DE19752746C2 - Zeitzeichenempfänger mit einem elektronisch abstimmbaren Schwingkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zeitzeichenempfänger mit einem elektronisch abstimmbaren Schwingkreis, insbesondere einem elektronisch abstimmbaren Antennenschwingkreis.

Aus der DE 36 41 161 A1 ist eine Funkuhr mit einem Schmalbandempfänger für den Empfang der Signale des Zeitzeichensenders DCF-77 bekannt, der nach dem Audion­ prinzip arbeitet, d. h. dessen Antennenschwingkreis eine Spule und einen Kondensator aufweist und fest auf die Sendefrequenz dieses Zeitzeichensenders (77 kHz) abge­ stimmt ist. Diese Funkuhr kann beispielsweise nicht in den USA oder Japan betrieben werden, da die dortigen Zeitzeichensender auf anderen Frequenzen (40 kHz in Japan oder 60 kHz in den USA) arbeiten.

Die Funk-Armbanduhr Modell Nr. AG7XXX/Cal. No. 7400 der Firma Citizen kann die Sig­ nale der Zeitzeichensender Westeuropas, Großbritanniens und Japans empfangen, ob­ wohl diese auf unterschiedlichen Frequenzen arbeiten. Sie enthält in ihrem Antennen­ schwingkreis zu- und abschaltbare zusätzliche Kondensatoren, mit denen dieser auf die jeweils gewünschte Empfangsfrequenz abgeglichen werden kann. Dies erfordert aber Kondensatoren mit niedrigen Toleranzen und Werten außerhalb der Normreihen sowie niederohmige Schalter für die Umschaltung, um die Güte des Antennenkreises nicht zu vermindern. Nachteilig ist ferner der zusätzliche Platzbedarf für diese Bauelemente, insbesondere bei einer Funk-Armbanduhr. Außerdem ist ein Empfang auf anderen Frequenzen als den durch die Kapazitätswerte fest vorgegebenen nicht möglich, sodaß ggfs. zu einem späteren Zeitpunkt installierte neue Zeitzeichensender, die auf weiteren Frequenzen arbeiten, allenfalls nach entsprechender Schaltungsänderung empfangen werden könnten.

Aus der DE 37 01 378 A1 ist ein Funkuhrempfänger mit einer elektrischen Antenne bekannt, der einen Filterverstärker und einen Schwingkreis mit einer Spule und einem Kondensator aufweist, wobei die Eingangskapazitäten des Filterverstärkers in die Abstimmung des Schwingkreises mit einbezogen sind, sodaß die Antenne im Resonanz­ fall nicht durch den Filterverstärker kapazitiv belastet wird.

Ford R. L. und Girling F. E. J. haben in ihrem Aufsatz "Active filters and oscillators using simulated inductance", Electronics Letters, February 1966, vol. 2, no. 2, Seite 52 einen Oszillator beschrieben, bei dem die Induktivität des Schwingkreises mit Hilfe eines über eine Kapazität rückgekoppelten Verstärkers realisiert ist.

Y. Fujimura und N. Mii haben in ihrem Aufsatz "Automatic Frequency Control with Reactance Transistors", electronics, September 30, 1960, Seite 97-99 eine über einen Kondensator rückgekoppelte Transistorstufe beschrieben, die eine kapazitiv wirkende Ausgangsimpedanz hat, die als variable Kapazität in einem FM-Modulator verwendet ist.

