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.

Werking

Na de gebruikelijke lange golf ontvanger vinden we een afsluitweerstand, die ongeveer gelijk is aan de belasting die de luidspreker van de ontvanger hierop uitoefent. De uitgangspanning wordt gedeeld naar een kleine weerstand van 1 Ohm, die in serie staat met de condensator en spoel van een afgestemde kring op 2 of 2,5 kHz. Deze L-C kring heeft een Q van ongeveer 30, hetgeen een hoge opslingering geeft en een smalle doorlaat band van ongeveer 65 Hz. Met een koppelwinding wordt het gefilterde en opgeslingerde signaal afgenomen en aan een versterker toegevoegd. Door deze constructie wordt de ontvanger elektrisch ontkoppeld van de rest van de schakeling, omdat de capaciteit tussen de windingen niet meer dan ca 20 pF bedraagt (gemeten waarde).

De versterker brengt het signaal vervolgens ongeveer op logisch niveau, waarbij de gelijkricht brug met het meter circuit er voor zorgt dat de versterker symmetrisch vast loopt. De navolgende poort verzekert de logische niveaus, waarna het signaal wordt vergeleken met het omlaag gedeelde signaal uit de oscillator.

In de discriminator wordt het faseverschil omgezet in een gemiddelde gelijkspanning, die de oscillator bijregelt via de varicap. Het signaal van 2 of 2,5 kHz. uit de ontvanger wordt verkregen door het oscillator signaal omlaag te delen tot 5 kHz., waarna een harmonische hiervan het verschil van 2 of 2,5 kHz. oplevert met de draaggolf van het afgestemde referentie signaal van de gekozen zender.

De meter wordt omgeschakeld van de positie 'locking', waarbij de sterkte van het binnenkomende signaal uit de ontvanger wordt weergegeven, naar de stand 'locked', waarmee de spanning op de discriminator uitgang wordt gemeten. Deze laatste zou ongeveer in het midden van de schaal moeten staan, en daar ook blijven.

Het spreekt daarom vanzelf dat de meter schakelaar en de 'locking / locked' schakelaar gekoppeld zijn (4 x omschakelaar).

Ontvanger

Voor de ontvanger kan heel goed een (afgedankte) klokradio worden gebruikt, die beschikt over lange golf ontvangst. Hiervan zijn er veel in omloop (geweest) waardoor deze voor weggeef prijzen van enkele Euro's te koop zijn op bv. rommelmarkten. Het voordeel van zo'n ontvanger is dat deze al over netvoeding beschikt en bovendien van de fabriek uit al zo is ontworpen dat deze geen last heeft de storing op het lichtnet. Door de verdere ontkoppeling van het oscillator/deler circuit door het lusje rond de ferriet staaf en de audiofilter transformator, blijft de radio ontvangst verder ongestoord en onafhankelijk van de verdere apparatuur die aan de schakeling wordt gekoppeld.

De radio ontvanger wordt geschikt gemaakt voor de frequentie referentie door de luidspreker aansluitingen naar buiten te brengen en het eerder besproken koppellusje. Het is verstandig om meteen ook een schakelaartje aan te brengen om de interne luidspreker uit te kunnen schakelen; de constante fluittoon van 2 of 2,5 kHz. kan op den duur hinderlijk zijn.

Audiofilter

De uiteindelijke bandbreedte van het ontvanger systeem wordt bepaald door het audio filter. Dit filter is met een Q van ongeveer 30 zeer smalbandig en laat maar een bandje door van ca 65 Hz. rondom de ontvangstfrequentie.

