Unterrichts- und Lernmaterial für Mikrocontroller
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DCF77 Empfangsmodul

Abbildung 1 - DCF-Modul der Fa. ELV mit 220 kOhm Pull-Up-Widerstand am Signalausgang.

Die Physikalisch-Technische-Bundesanstalt (PTB) sendet über einen Langwellensender bei 77,5 kHz die Uhrzeit (Atomuhr) für die Bundesrepublik Deutschland aus.

In vielen privaten Haushalten befinden sich heute sogenannte DCF-Funkuhren, die über den Langwellensender automatisch zwischen Sommer- und Winterzeit umschalten und ihre angezeigte Zeit in festgelegten Zeitabständen mit der Atomuhr abgleichen.

Die Zeitinformation wird über die Impulslänge codiert; dabei wird pro Sekunde genau ein Bit übertragen, insgesamt 60 Bits pro Minute (siehe Zeitprotokoll). Ein LOW-Bit (0-Bit) wird durch Absenkung der Trägeramplitude für 100 ms dargestellt, ein HIGH-Bit (1-Bit) durch Absenkung für 200 ms.

In der 59. Sekunde erfolgt keine Absenkung; dadurch kann sich ein Empfänger auf den Beginn einer neuen Minute synchronisieren.

Das Zeitprotokoll

BCD - binary coded decimal bedeutet so viel wie binär codierte Dezimalstellen

Am Ausgang eines DCF-Moduls lässt sich das Signal abnehmen. Führt man es an den Eingang einer kleinen LED-Transistor-Schaltung, dann lässt sich über das Aufblinken der LED im Sekundentakt die Funktion des Moduls optisch überprüfen oder man legt das Ausgangssignal an den Eingang eines Oszilloskops.

Übung 1 - Empfang eines DCF-Moduls überprüfen

In dieser Übung wird das Verhalten eines DCF-Moduls mit Hilfe einer LED-Schaltung näher untersucht.

Empfang eines DCF Moduls mit einer LED-Schaltung überprüfen

Material

  • 1x  DCF-Modul (Fa. Reichelt)
  • 3x  Batterie 1,2 V Akku
  • 1x  Steckernetzteil, 5 V
  • 1x  Steckbrett
  • 1x  Batteriehalter (3-fach)
  • 1x  NPN Transistor, z.B. BC 547
  • 1x  Widerstand, 220 Ohm
  • 1x  Widerstand, 10 kOhm
  • 1x  Datenblatt des DCF-Moduls

Aufgaben

  • Entnimm dem Datenblatt des DCF-Moduls die maximale Betriebsspannung.
  • Entnimm dem Datenblatt den Ausgangsstrom bei "HIGH" und "LOW".
  • Entnimm dem Datenblatt die Impulsbreite für logisch "0" und "1".
  • Baue die Schaltung nach Schaltungsskizze auf dem Steckbrett auf.
  • Schließe die Spannungsversorgungen an. Achte auf die richtige Polung.
  • Die rote LED sollte nach kurzer Zeit blinken. Ist das nicht der Fall, verändere die Position des Ferritkerns so lange, bis ein regelmäßiges Blinken der LED einsetzt.
  • Mit welcher Frequenz blinkt die LED?
  • Fällt dir am Blinkverhalten der LED etwas aus? Versuche es zu beschreiben.

Schaltungsskizze

Ergebnisse

Die maximale Betriebsspannung des DCF-Moduls liegt nach Datenblatt des Herstellers zwischen 1,2 V und 5 V.

Die Ausgangsströme bei "HIGH" und "LOW" sind mit > 5 µA angegeben.

Die Impulsbreite für logisch "0" liegt zwischen 40 und 130 ms, für logisch "1" zwischen 140 und 230 ms.

Wenn alles richtig aufgebaut wurde, sollte die LED im Sekundentakt blinken und alle 60 Sekunden einen "Aussetzer" anzeigen.

Bei genauer Beobachtung sollte erkennbar sein, dass die Leuchtdauer der LED variiert; es gibt kürzer und etwas längere Blinkzeichen.

Die Beobachtungen aus Übung 1 lassen sich mit einem Oszilloskop genauer analysieren. Verbindet man die Signalleitung des Moduls anstelle mit einer LED-Transistorschaltung mit einem  Oszilloskopkanal, erhält man ein sehr genaues Zeitdiagramm (Abb. 2). Es bestätigt die Beoabchtungen an der LED.

Abbildung 2 - Das rot markierte Rechteck weist die 59. Sekunde im Zeitsignal aus. Die nachfolgenden Absenkungen haben eine Breite von 100ms ("0") bzw. 200ms ("1").

Die Aufnahme der Abb. 2 ist mit einem PicoScope2000 an einem DCF Empfangsmodul der Fa. ELV entstanden. Der Open-Collector-Ausgang ist mit einem 220 kOhm Pull-Up-Widerstand (Abb. 1) zur Versorgungsspannung +5V versehen.

Schaut man sich die DCF77-Zeitinformation etwas genauer an, erkennt man sehr deutlich die zwei unterschiedlichen Absenkungen der Trägeramplitude: 100ms für eine "0" und 200ms für eine "1".

Abbildung 3 - Absenkungen der Trägeramplitude im DCF-Zeitzeichensignal von 100 und 200 ms.

Ein invertiertes Zeitsignal erhält man mit dem DCF-Modul der Fa. Reichelt aus Übung 1. Es reagiert deutlich empfindlicher auf Störsignale (z. B. vom Monitor, Drucker etc.) und Restwelligkeit in der Spannungsversorgung; der Abstand des Moduls zu Störquellen sollte deshalb möglichst groß gehalten werden. Als Energiequelle wurde ein Batterieblock (3x AA) verwendet.

Abbildung 4 - Invertiertes DCF-Signal

Die Zeitinformationen beginnen ab Bit 21. Bit 20 ist immer "1".

Abbildung 5 - Zeitinformationen im DCF-Funksignal ab Bit 21.

Dekodiert man die in Nullen und Einsen ausgedrückte Zeitinformation manuell, muss man wissen, dass das LSB zuerst geschrieben wird. Die Zeitinformation aus Abb. 5 dekodiert ergibt:

  • 12:16 - Freitag, 16.02.18 (bitte selbst nachprüfen!!).

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Kommentare

  • olaf (Sonntag, 10. Dezember 2017 08:35)

    wow...die mit Abstand beste Site, die ich bisher zu diesem Thema gesehen habe :-))
    Vielen Dank dafür. Hilft super beim Erklären!!

  • David Eisenblätter (Sonntag, 11. Februar 2018 13:38)

    Sehr schön erklärt, und zufällig heute, wo ich nochmal nach einer detailierten Gedankenstütze diesbezüglich gesucht habe!

    Vielen vielen Dank!

    David.

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