Trefwoorden

overweging

schakeling

werking

ontvanger audiofilter

delerketen

Meervoudige Frequentie referentie

(Eerder gepubliceerd in Electron #6, 2012)

Inleiding

Na het ontwerp van de frequentie referentie schakeling gekoppeld aan de DCF77 tijdzender, heb ik daar wat ervaring mee opgedaan. De schakeling blijkt uitstekend te werken onder dag- en nachtomstandigheden en komt ook onder minder gunstige omstandigheden (diverse stoorbronnen) snel in-lock en voldoet dan aan de eerder gemelde specificaties. Een klein nadeel van de schakeling is echter dat hiervoor een bestaande lange-golf ontvanger moet worden 'omgebouwd' naar een frequentie buiten deze band, omdat de meeste lange golfontvangers pas beginnen bij 150 kHz. en DCF77 zendt op 77,5 kHz. In het vorige verhaal werd deze ombouw duidelijk beschreven en hieruit blijkt dat dit een eenvoudig karwijtje is. Toch moet er worden ingegrepen in de ontvanger, hetgeen sommigen misschien zou kunnen tegenhouden.

Een tweede nadeel betreft het 'antenne-effect'. De ontvanger krijgt zijn signaal van de ingebouwde ferriet antenne. Deze kan door de geringe antenne-'hoogte' maar een zwak signaal ontvangen, te meer daar het DCF77 station maar uitzend met een relatief gering vermogen van 50 kW. Alle extra bedrading aan zo'n ontvanger fungeert ook als antenne, en zal een extra signaal leveren (en ook storing) dat vaak net zo groot is en soms groter dan het ontvangen signaal. Omdat een frequentie referentie nu eenmaal bedoeld is om hierop andere instrumenten aan te sluiten, moet bij elk aangesloten apparaat steeds de sterkte van het ontvangen signaal (op de meter) worden bijgesteld.

Het derde punt betreft het zendersignaal zelf. De tijdinformatie wordt uitgezonden als een amplitude modulatie, waarbij 100% draaggolf fungeert als signaal referentie en het terugvallen hiervan naar 15% draaggolf als informatie. De lengte van deze terugval (100 of 200 msec.) bepaalt de waarde '1' of '0' van deze (digitale) informatie, waarmee in de loop van een minuut naast de juiste tijd ook de dag van de week, de maand en het jaar worden meegegeven, plus nog een paar additionele zaken. De modulatie van 100% naar 15% is erg groot, en levert na de discriminator dan ook veel extra ruis. Verder geeft deze tijdzender naast amplitude modulatie ook nog fase modulatie in de vorm van een fase verschuiving van 13 graden. Elke fase uitwijking wordt direct gecompenseerd met een daarop volgende uitwijking in de tegengestelde richting, zodat de gemiddelde uitwijking van de draaggolf steeds gelijk is aan nul en de totale stabiliteit van de draaggolf gemiddeld blijft voldoen aan de hoge nauwkeurigheid en stabiliteit als opgegeven (2. 10^-12 over een dag). De genoemde fase modulatie zien we echter direct terug achter de discriminator, waarmee alvast een deel van de compensatie ruimte van de fase gekoppelde lus wordt 'opgebruikt'.

Na deze ervaringen heb ik daarom een tweede ontwerp gemaakt om aan de genoemde 'bezwaren' tegemoet te komen.

Welke referentie zenders

Als eerste heb ik gekeken welke omroep stations in aanmerking kwamen als nauwkeurige frequentie referentie. De volgende tabel kan worden opgesteld.

	frequentie	frequentie	vermogen	sterkte (S-punt)	tijd (t) /
Station	kHz	nauwkeurigheid	kW	11.00 / 21.00	omroep (o)	modulatie
MSF/Rugby	60	2.10^-12	15	2 / 2.	t	AM 100%
DCF77/Mainflingen	77,5	2.10^-12	50	4 / 3.	t	AM 85% + PM 13 grd.
DLfunk/Donebach	153	10^-12	500	8 / 9.	o	AM 30 %
France Inter/Allouis	162	10^-12	2000	9+ / 9+	t+o	AM 30% + PM 1 rad.
BBC4/Droitwich	198	10^-12	500	9 / 8-9.	t+o	AM 30% + PM 1 rad.

