DE3641161A1 - Quarzaudion-schmalbandempfaenger - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum schmalban­ digen Empfangen und Filtern des DCF-77-Signales. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination eines Antennenschwingkrei­ ses mit Entdämpfung und eines nachfolgenden Quarzfilters verwen­ det wird, wobei im Gegensatz zu einem üblichen Schmalbandem­ pfänger mit stark entdämpftem Antennenschwingkreis (Audion [2]) nur eine derartige, verhältnismäßig kleine Güte eingestellt wird, die ausreicht, um ein Übersteuern der Verstärker vor dem Quarzfilter bei kleinen Empfangssignalen und großen Fremd- und Eigenstörungen zu verhindern (was bei einer günstigen Dimen­ sionierung z. B. zu einer Durchlaßbreite des Antennenschwingkrei­ ses von 50 Hz führt die damit sehr viel größer als die tatsächliche benötigte Bandbreite von 5 Hz der gesamten Em­ pfängerschaltung ist) und daß das sehr schmale Frequenzband des Senders DCF-77, das den Träger plus der niederfrequenten Modula­ tion in einem Band der Breite von etwa 5 Hz enthält, erst durch das nachfolgende Quarzfilter mit einer Güte in der Größenordnung von 25 000 herausgefiltert wird.

Bisher bekannt sind entweder Empfänger mit hochselektiven Ein­ gangskreisen, (die sogenannte Audionfunkuhr [1]) oder gewöhnliche Antennenschwingkreise mit nachgeschalteten Filtern hoher Güte [3, 4].

Ausgehend von diesem Stand der Technik wird in der vorliegenden Erfindung eine bisher nicht bekannte Kombination eines verhält­ nismäßig gering entdämpften Antennenschwingkreises mit einem Quarzfilter hoher Güte zu einer Funktionseinheit vorgeschlagen.

Die Kombination zeichnet sich durch eine Amplitudenanhebung schwacher Empfangssignale gegenüber externen und internen Stö­ rungen im Empfangskreis und durch eine nur am Quarzfilter einstellbare sehr schmale resultierende Bandbreite für die Frequenzselektion des modulierten Zeitsignales aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei unterschiedlichen und darunter auch sehr schlechten Empfangsverhältnissen eine für die Auswertung des Zeitsignals ausreichende und wenig gestörte Signalamplitude des Senders DCF-77 zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei der Serien­ schaltung zweier Bandpässe zweiter Ordnung, von denen jeder eine hohe Güte besitzt, eine extrem kleine Bandbreite des resultie­ renden Systems entsteht, so daß eine Signalerkennung aufgrund von Modulationsverschleifungen nicht mehr möglich wäre. Deshalb sind bisher auch keine Funkuhrempfänger bekanntgeworden, die sowohl einen entdämpften Antennenschwingkreis (Audion) als auch ein Quarzfilter einsetzen. Man beläßt es stets beim Einsatz eines dieser Filter, da die Güte eines jeden dieser Filter zum schmalbandigen Empfang der Zeitzeichensignale längst ausreicht.

Theoretisch gilt für die Serienschaltung zweier Systeme 2. Ordnung der folgende einfache Zusammenhang für die resultierende Güte Q _r . Dabei sind Q ₁ und Q ₂ die Einzelgüten der jeweiligen Stufe.

Q _r ² = Q ₁ ² + Q ₂ ²

Hieraus kann geschlossen werden, daß bei unterschiedlichen Güten der Filterstufen diejenige mit der höheren Güte dominiert. So ergibt sich beispielsweise bei einem Verhältnis (Q ₁/Q ₂) = 20 lediglich eine Bandbreitenverschmälerung durch Q ₂ von 0,12% in bezug auf die höhere Güte Q ₁.

Stellt man das Quarzfilter erfindungsgemäß sehr schmalbandig ein (z. B. auf Güten von 20 000 bis 25 000) und hält die Vorselektion durch die Audionstufe in der Güte-Größenordnung von etwa 1000 bis 1500, so besitzt die Gesamtschaltung die erfindungsgemäße Eigenschaft, daß die Frequenzselektion fast nur durch das Quarzfilter erfolgt.

