Ontvanger

Algemeen
In principe gebeurt het ontvangen in een paar stappen. Ten eerste moet je het signaal opvangen met een antenne, vervolgens moet je het signaal versterken en filteren, zodat je alleen het DCF signaal overhoudt. Daarna moet het gefilterde AM signaal gedemoduleerd worden. Wat je dan overhoudt is een pulserend signaal (bijna digitaal). Deze moet nog gedigitaliseerd worden (op TTL niveau worden gebracht) zodat het door de microcontroller in te lezen is. Schematisch gezien ziet dat er ongeveer uit als op het plaatje hier onder.

DE ANTENNE
Er wordt wel gesproken over 77kHz maar eigenlijk is dat 77.5 kHz. Dit is een hele lage frequentie (LF) om te ontvangen met een gewone antenne. Bij bijvoorbeeld TV of radio(FM) ontvangst is de zendfrequentie veel hoger. Die zitten in de Mega-hertzen, en er wordt dan meestal gebruik gemaakt van een dipool antenne of een sprietantenne. Bij mobiele telefonie is de draaggolf frequentie nog hoger en kan er een nog kleinere antenne gebruikt worden. Dit is omdat de golflengte dan nog kleiner is.
In het plaatje hieronder zie je een principe tekening van een dipoolantenne.

Bij een dipool antenne moet de afstand tussen beide polen 1/2 golflengte zijn. Hierdoor ontstaat er resonantie tussen beide polen voor die frequentie.

Dit antenne type is niet geschikt voor het ontvangen van het DCF signaal, want met een frequentie van 77.5kHz is een dipool antenne nodig met een
spanwijdte van 1935 meter.

1/2 golflengte = 1/2 x 3871 = 1935 meter.

Ferriet antenne
Een dipool antenne is dus niet geschikt. Een andere manier om signalen te ontvangen is met een Ferriet antenne. Deze antenne wordt ook vaak toegepast in het ontvangen van AM radio signalen. Deze radio signalen hebben ook een relatief lage frequentie.
Het signaal van het DCF systeem maakt ook gebruik van een AM modulatie.

Ferriet (ferrite in het Engels) is ontwikkeld in de tweede helft van de jaren '40. Het Philips NatLab speelde hierin een belangrijke rol. Philips noemde het materiaal Ferroxcube. In 1950 werd het spul al door Philips gebruikt voor luidsprekermagneten. Eind 1952 verschenen er Philips radio's met (soms vrij korte) Ferroxcube staafantennes. Philips was daar nog wat mee aan het "spelen". In sommige draagbare ontvangers zat een Ferroxcube staafantenne voor de LG, plus een raamantenne voor het middengolf bereik. Een paar jaar later was de Ferriet staafantenne heel normaal.

Een ferrietstaaf is in dezelfde richting gevoelig als een raamantenne; beide zijn in feite gewoon een spoel. De raamantenne heeft als kern alleen lucht, en zoals we uit de natuurkundige tabellenboeken weten, heeft lucht een relatief zeer lage magnetische permeabiliteit. Om toch voldoende veldlijnen te kunnen omvatten moet de spoel dus een grote kern hebben. De ferrietantenne heeft als kern het magnetisch zeer permeabel ferrietmateriaal. Hierdoor kunnen zeer veel magnetische veldlijnen lopen zodat met een kleine diameter volstaan kan worden. In principe werken de beide antennes exact hetzelfde, de uitvoering is alleen iets anders.

Dit is een voor DCF-77
ontworpen ferrietantenne.

Om de elektromagnetische velden goed te kunnen opvangen in de ferrietantenne moet de antenne wel 90 graden zijn gedraaid ten opzichte van de mast.

Het Versterken en filteren
Nu hebben we een geschikte antenne, maar nu nog het signaal versterken en filteren.
Dit heb ik geprobeerd; ik heb eerst van alles opgezocht op het gebied van AM ontvangers, maar deze waren meestal niet geschikt voor ferrietantennes. Toen heb ik zelf een schakeling ontworpen met OpAmps, en aan de hand van formules een filter structuur ontworpen. Ik heb schema’s getekend en die aan de Dhr. Bouwman laten zien. Hij ging er ook vanuit dat het wel zou werken op deze manier. Vervolgens heb ik de schakeling in Pspice opgebouwd, en de schakeling gesimuleerd.

