Diskrete Empfängerschaltung einer DCF77-Funkuhr

Im Verhältnis zu ihrer Benutzung ist das Betreiben von Zeitzeichendiensten aufwendig. DCF77 ist ein amplitudenmoduliertes (AM) Signal mit einer Trägerfrequenz von 77,5 kHz. Der Takt für die DCF77-Trägerfrequenz wird von drei Atomuhren geliefert, die unabhängig voneinander mit Strom versorgt werden. Das Aussenden falscher Zeitinformationen wird durch Konsistenzprüfung des Systems verhindert. Phasen- und Frequenzschwankungen sind daher eine Folge der Signalausbreitung und nicht durch den Sender bedingt. Das Signal wird vom Sendestandort Mainflingen bei Frankfurt am Main ausgesendet. Zu Beginn jeder Sekunde erfolgt die Übertragung von Zeitinformationen durch Absenkung der Trägerleistung auf 25%. Dabei entspricht eine Absenkung um 100 ms einer logischen Null, eine Absenkung um 200 ms einer logischen Eins. Diese Absenkungen werden Sekundenmarken genannt. Insgesamt besteht die Zeitinformation aus 60 Bits, die folgende Bedeutung haben.

Bit Information

0

Beginn der neuen Minute

1-14

Wetterinformation und interne PTB Informationen

15

Rufbit

16

„1“: Am Ende dieser Stunde wird MEZ/MESZ umgestellt

17

„0“: MEZ, „1“: MESZ

18

„1“: MESZ, „0“: MEZ

19

„1“: Am Ende dieser Stunde wird eine Schaltsekunde eingefügt

20

Immer „1“: Beginn der Zeitinformation

21-27

Minuteninformationen

28

Paritätsbit Minuteninformation

29-34

Stundeninformation

35

Paritätsbit Stundeninformation

36-41

Monatstag

42-44

Wochentag

45-49

Monat

50-57

Jahr

58

Paritätsbit Datum

59

keine Absenkung

Um den Beginn einer Minute zu Erkennen wird in der 59. Sekunde die Trägeramplitude nicht abgesenkt. Dadurch wird die Minutenmarke gesetzt.

DCF77
Figure 1. DCF77-Signal beim Minutenwechsel

Bei der Genauigkeit des DCF77-Signals muss zwischen Langzeit- und Kurzzeitgenauigkeit unterschieden werden. Die Kurzzeitgenauigkeit ist die Abweichung der dekodierten zur absoluten Sekundenmarke und beträgt bei üblicher Auswerttechnik 5 bis 150 ms. Der genaue Wert ist dabei abhängig von der Antenne, den eingesetzten Signalfiltern und der Signalgleichrichtung. Um eine größere Genauigkeit von 5 bis 15 ms zu erreichen, müssen Empfänger und Antenne breitbandiger gemacht werden. Bei der Antenne werden Bandbreiten von ca. 4 kHz benötigt. Dadurch wird allerdings die Störanfälligkeit höher und für die Elektronik ist es schwierig, die komplette Zeitinformation empfangen zu können. Die Folge daraus ist, dass bei diesen Anwendungen des DCF77-Signals häufig nicht alle Bits einer Minute ausgewertet werden können. Eine sehr große Genauigkeit und gleichzeitig eine geringe Störanfälligkeit schließen sich also aus. Somit muss je nach Anwendung entschieden werden, welche der beiden Größen wichtiger ist.

Die Langzeitgenauigkeit ist die Sekundenabweichung nach einer bestimmten Anzahl von Jahren. Sie ist beim DCF77- Signal sehr hoch. Die hohe Genauigkeit entsteht dadurch, dass das DCF77-Signal mittels Atomuhren erzeugt wird. Denn eine Atomuhr weicht in 300000 Jahren maximal eine Sekunde von der wirklichen Zeit ab.

Diskreter DCF77-Empfänger

Zum Empfang des DCF77-Signals wird hier eine Ferritantenne verwendet, die auf die Frequenz von 77,5 kHz angepasst ist. Die Art des des DCF77-Empfängeraufbaus hängt vom Einsatzgebiet ab. Wenn die vollständige Zeitinformation benötigt wird, ist für den Empfänger eine geringe Störanfälligkeit des Signals wichtiger als eine sehr hohe Kurzeitgenauigkeit. Daher muss das Signal auf einer Frequenz von 77,5 kHz so schmalbandig wie möglich verstärkt werden.

Eine Empfängerschaltung kann auf verschiedene Art und Weise aufgebaut werden. Eine sehr schmalbandigen Empfang des DCF77-Signals erhält man über aufwendige Operationsverstärkerschaltungen, die es auch als fertige ICs zu kaufen gibt. Weniger schmalbandig, aber für das normale Anwendungsgebiet brauchbar sind diskrete Empfängerschaltungen. Der Vorteil besteht in einem einfachen Aufbau und geringen Bauteilkosten. Im folgenden wird eine solche Schaltung detailiert beschrieben.

Zu Beginn der Empfängerschaltung wird eine Eingangsstufe mit einem JFET eingebaut, um Belastungen des Schwingkreises am Eingang durch die Verstärkerschaltung zu vermeiden.