Het filter wordt gemaakt door 50 windingen van 0,45 mm. geëmailleerd koperdraad te leggen op een kleine ringkern met afmetingen van 16 x 8 x 8 mm. van het 3C90 ferriet materiaal. Deze zijn o.a. te koop bij de firma Brigatti in Eindhoven. De koppelwinding bestaat uit 15 windingen van hetzelfde draad, dat netjes tussen de eerdere windingen wordt ingelegd. Omdat het ferrietmateriaal een hoge spreiding heeft, moet de filter condensator per filter worden aangepast; de waarde van 0,75 uF (polyester) is dan ook een richtwaarde uit de proefschakeling. De condensator werd samengesteld door een drietal condensatoren van een lagere waarde parallel te schakelen. Sluit de schakeling aan op een signaal generator op dezelfde wijze als in de schakeling, dus met een weerstand van 1 Ohm in serie met de kring en met een weerstand van 10 Ohm naar de generator. Het maakt hierdoor niet uit of de generator een hoge, dan wel een lage uitgangsweerstand heeft. Sluit de koppelwinding af met een weerstand van 3k9 en meet hierover met een oscilloscoop. Meet steeds bij een spanning op de oscilloscoop van maximaal 150 mVtop-top wanneer de kring in resonantie is. De kring moet een maximum vertonen bij precies 2,00 of 2,50 kHz.

Voor ontvangst van DCF77 wordt een iets andere procedure aanbevolen. Ga hetzelfde te werk als hier boven, maar zorg eerst met de juiste condensatoren voor een maximale afstemming bij 2,50 kHz. Daarna wordt omgeschakeld en met toegevoegde condensatoren de afstemming op 2,00 kHz. verzorgd. Tegelijk met het audiofilter wordt ook de delerketen omgeschakeld om 2,5 kHz. aan te bieden aan de discriminator.

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 met de meterweerstand voor een verder symmetrisch clip gedrag van de versterker. Aan de transistor worden geen andere eisen gesteld dan dat deze een Hfe vertoont tussen 250 en 500. Veel moderne LF transistoren voldoen hier aan.

De meterschakeling werd nog wat uitgebreid t.o.v. de vorige schakeling. In de stand 'locking' kan met de volume regelaar van de ontvanger de juiste sterkte van het aangeboden signaal worden bepaald. Met de aangegeven meter (ca 1 mA volle schaal, Rm = 450 Ohm) is dit het geval bij ca 3/4 van de volle schaaluitslag (ca 2,5 V. top-top uit de versterker). Een dergelijke meter is gemakkelijk verkrijgbaar, maar ook elke (gevoeliger) meter zal hier voldoen, mits aangepast met eventuele serie/parallel weerstand.

In de stand 'locked' wordt de meter omgeschakeld naar de uitgang van de fase discriminator. Met de bewegingen van de naald kan de momentane fase tussen het oscillator en referentie signaal worden bekeken. In het ideale geval zal de meter een beetje schommelen rondom het midden van de schaal. Zorg er voor dat bij gebruik van een andere meter dan aangegeven de wijzer in het midden van de schaal staat bij een spanning van 2,5 V. Zo nodig de serieweerstand hierop aanpassen (hier 10 kOhm).

In deze schakeling wordt de meter omgeschakeld, gelijk met de omschakeling van de tijdconstante voor de regeling, met een viervoudige omschakelaar. Het is natuurlijk ook mogelijk om deze acties gescheiden te houden en de meterschakelaar niet te koppelen met de tijdconstantes maar hiervoor aparte schakelaars toe te passen.

Delerketen

De delerketen bestaat uit een drietal IC's van het type 74HC390, die 'overal' verkrijgbaar zijn voor enkele dubbeltjes. Hierdoor zijn ook de referentiefrequenties van 1 MHz. en 100 kHz. beschikbaar. Breng ter bescherming van de poorten steeds een weerstand van 330 Ohm aan in serie met een logische uitgang. Wanneer zo'n uitgang wordt afgesloten met 50 Ohm blijft er ruim voldoende signaal voor de instrumentatie ingang van een hierop aangesloten meetinstrument en blijven de flanken van dit signaal goed bewaard.

Door als laatste door '5' te delen voor het antenne signaal ontstaat een impulsvormig signaal met veel harmonischen en redelijk constant van amplitude. De uitgang wordt via een weerstand ter bescherming van de poort, naar een potentiometer geleid, waar het signaalniveau voor de ontvanger kan worden ingesteld. Voor de juiste afregeling, zie verderop.

