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Beschreibung
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1. Frequenz einstellung bei Funkuhren Die Bestimmung und Einstellung
der Resonanz frequenz eines Funkuhreingangskreises ist notwendige Voraussetzung
für den sicheren Betrieb eines Funkuhrempfängers. In herkömmlichen Konzepten, bei
denen der Eingangsschwingkreis lediglich der gröbsten Vorselektion dient, ist ein
Abgleich unkritisch und einmal bei der Montage und ersten Inbetriebnahme des Empfängers
möglich, wenn dieser Abgleich aufgrund engtolerierter Bauelemente nicht sogar gänzlich
entfallen kann.
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Ist der Antennenkreis aber die wesentliche Selektionsstufe, arbeitet
man also z.B. nach dem Audionprinzip mit Bandbreiten im Bereich von etwa 1 Hz bis
20 Hz, so ist eine exakte Frequenzabstimmung unerläßlich. Ein einmaliger Abgleich
ist hierbei wenig sinnvoll, da auch beim Einsatz engtolerierter Bauteile der Kreis
nach kurzer Zeit mit Sicherheit verstimmt sein wird (Temperatureinflüsse, Alterungserscheinungen
usw.).
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Die ständige Regelung der Frequenz auf die Soll-Resonanzfrequenz
(insbesondere die digitale Regelung mit einem Mikrocomputer) gewährleistet jedoch
eine stets optimale Abstimmung des Empfängers auf den gewünschten Sender. Sämtliche
Drifterscheinungen oder Verstimmungen, z. B. auch durch größere Metallteile in der
Nähe der Antenne, können umgehend ausgeglichen werden. Aufgrund der Regelung kann
auf den Einsatz engtolerierter Bauelemente, die ja auch teuer sind, verzichtet werden.
Ein Vor- oder Grobabgleich ist ebenfalls unnötig. Der Empfänger ist auch nicht mehr
auf den Empfang eines bestimmten Senders festgelegt, sondern kann im Rahmen gewisser
Grenzen auf unterschiedliche Sollfrequenzen abgestimmt werden.
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Diese Methode ist also trotz des etwas höheren Aufwandes zur Steuerung
der Frequenz letztlich am günstigsten, da sie zu einem billigeren Endgerät führt
(preiswerte Bauteile, einfachere Fertigung), eine exaktere Abstimmung erlaubt und
flexibler in der Anwendung ist (Auswahl verschiedener Sender) als andere bekannte
Methoden.
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Zur Messung und Einstellung der Frequenz bieten sich verschiedene
Verfahren an. Die Messung erfolgt dabei immer durch Vergleich mit einer bekannten
Frequenz, in der vorliegenden Anwendung der Quarzfrequenz des Mikrocomputers. Zum
einen kann bekanntlich die Resonanzfrequenz bestimmt werden, indem diese zusammen
mit der Vergleichsfrequenz auf ein Gatter gegeben wird und mit einem Zähler ausgezählt
wird. (Periodendauer oder Torzeitmessungen /3/). Zum anderen ist es hier bei der
Einstellung der Resonanzfrequenz eines Filters auch möglich, von der Referenzfrequenz
abgeleitete Signale in das Filter einzuspeisen und die Resonanzfrequenz solange
zu variieren, bis die maximale Filterausgangsspannung erreicht ist. Hier sind Vergleich
und Einstellung miteinander kombiniert. Durch Vergleich mit den eingespeisten Referenzfrequenzen
läßt sich die Resonanzfrequenz des Filters bestimmen und zugleich Informationen
für die optimale Einstellung gewinnen.
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Die verschiedenen Vorgehensweisen, die bei der Einstellung der Resonanzfrequenz
des Audionkreises möglich sind, sollen im folgenden dargestellt werden, und zwar
zuerst zwei im Prinzip bekannte Methoden und darauf eine erfindungsgemäße neue Methode.
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1.1 Messung der Resonanzfrequenz im Schwingbetrieb Die herkömmlichen
Verfahren (AFC etc.) zur Stabilisierung der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises
sind für den Einsatz im Funkuhr-Audion weniger geeignet, da ihr Regelbereich meistens
viel zu gering ist.
