FREQUENTIE STANDAARD GELOCKED OP DE ZENDER DROITWICH OP 198KHZ

FREQUENTIE STANDAARD GELOCKED
OP DE ZENDER DROITWICH OP 198KHZ
(1997 and 2007)

Frequentie standaard gelocked op de zender Droitwich op 198 kHz.
En de overgebleven ongebruikte resten van de 1997 versie.

Frequentie standaard gelocked op de zender Droitwich op 198 kHz.
Het 198 kHz signaal van Droitwich wordt uitgezonden door een Radio 4 zender van de BBC met een zendvermogen van 400 kW. Het station gebruikt een rubidium frequentie standaard en de afwijking is minder dan 10e^-11 over een dag gemiddeld. Voor niets gaat niet alleen de zon op maar kunnen we ook onze frequentie standaard locken op dit nauwkeurige signaal!
Het is niet nodig om een aparte ontvanger te maken, er kan een gewone langegolf omroepradio worden gebruikt die afgestemd wordt op 198 kHz.

De eerste versie werd gemaakt in 1997. Deze zat in een grote kast, had niet de mogelijkheid om externe 10 MHz oscillatoren te calibreren en had nogal wat overbodige electronica voor het decoderen van de fase gemoduleerde data die ook wordt uitgezonden. Dat decoderen van die data is nooit wat geworden. Daarom is in 2007 een kleinere en eenvoudigere versie gebouwd. Hiermee kunnen ook externe 10 MHz oscillatoren worden gecalibreerd.

Blokschema van de frequentie standaard.

Hoe werkt het?
Het signaal op 198 kHz wordt ontvangen met een omroepradio.
De 10 MHz kristal oscillator wordt gedeeld door 50 en door 5000. Zo krijgen we een 200 kHz en een 2 kHz signaal. Het 200 kHz signaal wordt geinjecteerd in de ferriet antenne van de omroepontvanger. Dit 200 kHz signaal zal met het 198 kHz signaal van Droitwich een interferentie toon van 2 kHz in de luidspreker veroorzaken. Deze audio toon van 2 kHz wordt in een fase detector vergeleken met het 2 kHz signaal van de deler. Wanneer de beide 2 kHz signalen niet exact gelijk zijn, wordt de frequentie van de 10 MHz oscillator bijgeregeld.
Het 2 kHz audio signaal wordt overigens gefilterd om geen last te hebben van spraak en muziek.
Ik wilde graag een nauwkeurig 1 MHz signaal hebben en een nauwkeurig 1 kHz signaal. Het 1 MHz signaal is beschikbaar als uitgangssignaal van een van de delers, voor het 1 kHz signaal wordt het 2 kHz signaal nog eens door 2 gedeeld. Maar je kunt natuurlijk je eigen gewenste frequenties kiezen uit een van de beschikbare signalen die uit de delers komen.

Er wordt een gewone omroep ontvanger gebruikt
om het signaal op 198 kHz te ontvangen.

Calibratie externe 10 MHz oscillatoren
Voor het calibreren van externe 10 MHz oscillatoren wordt de schakelaar S1 omgezet en de interne 10 MHz oscillator vervangen door het externe 10 MHz signaal. Dit wordt uiteraard niet bijgeregeld, dat moeten we zelf doen. Op het scherm van een oscilloscoop wordt het gefilterde 2 kHz audio signaal gezet, afkomstig van de omroep ontvanger. De oscilloscoop wordt getriggerd door het 1 kHz signaal uit de delers. Het enige wat we nu moeten doen is de 10 MHz oscillator zodanig afregelen dat de 2 kHz sinus van het audio stilstaat op het beeldscherm (niet naar links of rechts loopt). Wanneer het beeld in 50 seconden 1 periode naar links of naar rechts loopt, is de afwijking van het 10 MHz signaal ongeveer 1 Hz.

