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datenbl?ttern erl?utert ih- in dieser rubrik stellen wir ihnen neuentwickelt e ics mit pfiff vor, mit denen die lei- stungsf?higkeit herk?mmlicher schaltungen verbessert wir d oder v?llig neue schal- tungskonzepte berhaupt erst m?glich werden . diese seite n sind also nicht als bau- anleitung zu verstehen, sondern dem einsteiger manchen aha-effe k ewisserma?en als blick hinter die kulissen , der t vermittelt und dem fortgeschrittenen als grund- lage fr eigene versuche dient. lesen sie diesmal: zeitzeichen-empf?nger fr langwelle ? ? . . das ohr am puls der zeit i speziell zum einsatz in funkuhren hat die firma hkw elektroni k zwei schaltkreise entwickelt, die die signa- le von zeitzeichensendern im lang- wellenbereic h empfangen und deco- dieren. mit einer ganz geringen an- zahl externer bauelemente lassen sich so komplette zeitzeichenempf?nger aufbauen, die ausgangsseitig die auf- bereitete digitalinformation bereit- stellen (tabelle 1). beide ics sind weitgehend identisch aufgebaut und unterscheiden sich nur in einem punkt: de r ue 212 4 besitzt zwei umschaltbare antennen-eing?n - ? hf-ausgang 2 hf-ausgang 1 masse antennen-eingang 2 antennen-eingang 1 kompensations-c schalter regelung n.c . betriebsspannung ausgang arbeitspunkt 1 schalter antenne nachverst?rker referenzspannung arbeitspunkt 2 demodulator-c power on standby n.c. lade-c (regelverst.) kornparatorschwelle ge, um dadurch einen vollkomme; la- geunabh?ngigen betrieb zu erm?gli- die abgemagerte version ue 2125 chen ; er ist als smd im 20poligen steht, ebenfalls als smd, im 14poligen standard-sop-geh?use zu r verfii- sop-geh?use lieferba r (surface mo- unted device = oberfl?chen-montier- gung, das sie aus g?ngige n smd-bau- bares bauteil; bild 1). di e blockschal- anleitungen kennen (bild 3). bis auf tung zeig t bild 2. den doppelten eingangsteil entspricht dieses ic dem schema von bild 2. tabelle 1. kurzdaten der schaltkreise u e 2124/2125 ver s orgungsspannung u v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . l,z...j.&..z,z v stromaufnahme (im betrieb): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600@(< 1 ma) (im stand-by) : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ww1ow schaltstrom a n po n (bei upo~ z high):... . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 @j (< -50 jla) eingangsspannungsbereic h vorverst?rker : . . . . . . . . . . . . . . . . . l.... 1 j.lv. . .loo r&: eingangsspannungsberei c h nachverst ? r ker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30..%0 gvi hf-verst ? r kung an al* . ?: :. . . . . . . ..i.......................................................... !53ub? demodulator-ausgangsspannung * . . zoo.mv & . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..a.. : ausgangsstrom (io& i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..~.... ausgangsstrom (loe bei ia s 200 mv). ..? ,px i y,o py.. . , :!$y;.: 5p: ph ; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . atkgangsimpulsbreit e (be i low-bits) : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ::! 00 ? 28; $s$&) i (bei high-bits): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ,200 ms?&l80 ins) ?. bild 1: der ue 2124 unterscheidet sich von seinem kleineren ,,brudef ? uj3 2125 nur durch zwei umschaltbar e antennen- eing?nge und das gr??ere geh?use. bei diesen ics wurde insbesondere wert auf geringe stromaufnahme ge- legt, um auch den batteriebetrieb zu erm?glichen. au?erdem kann man die schaltkreise ber einen steuereingang (pon) abschalten , um die stromauf- nahme im stand-by-betrieb weiter zu senken. die dann noch ben?tigten 2 @ zur k-versorgung fallen wirk- lich nicht mehr ins gewicht. die stromversorgung ist, passend zum batteriebetrieb, auf einen bereich von 1,2.. .2,2 v ausgelegt, entsprechend einer zellenspannung von 1,5 v nennwert. als optimum gibt der her- steller einen wert von 1.4 v an, der sich bei h?herer oberspannung +uo auch durch eine n l?ngswiderstan d in der plusleitung herstellen l??t. electronic actuell magazi n 1/94 33