Deshalb ist es möglich, eine definierte Gesamtgüte ausreichend genau lediglich mit dem Quarzfilter einzustellen. Die Audion­ stufe dient dabei nur zum Amplitudengewinn, durch den sich der Störabstand gegenüber Störsignalen benachbarter Schaltungsteile (Mikroprozessor) verbessert. Die Entdämpfung und Frequenzselek­ tion des Antennenschwingkreises kann dabei so gering eingestellt werden, daß Bauelementetoleranzen im Gegensatz zu hochentdämpf­ ten Audionstufen keine Rolle spielen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wer­ den nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Beispiele näher erläutert. Es zeigt

Abb. 1 ein erstes Blockschaltbild einer erfin­ dungsgemäßen Anordnung eines DCF-77 Audion-Quarzfilter-Schmalbandempfängers mit nachgeschalteter Auswertungseinheit,

Abb. 2 eine Ausführungsform des Audionempfangs­ kreises,

Abb. 3 die Ausführungsform eines Quarzfilters als Serienresonator,

Abb. 4 das Diagramm einer Abtaststufe,

Abb. 5 das Schaltbild eines steuerbaren Opera­ tionsverstärkers.

Zunächst wird auf Abb. 1 Bezug genommen. Einer Audionstufe (entdämpfter Antennenschwingkreis), die in ihrer Resonanzfre­ quenz und Güte abstimmbar ist, wird ein Quarzfilter nachgeschal­ tet. Dem Signalpfad folgend wird das Empfangssignal durch einen Abtaster, der mit einem vom Prozessor gelieferten Abtasttakt (f _a ) betrieben wird, in eine Zwischenfrequenz (f _z ) umgesetzt. Mit einer Abtastfrequenz von 76 923 Hz ergibt sich eine Zwi­ schenfrequenz f _z von 576,9 Hz. Das Zwischenfrequenzsignal wird dem AD-Wandler des Mikroprozessors durch einen steuerbaren Verstärker mit geeigneter Amplitude zugeführt. Die Erkennung und Auswertung der im Signal befindlichen Informationen (Amplitudenabsenkungen) und die dann notwendige Demodulation des Signals wird vom Prozessor vorgenommen. Dieser übernimmt weiterhin die Anzeige der Uhrzeit und des Datums im Display.

Abb. 2 zeigt das Detailschaltbild des Audions. Die Ferrit­ kernspule, die parallel geschaltete Kapazität von 820 pF und die Varikapdiode bilden den eigentlichen Resonanzschwingkreis, an dem ohne Rückkopplung nur eine verhältnismäßig geringe Spannung abgegriffen werden könnte. In der Regel ist die Grundgüte des Empfangskreises bei Verwendung handelsüblicher Bauteile nicht größer als ca. 100. Mit der Steuerspannung U _f kann die Reso­ nanzfrequenz abgestimmt werden, um damit Bauteiletoleranzen (z. B. Spule) zu kompensieren. die im Resonanzkreis anliegende Spannung (Mittelwert OV) wird durch die Entkoppelkondensatoren (100 nF) auf 2,5 V (Arbeitspunkt des Verstärkers) angehoben. Die zur Schwingkreisspannung in Phase liegende und um den Faktor 4 verstärkte Wechselspannungskomponente von U _A wird über einen steuerbaren Spannungsteiler zurückgekoppelt.

Mit diesem Spannungsteiler ist es möglich, einen stabilen rückgekoppelten Betrieb bei einer erreichbaren Güte von ca. 1000 bis 1500 einzustellen, wobei die Toleranzen der meisten verwen­ deten Bauelemente völlig unkritisch sind.

Abb. 3 zeigt das Quarzfilter. Mit seiner ersten Verstär­ kerstufe wird die Eingangsspannung U _A um den Faktor 11 angehoben und entkoppelt. Das Quarzfilter arbeitet in seiner Serienreso­ nanz als schmalbandiges strukturstabiles Filter, das jedoch durch einen 3,3 k Widerstand "künstlich" gedämpft werden muß, da sonst unvertretbar hohe Güten (Gefahr der Modulationsver­ schleifung) von ca. 40 000 erreicht würden. Die gewählte Dimen­ sionierung der Schaltung stellt Güten von ca. 20 000 ein. Es kann nicht wie beim Audionempfänger [1] zu Aufschwingverhalten kom­ men. Der Trimmkondensator entfällt bei Verwendung eines ent­ sprechend eng tolerierten Quarzes. Der in der Abbildung rechts liegende Verstärker entkoppelt die Filterschaltung und sorgt für rückwirkungsfreien Betrieb.

