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Der Zeitmanipulator |
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| Der Zeitmanipulator (77.5 Khz DCF77 Zeitzeichensender) |
| Der Zeitkode (DCF77 Signal und Kodierung) |
| Das
DCF77 Signal besteht aus einem unmodulierten Träger von 77.5 Khz.
Im Sekundentakt wird das Signal auf 25% (-6db) der Trägeramplitude
abgesenkt (Bild 02).
Das Zeitsignal wird zusätzlich noch mittels einer zweiten Methode übertragen. Hierzu wird per Phasenmodulation eine Pseudozufallsfolge (PZF) von 512 Bit aufmoduliert. Einfache Funkuhren bedienen sich allerdings des einfacheren Pulsweitensignals. Bild 03 zeigt das DCF77 Zeitsignal in Tabellenform. Jede Sekunde entspricht einem Bit. Der Beginn eines neuen Codeworts wird in der 59. Sekunde angekündigt. Die Trägeramplitude wird dabei nicht absenkt (Ausnahme: bei der Übertragung einer Schaltsekunde). Innerhalb der nächsten 59 Sekunden wird ein komplettes Codewort übertragen. Zusammenfassend enthält dieses die folgende Information:
Zum besseren Verständnis wie innerhalb von 59 Sekunden die vollständige Zeitinformation übertragen wird, kann das Zeitsignal auch graphisch in Kreisform aufgetragen werden (Bild 04). Zu beachten ist noch, daß die Informationsblöcke "Minute", "Stunde" sowie "Tag, Wochentag, Monat und Jahr" jeweils mit einem Prüfbit (P1, P2 und P3) abgeschlossen werden. Ein Prüfbit ergänzt jeweils einen Informationsblock auf eine gerade Anzahl von logisch "1" (gerade Parität). Der Wochentag wird wie folgt kodiert: Montag entspricht Tag 1 und Sonntag Tag 7. Dies ist wichtig um ein korrektes Codewort zu erzeugen. Selbst sehr günstige Funkuhren kontrollieren die empfangene Information auf deren Korrektheit. Für mehr Informationen bezüglich der DCF-77 Codierung finden sich unter nützliche Links mehrere Verweise. |
![]() [03] DCF77 Zeitsignal Kodierung in Tabellenform |
![]() [04] DCF77 Zeitsignal Kodierung (graphisch) |
| Soviel zur Theorie
- jetzt geht' zur Praxis... Der Zeitmanipulator ist aus den folgenden Modulen aufgebaut: - 77.5 Khz Quarzoszillator (+ Tiefpassfilter) - Pegel-Schifter - Endstufe - Tiefpassfilter - Eingabe und Display - Mikrocontroller - Netzteil Die Module sind, wie auf dem nachfolgenden Bild zu erkennen, miteinander verschaltet. Ein Klick auf das jeweilige Modul führt zu dessen genauen Beschreibung. |
| Der Zeitoszillator (77.5 Khz Sinus Quarzoszillator) |
Der Pierce Oszillator wurde mit einem CMOS Inverter aufgebaut. Da dieser allerdings nur ein Rechtecksignal liefert und ich den Endverstärker wegen der Oberwellenunterdrückung mit einem Sinussignal ansteuern wollte, muß das Rechtecksignal erst in ein Sinussignal umgewandelt/gefiltert werden. Der Filter besteht aus einem 7-poligen Tschebyscheff Tiefpass. Die berechnete Dämpfung der 3. Oberwelle liegt bei ca. -85 db. Wenn man den mathematischen Grund wissen möchte warum man ein Rechtecksignal in ein Sinussignal umwandeln kann, so schaut man entweder in Wikipedia®™ unter Fourierreihe / Rechteckpuls nach, oder aber man fragt einen Kollegen, der Elektrotechnik studiert hat (mein Dank an Torsten, DG1GKT). Bild 06 zeigt den Tschebyscheff Tiefpass aufgebaut auf einem Steckboard. Angesteuert wurde dieser versuchsweise mit einem DDS Generator. Das Eingangssignal betrug 77.5 Khz und 5 VSS. Das Sinussignal am Ausgang des Filters betrug ca. 2.5 VSS (Bild 07). |
