Funkuhr oder Funkwecker bauen / reparieren / erweitern

1. Kein Empfang wegen störender Elektrogeräte (oft Fernseher)
2. Kein Empfang bei Bewegung der Empfangsantenne
3. Funkempfänger-Modul defekt
4. Auswertesoftware fehlerhaft (ignoriert die ersten 15 Bit nicht)

Auswertesoftware fehlerhaft⚓

Symptom: Uhr läuft seit 2006 falsch; findet kein Signal

Erläuterung: Seit November 2006 strahlt der Zeitzeichensender Wetterinformationen in den ersten 15 Bit aus. Auch Monate vorher wird es Versuche gegeben haben. Vor dem Jahr 2006 wurden nur 0-Bits ausgesendet.
Wegen unfähiger Programmierer der Firmware kommt die Auswertesoftware in der Uhr durcheinander.

Lösung:

• Gerät umtauschen
• Sich bei der Herstellerfirma beschweren
• Uhr wegwerfen (Elektronikschrott)
• Signalfilter einbauen (siehe unten)

Signaleinspeisung von anderer Funkuhr oder PC⚓

Zu lösende Probleme:

• Eine Funkuhr betreibt das Empfangsmodul nur ab und zu (bspw. alle 1 h), um die Batterie zu schonen. (Das sieht man nach dem Einbau der LED sehr gut.)
  Beim Betrieb zweier Funkuhren muss das Empfangsmodul auf Dauerbetrieb gestellt werden, oder eine ODER-Verknüpfung der Freigabesignale realisiert werden.
• Beim Betrieb am seriellen oder Parallelport des Rechners ist eine Signalanpassung erforderlich. In der Praxis tut's ein Serienwiderstand 10 kΩ.

Für die Signalgenerierung am Parallelport habe ich mal schnell diese DOS-Software geschrieben. (Läuft nicht unter Windows NT/2k/XP!). Sie generiert ein High-aktives Funksignal an LPT1:INIT (SubD25 Pin 16). In Turbo Pascal 6 oder 7.

Signalfilter einbauen⚓

Problem: Das Filter muss die ersten 15 Bits einer Minute auf 100 ms kürzen. Es sollte wenig, im Funkempfänger-Standby keinen Strom verbrauchen.

Lösung 1: Quasianalog mit 4093 und 9 Bauelementen Außenbeschaltung (davon 3 Einstellregler; Oszilloskop und Zeit zum Abgleich erforderlich)

Lösung 2: Mit Mikrocontroller ATtiny12 (Programmiergerät oder PC mit Parallelport zum Programmieren sowie Taktversorgung erforderlich)

Firmware: FunkFilt.zip getestet, OK, Stromverbrauch Funkempfang 6 µA, Standby 0,1 µA
Zum Vergleich: Der Funkempfänger-Chip zieht etwa 100 µA, die eingebaute LED 500 µA. Ohne Funkempfang verbraucht die Uhr 12 µA.

Programmierung: Hat man kein Programmiergerät zur Hand tut's auch ein PC mit Parallelport.

Einbau: Hier Funkwecker „Lexor“ der Firma NIKA USV GmbH, wurde offensichtlich von Aldi vertrieben

 

Im rechten Bild links ist der LED-Anschluss zu sehen; diese LED blinkt im Takt der Empfangsdaten; Widerstandswert: 560 Ω. Der Widerstand rechts dient als Lötstützpunkt und Schutz gegen statische Entladungen; Wert unkritisch, hier 33 kΩ. Dieser wurde nach Ausbau der Basisleiterplatte und Auftrennung der Kehl-Lötbrücke zur Funkemfänger-Leiterplatte einseitig aufgelötet.)

Außenansicht
Innenansicht
Frontansicht bei schlechtem Empfang

Die Falschanzeige bei schlechtem Empfang legt eine komplette Zeittelegramm-Filterung im Mikrocontroller nahe.

Komplette Zeittelegramm-Filterung⚓

Implementierung bei Bedarf! Ggf. bitte melden!

