|
Frequentie
referentie gekoppeld aan de DCF77 tijdzender
Inleiding
Wanneer je met mede radio-amateurs een afspraak maakt om elkaar op een
bepaalde tijd en frequentie te treffen, dienen beide stations over een
voldoende nauwkeurige frequentie uitlezing te beschikken om dit mogelijk te
maken.
Op de HF-banden is een
eenvoudige, op een kristal oscillator berustende nauwkeurigheid al snel
voldoende, omdat zo'n kristal doorgaan wordt gemaakt met een nauwkeurigheid
van enkele ppm, dus met een afwijking van enkele Hertz voor elke Megahertz.
Zoals vrijwel elke elektrische component is ook de resonantiefrequentie van
een kristal gevoelig voor temperatuur, maar voor kristallen voor frequentie
opwekking wordt een zorgvuldige uitsnede gemaakt, de z.g. AT-snede,
waardoor deze temperatuurafhankelijkheid beperkt blijft tot een deel van
een ppm per graad. Verder zal de frequentie van een oscillator met een
kristal een zekere afhankelijkheid vertonen van de voedingspanning. Ook dit
zal bij een zorgvuldig ontwerp beperkt kunnen blijven tot enkele ppm voor
elke volt variatie op de voedingspanning. Als volgende effect zal de
trillingsfrequentie van een kristal ook nog eens verlopen met de tijd;
opnieuw een effect dat in de orde van enkele ppm / jaar ligt. Wanneer we
daarom te maken hebben met een beperkte temperatuur variatie in onze shack
van zeg, tien graden en de voedingspanning varieert met niet meer dan één
tiende volt, dan zal een kristal oscillator die bedoeld was op 10 MHz. te
werken, een initiële afwijking kunnen hebben van 50 Hz., met daaroverheen
een variatie van zo'n 100 Hz. door voedinspanning en temperatuur
variatie.
Met deze gegevens kunnen we
uitrekenen dat we er op 10 MHz. gemakkelijk zo'n 150 Hz. naast kunnen
zitten. Op de HF frequenties valt deze variatie gemakkelijk binnen de
bandfilters voor bv. enkelzijband ontvangst, al zal ons tegenstation
hierdoor een wat onnatuurlijk stemgeluid krijgen. Wanneer we DX werken en
daarvoor de seinsleutel gebruiken en de bijbehorende smalbandige filters,
hebben we al een wat groter probleem, al valt dit nog steeds binnen onze
mogelijkheden. We weten echter dat bij deze variatie van 150 Hz. ook nog
eens de veroudering komt van zo'n 10 Hz./jaar, waardoor we zo'n tien jaar
na onze aankoopdatum bij onze afspraken voor een verbinding toch rekening
moeten houden met een mogelijke afwijking van zo'n 250 Hz. voor ons eigen
station. Voor het tegenstation geldt natuurlijk hetzelfde, zodat ons
zoekgebied naar onze afspraak zich zal moeten uitstrekken over een
frequentiegebied van zo'n 500 Hz., en dit wordt zelfs op de HF-banden al
duidelijk merkbaar.
Passen we voor de VHF en
hogere banden ook zo'n kristal oscillator toe, dan wordt deze
nauwkeurigheid en stabiliteit problematiek vermenigvuldigd met het nummer
van de overtoon. Ook een fase vergrendelde lus met een vrijlopende
oscillator op de hoge frequentie biedt geen oplossing, omdat ook hier de
uiteindelijke frequentie wordt bereikt na vermenigvuldiging met de
referentie oscillator en dus ook met de afwijkingen daarvan.
Bij vermenigvuldiging naar
nog hogere frequenties wordt dit effect steeds groter en kom je in de buurt
van 10 GHz. of hoger dan kunnen de afwijkingen al gemakkelijk waarden van
250 kHz. en meer bereiken. Het is duidelijk dat met een dergelijke
onnauwkeurigheid het niet langer mogelijk is om tot goede frequentie
afspraken te komen.
