triggers. Ausgehend von der Mittel-steilung von R27 verstellt man, R25 so,daß die LED D8 im Rhythmus desempfangenen DCF-Signals blinkt. Solltediese Einstellung nicht im mittlerenBereich von R25 zu erzielen sein, mußim Wechsel mit dieser Verstellung auchder Offset mit R27 verändert werden.Es läßt sich auf jeden Fall eine Einstel-lung beider Trimmpotentiometer finden,bei der die LED eindeutig guten Emp-fang signalisiert.

ZukunftDamit ist der Abgleich beendet, undman kann sich mit Muße an die Ent-wicklung einer Auswerte- und Anzeige-Schaltung machen. Softwaremäßig etwamit Junior-Computer oder SC/MP oderhardwaremäßig mit allen möglichenLogik-Familienund -Technologien.Dazunoch drei Hinweise,wassoein Programmleisten muß:1. Es muß die abfallende Flanke des

von DCF77 abgestrahlten Trägers zuBeginn einer Sekundenmarke erkennenkönnen.2. Die Sekundenmarken selbst müssen

ausgewertet und weiterverarbeitetwerden (gemäß Bild 1 und Bild 2).3. Die Minutenmarke, die fehlende

59. (oder 60.) Sekundenmarke mußerkannt werden.Aber keine Angst, wem das alles zuumständlich und kompliziert ist, wirdauch bald in Elektor eine Auswerte-und Anzeigeschaltungfinden! ...