Uit de 5-deler komt een signaal met harmonischen om de 5 kHz., behalve wanneer de harmonische deelbaar is door 5 (5, 10, 15 etc.). Dat betekent ook dat de 40e harmonische op 200 kHz. niet aanwezig is. Om toch te kunnen vergrendelen aan Droitwich op 198 kHz., werd de uitgaande puls van de deler een beetje verkort met een diode en een condensator, zodat ook op de door 5 deelbare harmonischen voldoende signaal wordt verkregen.

De deler tot aan het 2 of 2,5 kHz. signaal voor de discriminator deelt als laatste door 2, waardoor een symmetrische blokgolf ontstaat en de maximale faseruimte in de discriminator kan worden benut.

Voor ontvangst van DCF77 wordt de deler rechtsonder omgeschakeld. De stand '5' wordt gebruikt om de deler te 'resetten', waardoor deze weer op nul begint en zo effectief door '4' deelt, en aan de uitgang van de hele 'trein' de frequentie 2,5 kHz. verschijnt i.p.v. 2 kHz. In de andere stand wordt de 'reset' ingang aan aarde gelegd, waardoor deze puls de ingang niet kan bereiken. De deler deelt dan door 5, waardoor er op de uitgang de frequentie 2 kHz. verschijnt. De delerschakelaar is gecombineerd met de omschakeling van het audiofilter

Fasevergelijker en filter

In tegenstelling tot de DCF77 referentie, wordt in deze schakeling een viervoudige EXOR poort gebruikt. Hierdoor kan de fase vergelijker gebruik maken van de volle logische spanningszwaai i.p.v. de helft hiervan bij toepassing van een logische NAND poort. De regelruimte wordt hierdoor ook twee maal zo groot. Mocht er geen EXOR voor handen zijn, dan kan opnieuw een viervoudige NAND poort worden toegepast zonder dat de schakeling of de aansluitnummering hoeft te worden aangepast. Let op: in dit laatste geval moet de schakeling op precies 10 MHz. worden afgeregeld bij een spanning van 3,5 V. op de weerstand van 3k9, zie verder bij afregeling

Bij nieuwe inschakeling van het circuit wordt de stand 'locking' ingeschakeld, waardoor het circuit met een korte tijdconstante van ca 4 seconden snel de lus in regeling brengt. Na 20 - 30 seconden kan worden omgeschakeld naar de stand 'locked', waarmee een tijdcostante van 100 seconden wordt ingeschakeld. Hiermee worden de laatste 'ongerechtigheden uit het discriminator signaal verwijderd en levert het referentiesysteem een zeer 'schoon' signaal op 10 MHz., met een 'voetpunt'-breedte minder dan 10 Hz. op -70 dBc. (beperking van de netwerk analyzer?).

Oscillator

De oscillator is het belangrijkste deel van de schakeling, waaraan dan ook de meeste aandacht moet worden besteed. Net als in de vorige schakeling wordt hiervoor een TCXO toegepast omdat hiermee de meest nauwkeurige en stabiele frequentie wordt verkregen. Denk er aan, dat binnen dezelfde reeks van (Philips) TCXO's, de gevoeligheid voor capacitieve regeling sterk kan variëren. Bij een exacte uitgangsfrequentie van 10 MHz. heb ik correctie waarden gemeten tussen 16 pF en 40 pF. In het midden van het regelbereik (2,5 V. uit de discriminator) ligt de waarde van diverse varicaps van het type BB909 echter tussen 25 en 30 pF. Afhankelijk van de gevoeligheid van de TXCO op de stuuringang kan het daarom noodzakelijk zijn om hiermee een condensator in serie te plaatsen of hieraan parallel met de BB909, voor een optimaal regelbereik.

Voor diegenen die geen gebruik kunnen / willen maken van de hier toegepaste TCXO, zijn er nog andere mogelijkheden, zij het met een wat lagere nauwkeurigheid.

Als alternatief hiervoor heb ik een Colpitt oscillator ontworpen met zeer goede eigenschappen voor de frequentie stabiliteit en (on-)gevoeligheid voor voedingspanning variaties. Wanneer voor de beide condensatoren van 150 pF temperatuur-'ongevoelige' NP0 typen worden gebruikt, en deze oscillator wordt 'ingepakt' in minmaal 25 mm. tempex rondom, kan deze schakeling een redelijk alternatief zijn voor de TCXO, voor een fractie van de kosten.

