klokken – AartSite

DCF77 op de oscilloscoop

Naar aanleiding van een vraag op een elektronicaforum probeerde ik of het signaal uit een DCF77 ferriet antenne sterk genoeg is om direct op de scope te bekijken. De DCF77 tijdseinzender uit Mainflingen, Duitsland zend met ruw 35 kW uit op een lange golflengte van 77,5 kHz. Het signaal blijkt inderdaad direct meetbaar, hoewel ik een beetje vals speel met het type scope.

De gebruikte Tektronix 5A22N plug-in biedt misschien wel de gevoeligste scope ingang die er is: 10 µV/div. Om die gevoeligheid daadwerkelijk bruikbaar te maken kan om ruis te onderdrukken de bandbreedte verklein worden tot de noodzakelijke. De plug-in is samen met een 5B12N tijdbasis in een 5111A storage mainframe geplaatst.

Tektronix 5111A oscilloscope met 5A26, 5A22N, 5B12N plug-ins.

De antenne is een standaard ferriet antenne, met een condensator afgestemd op 77,5 kHz. Deze antenne hoorde bij een defect DCF ontvanger printje van het Klokkenproject.

De ingang van de scope is differentieel. Dat wil zeggen dat de gevoelige ingang stroomkring elektronisch gescheiden is van aarde. De onderdrukking van common-mode signalen die gelijk zijn op beide ingangen is goed, ik mat 75 dB onderdrukking bij 77 kHz met de ingangen aan elkaar. De signaal stroomkring wordt op de scope aangesloten op twee aparte BNC connectoren voor “+” en “-“. In mijn lab heb ik echter gestandaardiseerd op xlr kabels uit de audiotechniek voor dit soort verbindingen, dus werden voor de proef een paar verlopen gebruikt. De afscherming van de kabel is met een aparte draad en 4mm stekker verbonden met het cassis van de scope, en nergens mee bij de antenne.

De differentiële ingang is belangrijk, met dezelfde antenne single-ended aangesloten is het DCF signaal soms nog net zichtbaar boven de ruis.

Tektronix 5111A oscilloscope met 5A26, 5A22N, 5B12N plug-ins & xlr adapter.

De gebruikte instellingen van de scope zijn:

Tektronix 5111A met 5A22N plug-in.
AC, differentieel.
50 µV / div.
10 kHz HP
0,1 MHz LP
0,5 s /div
Analoge storage

Met deze opstelling is het signaal uit de antenne goed zichtbaar te maken. Het is amplitude gemoduleerd met 1 bit informatie per seconde. Een korte afname van de amplitude is een 0, een lange een 1. De 59e seconde wordt geen puls verzonden om de volgende minuut aan te duiden. Zo wordt iedere minuut onder andere de datum en de tijd overgebracht.

De gemeten amplitude is ongeveer 150 µVpp in de ingang, die een impedantie van 2 MΩ // 23 pF heeft. Spelen met de oriëntatie van de antenne en de led-verlichting hier maakt de invloed van storing en het richten van de antenne direct inzichtelijk. Het DCF signaal is zwak en verstoring is een bekend probleem. Het signaal is maximaal met de antenne haaks op de lijn tussen hier en Mainflingen gericht.

De Tektronix 5100-series scopes werden gemaakt tussen 1971 en 1991. Ze zijn in tegenstelling tot de bekendere 7000-series niet erg gewild, vooral omdat het met 2 MHz bandbreedte vermoedelijk de traagste “gewone” scopes zijn. Als meer bandbreedte niet nodig is zit die echter alleen maar in de weg in de vorm van extra ruis. Dan is dit een goed en comfortabel instrument, met een groot storage scherm en zonder lawaaierige ventilator. De 5A22N plug-in was ook toen al bijzonder gevoelig. Moderne scopes zijn gewoonlijk niet gevoeliger dan 1 mV/div, voor dit soort metingen worden nu aparte Differential Preamplifiers toegepast.

Relais klok

Dit is een digitale 24-uurs dochter klok met analoge uitlezing, door mij gemaakt met relais. Zoiets had ik willen bouwen toen ik als klein Aartje met relais en draadjes prutste, maar ik wist niet hoe het moest en er was nog geen internet. Vorig jaar kwam ik echter een interessante tweedeler opgebouwd met twee relais tegen. Dit was de inspiratie om eens nostalgisch te gaan knutselen.

