Your Federal Quarterly Tax Payments are due April 15th Get Help Now >>

Generátor normálovej frekvencie riadený pomocou DCF 77 by broverya76

VIEWS: 159 PAGES: 8

									                                                                                                 35-42




         Zdroj signálu s kalibračnou frekvenciou
           31 MHz riadený pomocou DCF 77
                                            Milan Lehocký*


              Slovenská technická univerzita, Fakulta elektrotechniky a informatiky
                      Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava, Slovenská republika

              Abstrakt. Projekt sa zaoberá generátorom signálu z piezoelektrickými rezonátormi
              10MHz, 21MHz, ktorých súčtová frekvencia 31MHz má byť riadená pomocou
              fázového závesu prijímaným signálom vysielača DCF 77 s frekvenciou 77,5kHz.
              Generátor má slúžiť ako zdroj kalibračnej frekvencie pre dostavovanie časovej
              základne elektronických čítačov v laboratóriu.


1. Úvod

    Práca bola motivovaná tým, že na katedre rádioelektroniky sa nachádza veľa čítačov,
ktoré pri vzájomnom porovnaní údajov vykazujú značné odchýlky. Tieto odchýlky sa dajú
kompenzovať, ale je nutné vedieť údaj ktorého čítača je správny. Teda, ak by sme mali zdroj
presnej (normálovej) frekvencie, sme schopní čítače nastaviť. Nestabilita frekvencie
kryštálom riadených oscilátorov býva rádovo 10-5 až 10-9. Tie pesnejšie sú teplotne
stabilizované, presné oscilátory, ktorých cena je relatívne vysoká. S časom sa stabilita
oscilátora mení (starnutie súčiastok), takže dlhodobá stabilita je nižšia.
    Potrebnú dlhodobú stabilitu však môžeme zabezpečiť aj iným spôsobom. Vo svete
existuje množstvo vysielačov, ktoré vysielajú presné frekvencie (niekedy spojené s údajom o
presnom čase), určené napr. pre leteckú navigáciu, metrologické ústavy, prípadne aj pre
komerčné použitie (presné hodiny). Stabilita frekvencie týchto oscilátorov je riadená veľmi
presnými frekvenčnými normálmi (neraz priamo normálom pre danú krajinu).
         Pri geografickej polohe Slovenska sa ukazuje výhodný príjem vysielača DCF 77.
Stredná hodnota nosného kmitočtu 77.5kHz (odvodená z údajov niekoľkých atómových
hodín ) sa neodchyľuje od menovitej hodnoty o viac ako 10-12 týždenne. Takáto presnosť
po príjme a spracovaní nie je dosahovaná, svoju úlohu tu hrajú odrazy vĺn pri šírení a dĺžka
merania .Predlžovaním merania znižujeme nepresnosť priiatého signálu.
    Práca sa zaoberá návrhom generátora normálovej frekvencie založeného na príjme
normálovej frekvencie vysielača DCF 77. Použitím fázového závesu týmto prijatým signálom
synchronizujeme napätím riadený kryštálový oscilátor a dosahujeme tak vyššiu dlhodobú
stabilitu jeho frekvencie. Takto generovaná normálová frekvencia sa používa na ciachovanie
čítačov.
V dnešnej dobe presné a stabilné časové údaje hrajú dôležitú úlohu . Za všetky aplikácie
menujme aspoň požadovanú presnosť rádiových a televíznych informácii o čase, presnosť

*
    Vedúci projektu: doc. Ing. Vladimír Kudják, PhD.