Deze zaken gelden in het
bijzonder voor professionele omroepstations en het is dan ook begrijpelijk
dat de technici hier graag teruggrijpen naar een atoom standaard of een
hiervan afgeleid signaal. Er zijn in de wereld dan ook verschillende
radiostations die naast de modulatie van de draaggolf met muziek, spraak of
digitale informatie, hun draaggolf stabiel houden met zo'n atoomstandaard.
Een voorbeeld hiervan zijn BBC4 op 198 kHz. en Radio France op 162 kHz.,
maar er zijn er nog veel meer in Europa en in de wereld. In onze omgeving
is het Duitse DCF77 op 77,5 kHz. bekend, terwijl er verder in Europa
zenders met hetzelfde doel aanwezig zijn Frankrijk, Zwitserland, Engeland
en Rusland. Naast deze radiostations geeft ook het GPS systeem tijdsignalen
met een hoge nauwkeurigheid.
Als voorbeeld van de
nauwkeurigheid zo'n 'gedisciplineerd' radio station geldt voor DCF77, dat
de onnauwkeurigheid van de frequentie, gemiddeld over de dag kleiner is dan
10^-12, en over 100 dagen zelfs kleiner dan 10^-13. Verder zendt dit station uit met een
vermogen van 50 kW en staat op een centrale plaats in Duitland in het
stadje Mainflingen, bij Frankfurt, waardoor het
in onze omgeving gemakkelijk wordt om een goede frequentie referentie op
dit station te baseren.
Ontwerp overwegingen
Een elegante methode om een
frequentie referentie af te leiden van zo'n nauwkeurig en stabiel radio
station zag ik bij Onno, PA2OHH. De methode van Onno gaat er van uit dat
een interne referentie op een 'handige' frequentie (hier 10 MHz.) wordt
gedeeld tot een frequentie dicht in de buurt van de betreffende zender.
Deze frequentie wordt naast de ontvangen zender op de antenne van een
ontvanger gezet, zodat er een verschilfrequentie ontstaat ergens in het
audio gebied. Vervolgens wordt de interne bron verder gedeeld zodat een
lage frequentie ontstaat die opnieuw gelijk is aan de eerdere
verschilfrequentie. De ontvangen verschil frequentie wordt vergeleken met
deze laatste deelfrequentie en het verschil wordt vervolgens gebruikt om de
interne oscillator in frequentie te corrigeren.
Het systeem is daarmee gelijk
aan de bekende fase gecontroleerde lus, waarbij hier de referentie wordt
gevormd door het ontvangen, nauwkeurige radio-station.
Het elegante van de methode bestaat er uit, dat de verschil-frequentie en
de omlaag gedeelde referentie frequentie met eenvoudige deeltallen worden
bereikt, liefst in machten van twee en vijf, omdat hiervoor goedkope IC's
in ruime mate op de markt aanwezig zijn.
De uitvoering voor DCF77
Omdat Onno geen hoge
nauwkeurigheid wenste, heeft hij zijn referentie gekoppeld aan Droitwich op
198 kHz.
In mijn uitvoering krijgt het
systeem zijn nauwkeurigheid en stabiliteit van het station DCF77, waardoor
de schakeling er op vele plaatsen wat anders gaat uitzien. Een eenvoudig
getallenvoorbeeld geeft de essentie weer van het ontwerp.
De basis wordt gevormd door
een op zichzelf al stabiele oscillator, ook weer op een frequentie van 10
MHz., die niettemin nog steeds verkrijgbaar is voor een prijs van rond €
10,-. Deze oscillator wordt gedeeld door 2^6 = 64, waardoor een frequentie
van 156,25 kHz wordt verkregen. Deze frequentie wordt vervolgens gedeeld
door twee, waarna een frequentie van 78,125 kHz. ontstaat, die met het
oorspronkelijke signaal van 77,5 kHz. een verschil toon produceert van 625
Hz.
Wanneer de frequentie van
156,25 kHz. verder wordt gedeeld door 5^3 = 125 en daarna weer door 2,
ontstaat ook weer een frequentie van 625 Hz. Deze twee 625 Hz. signalen
worden vervolgens met elkaar vergeleken en het verschil wordt gebruikt om
de centrale oscillator op 10 MHz. bij te regelen.
