Tento příspěvek má za úkol popsat snadno realizovatelný kmitočtový normál, tedy zařízení, které produkuje velmi přesné frekvence. Motivem bylo zklamání z podobného tuzemského zařízení řízeného signálem DCF i ze zařízení zakoupeného ze zahraničí řízeného signály družic GPS. Uplatnění najde např. při kalibraci stupnic zařízení pracujících v oblasti gigahertzů. Pokud např. základní oscilátor 10 MHz takového zařízení má běžnou odchylku 10 Hz, potom na kmitočtu 10368 MHz (oblíbené pásmo 3cm) je odchylka příslušné harmonické přes 10 kHz a to již může způsobovat problém. Dnes se nejčastěji používají subnormály řízené GPS, většina čipů má výstup signálu 1PPS. Ovšem signály GPS do vnitřku budov nepronikají, což výrazně omezuje použití tohoto systému. U nás je primárním etalonem Státní etalon frekvence a času v ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR [1]. Jeho signál ale již není distribuován radiovými vysílači (dříve vysílač OMA, zrušen 1995).

Později byl normálový kmitočet distribuován prostřednictvím synchronizace signálu analogové TV, ovšem po digitalizaci televizního signálu tato možnost také zaniká. Dostupný signál je z vysílače normálového kmitočtu Mainflingen DCF77, který vysílá nosnou kmitočtu 77,5 kHz řízenou prestižní laboratoří PTB [5]. Vysílač DCF77 leží v Německu u města Mainflingen a od r. 1970 vysílá na kmitočtu 77,5 kHz. Je určen pro šíření normálového kmitočtu, stabilita jeho nosné je uváděna 10^-13. Tento signál se v naší zemi dá velmi dobře přijímat a zpracovávat. Kromě nosné s touto vysokou stabilitou vysílá i podružné informace (datum a čas), které slouží k synchronizaci všelijakých hodin, budíků apod. v domácnostech. Právě vysílání této podružné informace zajistilo této stanici přežití do dnešních dnů a je jisté, že bude vysílat ještě řadu let, neboť dlouhovlnný signál se snadno šíří dovnitř budov. Komerční zájmy v tomto případě zaručují přežití tohoto vysílače a jeho provozu i pro příští generace.

Blokové schéma je na obr. 1. Signál zachycený feritovou anténou je zesílen v anténním zesilovači, kde se nachází i nezbytný krystalový filtr. Zesíleným napětím, které odpovídá fázovému rozdílu mezi signálem přijímaným a referenčním generovaným pomocí místního oscilátoru, se tento oscilátor dolaďuje. Jde tedy o tzv. fázový závěs (anglicky Phase-Locked Loop, PLL) [2].

Z místního oscilátoru jsou odvozeny nejen výstupní kmitočty, ale i kmitočet referenční 77,5 kHz pro tento fázový detektor. Z výstupního napětí děličů, které má obdélníkový průběh, je filtrována základní frekvence Butterworthovými fitry typu dolní propust 5. řádu, samozřejmě s hodnotami součástek upravenými na snadno dostupné typy.

Při návrhu tohoto zařízení byl brán ohled na jeho snadnou reprodukovatelnost. Proto byla hned zpočátku zavržena myšlenka použití jakýchkoliv procesorů a hradlových polí, které mohou v prostředích bez příslušného vybavení vývojovými nástroji způsobit potíže i při jednoduchých chybách při stavbě, nehledě na komplikace s distribucí naprogramovaných čipů. Nabízí se také zjednodušení pomocí některých zahraničních modulů, ovšem zde je otázka jejich dlouhodobé dostupnosti. Toto zařízení je navrženo tak, aby stačilo vyrobit desky plošných spojů (DPS), osadit dostupnými součástkami a naladit. Použití technologie SMD vyžaduje precizní provedení DPS, což by mohlo řadu zájemců o toto zařízení také odradit. Jeho stavba by tak neměla činit potíže. Z přístrojového vybavení stačí jakýkoliv čítač a běžný osciloskop. Při návrhu desek plošných spojů byl brán zřetel na výrobu tohoto zařízení nejen ve vybavených laboratořích, ale i v obtížnějších podmínkách. Proto jsou spoje relativně široké, neprochází mezi vývody integrovaných obvodů a pro jistotu jsou zemnící a napájecí obvody kontinuální,