                                                   35
nosných frekvencii v telefónii a pri TV vysielaní. Jedno z prvých uplatnení frekvenčných
normálov bolo v navigácii na mori. Keď chýbajú všetky pevné orientačné body, ostáva určiť
polohu podľa polohy Slnka alebo hviezd a času. Presnosť určenia pozície rastie s presnosťou
časovej informácie. Dnes sa už dá zistiť poloha pomocou satelitov (GPS) s presnosťou až na
niekoľko metrov. Tento systém prináša zlepšenia a zjednodušenia do plavby, dopravy a
letovej prevádzky, pôvodný vojenský účel tohto systému nevynímajúc. Tento systém sa tiež
dá použiť pre účely generovania normálových frekvencii, ale jeho finančná náročnosť je
relatívne vysoká. Navyše takýto systém možno len dosť ťažko zhotoviť v bežných
laboratórnych podmienkach, čo znižuje jeho príťažlivosť. Preto sme sa v práci orientovali na
príjem vysielača DCF 77, ktorý síce zabezpečí menšiu presnosť prijímanej frekvencie ako
systémy GPS, pre naše účely však stále dostačujúcu.


2.   DCF 77 ako zdroj časovej informácie

    Vysielač DCF 77 vysiela na frekvencii 77.5kHz normálovú frekvenciu, čas a dátum v
miestnom čase NSR na základe údajov Spolkového fyzikálne technického ústavu (PTB) v
Braunschweigu. Poloha vysielača v Mainflingene pri Hanau je určená zemepisnými
súradnicami 50°01’N (sev.šírky) a 09°00’E(východnej dĺžky). Vyžiarený výkon sa udáva
38 kW a signál je údajne možné prijímať až do vzdialenosti 2000km. Časová informácia sa
vysiela poklesom výkonu nosnej na 25% nominálnej hodnoty (AM). Počiatok každého
poklesu označuje počiatok sekundy. Časová informácia a normálová frekvencia sú
synchronizované PTB normálovým časom (vznikajúcim z údajov asi 10 Cs-atómových
hodín). Priamo na vysielacom mieste normálne pracujú 3 bežné Cs-atómové hodiny.


3.    Technické parametre vysielača DCF 77

    Kvôli relatívne vysokej rezonančnej kvalite vysielacej antény nespadne vysielaný výkon
hneď na 25% nominálnej hodnoty. Pre tento ako aj pre podobné procesy platí zákon, že
kvalita Q vykazuje hodnotu Q=n.π, kde n je počet kmitov, ktoré ešte nastanú od vypnutia
energie vysielača po dokmitanie na amplitúdu 1/e=37% nominálnej hodnoty.
    Vysielač vysiela každých 20 minút počínajúc začiatkom každej hodiny svoj volací znak v
Morseho abecede v obojstrannej AM (250Hz, DCF/ – . . / – . – . / . . – . ).
    Časová dostupnosť vysielača je vysoká. Každý druhý utorok v mesiaci od 05 do 09 hod.
stredoeurópskeho času (včítane prechodu na letný čas) sa vysielač vypína kvôli údržbe.


4.   Celková koncepcia obvodu

    Základnou myšlienkou celého prijímača je použitie normálovej frekvencie vysielanej
vysielačom DCF 77 na synchronizovanie napätím riadeného kryštálového oscilátora ako
zdroja presnej frekvencie s použitím fázového závesu. Keďže pri príjme vysielača DCF 77 v
našich podmienkach treba rátať s nízkou úrovňou signálu a jeho značným rušením, je výber
antény a nasledujúceho prijímača rozhodujúcou úlohou v návrhu.
    Ako anténu možno použiť drôtovú anténu alebo feritovú anténu. V praxi sa však ukázala
vhodnejšia drôtová anténa (realizovaná medzi blokmi fakultnej budovy), ktorá vzhľadom na
značné okolité rušenie poskytuje najlepšiu úroveň signálu voči šumu.



                                            36
     Nasleduje prijímač, ktorý zabezpečí dostatočnú selektivitu a prakticky celé zosilnenie
prijatého signálu. Takáto koncepcia obvodu je na obrázku obr. 4.0.