unter der lupe : zeitzeichen - empf?nger bild 2: blockschaltung des gr??eren der beiden empf?nger-ics; der ,,k l ei- ne ? unterscheidet sich hiervon aber nur unwesentlich. beeindruckend ist der hohe dynamik- bereich, der eingangsspannungen von l pv... 100 mv zul??t, ohne da? eine bersteuerung eintritt! es ist erstaun- lich, was der regelverst?rker in die- sem winzling noch ,,ausregeln? kann. der ausgang a2 mit einer impedanz von ca . 7.5 ksz hat gegenber al ein um ca. 5 db abgeschw?chtes, invertier- tes signal. der vorverstarker erreicht bis zum ausgang al eine typische verst?rkung von 5 3 db. in diesem be- reich der beiden hf-ausg?nge sollte ein quarzfilter angeordnet sein, um fr die n?tige trennsch?rfe zu sorgen. als filter-bandbreite zwischen a 1 und dem eingang e3 des nachverst?r- kers sind 20...25 hz anzustreben (ge- gebenenfalls durch reihenschaltung mit einem 330-kq-widerstand). schon aufgrund dieses extre m schmal- bandigen verhaltens ist der einsatz ei- nes quarzes naheliegend. fr den in ganz mitteleuropa zu empfangenden deutschen zeitzeichensender dcf77 werden mittlerweil e subminiatur- quarze angeboten, die gerade einmal 3 mm dick und 8 mm lang sind und so- mit das smd-konzept nicht durch ,,klobigkeit? verderben. beim ue 2 124 hat man durch die bei- den eing?nge natrlich auch die m?g- lichkeit, einen empf?nger fr zwei verschiedene frequenzen aufzubauen (mehrnormen-empf?nger). die bei- den filterquarze werden dann von den ausg?ngen ai bzw. a2 zum eingang e3 gelegt. fr diesen fall ist der an- tennen-umschalter sa vorgesehen, der bei bedaf durch einen hochohmi- gen teiler (ca. 1 mr) vor spannungen gr??er +uv zu schtzen ist. am ausgang cd stehen di e demodu- lierten zeitzeichenimpulse zur verf- gung; die zeitkonstante errechnet sich aus der kapazit?t an diesem anschlu?, multipliziert mit dem innenwiderstand des demodulators von 70 kr. am anschlu? cr wird die regelspan- nung gewonnen, wobei die regelzeit- konstante durch einen umschaltbaren entladekreis und den kondensator an cr bestimmt wird. diese umschal- tung der regelgeschwindigkeit erfolgt an sr; liegt hier low-pegel an, dann ist eine gr??ere regelzeitkonstante wirksam als bei high-pegel. um regelschwingungen zu vermei- den, kann man in reihe mit de m cr- kondensator noch einen widerstand von 680 n legen. es hat sich aber im praktischen betrieb gezeigt, da? schon ein ausreichend gro?er elke fr gen- gende stabilit?t sorgt, zumal die feld- st?rkeschwankungen von dcf77 kaum wahrnehmbar sind. messungen der ankommenden feldst?rke haben zwischen mnchen (2: 4 mv/m), kre- feld (- 3 mv/m) und berlin (= 0.8 mv/m) ohnehin nur geringe unter- schiede ergeben. hf-ausgang 2 hf-ausgang 1 masse i antennen-eingang kompensations-c betriebsspannung ausgang ?arbeitspunkt 1 nachverst?rker reterenapannung arbeitspunkt 2 demodulator-c power on/ standby lade-c (regelverst.) bild 3: von der gerin- geren baugr??e her bietet der UE2125 vortei- le; hinsichtlich der stromauf- nahme gibt es zum ue2124 keine unter- schiede. 34 dennoch bleiben unterschiedlich stark einfallende eingangssignale nicht ganz ohne einflu? auf das digitalisierte ausgangssignal. je nach feldstarke und eingestellter kornparatorschwelle (ks) variiert die breite der ausgangsimpulse (aktiv low): bei den kurze n null-bits. die no- minell 100 ms lang sind, k?nnen maximal 120 ms auftreten. und fr die inngen high-bit s von no- minell 200 ms werden mindestens 180 ms dauer garantiert. diese toleranzwerte stellen an die ange- schlossene auswerteschaltung keine bertriebenen forderungen, so da? man an dieser stelle auf je- den zus?tzlichen aufwand ver- zichten kann. am ausgang a liegt ei n treiber- transistor, von dem der offene kollektor herausgefhrt ist. be- dingt durch da s ,,zarte? ic steht hier nur eine begrenzt e treiberlei- stung von 60 pa zur verfgung, so da? ein nachgeschaltete r buf- fer sehr zu empfehlen ist. auch bei betrieb an niedriger ver- sorgungsspannung (z.b. +uv = 1.4 v) ist es zul?ssig. de n pull-up- widerstand des ausgangstreiber-s an eine andere spannung zu legen (deren pluspol). mit einer zus?tzli- chen anpa?schaltung kann man so eine auswertung mit standard- bausteinen aufbauen, ohne beim empf?nger auf die vorteile des stromsparbetriebs zu verzichten. ein schaltbeispiel mit diese n ics finden sie ab seite 49. m electronic act u ell magazin 1 / 94