![]() [06] 7-poliger Tschebyscheff Tiefpass |
![]() [07] Rechteck zu Sinus Filterung |
![]() [08] Prototyp - Quarzoszillator (oben) |
Die zwei nächsten Bilder (08 und 09) zeigen
den fertig aufgebauten Oszillator. Der 77.5 Khz Quarz wurde aus einem
DCF-77 Empfangsmodul ausgelötet (die Quarzfrequenz wird nicht von
jedem Elektronikhändler geführt). Die 6 Bauteile, die wie dicke Widerstände aussehen, sind die Spulen (Festinduktivitäten) des Tschebyscheff Tiefpass. Das Ausgangssignal des fertigen Oszillatormoduls beträgt ca. 2.5 VSS und ist optisch (auf dem Oszi) ein sehr schöner Sinus. Die Frequenz beträgt, gemessen an einem ELV®™ Frequenzzähler, 77.503 Khz. Der Tschebyscheff Tiefpass hat gemessene, effektive -56 db bei 3x F0 |
| Der Zeitlevelshifter (Pegelshifter) |
| Wie im Theorieteil erklärt,
wird beim DCF77 Signal die Signalamplitude jede Sekunde für 100
bzw. 200 ms von 100% auf 25% herabgesetzt. Dies geschieht bei meinem
Zeitmanipulator mit dem Pegelshifter. Der Pegelshifter enthält 3 Gatter des Analogschalters CMOS 4066 und wird vom Sinus Quarzoszillator angesteuert. Abhängig davon ob man den Shifter mit logisch "0" oder logisch "1" ansteuert, gelangt das Oszillatorsignal entweder direkt oder über einen einstellbaren Spannungsteiler zum Ausgang. Entsprechend dem Schaltplan läßt sich im oberen Signalweg die Ausgangsspannung mit einem Spindeltrimmer auf 25% einstellen. Der zweite Trimmer paßt die Ausgangsspannung beider Signalwege an die Endstufe an. ...und weil Basteln soviel Spaß macht, habe ich beide Module (Oszillator und Pegelshifter) nochmals auf einer neuen Platine aufgebaut. |
![]() [10] Pegelshifter - Schaltplan |
![]() [11] Oszillator und Pegelshifter (oben) |
![]() [12] Oszillator und Pegelshifter (unten) |
| Der Zeitverstärker (77.5 Khz Endverstärker) |
Die VLF PA wurde
nach dem Schaltplan (13) aufgebaut. Dies entspricht, leicht verändert,
der Grundschaltung, wie sie im Datenblatt des HiFi Verstärkers
TDA2006 (TDA2020) zu finden ist. Die Schaltung verwendet keine negative Spannung, sondern kann laut Datenblatt mit bis zu 30 Volt betrieben werden (single power supply). Entsprechend dem Datenblatt reicht der Frequenzgang des TDA2006/TDA2020 bis ca. 140 Khz. Eine ausreichend große Verstärkung bei 77.5 Khz sollte somit zu erreichen sein. Der TDA2006, der im Audiobereich eine Ausgangsleistung bis zu 14 Watt erzeugt, wurde zwecks ausreichender Kühlung auf einen alten Prozessorkühlkörper (einschließlich Lüfter) geschraubt. |
![]() [14] VLF PA (Seitenansicht 1) |
![]() [15] VLF PA (Nahaufnahme des TDA2006) |
![]() [16] VLF PA (Seitenansicht 2) |
| Der Zeitfilter (Impedanz-Anpassung und Tiefpassfilter) |
| Zur Impedanzanpassung der Endstufe (< 4Ohm) an die Last (50 Ohm) gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zwei dieser Möglichkeiten habe ich getestet und mich für letztere entschieden.