                                                            VCXO 31MHz




                  Kd [V/rad]                Ko [rad/Vs]
             ϕi                 ϕe         uL
      RX              FD             DPF        VCXO       MIX         ZO           31MHz
                                ud

                           77,5kHz
                           ϕo
                                                           XO


                      D


                                                     PLL

Obr. 4.0 Bloková schéma generátora normálovej frekv. riadeného pomocou DCF 777

Vysvetlivky k použitým symbolom:            D - delička 1/400
RX - prijímač signálu vysielača DCF 77      ϕi – vstupná referenčná fáza ϕi = ωi.t
FD - fázový detektor                        ϕo – fáza výstupného signálu ϕo= ωo.t +ϕoo
DPF - DP filter                             ud – výstupné napätie z fázového detektora
VCXO - preladiteľný kryštál 21MHz           uL – ladiace napätie
MIX - zmiešavač                             Kd – konštata detektora
XO - ocilátor 10MHz                         Ko – konštanta VCXO čo je strmosť ladiacej
ZO- zosilňovač                                    charakteristiky VCXO

5. Fázový záves

     Úlohou fázového závesu (PLL) je generovať frekvenciu 31 MHz s presnosťou
prijímaného signálu DCF 77. Keďže pri šírení signálu DCF 77 dochádza k určitej degradácii
signálu, časová konštanta PLL musí byť dostatočne dlhá, čo je aj určitá nevýhoda použitia
PLL na tieto účely.
 Na vstup PLL, tj. na dva vstupy fázového detektora (FD) potrebujeme doviesť signály
s rovnakou frekvenciou. Máme však signály o frekvenciách 77.5 kHz (DCF) a 31 MHz čo je
výstupný signál z generátora. . Tieto potrebujeme vhodne upraviť (vydeliť), čiže
najjednoduchší spôsob je vydeliť 31 MHz číslom 400, čo je dvôvod voľby výstupného signálu
s frekvenciou 31 MHz a tým získame signál s frekvenciou 77,5 kHz. Tieto frekvencie
(77,5 kHz) potom vo FD porovnávame a chybovým signálom dolaďujeme napätím riadený
kryštáľový oscilátor VCXO. Po ustálení synchrónneho stavu v slučke fázového závesu platí:
ω o = ω i tj. signály sú frekvenčne synchronizované ( fázová odchýlka však nemusí byť



                                                37
nulová, alebo blízka nule ). Obvod A244D pracuje ako fázový záves vo funkcíí pásmovej
priepusti s veľmi malou šírkou pásma ( 0,5Hz ), z dvôvodu aby zachytil len frekvenciu
77,5kHz a nie postranné zložky prijímaného signálu. Šírka pásma sa nastavuje veľkosťou
kondenzátora v RC DP filtry s tlmením. Zvyšovaním jeho kapacity sa zmenšuje šírka pásma
PLL, ale sa predlžuje ustálenie fázového závesu v prípade výpadku prijímaného signálu.
Riadenie VCXO, tj. zmena rezonančnej frekvencie je realizovaná pomocou kapacitnej diódy-
varikapu. Zmena kapacity spôsobuje zmenu rezonančnej frekvencie rezonančného obvodu
tvoreného kryštálom 21 MHz , Cvarikap a L1. Frekvenciu kryštálu je tiež možné hrubo menit
indukčnosťou cievky L1.Kryštálový oscilátor je prebraný z [1]. Preladiteľná frekvencia
21 MHz z VCXO a fekvencia 10 MHz z XO sú privádzané do zmiešavača ( MIX )
tvoreného obvodom S042P, ktorý ich sčíta. Tento signál je ďalej zosilnený v zosilňovači
( ZO ) a privedený na výstup generátora a zároveň do deličky ( D ).