bez drátových propojek. Drátové propojky jsou jen v signálových cestách a mají své vlastní výchozí a koncové otvory, nevedou přímo od vývodů součástek, jak tomu bývá u DPS navržených jako dvoustranné. Drátové propojky nikde nevedou pod součástky ani se nikde nekříží. Tím je umožněna jejich realizace holými vodiči. a také je zohledněna možnost tovární výroby DPS i jako dvoustranné s prokovenými otvory a tím eliminovat tyto drátové propojky. Zakázkovou výrobu dvoustranných DPS některé firmy zájemcům nabízí. Doporučuji ale předem se informovat o výrobní ceně takových desek. Určitý problém může tvořit krystal 77,5 kHz, který není v běžné nabídce prodejen se součástkami, ale lze jej snadno získat například z vyřazených "rádiem řízených" hodin, které se řídí právě signálem vysílače DCF a tento krystal vždy obsahují. Lze jej také objednat po internetu. U integrovaných obvodů se vyvarujeme použití patic, pokud předpokládáme požití tohoto zařízení i po více letech. Patice, i když mají pozlacené kontakty, jsou časem zdrojem problémů, neboť vývody integrovaných obvodů jsou běžně pocínované (nikoliv pozlacené), časem zoxidují a jsou zdrojem poruch, které se těžko hledají.

Anténní jednotka (obr. 2, 3, 4) je samostatný díl propojený koaxiálním kabelem, aby jí bylo možno umístit do místa s nejmenším rušením. Zdrojem rušení jsou např. televizory, počítače a většina dalších spotřebičů obsahující střídačové napájecí zdroje, jak je dnes obvyklé. Je použita feritová anténa, jaké se dříve používaly v rozhlasových přijímačích v pásmu středních vln. Bylo vyzkoušeno několik typů feritových antén se srovnatelným výsledkem. Cívka antény má 200 závitů opředeným drátem 0,3 mm.

Samozřejmě lze použít i rámovou anténu. Anténní zesilovač je připojen jedním koaxiálním kabelem, který zároveň slouží i k napájení anténního zesilovače. Kondenzátory C1 a C2 volíme s malým teplotním součinitelem, buď keramické z hmoty Y5P nebo foliové. Kapacita tohoto kabelu je součástí výstupního laděného obvodu této desky. Dvojici antiparalelních diod před krystalem nepodceňujme, krystal se přetížením snadno poškodí zejména při slaďování jednotky pomocí tónového generátoru (bohužel ověřeno).

Oscilátor (obr. 5, 6, 7) má zapojení jako harmonický Pierceův oscilátor. Krátkodobá stabilita kmitočtu tohoto zařízení je dána právě vlastnostmi tohoto místního oscilátoru, proto jsou na něm uplatněny zásady stavby oscilátorů pro kmitočtové normály. Především je nutné zajistit co nejmenší rozkmit krystalu. Proto je zvoleno napětí kolektor-báze na tranzistoru oscilátoru menší, než 1 V, aby amplituda kmitů byla velmi malá. Dále je potřeba potlačit zbývající vidy kmitů krystalového výbrusu, o kterých se kupodivu málo ví. Ovšem při pečlivém měření závislosti impedance krystalu na kmitočtu najdeme kromě dominantního kmitočtu ještě řadu dalších. Ty způsobují zhoršování stability oscilátoru. Při potlačení nežádoucích vidů dosáhneme lepší krátkodobé stability kmitočtu oscilátoru i s použitím krystalu běžné jakosti. Kolektorový LC obvod má rezonanci záměrně asi o třetinu nižší, než je jmenovitý kmitočet krystalu. Pro oscilační kmitočet má tedy tento obvod impedanci kapacitní, pro subharmonické vidy krystalu induktivní, což v této smyčce způsobí jejich výrazné potlačení vlivem posuvu fáze tohoto nežádoucího kmitočtu.