So probierte ich die zweite Möglichkeit aus, eine Anpassung mittels PI-Filter. Auch in diesem Falls stimmten die berechnete Größen nicht 100% mit der Realität überein (die Güte der Spule war wohl nicht hoch genug, was kein Wunder ist da es sich hierbei "nur" um TV-Spulen handelt), allerdings konnte ich die Spule, durch den Ferritkern, sehr viel einfacher nachstimmen. Das Ergebnis war sehr gut. Ich erreichte maximal 9 Watt Ausgangsleistung, gemessen an 50 Ohm. Sehr viel besser als mit dem Breitbandübertrager. Die Berechnung der PI-Anpassung und des Oberwellenfilters erfolgte mit der Software "PI-EL Design"®™ bzw. "SVC Filter Designer"®™ von WB6BLD (siehe: nützliche Links). Die nachfolgende Bilder zeigen die Wobbelkurve des PI-Filters zur Impedanzanpassung, gemessen nachdem der Filter auf maximalen Ausgangsleistung (an 50 Ohm) abgestimmt wurde, sowie die des Oberwellenfilters. Beim Schaltplan ist zu beachten, daß die Kondensatoren der PI-Filter aus jeweils 2 parallel geschalteten Kondensatoren bestehen. |
![]() [18] Prototyp: PI-Impedanzanpassung |
![]() [19] Schaltplan: Impedanz + Oberwellen |
![]() [20] Prototyp: Oberwellenfilter |
| Die Zeiteingabe (Drehencoder-Eingabe und graphische Ausgabe mittels 4 x 20 LCD) |
| Die Eingabe des Sprungzieles
(Datum und Zeit) geschieht über einen Drehencoder, sowie über
zwei Menü-Taster. Der Drehencoder hat zudem einen eingebauten Taster,
der zur Bestätigung der jeweiligen Eingabe dient.
Folgende Eingaben werden erwartet: - Tag, Monat, Jahr (zweistellig) - Stunden (24h Format) - Minuten Mittels der Taster kann bei der Eingabe im Menü vor- bzw. zurück gesprungen werden. Die Software listet zum Schluß alle Eingaben auf und wartet anschließend auf die finale Bestätigung. Wichtig ist hierbei zu erwähnen, daß es sich bei der Eingabe um ein gültiges Datum handeln muß. Die von mir geschriebene Software führt keinen Validitäts-Check durch. Zudem gelten besondere Regeln für die Minuteneingabe. Die Gründe hierfür können im Absatz "Zeitprozessor" unter "Hinweis" nachgelesen werden. |
| Die Zeitprozessor (Steuersoftware auf ATmega16) |
| Im Gegensatz zu anderen Zeitmaschinen,
wird bei meinem Projekt der Zeitsprung weder mit einem Fluxkompensator
(Englisch: "flux capacitor") noch mittels eines Kristalls
erzeugt. Bei dem hier vorgestellten Zeitmanipulator dient ein Atmel®™
ATmega16 der Generierung des Zeitsignals.