eine bundesbeh?rd e setzt ma?st?be fr viel e dinge ptb. im gesetz ber die einheiten im me?wesen wurde der ptb die dar- stellung und wiedergabe der einhei- ten bertragen. gesetzliche einheiten sind di e basiseinheiten und die davon abge l eiteten einheite n des interna- tionalen einheitensystems (systeme international d?unit&, abgek. si; vgl. mini-poster im e*adu 2/93). dieses einheitensystem wurde 1960 geschaf- fen und beendete ein ber hundert- j?hriges durcheinander mit einer viel- zahl von einheiten- und dimensions- systemen. es ist zwar in erster linie als praktisches ma?system fr wis- senschaft und technik gedacht, wurde mittlerweile aber auch zur grundlage rechtlicher regelungen fr den amtli- chen und gesch?ftlichen verkehr. sollten sie im unklare n d arb er sein, was ein meter ist, , , dann holen si e sich einen zollstock (oder besser: ein me- terma?); auf den millimeter genau haben sie dann ihr er- gebnis. kritische r wird es, w? es ans eigene portemonnaie geht, beim benzin an der zapfs?ule etwa oder eine m hoch- p r o z entig en flascheninhalt. da? dor t p ein lich aenau auf das " m a? halte n " geachte t wird, v erda nken wi r d er ptb. ber 100 jahre malgebend auf anregung der physike r werner von siemen s und hermann vo n helm- holtz wurde im jahre 1887 di e physi- kalisch technische reichsanstalt (ptr) in berlin gegrndet. hinter- grund fr dieses weltweit erste institut dieser art war die erkenntnis, da? das richtige messen fr technik und wis- senschaft von fundamentaler bedeu- tung ist. man hat daher ein neutrales staatsinstitut geschaffen, in dem die wissenschaftler ohne lehrverpflich- tung und frei von industriellen auf- traggebern forschen konnten. nach dem vorbild der ptr kam es sp?ter auch im ausland zur grndung ?hnli- cher institute (1900 das national phy- sical labor a tory in england und 1901 das national bureau of standards in den vereinigten staaten). aufgabe der ptr war es, insbesonde- re auf dem gebiet der me?technik physikalische grundlagenforschung zu betreiben und me?ger?te auf ihre konstruktion und genauigkeit hin zu berprfen . !898 erhielt sie erstmals einen gesetzlichen auftrag, und zwar die darstellung der elektrischen ein- heiten und die berwachung von me?ger?ten fr elektrische gr??en (das betrifft auch die elektrozahler im privathaushalt). 1923 wurde die reichsanstalt f r ma? und gewicht eingegliedert. damit war die ptr fr alle gesetzlichen einheiten verant- wortlich und bekam die oberaufsicht ber alle eich- und prf?mter. im rahmen ihres auftrages betrieb die ptr seit jeher eine breite grundla- genforschung, in deren zusammen- hang zwei wissenschaftler sogar den nobelpreis erhielten. die w?hrend des kriege s ausgelager- ten laboratorien wurden nach dem zusammenbruch in braunschweig zu- sammengezogen, wo es 1950 zur neu- grndung al s physikalisch-techni- sche bundesanstal t kam (ptb; ,,me- trologisches staatsinstitut der bundes- republik deutschland?). in den r?u- men der alten ptr in berlin-charlot- tenburg entstand 1953 als au?enstelle das institut berlin der ptb. organisatorisch geh?rt die ptb zum dienstbereich des bundeministers fr wirtschaft. sie besch?ftigt in braun- schweig rund 1600 mitarbeiter (davon etwa ein viertel mit hochschulbil- dung) und in der berliner au?enstelle noch einmal 200 mitarbeiter. in idyllischer umgehung am nordrand von braunschweig liegt unsere oberste eichbeh?rde, die physikalisch-techni- sche bundesanstat (ptb). die verk?rperung und darstellung ei- ner einheit geschieht mit sogenannten normalen , von denen die ptb als oberste nationale eichbeh?rde die ge- nauesten besitzt. die eich?mter der bundesl?nder vergleichen ihre nor- male mit denen der ptb, wobei eine bestimmte abweichung nicht ber- schritten werden darf. im internationalen kontakt vergleicht die ptb ihre normale mit denen ande- rer l?nder, um auf diese weise die weltweite einheitlichkeit der ma?e zu sichern. nicht zuletzt dadurch wird das funktionieren des erdum- spannenden austausches von wissen und gtern gewahrleistet. die aufgaben der ptb im amtlichen me?wesen sind i m eichgesetz festge- legt. jede ger?tebauart, die fr solche zwecke verwendet werden soll, mu? von der ptb zugelassen werden. den bestimmungen des eichgesetzes un- terliegen z.b. waagen, l?ngenme?- ger?te, zapfs?ulen, gas- und elektri- zit?tszahler, thermometer und taxi- meter, aber auch verkehrsradarger?te. entsprechend dem gesetzlichen auf- trag hat die bundesanstalt nicht nur die sekunde al s einheit der zei t darzu- stellen und weiterzugeben, sondern nach dem gesetz ber die zeitbestim- mung auch die gesetzliche zei t fr die bundesrepublik, also de n zeit- ablauf das geschieht in der abteilung 4 fr optik, die eine der zehn abtei- lungen derptb darstellt. e lec tro ni c actuell magazin 1194 39