Pro vidy vyšších harmonických kmitočtů má smyčka vlivem velkých kapacit ve větvi zpětné vazby oscilátoru dostatečně velký útlum, takže jsou potlačeny také. To příznivě působí na krátkodobou kmitočtovou stabilitu. Součástí oscilátoru je i jeho termostat řízený termistorem. Odpor termistoru za pokojové teploty má být jmenovitý. Je ale žádoucí tuto hodnotu změřit, neboť je velký rozptyl tohoto parametru a v některých případech je nutno přizpůsobit hodnoty rezistorů v můstku. Dolaďovací kapacitní trimr oscilátoru by měl být víceotáčkový, jinak je nastavování dost obtížné. Na DPS je univerzální motiv pro běžný trimr i pro tzv. trimr hrníčkový, který se dříve používal pro dolaďování vf. obvodů rozhlasových přijímačů.
Součástky oscilátoru a termostatu jsou montovány nastojato, aby objem vyhřívaného prostoru byl co nejmenší, čímž se také sníží spotřeba. Deska je izolována od vnějšího prostředí pouzdrem z pěnového polystyrenu. Je evidentní, že použití technologie SMD by tento blok dále zmenšil. Dále se nabízí použití hotových oscilátorů, které lze ze zahraničí objednat, případně použít upravený krystalový oscilátor například z vyřazeného továrního čítače. Při hledání na internetu použijeme klíčová slova TCVCXO (teplotně kompenzované, napětím dolaďovatelné) nebo OCVCXO (termostatované).

Úkolem tohoto děliče (obr. 9, 10, 11) je vygenerovat z kmitočtu místního oscilátoru kmitočet nosné vysílače DCF pro fázový detektor. Dále generuje další kmitočty, které tvoří výstup zařízení. Vstupním signálem je kmitočet 10 MHz z místního oscilátoru. Výstupní kmitočty jsou 1 MHz, 100 kHz, 10 kHz, 1 kHz a 77,5 kHz pro fázový detektor. Je sestaven z logických obvodů HCT. Je možné osazení i obvody HC, potom lze vynechat stabilizátor 7805. Můžeme potom dosáhnout vyššího výstupního napětí. Deska má malý odběr (30 mA), proto tento stabilizátor nevyžaduje žádné chladící žebro. Pokud při osazování desky neuděláme chybu, je deska připravena k použití.

Pokud je však na desce závada (zkrat při pájení, nesprávné osazení součástek atd.), zkontrolujeme osciloskopem průběhy podle obr.8. Je evidentní, že tuto celou desku lze realizovat pomocí jediného hradlového pole, tato technologie byla však předem odmítnuta, viz výše. Kmitočet 77,5 kHz nelze z kmitočtu 10 MHz získat jednoduchým dělením, proto je použit princip výběru hodinových pulzů z děliče. Vybírá se 31 hodinových pulzů z každé série 40 kmitů, pokud možno rovnoměrně na celém intervalu, čímž se získá při vstupní frekvenci 5 MHz kmitočet 3,875 MHz. Dalším dělením padesáti získáme právě kmitočet 77,5 kHz pro fázový detektor s jen velmi malými odchylkami fáze. Výpočet spektra takových signálů by byl dobrý námět některé semestrální práce.

Signál z anténní jednotky se po zesílení přivádí na kruhový diodový detektor a rovněž se detekuje pro řízení napájecího napětí anténní jednotky, čímž se ovládá jeho zesílení (AVC). Navíc je zde i obvod pro indikaci signálu zobrazením amplitudové modulace LED-diodou. Na desce detektoru obr. 12, 13, 14 je dále zesílen a přichází do fázového detektoru. Je zvolen kruhový diodový detektor s transformátory, který nejlépe odolává teplotním vlivům a má stabilní stejnosměrný výstup. Signál z fázového detektoru je filtrován korekčním obvodem tvořeným IO1. Zpětnovazební prvky tohoto obvodu jsou nastaveny tak, aby byla smyčka PLL stabilní.