Door de eenvoudige deeltallen
van steeds 2^a en 5^b, kan gebruik worden gemaakt van de IC's 74X390 en
74X393, waarbij X staat voor letter combinaties als: LS, ALS, HC of HCT, afhankelijk wat er toevallig
voorhanden is in de junkbox. Door de elegante deeltallen in dit ontwerp
zijn voor de gehele delercombinatie maar twee blokjes 74X390 nodig en één
blokje 74X393. Met nog een blokje voor wat poorten zijn er in totaal dus
maar vier goedkope IC's nodig voor de hele referentie deler.
De ontvanger voor het station
DCF77 op 77,5 kHz. en de testfrequentie op 78,125 bestaat uit een lange
golf radiootje, dat ik voor enkele Euro's heb gekocht op een lokale
rommelmarkt, en met enkele condensatoren heb omgebouwd naar de DCF77
frequentie. Het geheel van ontvanger, interne oscillator, deler en voeding
voor de referentie kon worden ondergebracht in een klein standaard kastje
van 16 bij 10 bij 6 cm.,
waarmee de shack dus weer uitgebreid is met een schakeling waarmee niet
alleen ontvangers en zenders, maar ook tellers, generatoren, netwerk
analyzers e.d. kunnen worden gekalibreerd. Na vergelijking tegen een
atoomstandaard komt de onnauwkeurigheid van het aldus gestabiliseerde 10
MHz. signaal uit op 10^-8 tot 10^-9. Dat komt neer op een enkele Hz. bij
een frequentie van 1 GHz., voor mijn doeleinden ruimschoots voldoende.
De
schakeling
De schakeling van de beschreven frequentie referentie
vinden we hieronder. De details van de samenstellende delen worden hierna
verder uitgewerkt.
Werking
De werking van de schakeling
en de hierin gebruikte deeltallen werd hierboven al in grote lijnen
verklaard
De na menging en deling
verkregen frequenties van 625 Hz. worden met elkaar vergeleken in de
onderste NAND-poort. Hierdoor ontstaat een gemiddelde gelijkspanning, die
verder wordt gefilterd tot een mooie gelijkspanning op de varicap BB909.
Deze capaciteit op de ingang
van de TCXO regelt de frequentie van 10 MHz. tot het verschil tussen de
beide signalen van 625 Hz. gelijk wordt aan 0 Hz.
Denk er aan dat DCF77 een
tijdzender is, waarbij de tijdinformatie wordt gegeven in binaire vorm door
de draaggolf te schakelen tussen 100% en 25 %. Het ontvangen signaal
schakelt dus ook tussen deze twee niveaus. Het signaal van 78,125 kHz.
dient 'in de buurt' van de ontvanger te worden gebracht, zodat dit signaal
en dat van DCF77 ongeveer even sterk op de ingang zijn.
Ontvanger
Gebruik hiervoor een
afgedankte radio, liefst met Lange-Golf ontvangst. Ook een middengolf
ontvanger is mogelijk, maar omdat deze verder moet worden verstemd met
extra capaciteit parallel aan de afstemcondensator geeft dat minder goede
resultaten. Denk er aan dat eerst de oscillator moet worden verstemd tot
ontvangst van DCF77 mogelijk wordt, en dat daarna de antennekring moet
worden bijgeregeld (extra capaciteit) tot maximale ontvangststerkte.
Audiofilter
Omdat de ontvanger bestemd is
voor radio muziek en spraak, is de ontvanger bandbreedte ca 10 kHz. Door
een nazet filter op 625 Hz. kan een signaal/ruis winst worden verkregen van
ca 22 dB. (bij Q = 10). Dit vermindert de invloed van (lokale) storingen op
gewenste verschiltoon met het DCF77 signaal.
Doordat de uitgangsimpedantie
van de radio op de luidspreker uitgang laag is (enkele Ohms), kan het
filter eenvoudig gehouden worden. Hier wordt een spoel van 78 mH. toegepast (kleine potkern), omdat deze toevallig
voorradig was. De condensator wordt samengesteld uit een aantal parallel
waarden.