atomkraft nein danke? abe r do ch bitte nicht in diesem fall! atomuhren ist es heute noc h z eit g em? ? atomuhren hochzuhalten, wo sich doch alle welt von der atomenergie abwendet? da atom-uhr un d a tom- kraft au?er dem wortstamm absolut nichts gemeinsam haben, d rft e damit die erste frage be- antwortet sein. offen aber bleibt frage nummer zwei, was man sich denn unte r einer atomuhr vorzustellen hat. tickt da vielleicht d o c ei n n h l k eine s b?mbchen im verboraenen? zu den aufgaben der physikalisch- technischen bundesanstal t (ptb) geh?rt es, die sekunde al s einheit der zeit darzustellen und darauf basierend den zeitablauf zu verbreiten, also die fr uns verbindlich e gesetzliche zeit (vgl. 25). es gilt also, zun?chst ein normal zu finden, das als genaue zeitbasis geeignet ist. denn anders als bei jeder anderen messung, wie z.b. bei l?nge oder temperatur, wird die bei einer zeitskala bestehende unge- nauigkeit st?ndig aufsummiert; der fehler wird also mit der zeit immer gr??er. es wundert daher nicht, da? man hier nach einer ultragenauen re- ferenz sucht, unabh?ngig von dem be- streben, ohnehin das technisch mach- bare optimum zu realisieren. in diesem zusammenhang hat man in den vierziger jahren eine interessante entdeckung gemacht, die zur entwick- lung sogenannte r atomuhren fhrte: das c?sium-atom mit der massezahl 133 kann zwei verschiedene energie- zust?nde einnehmen, bei deren ber- gang eine elektromagnetische strah- lung entsteht (die absolut nichts mit ra- dioaktivem zerfall zu tun hat!). diese frequenz ist immer gleich und bei kon- stanten umgebungsbedingungen hochkonstant. in einer atomuhr ver- dampft man kleine mengen des me- talls c?sium und erzeugt einen atom- strahl, der nur atome in einem der bei- den energiezust?nd enth?lt. dann setzt man diese atome einem elektrischen wechselfeld aus, wodurch sie in den anderen zustand bergehen. dies pas- siert umso vollst?ndiger, je genauer die frequenz des wechselfeldes den fr das c?sium typischen wert von 9,19263 1770 ghz hat (gigahertz = milliarden schwingungen pro sekun- de). ein detektor weist diejenigen atome nach, die den bergang ge- schafft haben; sein signal ist also bei perfekter bereinstimmung maximal. dieses signal h?lt den generator fr das wech s elfeld auf der genannten frequenz konstant. mit elektronischen teilern werden daraus normalfre- quenz und sekundenimpulse abgelei- tet, und diese steuern dann eine uhr. diese anordnung, die im prinzip eine supergenaue schwingung von mehr als neun milliarden zyklen pro sekunde erzeugt, nennt man atomuhr. es gibt transportable ausfhrungen von der gr??e eines heimcomputers, von de- nen die ptb zur realisierung ihrer zeitskalen einige betreibt, u.a. auch am sender dcf7 7 (bild oben). sie werden mit den sogenannte n .prim?r-norma- len kontrolliert, von denen in der ptb derzeit vier stck vorhanden sin d (bild links). deren gangabweichung ist kaum noch vorstellbar: im laufe eines jahres weichen die prim?ren uhren um weniger als eine millionstel sekunde voneinander ab! die werbeindustrie leitet davon ihre aussage ber einen ,,gangfehler? von 1 sekunde in mehr als einer million jahren ab. so ein c?sium-prim?rnormal ist bei der zeit das ma? aller dinge; davon werden die kleinen atomuhren gesteuert. electronic actuell magazi n 1 / 94

n lassen si e sich die dcf77-bits anzeigen n uhrzeit und datum entstehen wie ein mosaik n die decodierung funktioniert auch von hand n das ,,ticken? erfolgt auf der ganzen welt synchron n das gilt natrlich auc h fr den minutenanfang funkuhren haben i n jngster zeit immer mehr an faszi- nation ewonnen. das li t nicht zu etzt an den drastisc 7 gefallenen preisen, durch die di e ,,atomzeit? fr j eder- mann erschwinglich wird. das selbstt?tige stellen und korrigieren kennt man bst schon zur genge, aber woher wei? s o eine funkuhr eigentlich, wie sie sich ein- zustellen hat? wir machen das kf77-zeittelegramm transparent und zei 3 en ih- r5en, wie sich, die ,, rahtlo- sen zeit zusammensetzt. electronic actuel l magazi n 1 / 94 49
bild 1: dieses dcf-empfangsmodul ist betriebsbereit als fertigbaustein erh?lt- lich; der ausgang liefert digitalimpulse. ,,zeit ist geld?... . . . sagt man landl?ufig; und man m?- te eigentlich hinzufgen: ,,zeit kostet geld.? denn ob der einzelne zeit fr dieses oder jenes hat, mag dahinge- stellt bleiben. auf jeden fall bekom- men wir alle die zeit angeboten, was fr uns ,,verbraucher? zwar kostenlos ist, auf der ,,herstellerseite? aber eini- ges an aufwand (und geld) erfordert. wie das zu verstehen ist? die aktuelle uhrzeit wird heute nicht mehr vom gang der gestirne abgeleitet (das w?