Gelegentlich ist der Funkempfänger-Chip defekt oder schlecht (unselektiv), und ein Neubau des eigentlichen Empfängers ist überlegenswert. Voraussetzung ist eine vorhandene Antenne mit Schwingkreis (Kondensator), wie sie aus alten oder defekten Funkuhren anfallen. Kann man natürlich auch selber bauen und per Dipmeter abgleichen.

Die Antenne lieferte in Chemnitz eine am Oszilloskop sichtbare Spannung in Höhe von immerhin 200 µV (Spitze-Spitze).

Im Internet und in Fachzeitschriften kursieren Unmengen an Bauanleitungen, aber mich interessiert eine Lösung mit digitalem Filter in Software. Ein SDR sozusagen.

Wie für SDR typisch kann durch Änderung des Antennenschwingkreises sowie durch Änderung der Firmware der gesamte Zeitzeichenempfänger auf andere Sender angepasst werden, etwa auf den britischen oder russischen Zeitzeichendienst.

An der Antenne wird in jedem Fall ein Verstärker benötigt, der das Signal in eine für den A/D-Wandler verdauliche Höhe bringt. Vorteilhafterweise mit Verstärkungsregelung, aber eine Verstärkungs-Umschaltung per Mikrocontroller ist ebenso akzeptabel. Da sind mir folgende Bauanleitungen bekannt:

• Mit CD4007UB. Würde ich auf 3 hintereinander geschaltete Stufen umfrickeln, denn das Gleichrichten und Nachführen der Schaltschwelle macht der Mikrocontroller in Software. Kurzdatenblatt V4007. 240125: Ich hab's Teufel-komm-raus nicht hinbekommen. Einmal konnte ich über eine einstellbare Mitkopplung deutliche Sinusschwingungen an der Antenne sehen, die im Sekundentakt einbrachen. Aber es war nicht nochmal hinzubekommen. Ersatzweise mit CD4069UB ging es gar noch schlechter.
• Drei weitere interessante Lösungen:
  • Transistorverstärker
  • Geregelter Verstärker im TCA440
  • Geregelter Zweifach-OPV 240125: Ich hab's Teufel-komm-raus nicht hinbekommen. Kein vernünftiges Signal. Im Nachhinein hat sich eine Unterbauleuchte mit EVG als starker Störer herausgestellt.
• Mit 2 Transistoren und Mitkopplung. An Einfachheit kaum zu unterbieten! Amplitudenregelung ist da nicht dabei. 240125: Hat bei mir nicht funktioniert. Die Rückkopplung schon, aber kein Schwingen im DCF77-Takt.
• Mit Phasendetektor in Software
• Kein Geradeausempfänger: Superhet mit TCA440 = A244. Dieser AM-Empfängerchip wird gern verwendet und enthält HF-Verstärker, Oszillator, Mischer und ZF-Verstärker. Da sollte auch A4100 gehen, davon habe ich noch ein paar herumliegen. Würde ich so umfrisieren dass der Oszillator vom Mikrocontroller mit einer heruntergeteilten Quarzfrequenz gespeist wird. Ich denke da an 1 MHz / 13 = 76,923 kHz. Ergibt eine ZF von 577 Hz, die sich gut mit einem Doppel-T-Filter filtern lässt.

Voruntersuchungen⚓

Beim ATmega48 wurde der Eingangsfrequenzgang des A/D-Wandlers mit folgendem Versuchsaufbau ermittelt:

• Beschaltung mit Quarz 12 MHz, 5 V
• Durchstimmbarer Rechteckgenerator 23,4 kHz .. 6 MHz 5 V (im Mikrocontroller)
• A/D-Wandlung in Unterabtastung mit 7,2 kSa/s, 5-V-Bereich, 8-Bit-Betrieb
• Ermittlung der Differenz aus minimaler und maximaler gemessener Elongation (gemessener A/D-Wert)
• Ausgabe der Messwerte über serielle Schnittstelle an PC

Und das ist das angenehm überraschende Ergebnis:

Wie man sieht ist der Knick bei > 200 kHz und nicht bei 38,5 kHz! Damit ist für 77,5 kHz kein vorgeschalteter Zerhacker notwendig. Auch danach ist der Amplitudenabfall noch moderat.