6. Delička

Delička 400mi je realizovaná z dvoch deličiek desiatimi a jednej deličky štyrmi. Ako prvá
delička je použitá delička 1/10 riešená ECL obvodom ( K193 ) z toho dvôvodu, že ECL
logika má malý napäťový odstup medzi log. 1 a log. 0 a preto sa nemusí použiť tvarovací
obvod pre upravu výstupného signálu 31 MHz na pravouhlý priebeh.
    Na vstupe obvodu je jednoduchý predzosilňovač a odporový delič na nastavenie citlivosti
deličky. Za touto deličkou nasleduje druhá delička desiatimi realizovaná obvodom 7490.
Kedže tento obvod pracuje s logikou TTL je nutné zabezpečiť prevod z úrovne ECL na
úroveň TTL, čo je riešené pomocou tranzistora Q4, diód D2 až D4 a rezistormi R11, R16.
Výstupná strieda tejto deličky je 1:1.
   Dalej je frekvencia delená štyrmi, čo je riešené dvojicou D klopných obvodov ( 7474 ).
Teda výsledný deliaci pomer je: 10.10.2.2 = 400. Výsledný signál po vydelení je 77,5kHz.


7.   Schéma a doska plošných spojov zdroja signálu s kalibračnou frekvenciou 31MHz




                                            38
                                  1                                                                         2                                                                                 3                                                                           4                                                                               5                                                                              6
                                                                                                                                                         J2
                                                                                                                                                         Ucc/+12V
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             IO6




                                                                                                                                                          1
                                                                                                                                                          2
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             LM7805                 C21        C22
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        1                            3
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                VIN         VOUT
                                                                                                                                                                                                                                                                                  J3                                                  GND
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               100n              10n
                                                                                                                                                                                                                                                                                   1




                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      2
                                                                                                                                                                                                                                                                                   2
                                                                                                                                                                                                                                                                                  OUT/31MHz
     D                                                                                                                                                                      C6                                                                                                                                                               C23                          P1                                                                                       D




                                                                                                                                     5
                                                           C3                                                                                                               68n                                                                                                                                                              47k                          3k3
                                                           4n7                                                                                           IO1                                                                                        L6                                                                      R14
                                                                                                                                                                                   L4                      C16            T2                                                           C17      C18
                                      X1                                                                                 7                                     3                              L5                          BFS17                    908,9nH                                                                  470
                                                                                                    C4                         IN1+            OUT+




                                                                                                                                         VCC
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     16
                       L1             21MHz                      L2                                                      8                                            C10                                                                                                                       1K              R13                                             R15
                                                                               L3                                              IN1-                                          620,19nH         263,58nH     100p R6                                                   L7                33p                                                                      4k7
                                                                                                                                                               2      47                                                                            C15                                                         3K3                                                                             IO2
                                                            700,46nH                                                                            OUT-
                              5,576uH                                                               22p                                                                                                         2k2                                 47                                                     R9                         C19                                                                         T4
                                              R2                               2,39uH                                                                          14                                                                                                    156,42nH                              1K                                                        12                               2           KSY82
                                                                                                                                                GND                                                                                                                                                                                                                             C          Q




                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     VCC
                                              56k                      21MHz                                             1                                                                31MHz                   R7            C12     R8                   31MHz                                                                                        C20
                                                                                                                               NC                                                                                 33k                   47k                                                                             T3            1k
                                                                                                                         4                                     9                                                                68n                       C13                                                                                                        11
                  R1                                                                                                           NC                   NC                                                                                                                                                                                                                          Co
                                                      T1               C2                                                6                                                                                                                                68n                                                           KF590
                                                      BFR 93A                                                                  NC                                                                                                                                                                                                                         1k
                                                                       60p                                                                                                                                                                                                                                                                                           14                                       D2
                  82k                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           PE
                                      D1      R3                                                 C5             R4                                                                                                                                                                                                                                                                                    4
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           Qo




                                                                                                                                    IN2+
                                                                                                                                    D IN2+
                                                                                                                                    D IN2-
                                                                                                                                    IN2-
                                      KB109   24k                                                68n            24k                                                                                                                                                                                                                            R10                   15                                               D3
                                                          R5                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    PE
                                                                       C1                                                                                S042P                                                                                                                                                                                 1k                                                         KA206              D4




                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     GND
                                                          1k8          820p