- re viel zu ungenau), sondern sie wird im labor ,,gemacht?. laut gesetz ist dafr hierzulande die physikalisch- technische bundesanstalt (ptb) zu- st?ndig, die im internationalen ver- bund ihren beitrag zur koordinierten weltzeit liefer t (universal time coor- dinated; abgek. utc). das bedeutet einerseits, da? weltweit alle uhren auf die nanosekunde genau bereinstimmen; andererseits kann je- der daran teilhaben, wenn er die per funksignal ausgesendeten zeitsignale der ptb empfangt und geeignet auf- bereitet. dazu reicht bereits ein winzi- ger empf?nger mit ebenso winziger antenne aus (bild 1 und 2). bild 3: vier tr?gerabsenkungen sind hier erkennbar; kurz - lang - kurz - kurz entspricht der bitfolge 0 - 1 - 0 - 0. 50 zeittelegramm., ypti q.c,@@ 0 minutenbeginn lo . . .14 nicht belegt x 15 reserveantenne 1) : x i 16 zeitumstellung 2) x? 17 sommerzeit 3), 18 zeitzonen-bit txo 19 schaltsekunde 4) x 20 telegrammbeginn hi 21 minute (einer) 7 22 minute (einer) 2 23 minute (einer) 4 24 minute (einer) 8 25 minute (zehner) : 10. 26 minute (zehner),. .&l 27 minute (zehnerj. . w 28 prfbit 1 5) x 29 stunde (einer) 7 30 stunde (einer) 2 31 stunde (einer) 4 * 32 stunde (einer) 8 33 stunde (zehn&]. 10?:: 34 stnde (zehner) *. 40. 35 prfbit 2 5) x 36 kalendertag (einer) 7 37 kalendertag (einer) 2 38 kalendertag (einer) 4 39 kalendertag (einer) 8 4ci kalendertag (z&v?er) io. 41 kalendertag (z@ner) 20: 42 wochentag 6) 7 43 wochentag 2 44 wochentag 4 45 monat (einer) 1 46 monat (einer) 2 47 monat (einer) 4 48 monat (einer) 8 49 mona t (zehner):: ?io 50 jah r (einer) 1 51 jah r (einer) 2 52 - jahr (einer) 4 53 jahr (einer) 8 54? jahr (zehner) :!; . . ?. tg? 55 ,jahr (zehn@_,& ,?. ? 20,: 56,?, ?jahr (&hfi&: .qi,~:. : -, 49, 57~ jahr (zehnei): ?_ i: : @ 58 prfbit 3 5, x 59. keine sekundenmarke - 60 = 0 (n?chster minutenbeginn) 1) reserveantenne in betrieb = 1 2) ankndigung (1 std. vorher) = 1 3) mesz = 1 4) ankndigung (1, std. vorher) = 1 5) .erg?nzt auf gerade parit?t 6) montag = 001 bis sonntag = 111 bild 2: passend zum empfangsmodul wird diese antenne angeboten; sie ist bereits bewickelt und abgeglichen. wie dieses funksignal aussieht, zei- gen die bilder 3 und 4 : eine tr?ger- frequenz von genau 77,500o:. khz wird im sekundentakt auf 25% ihrer amplitude abgesenkt, und zwar fr die dauer von 0,l s oder 0,2 s; das sind die sogenannte n sekundenmarken, von denen die kurzen einem null-bit (= low) und die langen einem eins- bit (= high) entsprechen. in jeder minute ?werden 59 derartige marken gesendet, die zusammen ein sogenanntes zeittelegramm ergeben; das enth?lt nicht nur die uhrzeit, son- dern auch noch das datum und den kalendertag. wie man so ein zeittele- gramm lesen und entschlsseln kann, geht aus der tabelle links hervor. wo man anzufangen hat, ergibt sich aus dem synchron-signal: mit der auf die fehlende 59. sekundenmarke fol- genden absenkung beginnt die neue minute und ein neues zeittelegramm. zu diesem zeitpunkt sind die sekun- den automatisch 00 (minutenbeginn). man braucht also blo? die marken mitzuzahlen, um erstens den ,,sekun- denzeiger? zu erhalten und zweitens die lage und bedeutung des betref- fenden 0- bzw. l-bits im zeittele- gramm herauszubekommen. bild 4: nach ?kurz - lang - lang? fehlt ein bit. diese stelle markiert die .sekunde 59; danach beginnt die n?chste minute. electronic actuell magazin 1/94
das empfanger-ic ist als chip direkt auf die platine des empfangsmoduls aufgebondet. bis auf den quarz und cl0 sind alle bauteile als smds auf der platinen- unterseite angeord- net (vgl. bild 6). antenne i, t 47nf 01 cl0 k 1oopf .a 1 cl2 1oopf t ohne uns hier zu sehr im detail zu verlieren, seien noch ein paar dinge angemerkt: die zahlendarstellung er- folgt im bin?rformat (bcd-code), d.h. die dezimale 9d wird zu 1001b. zur bertragung der kompletten uhr- zeit mit datum kommt man mit 35, bits aus, weil z.b. die stunden-zehner nur zwei bits ben?tigen (sie k?nnen nur den wert od, ld oder 2d haben = oob, olb oder 1ob) und man sich beim jahr auf zwei stellen beschr?nkt (also nur ?94? bertr?gt anstelle von ?1994?). daher sind die etliche sekundenmar- bild 6: der kondensator co vom ein- gangsschwingkreis wurde ,,ausgela- gert?; er sitzt direkt auf der antenne. ken ,,unbesetzt? (nr. 0.. .14), und an- dere enthalten nur betriebsinformatio- nen: bit 15 signalisiert beispielsweise, da? die hauptantenne des senders ge- rade ,,geputzt? wird und die reserve- antenne in betrieb ist. die prfbits erg?nzen die vorausge- henden daten auf gerade parit?t, d.h. man z?hlt die darin vorkommenden high-bits und macht daraus eine ge- rade zahl. fr eine