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Außerdem ist immer ein zumindest grober Vorabgleich notwendig.
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Beim Audion eröffnet die Schwingkreisentdämpfung eine einfache und
gut funktionierende Möglichkeit, die Resonanzfrequenz des Kreises zu bestimmen.
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Durch die vollständige Entdämpfung beginnt der Schwingkreis auf seiner
Resonanzfrequenz zu oszillieren. Mißt man nun diese 'Oszillator'-Frequenz mit einem
Mikrocomputer, z. B. durch Torzeit- oder Periodendauermessung mit dem Timer, so
kann der Computer aufgrund der Differenz zwischen gewünschter und tatsächlich gemessener
Resonanzfrequenz die nötigen Steuerwerte berechnen und ausgeben.
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Man muß nun nicht unbedingt direkt die Resonanzfrequenz des Eingangskreises
bestimmen, sondern kann auch am Ausgang des Zwischenfrequensverstärkers (sofern
vorhanden) messen und diesen dabei als Vorverstärker benutzen. Hierbei muß natürlich
auf Mehrdeutigkeiten durch Spiegelfrequenzen geachtet werden. Ein Beispiel soll
dies verdeutlichen: Wird das Ausgangssignal einer Audionstufe z. B. für den Zeitzeichensender
DCF 77 mit einer Frequenz von 80 kHz gemischt, so ergibt sich die Soll-ZF zu fZF
= 80 kHz - 77,5 kHz = 2,5 kHz Weitere Mischprodukte wie 157,5 kHz etc. sollen unberücksichtigt
bleiben, da sie z. B. durch ZF-Filter ausreichend unterdrückt werden. Schwingt nun
die Audionstufe im Bereich von 75 kHz - 85 kHz, so werden Zwischenfrequenzen gemäß
Abb. 1 gemessen. (Die unterbrochenen Linien kennzeichnen Bereiche, in denen aufgrund
des Frequenzganges der ZF-Stufe die entstehenden Mischprodukte so stark gedämpft
werden, daß überhaupt nichts gemessen werden kann.) Man erkennt daß sich sowohl
bei der gewünschten Resonanzfrequenz von 77,5 kHz als auch bei der Spiegelfrequenz
von 82,5 kHz die gleichen Zwischenfrequenzmeßwerte ergeben. Eine Unterscheidung
dieser Mehrdeutigkeit kann nur dadurch vorgenommen werden, daß man die Resonanzfrequenz
variiert und die tnderung der Zwischenfrequenz feststellt. Sinkt die Zwischenfrequenz
bei Vergrößerung der Resonanzfrequenz, so ist man auf dem richtigen Ast der Kurve
in Abb. 1. Im anderen Fall muß die Resonanzfrequenz deutlich abgesenkt und der Test
erneut durchgeführt werden.
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Dieser kleine Mehraufwand in der Software gegenüber einer direkten
Messung der Schwingkreisfrequenz ist in der Praxis gerechtfertigt. Auf der Zwischenfrequenz
haben große Signalamplituden, wie sie bei einer direkten Frequenzmessung benötigt
werden, nämlich keine oder vernachlässigbar geringe Rückwirkungen auf den Audionkreis
im Eingang.
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Wird nach erfolgter Abstimmung auf die gewünschte Empfangs frequenz
die vollständige Entdämpfung wieder zurückgenommen, so liegt die Resonanzfrequenz
des Audionkreises dennoch nicht exakt auf der gewünschten Frequenz, sondern niedriger.
Dies hat zum einen prinzipielle Ursachen wie etwa die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz
wmax von der Entdämpfung K. Zum anderen
wirken sich bei den verschiedenen
Schaltungskonzepten für Audionstufen die parasitären, amplitudenabhängigen Kapazitäten
unterschiedlich stark aus.
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Als Abhilfe kann man im Schwingbetrieb auf eine etwas höhere Resonanzfrequenz
abstimmen, damit der Kreis im Empfangsbetrieb dann richtig liegt. Dies ist jedoch
bei hohen Güten sehr unsicher. Bei Bandbreiten von etwa 8 Hz und einer Verstimmung
von z. B. nur 20 Hz ist praktisch kein einwandfreier Empfang mehr möglich.