DCF77
Figure 2. Eingangsstufe und Impedanzwandler

Das Signal geht daraufhin in einen Emitterfolger, der als Impedanzwandler dient und am Eingang der nachfolgenden zwei Verstärkerstufen eine niederohmigen Pegel zur Verfügung stellt. Die Verstärkung des Signals erfolgt über zwei Bipolartransistoren in Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung. Dabei dienen die Spannungsteiler über die Widerstände R5 und R6 bzw. R10 und R11 dazu, die Arbeitspunkte der Transistoren einzustellen. Die Kondensatoren C6 und C7 am Emitter stellen einerseits die Frequenz ein, auf der das Signal verstärkt wird, und sorgen andererseits dafür, dass der Gleichspannungsanteil der Ausgangsspannung gefiltert wird .

Folgende Abbildung zeigt die Simulation der Verstärkung nach der zweiten Verstärkerstufe.

DCF77
Figure 3. Simulation der Verstärkung bei 77,5kHz

Es wird mit zwei Verstärkerstufen gearbeitet, da die Signalstärke des DCF77-Signals im μV-Bereich ist. Am Ausgang der Verstärkerstufen muss ein Signal im Voltbereich vorliegen, so dass ein Verstärkungsfaktor von ca. 1000 erreicht werden muss. Dieser wäre mit einer Verstärkerstufe schwer zu realisieren.

DCF77
Figure 4. Verstärkerschaltung mit npn-Bipolartransistoren

Der Verstärkerstufe folgt eine Gleichrichterschaltung. Hier wurde die Villard-Schaltung verwendet, da dabei neben der Gleichrichtung gleichzeitig eine Spannungsverdopplung stattfindet.

Die Schaltung funktioniert folgendermaßen:

Zuerst werden die Kondensatoren C8 und C9 während der ersten Halbwelle aufgeladen. Sobald die nächste Halbwelle ankommt, addiert sich die in den Kondensatoren gespeicherte Spannung zur Ausgangsspannung. Die Diode D2 dient dazu, zu verhindern, dass sich der Kondensator C9 über den Kondensator C8 entladen kann. Daher ist sie von C9 zu C8 in Sperrichtung eingebaut. Der Gleichrichterschaltung ist eine Komparatorschaltung nachgeschaltet. Diese dient dazu, das gleichgerichtete Signal zu glätten bzw. steilere Flanken beim Wechsel von High- auf Lowpegel und umgekehrt zu bekommen. Der Komparator vergleicht die Eingangsspannung am Eingang 1 mit der Referenzspannung am Eingang 2. Solange die Eingangsspannung größer als die Referenzspannung ist, liegt am Ausgang ein Highpegel an. Sobald sie unter die Referenzspannung fällt, wechselt das Signal am Ausgang auf Low. Um das Referenzsignal bei der DCF77-Schaltung im richtigen Spannungsbereich einzustellen, wird der Spannungsteiler, den die Widerstände R15 und R16 bilden, so dimensioniert, dass dieses ca. 80% des Eingangssignals beträgt. Der nachgeschaltete Tiefpass über den Widerstand R17 und den Kondensator C10 dient dazu, das Referenzsignal zu glätten. Am Ausgang des Komparators liegt das DCF77-Signal an. Die Signalstärke liegt in der Größenordnung der Versorgungsspannung. Bei einer Versorgungsspannung von 3,3 V beträgt die gesamte Stromaufnahme der Schaltung maximal 1,5 mA.

DCF77
Figure 5. Gleichrichterschaltung und Komparatorschaltung

Ob am Ausgang das DCF77-Signal korrekt vorliegt, kann gut mit einem Oszilloskop überprüft werden. Betrachtet man das Signal, während man die Ferritantenne dreht, lässt sich deutlich erkennen, dass der Empfang stark von der Richtung der Antenne abhängig ist. Außerdem kann auch ein eingeschaltetes Elektrogerät wie ein Monitor oder ein Laptop das Signal stören.

Neben Störquellen am Empfangsort des Signals kann es aber auch Beeinträchtigungen des Empfangs auf dem Signalweg und am Sendeort geben. So wird z.B. bei einem Gewitter am Sendeort das Signal für bis zu mehrere Stunden abgeschaltet.

Integrierter DCF77-Empfänger

Empfänger-ICs, die mit mehreren Operationsverstärkern aufgebaut sind, können mit wenigen diskreten Bauelementen an den Eingängen des ICs zu einem sehr schmalbandigen DCF77-Empfänger aufgebaut werden. Die Vorteile bestehen in einer größeren Genauigkeit des Ausgangsignals und in einer geringeren Stromaufnahme, die zwischen 50 μA und 100 μA liegt. Allerdings ist auch hier zu beachten, dass der Schwingkreis der Antenne abgeglichen werden muss. Die Schmalbandigkeit des Empfängers wird dadurch erreicht, dass ein 77,5 kHz Quarz an einen der Operationsverstärker angeschlossen wird und so durch seine hohe Güte nur eine Verstärkung auf dieser Frequenz ermöglicht. Folgendes Blockschaltbild zeigt den typischen Aufbau eines DCF77-ICs.

DCF77
Figure 6. Blockschaltbild eines integrierten DCF77 Empfängers