auswerteschal- tung ist dies eine grobe m?glichkeit zur fehlererkennung. zur vorwar- nung fr derartige ,,intelligente? de- codierschaltungen dienen die ankn- digungsbits fr eine bevorstehende zeitumstellung (nr. 16) und das ein- fgen einer schultsekunde (nr. 19). die dehnt (durchschnittlich einmal pro jahr) die laborzeit ein bi?chen, damit sonnenzeit und atomzeit in einklang bleiben. die erde hat n?mlich die an- gewohnheit, fr heutige verh?ltnisse sehr ungenau zu ,,gehen?; sie verliert durchschnittlich 5 ms pro tag (aber eben nicht exakt), was sich im lauf der zeit ganz sch?n aufsummieren wrde. zum empfang des deutschen zeitzei- chensenders dcf77 gibt es inzwischen schaltungen wie sand am meer. das hier vorgestellte modul hat mehrere entscheidende vorteile: erstens ist es sehr klein, pa?t also noch berall hin; zweitens gibt es eine darauf abgestimm- te antenne, ebenfalls klein und hand- lich; und drittens sind beide sehr preis- wert als fertigbaustein erh?ltlich. das innenleben zeigt die schaltung oben (bild 5), die smd-bestckte rckseite sehen sie auf bild 6, und die anschiu?- belegung geht aus bild 7 hervor. auf der rckseite al a2 ~ gnd dcf off +uv gnd bild 7: dies ist die anschlu?belegung des moduls bei draufsidht; die anten- nenzuleitungen werden hinten verl?tet. electronic actuell magazin 1 / 94 51
icl (m1,2): cd 4538 ic4 (m3): cd4538 ld5 grn 0 on c5 292 pf t bis auf? bit zerpflcken worum es uns in diesem zusammen- hang geht, ist die sichtbarmachung der im zeittelegramm enthaltenen daten. dazu geh?rt einerseits die information, ob die gerade abgelaufene sekunden- marke eine eins oder eine null war, an- dererseits wollen wir natrlich auch wissen, wann eine neue minute und ein neues telegramm beginnen (bild 8). das ,,ticken? der sekundenmarken er- folgt brigens absolut synchron mit den uhren im fernsehen, die allesamt an dcf77 ,,h?ngen?; und zeitgleich mit dem 20.00~uhr-gong der tagesschau signalisiert unsere decodierschaltung, da8 gerade eine neue minute anfangt. ic2 (ff): cd4011 ic3: cd4013 wer das sekundenblinken mitz?hlt und sich die bits ab nr. 21 notiert, kann die aktuelle uhrzeit auch ,,zu fu?? ent- schlsseln. bertragen wird immer die zeit der n?chsten minute, d.h. die nach der synchronmarke gltige uhrzeit. in der minute nach 20.00 h wird demnach als minuten-einer eine id (= 000 lb) ge- sendet, w?hrend der minuten-zehner noch null bleibt (= oooob); das erste prfbit (sekunden 28) ist in diesem fall eine ib, um die sieben voraufge- gangenen bits auf eine gerade anzahl ?highs? zu erg?nzen. die bits 21.. .28 haben also nach -jeder vollen stunde dasselbe aussehen: o-o-o - 1 (minuten = old erst!], f?riifbit = high). 1-o-o-o - [lsb zu- bild 8: mit dieser schaltung bekommen sie nicht nur heraus, ob gerade ein high- oder low-bit gesendet wurde, sondern sie erhalten auch noch die syn- chronisatious-information (sek. 59). ohne prophet zu sein, kann man (nach jeder vollen stunde) auch die bits nr. 29.. .32 voraussagen; die sind n?mlich ebenfalls alle null (oooob), weil der stunden-einer in der minute nach dem stundenwechsel logischerweise noch null sein mu?! in einer minute mitschaltsekunde gibt es 61 sekunden (also 60 marken); das ist jedesmal sehr aufregend, geht aber leider viel zu schnell vorbei. das n?ch- ste mal bietet sich dieses schauspiel am 1.7.1994 in der minute vor 2.00 h. 52 electronic actuell magazin 1194
bild 9: ein paar monoflops und ein flipflop liefern das zur decodierung der sekundenmarken ben?tigte timing. das hing mu6 stimmen die schaltung links wird mit der stan- dard-spannung von +5 v versorgt, um hinsichtlich weiterer auswerteschal- tungen flexibel zu sein. die vom mo- dul ben?tigten ca. 2 v zweigen wir von der leuchtdiode ld1 ab, die gleichzei- tig als power-on-signal dient. gatter 4 dient als eingangspuffer, um den modul-ausgang nicht zu belasten. gatter g3 bergibt das signal an eine eventuell angeschlossene auswerte- schaltung, und gleichzeitig blinkt ld3 im takt der sekundenmarken. mit der fallenden flanke jeder sekun- denmarke @cf) wird monoflop ml angesto?en, das einen low-impuls von 150 ms erzeugt (clk); das ist z?n- ger als ein low-bit (das bei diesem modul max. 120 ms lang sein kann), aber auf jeden fall krzer als ein high- bit (mit mindestens 180 ms dauer; bild 9). der querstrich ber dem si- gnalnamen bedeutet brigens, da? der betreffende pegel aktiv low ist. die ansteigende clk-flanke taktet das d-flipflop ff, dessen q-ausgang (lev) bei kurzen sekundenmarken high-wird und bei langen auf low geht (q verh?lt sich genau umgekehrt). gleichzeitig erzeugt monoflop m2 ei- nen torzeit-impuls (tor) fr die gat- ter 1 und 2; je nachdem, welches von beiden vom flipflop freigegeben wird, leuchtet entweder ld1 (lo bei kurzen marken) oder ld2 (hi bei langen marken). am ende einer marke erfah- ren sie also, ob gerade eine null oder eine eins gesendet wurde. f cw43it high-bit ( j; .