Na de oscillator volgt een versterker om het signaal op logisch niveau te brengen. De hier toegepaste BSX20 is wederom niet kritisch en vele moderne schakeltransistoren met Ft > 250 MHz. zullen hier voldoen.

De schakeling met de Colpitt oscillator vinden we hierna. Deze kan naadloos de plaats van de TCXO overnemen op de daartoe aangegeven plaatsen.

Het TCXO gestabiliseerde referentie signaal werd vergeleken tegen een atoomstandaard met een beschreven onnauwkeurigheid van 10^{-12. In vergelijking hiermee komt de
onnauwkeurigheid van het 10 MHz. signaal uit de referentie schakeling uit
op ca 10-9}. Dat komt neer op een enkele Hz. bij een frequentie van 1 GHz., voor mijn doeleinden ruimschoots voldoende.

Met de hierboven aangegeven Colpitt oscillator wordt een wat lagere stabiliteit gehaald van ca 10^-8.

De aangegeven stabiliteit werd steeds gehaald ca 20 minuten na inschakeling.

Voeding

In vergelijking met de DCF77 schakeling, kunnen de eisen aan de voeding worden verzacht. Een simpele 7805 voor 5 V. zal hier uitstekend voldoen. Denk er aan dat dit type driepuntregelaars altijd voorzien moet worden van een condensator van 1 uF aan de uitgang voor de stabiliteit. Zorg er voor dat de laagste waarde van de rimpelspanning aan de ingang nooit lager dan 7,5 V. mag komen voor een goede werking van deze regulator. Bij toepassing van een TCXO zal deze zijn meest optimale instelling bereiken bij een voedingsspanning van 12 V., waarvoor een aparte driepuntregelaar moet worden toegepast. Met een enkelvoudige, kleine 9 V. transformator bij 150 mA. en een afvlakcondensator van 1000 uF na de Graetz gelijkrichter, zijn beide van spanningen van 5 V. en 12 V. goed te realiseren.

De hele schakeling vraagt minder dan 25 mA, ook al omdat de ontvanger nu met een eigen voeding is uitgerust.

Afregeling

De afregeling van de schakeling is relatief eenvoudig. Allereerst wordt de oscillator op frequentie gebracht. Hiervoor wordt een spanning van 2,5 V. aangebracht op de (losgenomen!) weerstand van 3k9 van de stand 'locking'. Nadat de schakeling ongeveer een halfuur is 'geacclimatiseerd' in de meetruimte (die op 20 graden +/- 3 graden Celsius dient te zijn), wordt met een goede frequentieteller op de uitgang de frequentie gecontroleerd op 10,000.000 MHz. Bij toepassing van de Colpitt oscillator wordt deze op 10,000.000 MHz. ingesteld met de oscillator trimmer.

Bij toepassing van de TCXO dient met een externe condensator 'C' op de regelingang de uitgangsfrequentie te worden ingesteld op exact 10 MHz. Vervolgens wordt de waarde van deze condensator opgemeten. Bij waarden tussen 20 en 30 pF hoeft er verder niets meer te gebeuren en kan de varicap weer worden aangesloten. Bij waarden boven 30 pF dient een extra condensator met een waarde van C - 25 pF te worden aangebracht, parallel aan de varicap. Bij waarden beneden 20 pF moet een condensator van ca 39 pF in serie met de varicap worden aangebracht.

Vergeet niet hierna de weerstand van 3k9 en / of de varicap weer aan te sluiten. Als de goede componenten werden toegepast, is dit een eenmalige zaak die na een jaar ter controle kan worden herhaald.

Vervolgens wordt de radio-ontvanger afgestemd op een referentie zender, bv. Deutschlandfunk in Donebach op 153 kHz.