De klok is in werking te zien op de AartTube.

Een animated GIF van de test van de twee-deler.

Ontwerpen voor digitale delers met relais zijn er inmiddels in meerdere varianten, die allemaal zo hun slimmigheden en beperkingen hebben. De schakeling welke mij inspireerde (link naar de pdf) maakt gebruik van het feit dat twee relais in serie aan kunnen trekken. Hij is niet gevoelig voor de puls duur en gebruikt ook geen serieweerstanden en grote condensatoren, wat ik in de context minder elegant vind.

Toggle flip flop.
From "A 4-Bit Counter Using Relays", Peter Hiscocks, 2001.

Schema overgenomen uit bovenstaande: “A 4-Bit Counter Using Relays”, Peter Hiscocks, 2001.

De gebruikte onderdelen komen overal en nergens vandaan. De Siemens relais, de voeten, het draad, een doosje fraaie 4,99 kΩ 1% weerstanden van Ti en de ontmantelde T6.5 lampjes komen uit verschillende erfenissen van andere knutselaars. Vooral het schoon en in orde maken van de uit-gesoldeerde relais voeten was veel (priegel) werk. Voor dit soort grofstoffelijke elektronica werkt ouderwetse gaatjesprint zonder koper het best.

De schakeling bestaat uit een ingang-relais als interface naar het klokkennet in huis, dat een bipolaire minuut puls voert, gevolgd door de minuten- en de uren delers.

Op elke deler zijn twee contacten over, deze zijn gebruikt voor het bij de juiste stand (59 minuten, 23 uur) resetten van de deler en voor de uitlezing. De uitlezing bestaat uit twee R2R DAC’s en metertjes. De analoge referentie is een 10 V zener diode, de meters zijn van Philips en hebben een gevoeligheid van 100 µA volle schaal.

De lampjes zijn aangesloten via 1N4004 diodes, ooit op rol gekregen van een vorige werkgever, zodat ze centraal schakelbaar zijn. Inschakelen van de lampjes maakt het geheel overigens flink trager omdat deze in serie op moeten gloeien: Zonder lampjes wordt een paar Hz gehaald, met hooguit 2 Hz. Dit is voor de toepassing, waar maar 1 puls per minuut komt, geen probleem.

Mijn audio-achtergrond is zichtbaar in dat de stroomkringen van de delers en het analoge deel in de bedrading gescheiden zijn, wat bij stromen tot 1 A niet helemaal irrelevant is. De klok verbruikt een beschaafde 5 W met de lampjes uit, 20 W met de lampjes aan, bij 24 V.

Ik heb geen schema getekend en ben direct begonnen met het bouwen en testen van de eerste tweedeler. Zo onvoorbereid bouwen en tegelijk experimenteren is een fijne afwisseling. Het moest niet op werk lijken. Dit maakte wel dat een paar zaken niet handig gekozen zijn, zo blijkt lampje uit een logische “1” op de uitlezing en zullen de nog te maken wijzerplaten wat vreemd moeten worden, met een dood stuk tussen 23 en 31 ( = 0 ) uur en de 59 – 00 minuten uur-overgang in het midden van de schaal. Maar dat geeft karakter 🙂

Zoals de schrijver van de PDF al aangeeft is een deler een belangrijk onderdeel van een complete relais computer. Die zal ik echter niet bouwen. Dat heeft Willem van der Poel al gedaan met zijn Testudo, en wel in een tijd dat dit technisch nog een belangrijke prestatie was. Het lijkt mij leuk zijn ontwerp eens te bestuderen. Hoewel er veel over de geschiedenis te vinden is, is er weinig informatie over de logische werking van deze machine te vinden.

Klok pulsgever

Het doel was een aantal dochter- of nevenuurwerken op de Oude Leidse Sterrewacht weer op tijd te laten lopen. Het klokkennet op de Sterrewacht is helaas verdwenen bij het opknappen van het gebouw, en de modernere pulsgever waar de buitenklok van Faverger boven de voordeur op liep was al enige jaren defect.

Voor hun behoud is het belangrijk dat klokken zo veel mogelijk lopen. Niet iedereen ziet de waarde van een rare oude klok die het niet doet.

Moser Swiss made 24h siderial slave clock with illumination.