Abb. 4 stellt den Abtaster dar. Dieser setzt die Trägerfrequenz von 77,5 kHz in die Zwischenfrequenz von 576,9 Hz um. Es muß darauf geachtet werden, daß sich das abgetastete Signal während der Einschaltzeit (1 µs) nicht nennenswert ändert. Bei einer Periodendauer (DCF) von 12,9 µs ist eine Einschaltzeit von einer µ-Sekunde noch tolerierbar. Die Tief­ paßzeitkonstante, die sich aus dem Innenwiderstand des Analog­ schalters und der Haltekapazität ergibt, ist für die Zwischen­ frequenz f _z vernachlässigbar klein.

Der steuerbare Verstärker in Abb. 5 ist in einem Bereich eines Verstärkungsfaktors von 1 bis ca. 140 einstellbar. Damit läßt sich in Verbindung mit der Gütesteuerung (U _g ) ein Amplitu­ denbereich des Empfangssignales von ca. 70 dB abdecken. Das Wechselspannungssignal wird mit angepaßter Amplitude dem inte­ grierten A/D-Wandler zur Verfügung gestellt.

Die allgemeinen Anforderungen an Schmalbandempfängerschaltungen für Funkuhren sind hohe Selektivität ohne Modulationsverschlei­ fungen und eine hohe Stabilität in bezug auf Resonanzfrequenz und Güte. Diese Forderungen werden durch die Kombination von schwach entdämpftem Antennenschwingkreis und schwach gedämpftem Quarzfilter in idealer Weise erfüllt. Die Eigenschaften beider Komponenten ergänzen sich dabei hervorragend.

Mit dem entdämpften Antennenschwingkreis allein wäre eine so hohe Frequenzgenauigkeit und Gütekonstanz nicht erreichbar. Andererseits ist der Quarz als alleiniges Filter in einem Eingangsschwingkreis nicht einsetzbar, da seine Induktivität (im Ersatzschaltbild) nicht als Antennenelement denkbar ist.

Die Kombination beider Schaltungen realisiert einen hochselekti­ ven Empfänger mit guten Störabstandseigenschaften. Der Audion- Quarzfilterempfänger kann aus Einzelbauelementen zusammenge­ setzt und ohne abzugleichende Elemente in Betrieb genommen werden. Er eignet sich daher gut für eine Serienproduktion.

Claims (2)

1. Schmalbandempfänger für den Empfang der Signale des Zeitzeichen­ senders DCF-77, enthaltend einen Antennenschwingkreis, der durch Anwendung der Rückkopplung nach dem Audionprinzip entdämpft wird, sowie Verstärkerstufen, Filter, Analog-Digital-Umsetzer und einen Mikroprozessor, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination eines Antennenschwingkreises mit Entdämpfung und eines nachfolgenden Quarzfilters verwendet wird, wobei im Gegen­ satz zu einem üblichen Schmalbandempfänger mit stark entdämpftem Antennenschwingkreis (Audion) nur eine derartige, verhältnis­ mäßig kleine Güte eingestellt wird, die ausreicht, um ein Übersteuern der Verstärker vor dem Quarzfilter bei kleinen Empfangssignalen und großen Fremd- und Eigenstörungen zu verhin­ dern (was bei einer günstigen Dimensionierung z. B. zu einer Durchlaßbreite des Antennenschwingkreises von 50 Hz führt die damit sehr viel größer als die tatsächliche benötigte Bandbreite von 5 Hz der gesamten Empfängerschaltung ist) und daß das sehr schmale Frequenzband des Senders DCF-77, das den Träger plus der niederfrequenten Modulation in einem Band der Breite von etwa 5 Hz enthält, erst durch das nachfolgende Quarzfilter mit einer Güte in der Größenordnung von 25 000 herausgefiltert wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung handelsüblicher Quarzfilter mit extrem hohen Güten, die zu wesentlich kleineren Bandbreiten als 5 Hz (größen­ ordnungsmäßig) führen würden, diese zusätzlich bedämpft werden.