Calibratie met een oscilloscoop. Het audio signaal op het scherm moet
stilstaan en dus niet naar links of naar rechts lopen wanneer de frequentie
exact 10 MHz is. Triggering gebeurt op het 1 kHz signaal op kanaal 2.

Fase modulatie van data signalen
Helaas kunnen we het 198 kHz signaal niet zomaar gebruiken. Er zit namelijk fasemodulatie op waarmee data wordt uitgezonden. Dit is goed te zien op het onderstaande scoopbeeld. De sinus vertoont jitter. Deze fasemodulatie moet in het lusfilter van de frequentie regeling worden onderdrukt, anders vind je deze fase modulatie versterkt terug in het 10 MHz signaal van de frequentie standaard. Dit kan door het lusfilter heel traag te maken. Hierdoor wordt de regeling ook ongevoeliger voor stoorsignalen. Het lusfilter heeft in de schakeling dan ook twee standen: een snelle stand om de oscillator te laten locken en een trage stand voor als de kristal oscillator gelocked is.

Fasegemoduleerde data signalen moeten worden weggefilterd
in het lusfilter door dit heel traag te maken!

Het schema
Rechtsboven vind je de 10 MHz kristal oscillator. Met behulp van S1 kan gekozen worden voor de interne oscillator die wordt bijgeregeld of voor een extern 10 MHz oscillator signaal dat gecalibreerd moet worden. De interne 10 MHz oscillator kan worden bijgeregeld door een varicap BB212 waarvan maar 1 helft gebruikt wordt. De beide 74HCT390 zijn de delers, deze bestaan uit 2-delers en 5-delers. Er wordt begonnen met een 2 deler, omdat ik al eens problemen heb gehad met een 5 deler die niet een perfect blokgolfvormig signaal aangeboden kreeg. Een nadeel is dat het 1 MHz signaal nu niet een perfecte duty cycle van 50% heeft, omdat het een uitgangssignaal van een 5 deler is. Maar voor mijn toepassing is dat geen probleem.
Het 200 kHz signaal wordt in de ontvanger geinjecteerd met een kort draadje dat bij de ferriet antenne van de ontvanger wordt gehouden. Dus geen lusje om- of bij de ferriet antenne maar capacitieve koppeling met een draadje, dat werkt veel beter.

Schema
big diagram

Het 2 kHz audio signaal van de ontvanger (hoofdtelefoon uitgang) wordt aangesloten op "lf in" en eerst gefilterd in 2 actieve filters met een LM358. Zo wordt het overgrote deel van de modulatie van de zender weggefilterd en blijft een goed bruikbaar 2 kHz signaal zonder storing van uitgezonden muziek of spraak over. Beide filters zouden een Q factor van 10 moeten hebben en versterken het signaal totaal ook nog eens 4x. Met de 500 ohm potentiometers worden ze exact op 2 kHz afgeregeld. Het gefilterde audio signaal kan met een oscilloscoop worden bekeken door deze aan te sluiten op "2 kHz audio".

De NAND U1C maakt van het 2 kHz audio signaal een blokgolf. U1B is de fase detector. De gemiddelde waarde van de uitgangsspanning van deze fase detector varieert tussen de 2.5 V en 5.0 V, prima voor het regelen van de varicap. De oude versie had een XOR als fase detector, die gaf een spanning tussen de 5 en 0 V als uitgangsspanning, maar dat is te laag voor de varicap. Wel zit er fase modulatie op en een 2 kHz blokgolf, maar dit wordt in het lusfilter weggefilterd.