Er zijn in Europa nog meer van deze stations, maar die zijn vaak niet met een simpele ontvanger met voldoende signaal/stoor afstand te ontvangen. In de wereld zijn nog veel meer van deze tijdzenders te vinden, en ook die voldoen helaas niet aan het criterium van voldoende ontvangst.

De reden dat de stations allemaal in de lange golf uitzenden of met nog grotere golflengtes, heeft te maken met propagatie van dit soort signalen. Hoe lager de frequentie, hoe minder de momentane fase van het signaal wordt beïnvloedt en dus hoe nauwkeuriger de frequentie referentie kan zijn. Toch zijn er ook op hogere frequenties van deze tijdreferentie zenders te vinden, tot in het (hoge) HF gebied aan toe, denk hierbij aan het Amerikaanse WWV station. Voor een frequentie referentie op deze hoge(re) frequenties kan echter alleen gebruik worden gemaakt van de grondgolf, die helaas niet erg ver reikt. Daarmee komen tijdreferentie stations op de hogere frequenties niet in aanmerking om toegepast te worden in een frequentie referentie systeem.

Ook de standaard omroepzenders komen niet in aanmerking, omdat deze tot nu toe zelden gebruik maken van een voldoende nauwkeurige referentie voor het opwekken van de draaggolf. Doorgaans ligt deze stabiliteit en nauwkeurigheid in de orde van enkele ppm. en dat niet beter dan wij zelf kunnen bereiken met een eenvoudige kristal oscillator.

Een andere situatie ontstaat bij een van GPS afgeleide frequentie. De draaggolf van deze satelliet stations ligt weleenswaar rond de 1,5 GHz., maar deze signalen kunnen doorgaans rechtstreeks worden ontvangen waardoor propagatie verschijnselen door de atmosfeer een kleinere rol spelen. Bij de gebruikelijke, van GPS afgeleide, frequentie referentie systemen wordt echter (noodgedwongen) gebruik gemaakt van een OEM module, die uit het tijdsignaal een nauwkeurige puls met een frequentie van 1 Hz. afleidt. Om met dit signaal een 10 MHz. oscillator te controleren is echter niet eenvoudig en hiervoor dienen integratoren te worden toegepast met zeer grote tijdconstantes. Deze worden doorgaans m.b.v. software gecontroleerde systemen bereikt en deze moeten dan ook lange tijd worden ingeschakeld om de eindstabiliteit te bereiken. Dan nog ligt deze eindstabiliteit in de orde van 10^-9, en dat kan ook worden bereikt met eenvoudiger systemen gebaseerd op lange-golf tijdzenders. Bovendien dienen GPS systemen voorzien te zijn van een speciale antenne, die buitenshuis, of tenminste direct voor het raam met een gunstige hoek naar de satellietbanen, worden opgesteld.

Verdere ontwerp overwegingen

Als referentie frequentie werd opnieuw gekozen voor 10 MHz., omdat deze frequentie vaak wordt toegepast bij andere meetinstrumenten voor het aansluiten van een externe referentie, waarvan de nauwkeurigheid groter is dan de eigen referentie. Uitgaande van deze 10 MHz. zijn er (integer) deeltallen te vinden naar een frequentie in de buurt van de gekozen omroep zender, en daarna naar de, na detectie ontstane, (audio-)verschilfrequentie. Deze deeltallen zijn specifiek voor de betreffende zender, waarvoor dan ook een zender-specifieke delertrein moet worden ontworpen. Het vorige verhaal van de DCF77 referentie is daar een voorbeeld van.

Voor sommige zenders is echter zo'n set van (integer) deeltallen niet mogelijk. Dit geldt met name voor het signaal van de zender Donebach, die met een sterk signaal door heel Europa uitstekend is te ontvangen. De draaggolf van deze zender is ook afgeleid van een nauwkeurige referentie en bovendien wordt deze niet in fase gemoduleerd en werkt met een betrekkelijk geringe amplitude modulatie (30%). Voorlopig zijn er (nog?) geen plannen om de uitzendingen van deze zender te stoppen. Van de zender Droitwich is intussen bekend dat hiervoor geen verdere investeringen worden gedaan en dat met de uitzendingen zal worden gestopt zodra de laatste van de (twee) zender eindbuizen zal zijn opgebruikt.