                                                                                                                                   11
                                                                                                                                   10
                                                                                                                                   12
                                                                                                                                   13
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                K193        KA206
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           KA206   R16


                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     8
                                                                                                                                   C7          C9        C8                                                                                                                                                                                                                                                                        220
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     R11
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     1k
                                                                                                                                   220         27        220
                                                                                                                                               X2
     C                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             C
                                                                                                                                                                                                                                                                                         R12
                                                                                                                                               10MHz
                                                                                                                                                                                                                                                                                         1k



                                                                                                                                                                                                                        IO4
                                                                                                                                                                                                                 6                            12                                       IO5                                            C33
                                                                                                                                                                                                                         MS1          Q0
                                                                                                                                                                                                                 7                            9                               1                                  14
                                                                                                                                                                                                                         MS2          Q1                                                R1        VCC
                                                                                                                                                                                                                                              8
                                                                                                                                                                                                                                      Q2                                                                                              10n
                                                                                                                                                                                                                 2                            11                              2                                  13
                                                                                                                                                                                                                         MR1          Q3                                                D1            R2
                                                                                                                                                                                                                 3
                                                                                                                                                                                                                         MR2
                                                                                                                                                                                                                                              10                              3                                  12




39
                                                                                                                                                                                                                                  GND                                                   C1            D2
                                                                                                                                                                                                                 14
                                                                                                                                                                                                                         CLK0
                                                                                                                                                                                                                  1                           5                               4                                  11
                                                                                                                                                                                                                         CLK1     Ucc                                                   S1            C2
                                                                                                                      C32                                                                                               RPOT                          C40                     5                                  10
                                                                                                                                                                                                                                                                                        Q1            S2
                                                                                                                                                                                                                                                      10n
                                                                                                                                                                                                                                                                              6                                  9
                                                                                                                      100n                                                                                                                                                              Q1n           Q2
                                                                                                                                                                                                                                                                              7                                  8
                                                                                                                                                                                                                                                                                        GND          Q2n
                                                                                                           C28
                                                                              R17         C27              100n
                                                                              1k8         100n                                                                                                                                                                                         MH7474
     B                                                                                                                       R21                       R22                                                                                                                                                                                                                                                                                                         B
                                                                                C24                                                       C34
                                                                                                                             6k8          68n          6k8          C35
                                                                                                                                                                    68n




                                                                         7
                                                                                    1
                                                                                               2
                                                                                                      5
                                                                                                           14
                                                                                68n
         J1                 C25                                                                                   IO3
                                                                 12                                                     15                                                                                                                                                                                                        R23
              2                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   3k3
              1
                            68n                     C26
         primac                                                  4                                                      16                                                                                                                                                                                        R24
                                                                                                                                                                                                    con1                                                                                                          2k2
                                                    68n                                                                                                  R19
                                                                                                                                                                                                     1
                                                                                                                  A244D
                                                                                                                                                         680k
                                                                                                                                                                                   C37              con2




                                                                         3
                                                                               8
                                                                                        9
                                                                                               10
                                                                                                      11
                                                                                                           13
                                                                                                                                                                                   100n
                                                                                                                                                                                                     1
                                                                                                                                          C36                                     R20
                                                                                                                                          10n                                     22k

                                                                                                           C30        C31
                                                                                        C29          R18   100n       100n
                                                                                        100n         1k5


     A                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             A

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Title
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          Zdroj signálu s kalibraènou frekvenciou 31MHz riadený pomocou DCF 77

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Size                Number                                                   Revision
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 B
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Date:           14-Apr-2003                                 Sheet of
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                File:                                                       Drawn By:
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                C:\Program Files\Design Explorer 99 SE\Work\t\SVOC.DDB            Milan Leh ocký
                                  1                                                                         2                                                                                 3                                                                           4                                                                               5                                                                              6
8. Namerané charakteristiky zdroja signálu s kalibračnou frekvenciou 31MHz

Na obr. 8.1 je zobrazený výstupný signál z prijímača. Nie je však na ňom vidieť pokles
amplitúdy o 25%.