Die Ausreißer ergeben sich aus der Synchronität des Oszillators mit dem A/D-Wandlertakt. Vor allem 2ⁿ-Vielfache von 13 sind davon betroffen. Das spielt für die geplante Anwendung keine Rolle.

TODO: Frequenzgang bei ×10, ×200 eines ATmega16U4

Dieses Uhrenradio mit DCF77-Empfänger enthält einen ziemlich gut funktionierenden und empfindlichen Empfangsteil dafür, mit immerhin 2 Quarzfiltern, ansonsten nur Standardbauteile. Das Signal lässt sich low-aktiv als Ungefähr-TTL-Pegel am Pin 14 des LM324P abgreifen. (Nicht Pin 7, da habe ich mich verzählt.) Von da geht es direkt zu einem Beinchen des Mikrocontrollers.

Dieses Gerät ist sattsam bekannt dafür, dass es den Flugfunk stört. Das Störpotenzial (also die Sendeleistung) ist erheblich! Man kann durchaus von einer Freiluft-Reichweite im Kilometerbereich ausgehen! Obwohl das Gerät ansonsten einwandfrei funktioniert. Auch strahlt es in TV-Kabelnetze ein und stört dort die Sonderkanäle für einige Digitalprogramme im gesamten Wohnblock. Auch bei sehr gut geschirmter Installation bekommen die Kabelkunden nur "Kein Signal" zu sehen.

Alle Orakel, die im Internet herumgeistern und den UKW-Oszillator verdächtigen, sind falsch, denn das Gerät stört (bei mir) auch bei ausgeschaltetm Radio, und der Empfängerschaltkreis ist dann tatsächlich spannungsfrei. Auch der lahme Mikrocontroller kommt als Störer bei 132 MHz (oder waren es 122 MHz?) nicht in Betracht. Nahezu alle Geräte sind früher oder später davon betroffen. Als Störoszillator kommt dafür nur ein Teil der Stromversorgung in Frage. Da ein konventioneller 50-Hz-Trafo verbaut wurde, muss einer der diskret mit Einzeltransistoren aufgebauten Längsregler die Störung verursachen.

Da sich offenbar niemand an die Fehlersuche herangemacht hat, mach ich's.

Die Schierigkeit bestand darin, den relevanten Schaltplan auf der chaotischen Leiterplatte herauszulesen: Tatsächlich gehen Elkos gleich zweimal vom Emitter zum Kollektor. HF-Kenner sehen da sofort eine Oszillatorschaltung. In Basisschaltung, also ideal für den UKW-Bereich. Ein Serienfehler. Aber warum eigentlich?

• Man wollte sich wohl das Routen der Masseleitung zum Ausgangselko sparen.
• Man wusste, dass der Emitter-Kollektor-Kondensator gemeinsam mit dem Eingangskondensator ebenfalls seine Abblockfunktion erfüllt. (Naja, unter PSpice vielleicht.)

Letzteres funktioniert aber nur bei idealen Kondensatoren! Da gerade große Kondensatoren (hier C33) eine Wicklungsinduktivität haben, bildet sich so ein hübscher Schwingkreis auf der Kollektorseite mit der Eigenresonanzfrequenz des Elkos. Je nach Zusammenspiel von C33 und C32 geht der Sendebetrieb los.

C75 kommt (bei mir) nicht in Betracht, da diese Regelstufe nur bei Radiobetrieb läuft. Bei anderen Leuten, die feststellen, dass das Gerät nur bei eingeschaltetem Radio stört (egal ob LW, MW oder UKW), ist es jener Kondensator.

Die Lösung ist einfach: Die Elkos C32 und C75 auslöten. Wer keine Bauteile auf seinem Tisch herumkullern sehen will, baut diese zwischen Emitter und Masse wieder ein. Da gehören sie eigentlich hin.