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Die Frequenzmessung im Schwingbetrieb ist also als alleinige Abstimmmöglichkeit
bei geringen Bandbreiten ungeeignet. Nichtsdestoweniger liefert sie auf sehr einfache
und schnelle Art einen relativ genau abgestimmten Schwingkreis.
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1.2 Frequenzeinstellung durch Wobbeln Die ideale Ergänzung zum obigen
Frequenzabstimmverfahren ist die Frequenzeinstellung mittels Durchwobbeln des Audionkreises.
Dabei wird natürlich nicht die Frequenz des Eingangssignales verändert, sondern
die Resonanzfrequenz des Schwingkreises variiert. Durch das 'Darüberschieben' der
Filtercharakteristik des Kreises über das Senderspektrum fällt jeder Punkt der Durchlaßkurve
einmal auf die Spektrallinie des gesuchten Senders (siehe Abb. 2). Das Verhältnis
des dabei gemessenen Amplitudenwertes zum gemessenen Maximalwert gibt die Dämpfung
des Filters für die entsprechende Frequenz an. Der Maximalwert, der beim Durchwobbeln
bestimmt wird, kennzeichnet die Lage des Senders, d. h. für eine exakte Abstimmung
muß genau dieser zugehörige Frequenzsteuerwert benuzt werden.
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In der praktischen Anwendung kann man natürlich nicht sämtliche Punkte
der Filtercharakteristik bestimmen, man wird vielmehr, da hier nur der Iaximalwert
von Interesse ist, in recht groben Schritten über den möglichen Frequenzbereich
hinweggehen und das vorläufige Maximum suchen. In einem enger begrenzten Bereich
um diesen ersten Maximalwert sucht man nun mit kleineren Schritten erneut die größte
auftretende Amplitude. Dieses Verfahren setzt man fort, bis die gewünschte Genauigkeit
der Resonanzfrequenzeinstellung erreicht ist.
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Faßt man diese Vorgehensweise als Frequenzfeinabstimmung auf, so
ist es in der Tat die richtige Ergänzung zur vorangehenden Frequenz einstellung
durch Messung der Oszillatorfrequenz im Schwingbetrieb. Dort wird die Resonanzfrequenz
schnell und so gut wie möglich vorabgeglichen. Das langsamere Wobbelverfahren muß
nun nur noch das exakte Maximum der Filterkurve einstellen, was jetzt aufgrund des
Vorabgleichs sicher und vergleichsweise schnell geschehen kann.
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Möchte man jedoch auf den Schwingbetrieb gänzlich verzichten, so
läßt sich auch allein durch die Wobbelung eine vollständige Frequenzabstimmung erreichen.
Ein gewisses Problem stellt dabei die Wahl der Schrittgröße und der Schwingkreisgüte
dar. Wählt man bei vorgegebenem möglichen Empfangsbereich die Schrittgröße sehr
weit, um das Durchwobbeln zügig durchführen zu können, so muß zwangsweise die Güte
des Kreises recht niedrig sein. Ansonsten könnte man sich vorstellen, daß der einzustellende
Sender zwischen zwei Meßpunkte fällt und aufgrund der niedrigen Bandbreite nicht
bemerkt wird. Eine geringe Güte hat aber den Nachteil, daß viele Störsignale das
Auffinden des richtigen Senders erheblich erschweren.
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Hier muß also von Fall zu Fall ein Kompromiß geschlossen werden,
der die Schrittgröße und Güte entsprechend dem abzusuchenden Frequenzband und der
dafür zur Verfügung stehenden Zeit wählt.
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Eine zusätzliche Problematik entsteht, wenn das Frequenzband so groß
ist (zum Ausgleich von Toleranzen oder absichtlich, um wahlweise unterschiedliche
Sender empfangen zu können), daß mehrere Sender oder feste Störer (z. B. von Fernsehgeräten)
darin liegen. Dann muß nicht nur das Maximum einer Filterkurve gefunden, sondern
auch der richtige Sender ausgewählt werden.
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Eine Unterscheidung aufgrund der vorliegenden Empfangsamplitude kommt
selbstverständlich nicht in Betracht, sondern ist im allgemeinen nur durch Abstimmung
auf einen Sender und anschließende Überprüfung der demodulierten Signale möglich.
