Un ricevitore per il segnale orario DCF77 di Mauro Mariotti

Pagina aggiornata il 1 Dicembre 2002

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Generalità
Il segnale DCF77 viene trasmesso da Mainflingen in Germania (50° 01' N, 09° 00'E) con 50kW di potenza in modo permanente. L'emittente ha un range di circa 1500-2000 Km modulando sui 77,5KHz un segnale impulsivo che contiene nell'arco di 60 secondi le informazioni sul TIME del minuto successivo in una sorta di codifica BCD.

A volte il segnale viene ricevuto in modo discontinuo e non tutte le località potrebbero essere coperte a causa di zone d'ombra provocate dal territorio specie nei paesi abbastanza lontani dall'emittente, l'Italia comunque sembra essere del tutto coperta.
Il segnale generalmente è buono ma alcuni tralicci dell'alta tensione o edifici molto grandi o altre fonti di disturbo elettromagnetico potrebbero rendere la ricezione discontinua durante il giorno.
Il segnale DCF arriva anche in Italia, Francia, Spagna, Polonia ed è stato testato con successo anche in Inghilterra con una buona ricezione.

La discontinuità della ricezione non crea problemi all'uso con la scheda di conversione a/d a 16 bits perchè questa dispone del suo proprio orologio interno che mantiene il conteggio durante i periodi di scarsa ricezione. Generalmente per mantenere un orario accurato sono sufficienti un paio di sincronizzazioni durante le 24 ore.

Ricevitori
Ci sono vari tipi di ricevitori per il DCF77 e la stessa tecnologia è usata in altri paesi su frequenze e codifiche leggermente diverse.
La scheda di conversione a/d a 16bits incorpora la decodifica per il DCF77 ma occorre avere un ricevitore per utilizzare questa funzione.
Un qualsiasi ricevitore con impulso attivo in chiusura verso massa di un transistor NPN open-collector andrà bene.

Il ricevitore HKW Elektronic GmBH è distribuito in Italia dalla Distrelec. Nella figura sopra potete vedere l'antenna in ferrite e il ricevitore. L'abntenna è di dimensioni 60 x 18 mm e il modulo ricevente di 26x14x10mm.

Il codici Distrelec dei componenti sono:

68 02 60 (vecchio codice 67 44 01)    Ricevitore EM2-S-DCF Piastrina ricevente
68 02 61 (vecchio codice 67 44 02)    Antenna in ferrite

Il costo dei componenti si aggira intorno alle 50.000. Distrelec consegna anche ai privati con pacco postale contrassegno.

Questi componenti sono prodotti dalla HKW Elektronic GmBH hanno una documentazione in tedesco ma l'assemblaggio non è critico.

Per assemblarli seguire il seguente procedimento:

LP1    massa                    collegare al morsetto 4 della scheda A/D
LP2    on/off del ricevitore    collegare a LP1
LP3    segnale                  collegare al morsetto 2 della scheda A/D
LP4    alimentazione +5V        collegare al morsetto 1 della scheda A/D

LP5    all'antenna
LP6    all'antenna

Applicare poi tra il segnale LP1 e il segnale LP4 un condensatore elettrolitico da 10uF 25V con il terminale positivo ovviamente collegato ad LP4. Questo aiuterà ad abbattere i segnali spurii captati dal cavo di collegamento.

Sarà bene alloggiare il tutto in una scatola di materiale plastico e fissare i componenti con della colla a caldo.

Attenzione: Alcuni PC (specie se di vecchia costruzione) emettono campi elettromagnetici su frequenze che disturbano la ricezione. Si può provare a collocare il ricevitore in lontananza dal pc ma spesso i disturbi verranno condotti dai cavi fino al ricevitore. In questi casi si consiglia di mettere a terra il ricevitore prelevando il contatto di massa in prossimità del ricevitore stesso e collegandolo a una buon dispersore di terra. In alternativa si potrà sostituire l'alimentatore del PC e/o riorientare i cavi che collegano il pc al video.

Un tipico integrato per la ricezione è il U4224B della Temic.
Nel sito della Temic potrete trovare i file .PDF che illustrano vari tipi di codifiche e la codifica DCF77.

Migliorare la ricezione
Non è facile dare suggerimenti su come orientare l'antenna per una migliore ricezione. Il segnale DCF77 è soggetto a molte modificazioni lungo il tragitto dall'emittente fino al ricevitore. Le modificazioni del segnale sono dovute in gran parte alla morfologia del terreno limitrofo all'antenna ricevente e alle riflessioni alla ionosfera.

Il ricevitore incorpora un AGC circuito per il controllo automatico di guadagno che qualche volta da dei risultati imprevedibili quando il ricevitore è istallato in posti dove il segnale varia molto nell'arco delle 24 ore. Questo può sviare la ricerca della migliore posizione per la ricezione.