                           Obr. 8.1 Výstupný signál z prijímača

Priebeh signálu v meracom bode C tj. na emitore tranzistora v oscilatore pre frekvenciu
21MHz je na obr. 8.2




                             Obr. 8.2 Priebeh signálu v meracom bode C




                                              40
Priebeh signálu po vydelení deličkou 1/10 (K193) bez úpravy signálu na úroveň TTL
predstavuje obrázok obr. 8.3.




                   Obr. 8.3 Priebeh signálu na pine číslo 2 deličky K193

Nameraný priebeh na diode D4, čiže v meracích bodoch A a B je na obr. 8.4. Pričom bod A
zodpovedá upravenému signálu na uroveň TTL po delení desiatimi. Priebeh č.1 odpovedá
bodu A a priebeh č.2 bodu B.




                       Obr. 8.4 Priebehy v meracích bodoch A a B

Na nasledujúcom obrázku obr. 8.5 je zobrazená odozva PLL ( ladiaceho napätia uL ) na skok
frekvencie vstupného signálu. Prvý prechodový dej uL zodpovedá zmene frekvencie o 1Hz
dole a druhý zmene frekvencie o 1Hz hore.




                                           41
                           Obr. 8.5 Odozva uL na skok frekvencie

9. Záver

         Práca sa zaoberala problematikou príjmu signálu presného času v SR . Sústredil som
sa hlavne na vysielač DCF 77 a synchronizáciu VCXO 31MHz ako generátora s kalibračnou
frekvenciou. Daný generátor som zrealizoval do finálnej podoby ako dosku plošných spojov
kompletne osadenú. Pri oživovaní bolo nutné odpojiť kryštál 21MHz a naladiť rezonančný
obvod bez kryštálu a až potom pripojiť kryštál. Taktiež jednotlivé viazané indukčnosti bolo
treba doladiť, aby výstupný signál ból čo najväčší. Až potom bolo možné pripojiť signál
z prijímača pre vysielač DCF 77. Následne sledovaním úrovne ladiaceho napätia uL kryštálu
21MHz na osciloskope a prelaďovaním L1 som uviedol fázový záves do synchrónneho režimu
tj. ladiace napätie uL je ustálené. Až potom výstupný signál 31MHz možno považovať za
kalibračný. Pri oživovaní sa však vyskytli problémy a to najmä velká citlivosť uL na zmenu
indukčnosti L1 a teplotná závislosť tohoto generátora. Pri zapnutí generátora so zmenenou
teplotou okolia je nutné znovu naladiť fázový záves pomocou L1 čo je zapríčinené tepelnou
závislosťou použitých feromagnetických jadier pre cievky. Dalšími úpravami by boli
realizácia analógového a digitálneho voltmetra použitých na indikáciu (synchrónneho) režimu
fázoveho závesu a úrovne výstupného signálu z prijímača. A následné overenie teplotnej
závislosti parametrov generátora kalibračnej frekvencie. Vyriešenie lepšieho dolaďovania
fázového závesu do synchrónneho režimu.
Chcel by som poďakovať za teoretickú a praktickú pomoc pánovi Doc. Ing. V. Kudjákovi,
PhD. a pánu Ing. Z. Brezovičovi.


Použitá literatúra
[1]   Kebísek, J.: Fázový záves pre DCF 77, diplomová práca, FEI STU – Katedra
                    rádioelekroniky, Bratislava, šk. rok 1999/2000
[2]    Judiny, J.: Napätím ladený oscilátor /NLO/ 95 – 105 Mhz, diplomová práca,
                   Katedra rádioelekroniky EF SVŠT, Bratislava, 1986
[3]    Jedlička, P.: Prehľad obvodov TTL, díl I, BEN technická literatura
[4]    Katalóg SOS electronic 2001
[5]    Kudják, V.: Prednášky z predmetu ČA obvody a subsystémy


                                            42

								
To top