Aus der DE 33 47 132 C1 ist ein automatisch arbeitendes Abgleichsystem für den Tuner eines Fernsehempfangsgeräts bekannt, dessen HF-Filter durch Anlegen einer Hilfs­ frequenz an den Antenneneingang mittels Kapazitätsdioden abgestimmt werden. Eine derartige Abstimmung durch Kapazitätsdioden hat jedoch mehrere Nachteile. Einerseits ist ein Abstimmspannungshub von mehr als 2 V erforderlich, wodurch eine Spannungs­ versorgung des Empfängers mit nur zwei Batteriezellen ausscheidet, und andererseits beträgt die erreichbare Kapazitätsänderung lediglich einige hundert Picofarad. Um den von Zeitzeichensendern benutzten Längstwellenbereich (10-100 kHz) zu überstreichen, bedarf es aber eines Kapazitätshubs von mehreren Nanofarad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen Zeitzeichenempfänger anzugeben, die die weltweit auf unterschiedlichen Frequenzen im Längstwellenbereich arbeitenden Zeitzeichensender empfangen kann.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Zeitzeichenempfänger, der einen über einen im Vergleich zur Resonanzfrequenz großen Bereich elektronisch abstimmbaren Schwingkreis aufweist. Der Schwingkreis enthält einen an sich bekannten Verstärker mit einstellbarem Verstärkungsfaktor, der über einen Kondensator oder eine Spule rück­ gekoppelt ist. Hierbei wird die Eingangsimpedanz des Verstärkers als Schwingkreiskapa­ zität oder -induktivität benutzt, die über den Verstärkungsfaktor des Verstärkers einstell­ bar ist, sodaß dadurch auch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises entsprechend veränderbar ist. Ein solcher Verstärker ist in einen integrierten Schaltkreis integrierbar.

Ausgangspunkt der Erfindung ist somit ein realer Verstärker mit einer Eingangsimpedanz Ze, einer Ausgangsimpedanz Za und einem Spannungsverstärkungsfaktor V, an dessen Ausgang ein Lastwiderstand mit einer Impedanz ZI angeschlossen ist. Ein solcher Verstärker kann beispielsweise eine Transistorstufe in Emitterschaltung sein, bei der wegen der Kollektor-Basis-Kapazität des Transistors eine Rückwirkung vom Ausgang auf den Eingang der Transistorstufe zu verzeichnen ist. Diese Rückwirkung wird durch die Rückkopplung des Verstärkers durch beispielsweise einen Kondensator mit der Kapazität C noch verstärkt. Sind nämlich die Eingangsimpedanz Ze und die Lastimpedanz ZI hinreichend groß und die Ausgangsimpedanz Za hinreichend klein, so ergibt sich für die resultierende Eingangsimpedanz Zer = 1/jωC(1 - V). Im Bereich V < + 1 wirkt die resultie­ rende Eingangsimpedanz Zer kapazitiv, und im Bereich V < + 1 induktiv. Die Größe der resultierenden Eingangsimpedanz Zer ist über den Verstärkungsfaktor V einstellbar. Wird der Verstärker nicht über einen Kondensator sondern eine Spule mit der Induktivität L rückgekoppelt, so vertauschen sich die Vorzeichen in den obigen Ungleichungen. Besonders einfach zu realisieren ist ein Schwingkreis, bei dem der Verstärker durch einen Kondensator rückgekoppelt ist.

Bei einer bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen Zeitzeichenempfängers ist entweder die Induktivität oder die Kapazität des Antennenschwingkreises durch die Im­ pedanz der Antenne vorgegeben, und der Verstärker so eingestellt, daß dessen Ein­ gangsimpedanz zusammen mit der Antennenimpedanz einen LC-Schwingkreis bilden. Die Einstellwerte des Verstärkers für die unterschiedlichen Empfangsfrequenzen sind in an sich bekannter Weise gespeichert, und können beispielsweise durch wiederholtes Betä­ tigen eines Tastschalters abgerufen, und die Funkuhr dadurch auf die verschiedenen Zeitzeichensender eingestellt werden.

Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Zeitzeichenempfängers enthält eine Regelschaltung zum automatischen Abgleich der Resonanzfrequenz des Schwing­ kreises auf eine von mehreren Empfangsfrequenzen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist. Weitere Ausgestaltungen sind in der Beschreibung be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines bevorzugten Antennenschwingkreises;

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung mit einem Schwingkreis nach Fig. 1.