Stimmt die Modulation des gefundenen Senders nicht mit der erwarteten überein, so
muß weitergesucht und das nächste lokale Maximum überprüft werden.
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Die Frequenzabstimmung durch Wobbelung ist also in erster Linie als
Frequenzfeinregelung im Zusammenhang mit der Frequensmessung im Schwingbetrieb sinnvoll.
Außerdem arbeitet sie problemlos, wenn das mögliche Frequenzband sehr klein ist,
z. B. auch durch Verwendung enger tolerierter
Bauelemente. Doch
auch allgemein mit einem großen abzusuchenden Band kann das Wobbelverfahren eingesetzt
werden, wenn man eine etwas geringere Abstimmgeschwindigkeit akzeptiert.
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1.3 Frequenzbestimmung mit Hilfe von Frequenzmarken Eine Möglichkeit,
um ebenfalls mittels Wobbeln, aber schneller und präziser als mit den bekannten
Methoden, den gesuchten Sender zu finden, besteht erfindungsgemäß darin, in dem
zu untersuchenden Frequenzband im Empfänger bzw. im Mikrocomputer selbst erzeugte
Festfrequenzen einzubringen (siehe Abb. 3).
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Vom Mikrocomputer können leicht eine oder mehrere Frequenzen generiert
werden, die selbst oder durch Oberwellen im Empfangsspektrum des Audionempfängers
vertreten sind. Beispielsweise könnte ein Rechtecksignal mit 1 kHz iiber eine schwache
Kopplung (kapazitiv durch Leiterbahnführung oder direkte Kondensatoreinkopplung)
in den Eingangskreis eingespeist werden. Dann liegen im Empfangsspektrum der Funkuhr
bei allen ganzzahligen kHz-Werten Oberwellen dieses eingespeisten Signals (siehe
Abb. 4).
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Durchfährt man nun das Empfangsband und findet die Frequenzmarken
im Abstand von 1 kHz (z. B. bei 77 kHz und bei 78 kHz), so weiß man damit, in welchem
Teil des Frequenzbandes sich der Eingangskreis befindet. Nimmt man die Steuerkennlinie
der Kapazitätsdiodenabstimmung im betrachteten Bereich als nahezu linear an, so
kann man im Beispiel genau den Steuerwert zwischen 77 kHz und 78 kHz einstellen
und liegt damit schon sehr genau auf dem Sender. Schließt sich jetzt noch eine Frequenzfeinabstimmung
wie weiter oben beschrieben an, so ist die schnelle und exakte Resonanzfrequenzeinstellung
erreicht.
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Die Wahl der eingespeisten Frequenz ist relativ unkritisch und wird
im wesentlichen durch die Erzeugungsmöglichkeiten im Mikrocomputer bestimmt.
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Zu berücksichtigen ist allenfalls, daß nicht zu viele Oberwellen im
abzusuchenden Frequenzband liegen. Kann z. B. zwischen 70 kHz und 85 kHz variiert
werden, so führt eine eingespeiste Markenfrequenz von 1 kllz zu einem großen Bestimmungsaufwand,
weil man zunächst nicht weiß, zwischen welchen Marken der gewünschte Sender liegt.
Bei einer Frequenzumsetzung z. B. mit 80 kHz ist auch zu beachten, daß die Marken
im Durchlaßband der ZF-Filterung liegen (vgl. Abb. 1). Es ist auch möglich, Frequenzen
einzuspeisen,
deren Oberwellen direkt auf dem gewünschten Sender liegen.
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Verwendet man z. B. 2,5 kHz als Referenzfreqeuenz, so liegt die 31.
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Oberwelle genau auf der Frequenz 77,5 kHz des Senders DCF 77. Wegen
der vergleichsweise hohen Amplitude der Frequenzmarken ergeben sich keine störenden
Überlagerungen mit dem Sendersignal und die richtige Frequenz einstellung kann leicht
gefunden werden.
