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Quarzoszillator für DCF77-Uhr mit ATmega16

Ein Quarzoszillator für den DCF77-AM-Superhet-Empfänger

Bitte beachten: diese Seite ist noch nicht in der Praxis getestet.

1 Warum und für was ein Quarzoszillator?

Der Empfänger, wie beschrieben, verwendet einen TCA440 um die Oszillatorfrequenz von (455 + 77,5 kHz) mit der Empfangsfrequenz von 77,5 kHz zu mischen, um die Zwischenfrequenz von 455 kHz zu erhalten. Die Originalauslegung verwendet eine Spule, einen Kondensator und einen C-Trimmer, um die Oszillatorfrequenz mit dem TCA440-internen Oszillator zu erzeugen. Es ist daher klar, dass die Einstellung der Oszillatorfrequenz temperaturabhängig ist. Die Empfangsfeldstärke im Sommer und Winter variiert etwa mit einem Faktor zwei. Bei mir, 28 km entfernt von der DCF77-Antenne, mag das noch hinnehmbar sein, in größerer Entfernung zu Mainflingen oder bei starken Störsignalen neben der DCF77-Frequenz kann das zum Problem werden.

Ich denke daher schon seit längerem darüber nach, wie man die Oszillatorfrequenz stabil auf 532,5 kHz einstellen kann. Natürlich gibt es keine 532.5-kHz-Quarze zu kaufen, es muss daher auf eine höhere Frequenz ausgelegt und auf 532.5 kHz (oder 377.5 kHz) heruntergeteilt werden.

2 Auswahl der Quarzfrequenz

Um optimale im Handel verfügbare Quarze und Quarzoszillatoren auszuwählen, habe ich alle kriegbaren im LibreOffice-Berechnungsblatt hier zusammengestellt und

die nächstliegenden ganzzahligen Teiler für 532,5 und 377,5 kHz berechnet,
die Abweichungen der erzeugten geteilten Frequenz von den beiden Sollfrequenzen gebildet (in % und in Hz).

Das ist ein Auszug aus den verfügbaren Einzelquarzen. Die Abweichungen beim 6,4- und beim 16-MHz-Quarz von 833 (additive Mischfrequenz) bzw. beim 9,8304-MHz-Quarz von 592 Hz (subtraktive Mischfrequenz) von der Sollfrequenz sind verschmerzbar, weil der Eingangskreis mit der Ferritantenne eine viel breitere Selektivität aufweist.

Quarzoszillator-Differenzen

Das sind die verfügbaren Quarzoszillatoren (Auszug) und die Differenzen beim 14.31818-MHz (subtraktiv) und beim 16.00 MHz-Oszillator liegen ebenfalls unter einem kHz.

Beides, ein Einzelquarz als auch ein Quarzoszillator, ist also für diesen Zweck gut geeignet.

3 Der Controller ATtiny25 für diesen Zweck

Teilen kann man die Quarzfrequenz entweder mit einem TTL-Divide-by-N-Zähler (old school) wie einem 74LS93-Zähler mit einem 74LS85-Vergleicher), mit einem CMOS-Divide-by-N-Zähler 4018 oder 4059 oder halt mit einem Mikrocontroller, hier einem ATtiny25. Der Controller hat folgende Vorteile:

er kommt in einem kleinen 8-poligen Gehäuse daher,
gegenüber TTL hat einen sehr viel geringeren Strombedarf,
er kann durch jede Ganzzahl zwischen 1 und 256 teilen,
ein Quarzoszillator ist schon vorhanden und braucht nicht extra zugebaut werden, nur eine Fuse ist zu ändern,
er produziert gleichzeitig das normale und das invertierte Signal, um zwei symmetrische Sinusse für den TCA440 zu erzeugen.

Natürlich muss man in der Lage sein, den ATtiny25 zu programmieren.

Das Teilen durch 13 wird mit dem 8-Bit-Timer/Counter TC0 im ATtiny25 erledigt. Dieser wird in den CTC-Modus versetzt (Clear Timer on Compare match) und der Teilerwert Minus 1 wird in die beiden Vergleicher-Register geschrieben. Die Ausgabepins OC0A und OC0B werden in den Toggle-Modus versetzt und im Richtungsregister als Ausgang definiert. Um ein gegenphasiges Signal zu kriegen wird einer der beiden Ausgänge zu Beginn auf High gesetzt, der andere auf Low gelassen. Das produziert ein gegenphasiges Ausgangssignal an den beiden Pins. TC0 wird dann mit einem Vorteiler von 1 gestartet.

Beim Programmieren des ATtiny25 in der fertigen Schaltung nicht vergessen, dessen internen RC-Taktoszillator auf den externen Quarz umzustellen.

4 Sinuskurven aus Rechtecken

Der ATtiny25 produziert zwei invertierte Signale an seinen OC0A- und OC0B-Ausgängen. Da der TCA440 zum Mischen aber Sinussignale erwartet, müssen diese Rechtecke etwas umgeformt werden, in einem vierstufigen RC-Netzwerk.

RC network simulation

Unter Verwendung des RC-Netzwerk-Simulators aus dieser Webseite, Kapitel 4, habe ich vier R mit 3k3 und C mit 100pF bei 378 kHz kombiniert, was schöne Sinussignale mit ausreichender Amplitude erzeugt, mit denen der TCA440 an seinen Oszillatorpins gespeist werden kann.

5 Schaltung des Oszillators

Das ist schon alles. Damit gehört das ständige Nachjustieren der Oszillatorfrequenz bei TCA440 der Vergangenheit an.

Bitte beachten, dass ich das noch nicht getestet habe.

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