Druhá část operačního zesilovače se využívá pro zesílení signálu fázového detektoru pro ručkové měřidlo. Cívky fázového detektoru vineme na hrníčkových jádrech. Primární indukčnost vinutí je 1,5 mH. Pro jádra s Al = 1500 nH/záv² to je 32 závitů primárního vinutí s odbočkou na 10. závitu, a 2x6 závitů u referenčního transformátoru, resp. 2 x 3 závitů výstupního. Trimr P2 nastavíme tak, aby ve stavu bez signálu se ladící napětí neměnilo. Tyto transformátorky je vhodné umístit do kovových krytů, neboť i cívky na hrníčkových jádrech částečně vyzařují a při malé vzdálenosti od anténní jednotky vzniká nežádoucí zpětná vazba.

Součástí desky obr. 15, 16, 17 jsou zesilovače logických signálů z děliče tvořené dvojicemi tranzistorů NPN – PNP. Následují filtry signálů navržené pro impedanci 50 ohm. Jedná se o Butterworthovy filtry 5. řádu typu dolní propust. Výběr součástek není kritický, vypočtené hodnoty jsou zaokrouhlené na hodnoty běžně dostupné. Útlum základní harmonické kmitočtu je 3 dB. Druhá harmonická u obdélníkového signálu

se střídou 1:1 není, třetí harmonická a vyšší jsou těmito filtry výrazně potlačeny, takže výstupní signál je prakticky čistý sinus. Pro jejich návrh je k dispozici na internetu řada skriptů, např. [3]. Pokud provedeme modifikaci filtrů na jinou impedanci, je nutno vzít v úvahu nízkou výstupní impedanci dvojitého tranzistorového sledovače a doplnit jej příslušnou hodnotou rezistoru. Pro nízké kmitočty lze použít i aktivní filtry, např. podle [4] doplněné nf zesilovačem.

Deska obr. 18, 19, 20 slouží k napájení ze sítě. Zde je nutno zvážit předpokládaný způsob provozu. Pokud uvažujeme jeho provoz např. několik hodin ročně, potom můžeme jako síťový transformátor použít některý z nabízených produktů v kamenných obchodech. Ty obvykle splňují deklarované parametry, jako je výstupní napětí, výkon, izolační pevnost, ovšem bývá problém s parametry, které

neuvádí, zejména jeho účinnost. Většinou jsou navrženy "velmi úsporně" jen vzhledem ke spotřebě materiálu při jejich výrobě, mají potom velké ztráty i při chodu naprázdno, takže vždy hřejí a vzhledem k přesycení zredukovaného železného jádra mají i velké rozptylové pole. Pokud tedy uvažujeme např. nepřetržitý chod tohoto zařízení, je lépe si vhodný transformátor vyrobit či nechat vyrobit podle běžně používaných metod.

Zapojení ovládacího panelu je na obr.21 Panel obsahuje konektory výstupních kmitočtů, LED diody

indikující zapnutí přístroje a přijímaný signál. Dále měřidlo s přepínačem pro zobrazení některých vnitřních stavů.

Anténní zesilovač předladíme pomocí nf generátoru. Obvod feritové antény má ostré rezonanční maximum. Pokud místo drahého tranzistoru T1 2N4861 použijeme jiný (např. J112), musíme dát pozor na zapojení vývodů, u FET tranzistorů je v tom velká variabilita. Výstupní obvod zatím nenastavujeme. Krystalový filtr je důležitý pro potlačení rušivých signálů, kterých je v současné době v okolí

přijímaného kmitočtu velké množství a nedá se předpokládat, že se to do budoucna zlepší. Kompenzace rušivých signálů, které pronikly parazitní kapacitou krystalu, se provede kapacitním trimrem C9 v opačné větvi můstku. Na pečlivosti tohoto nastavení závisí odolnost proti rušení, jinak dochází k zahlcení přístroje rušením od každého počítače, televizoru atd.