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Die Vorgehensweise, Frequenzmarken einzuspeisen, hat auch den Vorteil,
daß bei schwachem Empfangssignal eine Einstellung auf eine sehr schmale Bandbreite
mittels einer dieser Frequenzmarken erfolgen kann. Anschließend läßt sich die Feinabstimmung
schon mit der gewünschten sehr hohen Güte auf dem Empfangssignal durchgeführen,
wodurch auch bei ungünstigem Signal/Rauschverhältnis der Sender einwandfrei abgestimmt
werden kann.
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Überhaupt schafft man sich durch solche Frequenzmarken gewissermaßen
Referenzen, mit denen Frequenz, Güte und auch Verstärkung (Marken haben immer eine
konstante Amplitude) voreingestellt bzw. die entsprechenden Steuerwertebereiche
geeicht werden können.
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Das zuletzt beschriebene Verfahren zur Einstellung der Resonanzfrequenz,
d. h. die Verwendung von Frequenzmarken im Empfangs spektrum und die Suche mittels
Wobbeln der Filterkurve des Audionkreises, bietet überzeugende Vorteile g eg eniib
er den anderen beschriebenen Vorgehensweisen. Die Einstellung im Schwingbetrieb
arbeitet zwar schnell und sicher, ist aber aufgrund der entstehenden Störstrahlung
(zumindest wenn die Antenne Bestandteil des Audionkreises ist) für einen allgemeinen
Einsatz weniger geeignet. Allein mit der Wobbelung zu arbeiten, bedeutet, daß man
relativ lange Abstimmzeiten in Kauf nehmen muß, bis der richtige Sender gefunden
ist. Durch das Verfahren der Frequenzmarken wird die langwierige Suche wesentlich
abgekürzt und der gewünschte Sender schnell gefunden. Die Benutzung der Marken als
Referenzsignal bietet darüber hinaus noch weitere Vorteile für die gesamte 1 Die
entstehende Störstrahlung beeinflußt allerdings im wesentlichen nur andere, in der
direkten Nähe befindliche Funkuhren aufgrund der geringen Empfangsfeldstärke der
Zeitzeichensignale und der dadurch bedingten hohen Empfängerempfindlichkeit der
Uhren. Die aufgebauten Funkuhrempfänger, die den Schwingbetrieb der Eingangsstufe
zum Empfängerabgleich verwenden, erfüllen jedoch die Auflagen der Deutschen Bundespost
/1, 2, 4, 5/, wie in praktischen Messungen nachgewiesen werden konnte.
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Abstimmung eines mikrocomputergesteuerten Audion-Funkuhrempfängers,
wie z.B. die unproblematische Voreinstellung von Güte und Verstärkung mit Hilfe
der Frequenzmarken, wodurch mit schon fast optimaler Einstellung der Empfängerparameter
der Feinabgleich des Empfängers auf dem zu empfangenden Sender begonnen werden kann.
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/1/ "Allgemeine Genehmigung zum Errichten und Betreiben von Empfangsfunkanlagen
für den Empfang von Normalfrequenz- und Zeitzeichensendungen". In: Amtsblatt des
Bundesministers für das Post- und Fernmeldewesen, Nr. 34 (1978), Verfügung 287,
s. 703 - 704.
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/2/ Geräte zur Messun von Funkstörungen. DIN 57876 Teil 1, (VDE 0876
Teil 1).
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/3/ Lobjinski, M.: Meßtechnik mit Mikrocomputern. München, Wien: Oldenbourg,
1984.
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/4/ Messung von Funkstörungen. DIN 57877 Teil 1, (VDE 0877 Teil 1).
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/5/ Technische Vorschriften für Empfangsfunkanlagen für den Empfang
von Normalfrequenz- und Zeitzeichensendungen". In: Amtsblatt des Bundesministers
für das Post- und Fernmeldewesen, Nr. 34 (1978W, Verfügung 288, S. 704 - 707.
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Bildunterschriftell Abb. 1: Zwischenfrequenz als Funktion der Eingangsfrequenz
Abb. 2: Wobbelung Abb. 3: Blockschaltbild des Funkuhrempfängers mit Frequenzeinstellung
durch Referenzfrequenzmarken.
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Abb. 4: Empfangsspektrum mit Frequenzmarken im kHz-Raster