- . -............. * tofi ?...._._.........~............................._ _..*.e__.. (wz) & 33oms ,330ms t ._._____..._........ 1 ~__...._.__...._..._ der torzeit-impuls zur gatter-freiga- be ist notwendig, um die bits optisch voneinander zu trennen: wenn gleich- artige bits aufeinanderfolgen (z.b. ei- ne reihe von low-marken), ?ndert sich am zustand des flipflops nichts, d.h. der pegel bleibt bis zur n?chsten ?nderung konstant und man wei? nicht, wieviele bits dahinterstecken. so aber folgt auf jedes gelbe dcf- blinken die zusatzinformation ?rot? oder ?grn?. mit etwas bung ist man brigens auch beim blo?en hinsehen in der lage, lan- ge und kurze marken zu unterscheiden. wer sich dieses blinken anstelle eines langweiligen fernsehprogramms an- sieht, verinnerlicht den sekundentakt nach einiger zeit wie eine uhr.. . eins aber fehlt noch an dieser einfach- decodierschaltung, und zwar der an- fang jedes neuen telegramms. wie sie wissen, erkennt man den minuten- anfang (d.h. die sekundenmarke 00) daran, da? eine sekunde davor (bei nr. 59) die marke ausgeblieben ist. elektronisch ist diese erkennung eine ziemlich einfache sache: man nimmt sich wieder ein monoflop her, und zwar ein retriggerbares; darunter ver- steht man eine monostabile kippstufe, die bei einem ansto? (trigger) wie gewohnt ihren ausgangsimpuls er- zeugt. erfolgt w?hrend dieser laufzeit ein erneuter ansto? (retrigger), ver- l?ngert sich in diesem fall das aus- gangssignal ohne unterbrechung. es endet dann mit ablauf der eingestell- electronic actuell hl&azin 1194 53
stilecht die vorgeschlagene schaltung l??t sich natrlich ohne weiteres auf einem steckbrett realisieren, wie es fr ver- suchsaufbauten benutzt wird (bild 10). es gibt sogar fertig gebogene und abisolierte steckbrcken in unter- schiedlichen rasterma?en, mit denen dieses unterfangen zum kinderspiel wird (vgl. e*a*m 5193, seite 18). natrlich haben wir auch ein layout entworfen, das eine professionelle l?- sung zul??t. und ebenso natrlich ist es - passend zum empfangsmodul - in smd-technologie realisiert. bild 11 zeigt den bestckungsplan, der we- gen der besseren lesbarkeit gegen- ber dem original wesentlich ver- gr??ert dargestellt wurde. in wirklich- keit ist die platine nur ein bi?chen gr??er als eine streichholzschachtel. bei den bauteilen handelt es sich aus- nahmslos um standardtypen, so da? hier keine ?beschaffungsprobleme zu erwarten sind. wenn sie bei der selbst- herstellung der platine das layout von seite 35 verwenden, mssen sie nach dem ?tzen noch ein bi?chen s?gen: zuerst s?gen sie die die rundl?cher aus, in denen sp?ter der ferritstab der antenne steckt (bild 12). und dann trennen sie die beiden antennenhalter von der mutterplatine, um sie an- schlie?end auf den dafr vorgesehe- nen kupferfl?chen anzul?ten (aber erst ganz zum schlu?). die gegenber smds immer wieder ge?u?erte skepsis ist vollkommen un- begrndet, das sei an dieser stelle ein- mal mehr gesagt. trauen sie sich ge- trost einmal heran, mit den ersten er- folgen kommt der spa? an der sache! dcf?7=decodieruna ?, platine: _ __ 1 dcf77-decodietung halbleiter: ? cl.4 2 ic2 1 kwelfach-monoflop vierfach-nand ic3 ld1 ,5 :? ? zweifach-d-flipflop ? low-current-led ld2 1 low-current-led ld3,4 2 low-current-led w 1 nm 9325 cd4538. cd 401.1 ?~ cd 4013 grn _ rot gelb fertigqodule: -ws 1 dcf-empfangsmodul ? -_- 1 i pbssende antenne ak 2124 ? 1,8 nf/2,3 mh 54 bild 11: wenn sie die smd-technik des moduls konsequent beibehalten wollen, verwenden sie diesen layout-vorschlag. zur generellen ,,verarbeitung? von smds haben wir im heft 7/92 die zehn wichtigsten grundregeln ge- bracht, und im vorigen heft folgten ein paar werkzeuge, die einem die ar- beit erleichtern. was diesbezglich sein m$? ist erstens ein bleistift-l?t- kolben mit 0,5mm-fadenzinn und zweitens eine leuchtlupe, die einem das auffinden und identifizieren er- leichtert. ob sie sich dann fr l?tpa- ste entscheiden (wie im vorigen heft beschrieben) oder sich sogar noch eine vakuum-pipette zulegen, bleibt letzt- lich eine frage des geschmacks (und des geldbeutels). vor dem