Het leek mij daarom verstandig om een frequentie referentie te ontwerpen die zonder verdere aanpassing direct kan worden ingezet bij verschillende referentie zenders, liefst zonder dat hiervoor de (lange-golf) ontvanger moest worden omgebouwd.

Wanneer een niet-sinusvormig signaal wordt ontleed, blijkt zo'n signaal een reeks harmonische te produceren, waarvan het type en de sterkte afhankelijk is van de aard van de vervorming van de sinus. Een impuls-vormig signaal produceert een lang voortlopende reeks van dergelijke harmonischen, waarvan het amplitude-verloop samen hangt met de impulsbreedte en de herhalingstijd. Door een gunstige keuze is het goed mogelijk om een reeks van dergelijke harmonische te produceren, waarbij het verschil van een specifieke harmonische en de ontvangstfrequentie van de zender steeds een zelfde waarde oplevert. Bij een herhalingsfrequentie van 5 kHz. zal de 31e harmonische een frequentie opleveren van 155 kHz., hetgeen een verschilfrequentie van 2 kHz. geeft met de draaggolf van de zender Donebach op 153 kHz. Datzelfde verschil van 2 kHz. treedt op bij de 32e harmonische en de zender Allouis op 162 kHz. Helaas gaat dit verhaal niet op voor de zender DCF77, omdat hierbij de 16e harmonische een frequentie van 80 kHz. oplevert, en deze op zijn beurt een verschil van 2,5 kHz. met de zender op 77,5 kHz. Met een eenvoudige omschakeling van het LF-filter en de delertrein komt echter ook deze zender binnen bereik.

Verder is met een paar eenvoudige delerblokjes gemakkelijk uit de 10 MHz. referentie-oscillator de frequentie van 5 kHz. af te leiden, evenals de frequenties van 2 en 2,5 kHz. voor de fase vergelijking.

Met een gunstige keuze van de delerblokjes is het mogelijk om voor de frequentie van 5 kHz. het laatste delerblokje te laten bestaan uit een 5-deler. Deze levert meteen het implus-vormige signaal (één tijdeenheid hoog, vier tijdeenheden laag) dat een lang voorlopende reeks van harmonischen oplevert.

Voor de signalen van 2 en 2,5 kHz. zorgen we voor een laatste deling door 2, zodat het signaal mooi symmetrisch wordt, hetgeen gunstig is voor de fase vergelijking met het ontvangen signaal.

De rest van het systeem bestaat uit de bekende fase gecontroleerde lus, met (de verschil frequentie tot) het ontvangen station als de referentie frequentie.

De ontvanger bestaat weer uit een (afgedankte?) radio-ontvanger met lange-golf ontvangst. Een goede ontvanger hiervoor is de bekende klok/wekker-radio, die vaak op slaapkamers worden gebruikt. De ingreep bestaat er uit dat de luidspreker aansluiting naar buiten wordt gebracht, liefst met een mogelijkheid om de interne luidspreker naar believen te kunnen uitschakelen; de geproduceerde verschilfrequenties van 2 en 2,5 kHz. zijn op den duur niet erg aangenaam om voortdurend te blijven horen, terwijl normale ontvangst mogelijk moet blijven om gemakkelijk op een (referentie-)zender te kunnen afstemmen.

Tevens wordt er een lusje van één winding om de ferriet staaf gelegd, dat apart (en geïsoleerd) van de luidspreker aansluiting naar buiten wordt gebracht. De radio houdt verder zijn eigen voeding, omdat hierbij meestal al werd gezorgd voor voldoende scheiding van het lichtnet en de storing daaruit op de ontvangst.

Op de ingang van het referentie systeem is het audio-filter meteen uitgevoerd als audio-tranformator, zodat de koppeling met de radio-ontvanger alleen aanwezig is in de vorm van een magnetisch veld, met een elektrische koppeling van maximaal ca 20 pF. Dit blijkt voldoende om geen last meer te hebben van het 'antenne-effect' als genoemd in de inleiding.

De schakeling

De schakeling van deze meer universele frequentie referentie vertoont duidelijke overeenkomsten met de schakeling voor de DCF77 referentie, maar wijkt ook op verschillende punten hiervan af zoals we in bijgaand schema kunnen zien. De details worden hierna weer verder uitgewerkt.