Die Software ist vollständig in BASCOM®™Basic geschrieben. Für einen ungelernten Hobby-Programmierer, dessen Basic Kenntnisse noch aus Zeiten des Commodore®™C64 stammen, bereitet dies einige Tage an Kopfzerbrechen... Die Software ist in verschiedene Module unterteilt:
Ausgabe des Codes: Die Software läuft anschließend in eine Endlosschleife, die per Timer alle 1000ms ein Interrupt auslöst und in die Ausgaberoutine springt. In dieser Subroutine werden die einzelnen Bits der 5 Codewörter über einen Pin des AVRs an den Levelschifter gegeben. Anschliessend wird, je nachdem ob eine logische "1" oder logische "0" der Timer entsprechend neu gesetzt. Nachdem der Timer entsprechend gesetzt wurde, wird noch das LC Display angesteuert. Anschließend springt das Programm zurück in die Endlosschleife und wartet auf den nächsten Interrupt. Nach der Ausgabe aller Codewörter sollte der Zeitsprung erfolgreich durchgeführt worden sein. |
| Das Zeitnetzteil (5 V + 24 V Spannungsversorgung) |
Das Netzteil erzeugt die 5 Volt für die Prozessorplatine, LEDs und LC-Display sowie die 24 Volt für die Endstufe (TDA2006) bzw. für die zwei in Reihe geschalteten 12 V Lüfter. Die Endstufe wird im "single-supply" Modus verwendet. Dies erfordert einen zusätzlichen Kondensator, um den Gleichspannungsanteil am HF-Ausgang zu blocken, vereinfacht aber den Aufbau der Spannungsversorgung, da keine negative Spannung benötigt wird. Die Spannungsregler wurden auf ein Prozessorkühlkörper geschraubt. Der Kühlkörper ist so verbaut, daß der außen am Gehäuse liegende Lüfter die Luft aus dem Inneren des Gehäuses durch die Rippen des Kühlkörpers nach außen saugt. Um die HF von der Versorgungsspannung fernzuhalten, wurde auf der Primärseite zudem ein EMV Netzfilter verbaut. Auf der Sekundärseite entspricht der Aufbau des Netzteils der Standardschaltung für 78xxx Regler. Einen Schaltplan spare ich mir darum und verweise auf z.B. das DigiNetzteil. |
| Endmontage des Zeitmanipulators |
![]() [23] Endzusammenbau |
![]() [24] Frontpanel (Rückseite) |
![]() [25] Aufspielen der finale Software |
Nach vielen Monaten des Rechnens, Lötens, Ausprobierens und
Verwerfens, war es dann soweit. Die einzelnen Module wurden in das
Gehäuse gebaut und miteinander verlötet. |
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| [V01] Die einzelnen Module des Zeitmanipulators |
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Sicherlich
bleiben nun einige Fragen offen und die wichtigste davon möchte
ich schon mal vorab beantworten.
> Warum all der Aufwand und für was soll dieses Gerät gut sein? Das Gerät ist aus reinem Spaß am Basteln entstanden, bei dem ich Techniken aus dem eher analogen Amateurfunk- mit Mikrocontrollertechnik verbunden habe. Wahrscheinlich muß man auch ein ziemlicher Science Fiction Fan sein, um einen solchen Aufwand zu betreiben. Ich benutzte dieses Projekt hauptsächlich aber, um mir die Grundlagen eines Senders, Anpassung, Oberwellenfilter etc. beizubringen (Vorbereitung für eine Eigenbau SSB TRX).
Nochmals in anderen Worten: wer ein solches Gerät nicht als
reine technische Herausfordeung ansieht, sondern damit Blödsinn
treibt, kann sicher sein, sehr schnell ein ganz grosses Problem zu
haben.
Viel Spaß beim Basteln. In diesem Sinne Matthias, HB9EFY [ HB9EFY(at)yahoo.de ] Mein Dank gilt meinem Kollegen Torsten, DG1GKT, der mir bei dem "einen oder anderen" Problem über IM stets zur Hilfe stand sowie allen Bastlern, die auf Ihren Webseiten ihre Erfahrungen und ihr Wissen im Bereich "137 Khz" mit anderen teilen. |
| Bezugsquellen: |
Rechteinhaber:
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| Nützliche Links: Grundlagen "Der Zeitsignalsender DCF77": Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/DCF77 Grundlagen "(PTB) Physikalisch Technische Bundesanstalt - DCF77": Betreiber des DCF77 Zeitzeichensenders: http://www.ptb.de/de/org/4/44/442/dcf77_1.htm Grundlagen "Fourierreihe": Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Fourierreihe#Rechteckpuls Onlineshop "Netzwerktester NWT01U": Funkamateur.de: http://www.box73.de/catalog/ Software: "PI-EL Design®™" von WB6BLD: James L. Tonne: http://www.tonnesoftware.com Software: "SVC Filter Designer®™" von WB6BLD: James L. Tonne: http://www.tonnesoftware.com Grundlagen: Wochentagberechnung: Andreas Göbel: http://www.diaware.de/html/tage.html Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Wochentagsberechnung Mein Youtube Channel: http://www.youtube.com/user/proofofcon |
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