Hoewel het systeem al binnen de regeling komt bij een signaal-stoor afstand, waarbij wij allang de betreffende omroepzender de rug hebben toegekeerd, worden de beste resultaten pas bereikt bij een voldoende sterk en storing-vrij signaal. Zoek daarom voor de hoogste nauwkeurigheid van de referentie eerst de sterkste referentiezender (uitslag op de meter in de stand 'locking'), daarbij voor de beste richting van de radio (indien voorzien van een richting-gevoelige ferriet antenne), en blijf ook zo ver mogelijk uit de buurt van eventuele stoorbronnen (schakelende voedingen, TL buizen). De hoogste nauwkeurigheid (geciteerde getallen) wordt bereikt onder optimale omstandigheden.

Hierna wordt eerst alleen de luidspreker uitgang op de frequentie-referentie aangesloten, en wordt de schakelaar in de stand 'locking' gezet. Het volume van de radio wordt nu zo ver opgedraaid, dat juist een eerste beweging van de wijzer kan worden waargenomen en niet meer dan dat. Hierna wordt ook de antenne aansluiting aangebracht en wordt het antenne signaal met de potmeter opgedraaid. De wijzer zal nu vol uitslaan; eventueel het volume weer iets terug nemen en nogmaals optimaal afstemmen (maximale uitslag op de meter). Afhankelijk van het (Donebach-) signaal ter plaatse, kan het antennesignaal zo ver worden opgedraaid, dat de meter weer iets terug gaat lopen. In dat geval wordt opnieuw het maximum signaal op de meter gezocht. Kan geen maximum worden gevonden met vol opgedraaide potmeter, dan is het signaal ter plaatse mooi sterk, en kan overwogen worden de uitgangsweerstand van 4k7 te halveren en opnieuw naar een maximum te zoeken. Noodzakelijk is dit echter niet.

We kunnen naar een maximum regelen omdat bij te veel referentiesignaal de AVR van de ontvanger gaat terugregelen, waardoor het ontvangen signaal minder sterk wordt ontvangen. Wanneer beide signalen op de antenne even sterk zijn, is het optimum bereikt en zal de AVR vrijwel zijn oorspronkelijke waarde behouden.

Nadat het systeem in de stand 'locking' enige tijd is ingeregeld (neem hiervoor ca 1 minuut) kan worden overgeschakeld naar de stand 'locked'. De meter is nu aangesloten op de discriminator en zal een beetje heen en weer schommelen rondom het midden van de schaal omdat de ontvangen signaalfase dit verloop heeft ten gevolge van propagatie omstandigheden onderweg naar ons. Verder zien we hier ook de fase-modulatie terug van de zender (zie eerste tabel) en de invloed van de amplitude modulatie hierop. De aangegeven nauwkeurigheid wordt na ca 15 minuten bereikt.

In het normale gebruik dient alleen de laatste alinea van deze afregeling te worden gevolgd.

Uitbreiding met GPS ontvanger

Nadat de schakeling enige jaren naar tevredenheid mijn kleine instrumentarium van een frequentie referentie had voorzien, kon ik de hand leggen op een GPS ontvanger. Deze worden al enige jaren voor zeer schappelijke prijzen aangeboden. In de begintijd, zo'n tien jaar geleden, waren deze ontvangers uitgerust met een uitgang die 1 Hz. signalen kon afgeven, die direct waren afgeleid van de interne Rubidium standaard van de satelliet. De nauwkeurigheid van deze 1 Hz. frequentie had daarmee dezelfde nauwkeurigheid als deze Rubidium standaard en is daarmee vergelijkbaar met die van de eerder besproken radio-stations. In die tijd zijn er verschillende ontwerpen gepubliceerd van frequentie-referenties, gebaseerd op deze 1 Hz. frequentie. Het spreekt vanzelf met deze lage vergelijkingsfrequentie, in de systeem integrator gewerkt moet worden met zeer lange integratietijden, om de uiteindelijke nauwkeurigheid te kunnen bereiken. De aldus werkende frequentie-referentie kan daarom beter niet worden uitgeschakeld. Om die reden heb ik hier verder niet naar omgekeken.