Der erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach Fig. 1 enthält eine Antenne 22 und einen Operationsverstärker 24, der eine Eingangsimpedanz Ze, eine Ausgangsimpedanz Za und einen Verstärkungsfaktor V aufweist, die in Fig. 1 schematisch dargestellt sind. Der Ausgang des Operationsverstärkers 24 ist durch einen Kondensator 26 mit der Kapazität C auf den nichtinvertierenden Eingang rückgekoppelt. Der invertierende Eingang ist mit Masse verbunden. Die Antenne 22 ist zwischen Masse und den nichtin­ vertierenden Eingang geschaltet. Ein Lastwiderstand 28 mit einer Impedanz ZI ist zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers 24 und Masse geschaltet.

Eine andere erfindungsgemäße Ausführung enthält statt des Operationsverstärkers einen Transistorverstärker.

Bei geeigneter Wahl der Antennenimpedanz und der Eingangsimpedanz Ze des Ver­ stärkers 24, die durch den Verstärkungsfaktor V einstellbar ist, wirkt die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung als LC-Schwingkreis 20, dessen Resonanzfrequenz ebenfalls durch den Verstärkungsfaktor V bestimmt ist. Ist der Verstärkungsfaktor schaltungstechnisch auf einen bestimmten Wert festgelegt, läßt sich der Schwingkreis 20 durch Abgleich der Antenne 22 auf die gewünschte Resonanzfrequenz feinabstim­ men, um Bauteilestreuungen auszugleichen.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der in Fig. 1 dargestellte Schwingkreis 20 durch eine Regelschaltung ergänzt, die einen automatischen Abgleich der Resonanzfrequenz des Schwingkreises auf eine oder mehrere Empfangsfrequenzen ermöglicht. Dazu weist die Regelschaltung eine Steuer­ schaltung 31 zur Einstellung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 24 und eine Oszillatorschaltung 39 auf, deren Ausgang über einen von der Steuerschaltung 31 steuerbaren Schalter 38 mit dem Eingang des Verstärkers 24 verbunden ist. Der Aus­ gang des Verstärkers 24 ist über einen Detektor 35 und einen diesem nachgeschalteten A/D-Wandler 36 mit einem ersten Eingang eines Vergleichers 32 verbunden. Ein zweiter Eingang des Vergleichers 32 ist mit dem Ausgang eines Speichers 33 verbunden. Der Ausgang des Vergleichers 32 ist mit dem Eingang der Steuerschaltung 31 verbunden.

Die Steuerschaltung 31 erzeugt in an sich bekannter Weise entweder eine Steuer­ spannung, einen Steuerstrom oder eine andere Steuergröße zur Einstellung des Ver­ stärkungsfaktors des Verstärkers 24. Ferner erzeugt sie vom Ausgangssignal des Vergleichers 32 abhängige Regelgrößen, und speichert diese im Speicher 33 ab. Die Erzeugung dieser Regelgrößen ist auf den Typ des verwendeten Detektors 35 abge­ stimmt, der beispielsweise ein Pegel-, Mittelwert- oder Spitzenwertdetektor sein kann.

Zur Abstimmung des Schwingkreises auf eine bestimmte Empfangsfrequenz wird zuerst die Oszillatorschaltung 39 in an sich bekannter Weise auf diese Frequenz eingestellt. Dann wird durch die Steuerschaltung 31 der Schalter 38 geschlossen, sodaß das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung in den aus der Antenne 22 und dem Verstärker 24 bestehenden Schwingkreis eingespeist wird. Im einfachsten Fall stellt die Steuer­ schaltung außerdem den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 24 mittels der Steuergröße zunächst auf einen Startwert ein, sodaß sich eine bestimmte Resonanzfrequenz des Schwingkreises ergibt. Das sich ergebende Ausgangssignal des Verstärkers 24 wird vom Detektor 35 detektiert, und dessen Ausgangssignal vom A/D-Wandler 36 digitali­ siert. Der Vergleicher 32 vergleicht das digitalisierte Signal mit einem im Speicher 33 gespeicherten Startwert für die Regelgrößen, und die Steuerschaltung 31 bestimmt daraus eine neue Steuergröße. Auf diese Weise stimmt die Steuerschaltung 31 ausge­ hend von den Startwerten die Resonanzfrequenz des Schwingkreises über den gesamten Einstellbereich schrittweise durch, speichert bei jedem Schritt das vom Vergleicher 32 gelieferte Signal im Speicher 33 als Regelgröße, und beendet das Durchstimmen, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 24 ein Maximum erreicht hat. Zuletzt schaltet die Steuerschaltung 31 mittels des Schalters 38 die Oszillatorschaltung 39 ab.