SCHEMA

Ik heb gekozen voor een gebalanceerde antenne opstelling (zie schema, L3 + C5 is de ferriet antenne). De OpAmp is een verschilversterker, de antenne geeft een zeer kleine inductie spanning af, deze kan zo optimaal versterkt worden. De antenne is op deze manier ook volledig ontkoppelt voor het filter gedeelte (actief filter). Dit komt door de hele hoge ingangs- impedantie van de OpAmp en de lage uitgangsimpedantie aan de uitgang. Zo hebben de circuits geen invloed op elkaars werking.
De simulatie gaf de volgende uitdraai:

De filter en versterkers werkten, volgens de uitkomsten van Pspice, perfect. Het hoogste piek-signaal is afkomstig van de uitgang op de 3e opamp.

De practijk
Voor de filters heb ik een bandfilter gekozen doormiddel van een LC kring.
Voor het berekenen van de componenten, Heb ik de volgende formule toegepast.

In het magazijn lagen spelen van 100mH, aan de hand van die spoel heb ik mij condensator berekend.

Ik wou voor het maken van een breadboard opstelling een verstelbare condensator zodat ik mijn schakeling zou kunnen afstellen. Er waren allen verstelbare condensatoren van tientallen pico farad. Ik heb de schakeling opgebouwd met een condensator van 42nF en een spoel van 100mH. Het filter heb ik daarna getest, en dat werkte goed.
Vervolgens heb ik de antenne schakeling er op aangesloten. Met een functiegenerator op 77.5kHz en een zend antenne heb ik het signaal nagebootst, en het op de opstelling proberen te ontvangen. Dit was geen succes. Ik heb nog een week of twee op verschillende manieren geprobeerd het signaal te ontvangen. Ik heb zelfs nog een PCB gemaakt omdat de breadboard veel storing veroorzaakte. Met het PCB hoopte ik dat ik nu wel wat zou ontvangen. Ik heb ook nog veel met andere project groepen, die met het zelfde onderwerp bezig waren, overlegd. Want ook zij kregen de ontvanger niet werkend. Op een gegeven moment hebben we besloten het ontvangst gedeelte niet meer zelf te gaan doen.
Walter heeft een Hema DCF klok gekocht en daar de module uitgehaald. Deze zit nu in onze wekker en werkt wel goed.

De verschillende redenen, waarom het in de simulatie wel werkte maar in de practijk niet, heb ik lang over na gedacht.
Ik ben tot de volgende conclusies gekomen.

• Het te ontvangen signaal is een relatief lage frequentie waardoor het lastig wordt een goede filter te bouwen omdat de componenten niet makkelijk te krijgen zijn.

• Een verstelbare capaciteit was niet voor handen. Ik heb uit een oude radio een verstelbare condensator gebruikt. Die kwam wel in de buurt van die waarde maar haalde het ook niet. Hierdoor kon het filter niet precies afgestemd worden op de juiste frequentie.

• OpAmps produceren in verhouding tot het zwakke DCF signaal veel ruis.

• De inductie spanning van de antenne is veel te laag om goed te kunnen filteren en versterken.

• De OpAmp heeft veel last van 'drift'. Als de OpAmp wat warm wordt verloopt mijn offset regeling

Het demoduleren en Digitaliseren
In theorie is nu de ontvanger klaar, nu moet het signaal nog gedemoduleerd worden.
Ook daarvoor heb ik eerst gezocht naar al bestaande schema’s. Aan de hand van die ontwerpen heb ik zelf een ontwerp gemaakt die geschikt is voor ons signaal. Ik heb vervolgens het geheel opgebouwd in Pspice. Dit was niet zo simpel, want een AM modulator zit er niet standaard in. Deze heb ik dus eerst moeten maken. Ik heb om de draaggolf te simuleren een sinusgenerator gepakt, en die op een frequentie van 77.5kHz gezet. Deze laat ik vervolgens door een schakelaar aan en uit zetten, zodat ik zo een AM signaal simuleer.

Simulatie schema in Pspice van demodulator.

Zo ziet het signaal er uit achter de schakelaar En dit is het resultaat na de detector

Ik hoe nu alleen nog maar een smittrigger toe te voegen en de demodulator is klaar. De smittrigger zit niet in Pspice, dus dat gedeelte kon ik niet simuleren. Maar deze schakeling werkt naar behoeven. En zou zo op de microcontroller aangesloten kunnen worden.