eigentlichen bestcken geht es ans gro?reinemachen, jedenfalls auf dem arbeitstisch. da die winzi- gen bauteile schnell im berg alter l?treste oder drahtenden untergehen, ist ordnung oberstes gebot; am be- sten legen sie ein sauberes blatt pa- pier unter, wenn sie die teilchen sichten und sortieren. damit sie sich den zugang zur platine nicht verbauen, sollten empfangsmodul und antenne noch nicht aufgel?tet wer- den. beginnen sie stattdessen mit den jumper-n jl . . . j7, die im prinzip null- ohm-widerst?nde sind und die funkti- on von drahtbrcken bei der herk?mm- lichen bestckung bernehmen. prinzipiell geht man beim bestcken so vor, da? man die l?tfl?che fr ei- nen bauteil-anschlu? verzinnt, das bauteil plaziert und dann die vorver- zinnte stelle kurz anschmilzt; damit haben sie das teil an seinem platz fi- xiert und k?nnen es komplett anl?ten. electronic actuel l magazin 1/ 94
bild 12: die linke led dient zur anzei- ge der betriebsbereitschaft; gleichzeitig liefert sie die modul-versorgung. zur schrittweisen fertigstellung mit parallel laufender prfung empfehlen wir die folgende vorgehensweise: setzen sie die bestckung mit r5, c4, cs und c6 sowie leuchtdiode ld5 fort; wenn sie dann an +uo proviso- risch ca. 3 v anlegen, mu? als erstes erfolgserlebnis die grne leuchtdiode erstrahlen (zusammen mit ihnen). bei den smd-elkos erkennen sie den pluspol an einer wei?en markierung, die entweder als querstrich oder dicker balken ausgefhrt ist; alterna- tiv dazu sind auch solche bauformen im handel, die an der plusseite eine einkerbung haben. nun ist ic2 mit den vier nand-gat- tern an der reihe (4011 oder 14011); zusammen mit r4, r8 und ld3 ist die n?chste prfung f?llig: wenn sie den eingang dcf (am modul!) an masse legen, mu? die gelbe leuchtdiode auf- leuchten. es versteht sich von selbst, da? die versorgungsspannung zum l?ten jedesmal abgeklemmt wird! wenn so weit alles geklappt hat, kommt der hauptteil dran: dazu geh?ren die beiden monoflops in ic1 (4538 oder 14538) mit ihrem schmckenden beiwerk (rl/r2 und c l/c2) sowie das flipflop in ic3 (4013 oder 14013). die beiden widerstande rl und r2 drfen sie nicht verwechseln, weil sonst keine decodierung zustande- kommt. das schema der smd-wider- standsbeschriftung kennen sie doch? es ist ein dreistelliger code, bestehend aus einer zweistelligen basiszahl und dem zehner-exponenten: 334 bedeutet also 33 l 104 = 33 0 l 103 = 330 kr. l?ten sie ebenfalls die beiden leucht- dioden ld 1 und ld2 mit ihren vorwi- derst?nden an. in der reihenfolge auf dem bestckungsplan kommt ld2 vor ldl, wenn man rechts au?en anf?ngt! ein grober test zeigt ihnen, da? sich berhaupt ,,etwas bewegt?; eine richti- ge funktionsprfung ist das noch nicht: legen sie wieder +5 v an und stochern sie in schneller folge am dcf-eingang; an den drei leds mu? sich daraufhin etwas blinkendes ab- spielen, das, wie gesagt, noch keinen sinngehalt hat. und schlie?lich gehen sie aufs ganze und komplettieren die bestckung mit dem noch fehlenden ic4 (4538 oder 14538), dessen rc-glied und der 59er- leuchtdiode. ist das erfolgreich abge- schlossen, kommen endlich auch das modul und die antenne an ihren vorge- sehenen platz. bei der antenne durfte die montage klar sein: die beiden seit- lichen halter sitzen auf der basisplati- ne auf, und der stab steckt quer darin. sollte er allzu sehr schlackern, fixieren sie die beiden ?u?eren enden mit ei- nem eng gewickelten s c hnippgummi. mit kleinen drahtbrcken stellen sie die verbindung zur basis her und set- zen dann alles in betrieb. die antenne arbeitet weitgehend richtungsunabh?n- gig, so da? eine ausrichtung zum sen- der nur in sehr ungnstigen lagen er- forderlich ist. wenn sie einen c64 oder einen amiga haben, k?nnen sie sogar noch eine software zur decodie- rung und bildschirm-darstellung von uhrzeit und datum bekommen; die verbindung zum computer (der gleichzeitig stromversorgung ber- nimmt) zeigt bild 13. aber achtung ! vom computer kom- men +5 v, die fr den betrieb der schaltung herabgesetzt werden ms- sen (zwei ln4148-dioden in die stromversorgungsleitung zu +uo le- gen). eine eigenst?ndige decodier- schaltung mit ziffernanzeigen ist bei uns in vorbereitung. +5 v 12345 bild 13: 1 2 3 4 5 6 7 8 9101112 die anschlu?bele- gung beider stecker ist von der l?tseite gezeichnet. der linke gilt fr den user-port des c64, lc der rechte fr den dcf (pa2) gnd joystick-anschlu? des amiga. electronic actuel l magazin 1194 55

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