Bei einer anderen Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird die Frequenz der Oszillatorschaltung 38 durch die Steuerschaltung 31 eingestellt. Vorzugs­ weise sind dann im Speicher 33 auch die zu den einstellbaren Resonanzfrequenzen des Schwingkreises zugehörigen Werte für die Steuergröße abgespeichert. Auf diese Weise kann der Schwingkreis sehr schnell von einer ersten Frequenz auf eine andere umge­ schaltet werden. Es ist dann allenfalls nur noch eine Feinabstimmung des Schwing­ kreises erforderlich, um Toleranzen der jeweiligen Schaltung auszugleichen. Diese Feinabstimmung kann beispielsweise in gleicher Weise wie oben beschrieben schritt­ weise erfolgen, wobei die Steuerschaltung erforderlichenfalls die im Speicher 33 gespei­ cherten Werte modifiziert.

Claims (8)

1. Zeitzeichenempfänger mit einem elektronisch abstimmbaren Schwingkreis mit einer Kapazität und einer Induktivität, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität oder die Induktivität des Schwingkreises (20) durch die Ein­ gangsimpedanz eines Verstärkers (24) realisiert ist, der über eine Kapazität oder Induktivität rückgekoppelt ist, daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers (24) einstellbar ist, und daß die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (20) durch Einstellung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers (24) einstellbar ist.

2. Zeitzeichenempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die Induktivität oder die Kapazität des Schwingkreises (20) durch die Impedanz einer Antenne (22) bestimmt ist, wobei bei kapazitiver Antenne (22) die Eingangsimpedanz des Verstärkers (24) induktiv und bei induktiver Antenne (22) die Eingangsimpedanz des Verstärkers (24) kapazitiv gewählt ist.

3. Zeitzeichenempfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Regelschaltung zum automatischen Abgleich der Resonanzfrequenz des Schwingkreises (20) enthält.

4. Zeitzeichenempfänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung eine Steuerschaltung (31) zur Einstellung des Verstär­ kungsfaktors des Verstärkers (24) und eine Oszillatorschaltung (39) enthält, wobei der Steuerschaltung (31) das Ausgangssignal des Verstärkers (24) zuführbar ist, und dem Eingang des Verstärkers (24) das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung (39) zuführbar ist.

5. Zeitzeichenempfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung ferner einen Detektor (35) und einen A/D-Wandler (36) enthält, der dem Detektor (35) nachgeschaltet ist, daß das Ausgangssignal des Verstärkers (24) dem Detektor (35) zuführbar ist, und daß das Ausgangssignal des A/D-Wandlers (36) der Steuerschaltung (31) zuführbar ist.

6. Zeitzeichenempfänger nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung ferner einen Schalter (38) enthält, der zwischen den Ausgang der Oszillatorschaltung (39) und den Eingang des Verstärkers (24) ge­ schaltet ist, und der von der Steuerschaltung (31) betätigbar ist.

7. Zeitzeichenempfänger nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung ferner einen Speicher (33) und einen Vergleicher (32) enthält, der das Ausgangssignal des D/A-Wandlers (36) mit im Speicher (33) gespeicherten Werten vergleicht.

8. Zeitzeichenempfänger nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß er in einer Funkuhr angeordnet ist.