Al weer enige tijd worden er tegenwoordig GPS ontvangers aangeboden, die naast de frequentie van 1 Hz., ook een frequentie van 10 kHz. afgeven, die eveneens gekoppeld is aan de interne rubidium standaard van de satelliet. Voor dezelfde nauwkeurigheid kan de integratietijd nu een factor 10⁴ korter worden, waarmee een hiermee opgebouwde frequentie referentie een stuk praktischer wordt. Bij nadere beschouwing blijkt er maar weinig aan de eerder besproken frequentie referentie te moeten worden aangepast, om ook het GPS signaal te kunnen gebruiken voor de 'disciplinering' van de TCXO. Het volgende schema maakt het duidelijk.

Op het eerste gezicht zijn er nauwelijks verschillen te vinden met het eerdere schema, waaruit opnieuw blijkt dat de verschillen minimaal zijn. Omdat de GPS module een frequentie van 10 kHz. afgeeft, moet de delerketen ook deze frequentie afgeven aan de fase discriminator. Hiervoor werd een niet-gebruikte 2-deler in de onderste 74HC390 gebruikt. Door punt 6 met de ingang op punt 1 te verbinden, levert punt 3 van dit IC nu een symmetrische frequentie van 10 kHz., die verkregen wordt door de frequentie van 100 kHz. door 5 en 2 te delen. De 5 / 4 -deler moet hiervoor natuurlijk in de stand 5-deler staan, met punt 2 aan aarde (niet-DCF77 stand). Met een schakelaar wordt nu gekozen tussen de uitgang van de delerketen die 2 of 2,5 kHz. afgeeft, of de nieuwe uitgang die 10 kHz. levert.

Verder dient ook de ingangsversterker bovenaan in het schema te worden omgeschakeld tussen de transformator naar de lange-golf ontvanger en de nieuwe ingang, met het 10 kHz. signaal van de GPS ontvanger. De beide omschakelaars voor GPS gebruik vormen natuurlijk een enkele omschakelaar.

Meer aanpassingen zijn niet nodig en de schakeling werkt verder volkomen identiek aan hetgeen eerder werd besproken.

De dubbele omschakelaars; GPS / ander en DCF77 / ander kennen samen vier standen, waarvan er maar drie zinvol zijn. Het is natuurlijk mogelijk om deze twee omschakelaars te vervangen door een enkele draaischakelaar met drie standen voor resp. DCF77, LG , GPS. Hiervoor zijn dan vier moedercontacten benodigd.

Bij deze uitbreiding werd ook de functie van 'audio-versterker / meter' nog even onder de loep genomen. In het eerdere schema werden deze twee functie door een enkele transistor verzorgd. Het hieruit voortvloeiende compromis kan onder sommige omstandigheden minder goed uitpakken, wanneer door oversturing de symmetrie van het signaal naar de discriminator gaat verlopen en dus het regelbereik van de lus wordt beperkt.

In de opzet van hierboven met de dubbele operationele versterker TS272, zit de versterker 'wat ruimer in zijn jasje' en wordt bovendien het filter minder belast (hogere Q, die minder afhankelijk is van de uitsturing). Door een aparte gelijkrichter / metersturing te creëren met de tweede opamp (binnen dezelfde 8 pin DIL behuizing), wordt de filterversterker nauwelijks meer belast en kan een groter scala van meters worden toegepast, waarvan de gevoeligheid kan worden aangepast met de ingangsweerstand van 10 kOhm. Denk er aan, dat bij aanpassing hiervan, ook de delerweerstand van het GPS signaal moet worden aangepast (hier 15 kOhm), evenals de weerstand van 10 kOhm naar de discriminator uitgang.

In deze configuratie kan ook de schakelaar worden vereenvoudigd voor de meter omschakeling van 'locking' (meter geeft audio ingangsignaal) naar 'locked' (meter geeft discriminator signaal). Deze schakelaar wordt hiermee een tweevoudige omschakelaar.

Voor de volledigheid volgt ook nog even de aansluiting met de GPS- ontvanger, die in hetzelfde kastje als de schakeling kon worden ondergebracht. Het schema volgt hieronder.