Op de foto een van de Moser-Baer uurwerken met verlichting uit 1962. Deze hangt op de noordzuil van de Fotograaf en geeft sterrentijd aan. De sticker is om de wijzerplaat niet te beschadigen geplakt op Scotch Removable tape.

Uitdagingen in dit project zijn dat het gaat om uurwerken die werken op een seconde impuls, en die geen voorzieningen hebben om ze gelijk te zetten. Gelijkzetten kan dan enkel door (iets) sneller te lopen of door stilstaan en wachten. Het is ongewenst en bij de klok boven de voordeur praktisch ondoenlijk om de wijzers met de hand bij te stellen. Een extra uitdaging is dat bij een deel van de telescopen de lokale sterrentijd of siderische tijd noodzakelijk is. Anderen klokken op de Sterrewacht geven UTC aan. De klok boven de voordeur loopt om historische redenen op de lokale zomertijd, dat is UTC + 2 uur. Tot slot zijn de klokken in de donkere koepels voorzien van gloeilampjes in de rand, die natuurlijk ook moeten werken.

De 3.0 elektronica van de pulsgever. De IC’s zijn een Atmega 328 en een LM358.

Deze pulsgever voorziet in alle genoemde punten. Hij houdt bij waar de wijzers van het uurwerk zijn, slaat de positie op als de netspanning wegvalt, en zorgt dat de klok bij terugkeer van de spanning vanzelf weer gelijk gaat lopen. Op de kast van de klok is een enkele drukknop om de lampjes te schakelen en het uurwerk een klein stukje bij te stellen. Uitlezen van de status en instellen van de wijzer-positie kan via een terminal, maar het laatste kan ook met de drukknop. Een indicatie-led toont de data en status van de DCF. Het geheel is compact en wordt op de DCF ontvanger en een ingekochte 24V netadapter na ingebouwd in of vlakbij de uurwerken.

Één van de 24-uur uurwerken van W. Moser-Baer bij het schoonmaken. De door ons gebruikte olie is Dr. Tillwich Clock 859. Omdat deze uurwerken met secondewijzer 60x zo hard draaien als die op een minuten-impuls is enig onderhoud noodzakelijk. De schakelaar pulst 1x per minuut en gebruiken wij niet. Dit zal een terugkoppeling naar de klokkencentrale geweest zijn.

Dit project is geen moederklok omdat het voor de juiste tijd geheel afhankelijk is van het DCF77 tijdsignaal. Er is geen andere mogelijkheid de interne klok gelijk te zetten, DCF77 is de feitelijke moederklok.

De hardware is gebaseerd op de Arduino Uno, maar dan met een 16 MHz kristal in plaats van de gebruikelijke resonator, en de voortreffelijke DCF77 bibliotheek van Blinkenlight. De laatste implementeert een filter, wat de ontvangst van DCF sterk verbetert als er flinke interferentie is. De H-brug voor het bipolair met 24V sturen van het uurwerk is opgebouwd rond een eenvoudige LM358 opamp. Voordeel van deze oplossing boven andere mogelijkheden is dat hij compact en kortsluitvast is. Er werd gekozen voor draadcomponenten omdat daar nog veel van in huis was. Met het oog op de betrouwbaarheid onder de “buiten” omstandigheden in de koepels is gekozen in de elektronica, buiten de netadapter, geen elco’s toe te passen.

Van dit project zijn de volgende bestanden beschikbaar:

Hoewel ik dit project in 2018 begonnen ben werken wij er inmiddels met meerdere WLS vrijwilligers aan. Het zal mogelijk nooit helemaal “af” zijn, maar de eerste klokken lopen naar tevredenheid.

In een terzijde verkoopt Het Uur complete pulsgevers voor nevenuurwerken. Die werken enkel op gewone tijd, kennen geen gelijk-zet functie en waren daarom niet bruikbaar voor onze toepassing. Hoewel ik er geen ervaring mee heb wil ik ze hier toch graag promoten omdat goed verkrijgbare pulsgevers kunnen voorkomen dat nevenuurwerken gesloopt worden om ze te voorzien van een goedkoop kwartsuurwerk. Dat soort barbaarse praktijken zijn verdrietig voor liefhebbers van deze interessante oude uurwerken. Hoe een klok loopt is onderdeel van zijn identiteit.