Ook andere waarden voor de
spoel zijn mogelijk (liefst tussen 50 en 150 mH.),
mits de spoelweerstand niet groter wordt dan de afsluitweerstand van 10
Ohm. De (samengestelde) condensator volgt dan uit de toevallige spoelwaarde
volgens de bekende formule (w2LC = 1), of na
meting van de LCR seriekring (afregelen op 625 Hz.) met een LF signaal
generator (ook weer met een lage uitgangsimpedantie).
Versterker en meter
De versterker bestaat uit een
teruggekoppelde trap met hoge versterking. De emitterweerstand dempt de
ingangsdiode karakteristiek zodat het uitgangsignaal symmetrisch blijft tot
relatief hoge uitsturingen. De diodebrug op de uitgang van de versterker
zorgt, samen met de meter weerstand en de parallel condensator ook weer
voor een symmetrisch clip gedrag van de versterker. De meter dient tevens
om de ontvangen signaalkwaliteit te kunnen beoordelen, waarbij zowel de
100% als de 25 % van de modulatie zichtbaar moet zijn. Vele metertjes
voldoen, tussen 0,1 en 1 mA volle schaal uitslag. Breng bij gevoelige
meters een extra serie weerstand aan.
Denk er aan dat de ontvangen
signaalsterkte samenhangt met de 'antenne'. Naast de ingebouwde ferriet
antenne zal ook een aansluiting op de 10 MHz. uitgang als antenne fungeren
en een sterker uitgangsignaal leveren. Verder is er een duidelijk verschil
in signaalsterkte tussen dag en nacht condities. Met de meter kan steeds
een goede signaalsterkte voor het systeem worden ingesteld via de 'volume'
regeling van de radio ontvanger.
Delerketen
De delerketen spreekt voor
zichzelf. Eigenlijk zijn hiervoor maar twee en een halve IC nodig en werd
de overblijvende 10-deler ingezet als extra referentie uitgang.
Het is verstandig om aan elke
uitgang naar 'buiten' een serieweerstand van 1 kOhm aan te brengen. Voor de
meeste referentie ingangen blijft er dan ruim voldoende signaal terwijl een
standaard afsluiting met 50 Ohm gebruikt kan worden zonder dat de IC's te
zwaar worden belast.
Fasevergelijker en filter
De onderste 74HC00 poort
vormt de fase vergelijker. Wanneer de fase lus niet vergrendeld is, zal de
LED in laag tempo meer en minder oplichten. Dit niet te verwarren met het
enigszins oplichten in het seconden-ritme van de tijdsignalen. Bij gebruik
worden deze indicaties duidelijk.
Bij 'koude start', wordt de
schakelaar in de stand 'locking' gezet, waardoor
de tijdconstante van de lus staat ingesteld op ca 4 seconden. Dit is snel
genoeg om de regelspanning op de varicap binnen ca 15 seconden op vrijwel
de juiste waarde te brengen (LED blijft 'stabiel').
Na inregeling van de lus kan
worden omgeschakeld naar de grotere tijdconstante van ca 100 seconden in de
stand 'locked'. Hierdoor komt er nog minder
wisselspanning uit de fase vergelijker op de varicap en wordt de het
signaal op de referentie uitgang 'schoner'. Bij mijn systeem meet ik een
signaal bandbreedte van ca 7 Hz. op een niveau van -70 dBc.
(beperking van de netwerk analyzer?).
Oscillator en varicap
De oscillator is het belangrijkste deel
van de schakeling, waaraan dan ook de meeste aandacht moet worden besteed.
Ik gebruik hiervoor een Temperature Compensated X-tal Oscillator (TCXO), die over een groot
gebied nauwelijks door de omgevingstemperatuur wordt beïnvloed. Er blijft
nog een zeer kleine invloed over, die kan worden gecompenseerd binnen het
bereik van de varicap. Een andere methode om temperatuurinvloeden te
verminderen maakt gebruik van een oven-gecontroleerde kristal oscillator,
of een standaard AT-kristal in een nauwkeurige kristal oven, die de
temperatuur binnen een graad stabiel houdt.
Verder is de oscillator
afhankelijk van de voedingspanning. Ik vond voor de TCXO een gevoeligheid
van 6 ppm / V. rond een voedingspanning van 6 Volt. Om invloeden van de
voedingspanning te minimaliseren paste ik daarom een dubbele stabilisatie
toe, met een aparte voedingsregelaar voor de TCXO. De oscillator is daarmee
zoveel mogelijk 'geïsoleerd' van de omgevingstemperatuur en de voedingspanning.
