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| Ein 10-MHz Quarz (VCXO) wird durch einen STM32 an die Trägerfrequenz des [https://de.wikipedia.org/wiki/DCF77 DCF77 Zeitzeichensenders] gebunden.
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| Da diese selber an die Atomuhren in Braunschweig gebunden ist und eine relative Standardabweichung von 10^-12 hat, sollte so (bei vorhandenem Signal)
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| ein sehr genaues aber gleichzeitig günstiges [https://de.wikipedia.org/wiki/Frequenznormal Frequenznormal] entstehen.
| | ! Name !! Typ !! IP |
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| = Überblick =
| | | Bienenhaus || Bienenstock Projekt || 10.10.21.5 |
| Als Antenne wird eine herkömmliche Ferritkern-Antenne, wie sie in Funkuhren zu finden ist, verwendet.
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| | | | EEZ-BB3 || Labornetzteil || 10.10.22.1 |
| Das empfangene Signal wird durch einen Bandpass auf den 77.5 kHz-Träger reduziert und durch z.B. einen Komparator
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| zu einer Rechtecksschwingung umgewandelt. (Alternativ: Analoge Messung durch Microcontroller)
| | | Rigol DG1022Z || Funktionsgenerator || 10.10.22.2 |
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| Ein STM32-Microcontroller, dessen PLL von den VCXO gespeist wird, zählt bestimmt die Phasenverschiebung
| | | Rigol DS4054 || Oszilloskop || 10.10.22.3 |
| gegenüber dem DCF77 Signal und korrigiert die Kontrollspannung des VCXO so, dass
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| die Abweichung auf 0 gemittelt wird.
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| = Signalempfang =
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| Zum Empfang des Signals wird eine Ferritkern-Antenne verwendet, die aus einem alten Funkwecker entfernt werden kann.
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| Bei Bedarf kann ein größerer Ferritstab gekauft werden (eBay oder Aliexpress haben 200x10 mm Stäbe für etwa 8 Euro
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| bzw. 7 USD). Solche Antennen sind recht schmalbandig, was hier von Vorteil ist, und haben im Vergleich zur Wellenlänge
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| des Signals sehr kleine Dimensionen - eine Welle eines 77.5 kHz Signals hat eine Länge von etwa vier Kilometern.
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| = Signalaufbereitung =
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| [[Datei:DCF77-Spektrum-mit-PC.png|320px|thumb|right|Spektrum an einer Ferritkern-Antenne, störender Einfluss durch die Verbindung vom PC an das Oszilloskop durch einen USB-RS232-Adapter]]
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| [[Datei:DCF77-Spektrum-ohne-PC.png|320px|thumb|right|Spektrum an einer Ferritkern-Antenne, ohne direkte Verbindung mit dem PC]]
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| Im Test ist knapp unterhalb der Trägerwelle ein Störsignal zu sehen, das sich in der Regel zwischen 70 und 75 kHz aufhält, aber teilweise
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| auch näher an die Trägerwelle herankommt. Dies kommt von dem Rechner, der in der Nähe des Oszilloskops steht. Die Antenne sollte also möglichst weit
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| von PCs (oder anderen Geräten mit Schaltnetzteilen) aufgebaut und ihr Signal nach Verstärkung über ein abgeschirmtes Kabel zum digitalen Teil
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| der Schaltung geleitet werden.
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| Als Filter bietet sich ein Quarzfilter an. Quarzfilter haben eine sehr niedrige Bandbreite, was den Empfang von Sekundenpulsen ungenauer macht. Da
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| für unseren Zweck die Zeit egal und nur die Trägerwelle von Interesse ist, ist dies belanglos.
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| Nach dem Filter sollte eine Verstärkung des Signals erfolgen, die eventuell einen AGC (Automatic gain control) Kreis beinhaltet.
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| * JFET-Buffer (TL084?)
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| * Quarzfilter als Bandpass um 77.5 kHz
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| * Verstärkung mit AGC?
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| == Quarzfilter ==
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| Es wurden 100 77.5 kHz Quarze von [https://www.aliexpress.com/item/77-5KHZ-77-500KHZ-3-8-308-2Pin-DIP-XTAL-Crystal-Oscillator-x-50PCS/1988635809.html AliExpress] bestellt.
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| In Messungen mit einem [http://sdr-kits.net/VNWA3_Description.html VNWA3] hatten vier davon eine durchschnittliche Serienresonanzfrequenz <math>f_s</math> = 77495.2 Hz, eine Parallelresonanzfrequenz <math>f_p</math> = 77537.5 Hz, und eine Serienkapazität <math>C_s</math> = 1.42187 fF. Mit diesen Werten lässt sich nach [http://www.giangrandi.ch/electronics/crystalfilters/xtalladder.html Iacopo Giangrandis Kristallfilter-Rechner] mit einigen 18 pF (nach Rundung, vorher 16.7 pF und 19.4 pF) Kondensatoren ein Filter bauen, der eine Bandbreite von 8 Hz hat und nach 200 Hz eine Dämpfung von 86 dB erreicht.
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| = Kontrollalgorithmus =
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| Der Träger wird mit 10 kHz abgetastet, es wird also eine <math>(77.5 % 10) \text{kHz} = 7.5 \text{kHz}</math> Schwingung gemessen. Zu jedem
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| Zeitschritt wird der Messwert <math>v_k</math> zu einer komplexen Zahl <math>v_k + 0*i</math> erweitert und durch Multiplikation mit
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| <math>(sin(2\pi\cdot 2500 \cdot t), cos(2\pi\cdot 2500 \cdot t))^T</math> mit 2500 Hz gemischt. Dies entspricht abwechselnder Multiplikation mit
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| (0,1), (1,0), (0,-1), (-1,0). Die Komponenten des Vektors werden (wenn sie nicht gerade mit 0 multipliziert wurden) über längere Zeit gemittelt.
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| Aus den Komponenten lässt sich eine Phase berechnen, und aus deren Ableitung die Frequenzabweichung des Ofenquarzes, die man auf 0 regelt.
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| Alternativ lässt sich entweder die Phase auf 0 regeln, oder man lässt die Phasenberechnung komplett aus und stellt den Sollpunkt des Reglers z.B.
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| so ein, dass die In-Phase und Quadratur Komponenten des Vektors gleich sind. Dies kann aber zu Problemen führen, wenn die Frequenz nicht ausreichend
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| schnell geregelt werden kann und es Phasenüberläufe gibt.
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| [[Kategorie:Projekte]]
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