Het lusfilter bevat twee elco's, een van 10 uF en een van 100 uF. De 10 uF condensator filtert het 2 kHz signaal weg. Met S2 kan de tijdconstante van het filter kleiner gekozen worden om de oscillator te laten locken. Het filter met de 1M ohm weerstand is namelijk te traag om de oscillator te laten locken. Wanneer de oscillator gelocked is, wordt de schakelaar in de stand "locked" gezet en wordt de 10 MHz oscillator langzaam bijgeregeld. Fasemodulatie, de 2 kHz blokgolf en stoorsignalen in de ontvangst hebben dan praktisch geen invloed meer.
De stabiliteit van de regellus kan worden ingesteld met de 10k potentiometer in serie met de 100 uF elco. Bij 0 ohm duurt het heel lang voordat de schakeling stabiliseert, de frequentie blijft heel lang op- en neer schommelen. Ook na storingen in de ontvangst duurt het heel lang voordat de frequentie weer stabiel is. Met de instelpotentiometer op 5k ohm ingesteld, stabiliseert de schakeling veel sneller.
Aan de led kun je zien of de schakeling gelocked is. Zo niet, dan gaat de led langzaam aan- en uit met de verschilfrequentie tussen de beide 2 kHz signalen.
Er is nog 1 NAND over, die kun je bijvoorbeeld gebruiken als buffer na de kristal oscillator wanneer je een 10 MHz signaal wilt hebben.

Achterkant en gemodificeerde middengolf
ontvanger voor ontvangst van Droitwich 198 kHz.

Gemodificeerde middengolf ontvanger
De frequentie standaard werkte prima met de portable radio. Maar op een rommelmarkt kocht ik een kleine middengolf radio voor 0.50 Euro. Deze werd geschikt gemaakt voor ontvangst van Droitwich op 198 kHz door condensatoren parallel te schakelen aan de twee secties van de variabele afstemcondensator. De 3 volt voedingsspanning komt via twee diodes voor de verlaging van de spanning uit de 5 volt spanningsstabilisator van de frequentie standaard. De radio is vast verbonden met de frequentie standaard met een 4 aderig afgeschemd kabeltje van 1 meter lengte. Voedingsspanning, audio en het 200 kHz injectie signaal lopen via dit kabeltje. De luidspreker kan met een schakelaar aan of uit worden geschakeld.

Resultaten
Een goede indruk van de nauwkeurigheid kan worden verkregen door het 2 kHz audio signaal op een oscilloscoop te zetten en deze te triggeren met het 2 kHz (of 1 kHz) signaal van de delers. Nadat de regellus gestabiliseerd is, zijn de afwijkingen gedurende een paar seconden ongeveer 1/50 periode. Oftewel, de 2 kHz sinus loopt 1/50 periode naar links of naar rechts gedurende een paar seconden. Dit is niet nauwkeurig te meten vanwege de fase modulatie. De afwijkingen worden bijvoorbeeld veroorzaakt door instabiliteit van de 10 MHz oscillator, door storingen (fading) in de ontvangst, de fase modulatie van de data signalen en de gemoduleerde spraak- en muziek. Dit betekent dat de frequentie afwijking van het 10 MHz oscillator signaal minder is dan 1 Hz. Metingen met een externe nauwkeurige 10 MHz oscillator toonden aan dat de afwijking op 30 MHz zelfs kleiner was dan 1 Hz. Voor ons amateurs is dat meer dan voldoende!

Binnenkant

Voor DCF77
Zo een frequentie standaard kun je ook voor de Duitse tijdseinzender DCF77 op 77,5 kHz maken. Zie hieronder het principe dat dan gebruikt zou kunnen worden. Wel moet er uit de 5 deler een symmetrisch 625 Hz signaal komen. Dit kan door het 10 MHz signaal door 64 te delen, dan door 125 en als laatste door 2. Misschien kan een lange golf omroep ontvanger omgebouwd worden voor ontvangst van dit station op 77,5 kHz of een simpele directe conversie ontvanger worden gebouwd. Het voordeel is dat er geen spraak en muziek wordt uitgezonden en dat het 625 Hz filter selectiever is dan het 2 kHz filter.

Blokschema van een frequentie standaard die gelocked is op DCF77 op 77,5 kHz.

TERUG NAAR INDEX PA2OHH