Hiermee blijft alleen de
aanvangstolerantie en de veroudering over. Voor de TCXO stelde ik een
gebied vast van 10 MHz./+ 20 Hz voor een capaciteit van 10 pF tot 10 MHz./-
20 Hz. voor een capaciteit van 38 pF. Dit geeft voor de varicap een gemiddelde
capaciteit van 24 pF met een variatie van 14 pF om alle afwijkingen van de
gewenste frequentie van 10 MHz. te kunnen compenseren. Uit de fase
discriminator komt een gemiddelde gelijkspanning tussen 2,5 en 4,5 V.
afhankelijk van de fase tussen de twee tonen van 625 Hz. Met deze
spanningsvariatie en de gegeven capaciteit (-variatie) kan een passende
varicap worden gevonden, in mijn geval de BB909.
Het aldus gestabiliseerde
referentie signaal werd vergeleken tegen een atoomstandaard met een
beschreven onnauwkeurigheid van 10^-12. In vergelijking hiermee komt de
onnauwkeurigheid van de beschreven DCF77 schakeling op 10 MHz. uit op 10^-8
tot 10^-9. Dat komt neer op een enkele Hz. bij een frequentie van 1 GHz.,
voor mijn doeleinden ruimschoots voldoende.
TCXO's die niet regelbaar zijn
met een externe aansluiting (capacitief of spanningsgeregeld), kunnen
gemakkelijk worden beïnvloed via de voedingspanning. Stel hiervoor eerst de
gevoeligheid vast van de uitgangsfrequentie voor deze voedingspanning. Een
regelbare stabilisator (bv. de LM2940) kan vervolgens worden toegepast,
waarbij (een deel van) de spanning op het regelpunt wordt geleverd door de
fase discriminator.
Voeding
Uit de eisen aan de
oscillatorschakeling volgt de opzet van de voeding. Voor de oscillator
wordt een dubbele stabilisatie toegepast om de variatie van de spanning tot
een minimum te beperken. De logische spanning (5 V.) is eveneens dubbel
gestabiliseerd omdat ook de regelspanning van de fase vergelijker hierdoor
wordt beïnvloed. De keuze voor de LM2940 (low-drop regulator, hier
ingesteld op 8 V.) is niet belangrijk, maar volgde in mijn geval uit de
beschikbare voedingspanning na gelijkrichting. Een goede keuze voor de
buffer capaciteit beperkt de rimpelspanning en moet worden gekozen afhankelijk
van deze rimpel en de inwendige weerstand van de trafo plus gelijkrichter.
Meer capaciteit maakt de rimpelspanning kleiner maar verlaagt ook de
gemiddelde gelijkspanning. Houdt hierbij wel de werkspanning van deze
condensator in het oog.
Wanneer de spanning na
gelijkrichting hoger is dan 10 V. (laagste spanning van de rimpelspanning),
kan i.p.v. de LM2940 met gerust geweten een standaard 7808 worden
toegepast. Denk er aan, dat dit soort stabilisatoren altijd gevolgd moet
worden door een condensator van minstens 1 μF.
Realisatie
Een voorbeeld van een
mogelijke uitvoering zien we hierna. Het geheel is ondergebracht in een
'standaard' kastje met afmetingen 160 x 100 x 60 mm. Hierin past de
ontvanger (met ferriet antenne, de TCXO en de deler keten als ook de
voeding en transformator. Natuurlijk hoeft het niet zo klein, en is
misschien ook beter omdat in deze compacte uitvoering toch enige
terugwerking is te vinden van de deler keten op de ontvanger. Het stoort de
nauwkeurigheid echter niet, die nu na ca 5 minuten al is gemeten als ca 5.
10^-9 en na ca 30 minuten als beter dan 10 ^-9. (gemeten tegen een rubidium
standaard). Ook de fase ruis is erg klein met een bandbreedte van minder
dan 10 Hz. op -75 dBc.
Bob J. van Donselaar, on9cvd@veron.nl
|