Vlastnosti oscilátoru určují vlastnost celého zařízení. Nejprve nastavíme teplotu termostatu a zkontrolujeme jeho správnou činnost. Teplota v termostatu se musí ustálit během několika desítek minut. Teplotu není třeba nastavovat příliš vysokou, musí být ale vyšší, než maximální předpokládaná teplota okolí. Pokud známe tzv. teplotu bodu zvratu krystalu, nastavíme teplotu na tuto hodnotu. Termostat je napájen samostatným vedením přímo ze zdroje, aby měnící se proud napájení termostatu při ohřevu neovlivňoval

činnost ostatních obvodů. Nastavení oscilátoru provádíme s ladícím napětím cca 4 V přivedeným z vnějšího zdroje. Dolaďujeme trimrem C1, v případě potřeby změníme i hodnoty pevných kondenzátorů C2 a C3, neboť námi požadovaný ladící rozsah je mnohonásobně menší, než výrobní tolerance krystalů běžného typu. Při změně dolaďovacího napětí od 1 V do 9 V by se kmitočet 10 MHz měl měnit o ±5 Hz, ne více. Přesné doladění provedeme později podle přijímaného signálu. s přijímaným signálem můžeme toto doladění nastavovat pomocí interferencí v bodě MB1.

Na této desce není žádný nastavovací prvek, a pokud neuděláme chybu při montáži, bude pracovat správně. Pro hledání chyb (zkraty, vadné součástky...)

se orientujeme podle zobrazených průběhů na obr.8. Osciloskop při těchto měřeních synchronizujeme z bodu IO4-6.

Nejprve naladíme rezonanční obvody s kabelem od anténního zesilovače. Ve skutečnosti se jedná o jediný rezonanční obvod tvořený paralelním spojením indukčností v anténním zesilovači a na této desce. Ke kapacitám tohoto rezonančního obvodu se počítá i celková kapacita kabelu, což je jediný parametr, který nás na něm zajímá. Proto při nastavování musíme použít již finální kabel. Nejjednodušší je připojit místo C1 obyčejný ladící kondenzátor, obvod naladit buď pomocí nf generátoru nebo již

s přijímaným signálem, změřit kapacitu toho otočného kondenzátoru a nahradit jí pevným kondenzátorem. Při testování používáme malé amplitudy signálu. Odporovým trimrem P1 nastavíme úroveň AVC tak, aby signál na kolektoru T3 nebyl limitován. Trimrem P2 nastavíme na jeho běžci napětí 4 V a případně doladíme oscilátor. Při nastavování napěťových úrovní přepneme jumper JP1 do polohy s krátkými časovými konstantami. Zázněj kmitočtů můžeme pozorovat na vývodu č. 1 obvodu IO1.

Po zapnutí vyčkáme ustálení teploty v termostatovém oscilátoru, což lze sledovat na měřidle s přepínačem v poloze „ohřev“. LED dioda na panelu indikuje přítomnost přijímaného signálu svitem přerušovaným každou vteřinu modulací; 59. se vynechává. v poloze přepínače „fáze“ vyčkáme vyrovnání poměrů

ve smyčce PLL. Pro orientační porovnání kmitočtů můžeme použít čítače. Pro přesné porovnání kmitočtů Lissajousovými obrazci potřebujeme osciloskop, který má vstup zesilovače X, což některé digitální osciloskopy postrádají.

Pokud se Lissajousův obrázek zobrazující frekvence 10 MHz (tedy 10⁷ kmitů za vteřinu) otočí do původního tvaru za 1000 vteřin (10³ vteřin neboli necelých 17 minut), potom je rozdíl kmitočtů 1 Hz za 1000 vteřin čili nepřesnost 10^-10. To je přibližná hranice použitelnosti, neboť odchylky fáze

přijímaného kmitočtu 77,5 kHz způsobené prostředím, ve kterém se tyto vlny šíří, ovlivňují i normálový kmitočet. Pro přesnější měření by bylo třeba razantně zvýšit měřící interval, aby byly eliminovány i periodické fluktuace fáze přijímaného signálu v průběhu dne.