De toegepaste Navman Jupiter 12 ontvanger werkt op dezelfde voeding als de rest van de schakeling en vraagt maximaal 100 mA, inclusief de actieve antenne. Het signaal GPS 10 kHz. gaan naar de referentie schakeling, als hiervoor besproken. Het 1 seconde signaal kan worden gebruikt om een nauwkeurige klok te sturen, die natuurlijk wel moet worden bijgesteld bij de omschakeling van zomer naar wintertijd en omgekeerd.

Denk er aan, dat het 10 kHz. signaal als afgeleid van de rubidium standaard in de satelliet pas zijn nauwkeurigheid bereikt, wanneer voldoende satellieten en met voldoende sterkte worden ontvangen. Hiervoor moet de actieve antenne een voldoende 'vrij uitzicht' op de hemel hebben, dus direct voor een venster of in de open lucht worden geplaatst. Daarnaast dient de ontvanger het signaal van minstens drie satellieten van voldoende sterkte te ontvangen voor een 'fix' in twee dimensies. Voor de gebruikelijke 'fix' in drie dimensies zijn minimaal vier satellieten nodig. Of er een 'fix' in twee of drie dimensies werd bereikt vertelt de ontvanger in een aantal boodschappen via het z.g. NMEA protocol, dat via punt 11 van de plug naar buiten komt. Denk er aan dat punt 7 van de plug hiervoor geaard moet worden, omdat anders een ander dan het NMEA protocol kan worden uiutgezonden. De andere geaarde punten zijn voeding- en signaal aarde, die op de print allemaal zijn doorverbonden.

Na buffering en invertering kan het NMEA-signaal worden aangeboden aan punt 2 van de 9-polige PC connector voor seriële data overdracht (RS232 - poort). Punt 5 van deze plug komt aan de systeem aarde.

Wanneer een (moderne) PC of laptop geen 9-polige connector heeft, bestaan hiervoor verloop pluggen van 9-polig D naar een USB-poort, die zeker aanwezig is. Zo'n (actieve) verloop plug kost ca € 10,-.

Op de PC wordt een programma geïnstalleerd, dat in staat is om de boodschappen uit dit NMEA protocol te vertalen en op een prettige manier weer te geven op je scherm. Enkele gratis programma's zijn VISUALGPS en, je raad het al, NMEA. Er zijn er nog veel meer, ieder met hun eigen voor- en nadelen. Het programma VISUALGPS toont o.a. een fraaie hemelkaart met daarop de satellieten die op dat moment boven de horizon staan, en ook de bewegingen in hun baan. Het programma NMEA geeft ook deze informatie, maar op een meer zakelijke manier, en geeft ook de exacte tijd weer.

Overigens kan de verbinding met de PC weer worden verbroken wanneer is vastgesteld dat een 'fix' werd bereikt.

Voor de volledigheid kan ik nog melden dat de inverter tussen de GPS ontvanger en de PC in het schema kan worden vrij gemaakt door het 10 MHz. signaal uit de buffer transistor direct te verbinden met de ingang van de delerketen op punt 4 van de 74HC390. Er is dan geen extra materiaal meer nodig.

Realisatie

Een mogelijke uitvoering van de universele frequentie referentie met hierbij gebruikte klokradio vinden we hier onder. De (kleine) GPS-ontvanger werd in het kastje met de referentie ingebouwd. Het kastje met de schakeling is minder dan een derde van de omvang van de vorige uitvoering, ook al omdat hierin nu niet meer de radio-ontvanger werd ondergebracht.

De nauwkeurigheid van deze schakeling ligt opnieuw in dezelfde orde als met de vorige schakeling met TCXO, waarin een waarde van ca 5.10^-9 wordt bereikt na 5 minuten en ongeveer 10^-9 na ca 15 minuten. Ook de fase ruis is erg laag met een bandbreedte van minder dan 10 Hz. op -70 dBc. Deze getallen gelden bij toepassing van de TCXO. Met de Colpitt oscillator ligt de nauwkeurigheid op ca 5 . 10^-9tot 10^-8.

Beschrijving: Beschrijving: Beschrijving: HPIM2831

Bob J. van Donselaar, on9cvd@veron.nl