La tecnica di usare un cicalino piezoelettrico e monitorizzando il segnale in uscita sul condensatore del circuito AGC può dare risultati interessanti perchè si riesce a capire il livello e la ritmicità del segnale ascoltando gli impulsi. Si può anche collegare un LED pilotato da un buffer o da un transistor per aiutare a visualizzare il segnale pulsante. Il segnale del DCF77 è essenzialmente polarizzato in verticale, almeno all'inizio. A 77.5Khz la lunghezza d'onda è di circa 3.87 km che è in grado di aggirare ostacoli relativamente piccoli. L'emissione è costituita da 3 segnali; le onde dirette al cielo che si propagano dall'emittente al di sopra della linea di orizzonte, un segnale che si riflette a terra e qualche volta ne esce anche (se l'ostacolo è di piccole dimensioni) si addiziona alle onde "in aria" ma con un cambiamento di fase; e le onde normali "di superficie" che hanno un range al massimo di circa 1000km.

La propagazione delle onde "in aria" può essere compresa quando si comprendono le proprietà di riflessione della ionosfera. A causa della curvatura terrestre il segnale è riflesso verso terra dalla parte di ionosfera dove il segnale è proiettato al di sopra della linea dell'orizzonte. Durante il giorno il segnale è diffratto dallo strato "D" a circa 70km di altezza. Questo cause una grossa perdita di segnale che da quindi un massimo range di ricezione di circa 1900 km. Durante la notte il livello della ionosfera si alza a circa 90km ma la riflessione causa molta meno perdita di segnale questo alza la distanza raggiungibile anche oltre i 2000km. Questo spiega perchè durante la notte il segnale è molto più forte che durante il giorno.

Le onde di superficie date le loro basse perdite di segnale danno una curva di propagazione molto prevedibile fino a circa 500 km di terreno pianeggiante. Le perdite del segnale di superficie diminusicono fino a un decimo del valore massimo a circa 1000 km. Le onde di superficie dimuniscono drasticamente in presenza di ostacoli come montagne, sistemi di aria fredda (perturbazioni) e precipitazioni atmosferiche. L'Italia riceve le onde di superficie ad una distanza da 400 a 1400 km dall'emittente. Le onde "in aria" vengono invece ben ricevute in tutta Italia.

Vicino al trasmettitore le onde "in aria" sono relativamente deboli se comparate alle onde di superficie. Oltre i 300 km gli effetti delle onde "in aria" diventano più importanti ai fini della ricezione. Di notte quando le onde "in aria" si fanno più forti a circa 500km possono eguagliare in intensità quelle di superficie. In un giorno d'inverno possono essere della stessa intensità a 800km e in estate a 1100 km. Dato che l'intensità delle onde "in aria" varia continuamente ci possono essere periodi di grande discontinuità nella ricezione mentre le onde in aria arrivando con una diversa fase disturbano le onde di superficie causando anche completi annullamenti nella ricezione.

La situazione comunque non è così brutta come potrebbe sembrare dalla considerazioni fatte. Se si monta l'antenna puntata in direzione del trasmettitore questo capterà maggiormente le onde "dall'alto" ma non le onde di superficie e il problema della cancellazione del segnale diminuisce. Nelle medie distanze (1000-1500km) le onde "in aria" sono generalmente più importanti e sono meno disturbate da ostacoli come le montagne.

Copertura del segnale
 

Questa mappa mostra chiaramente la copertura del segnale DCF77 che può essere ricevuto in tutta l'europa, una parte del nord africa, in Inghilterra e anche nel nord Europa. Le distanze dei tre cerchi sono a 500, 1000 e 1500 kilometri.

Cosa fare dunque? Ecco alcune linee guida.

* Se si è a ridosso di una collina o di una montagna, di un elettrodotto, di un edificio in cemento armato o con estese parti metalliche è preferibile montare l'antenna in modo verticale o puntarla verso le coordinate del trasmettitore.

* Se si è in una zona pianeggiante a meno di 1500 km dall'emittente, forse la migliore ricezione è quella con l'antenna orizzontale e con il lato lungo orientato alle coordinate dell'emittente.

* Se la ricezione non è buona si cerchi di monitorare il segnale e di trovare la posizione migliore magari a vari orari durante il giorno. Ma si eviti di fare i controlli entro poco tempo, i livelli di riflessione della ionosfera cambiano lentamente nel corso di decine e decine di minuti o anche ore.

* Se la ricezione rimane scarsa si provi a monitorare il segnale usando un auricolare da collegare all'uscita del ricevitore o collegando un LED. Quindi si può trovare il migliore orientamento osservando le pulsazioni del led o ascoltando il rumore nell'auricolare. Si potrebbe anche collegare il pin 2 della scheda a/d (che riceve il segnale del dcf) a uno degli ingressi analogici disponibili sulla scheda. A questo punto si può usare Seismowin come oscilloscopio per vedere la qualità degli impulsi del DCF. Si tenga presente che a si dovrà usare il massimo numero possibile di SPS per il canale usato e che comunque non si potranno vedere picchi di disturbo di durata inferiore ad una frazione di SPS. (es. 1/100 di secondo a 100SPS).

* C'è anche la possibilità di interrare il ricevitore. Può sembrare sciocco ma quando c'è un segnale molto debole il circuito di controllo automatico di guadagno cercherà di amplificare la ricezione ma insieme amplificherà anche i disturbi. Interrando il ricevitore anche di soli 20-30 cm si abbatteranno notevolmente i disturbi su frequenze elevate lasciando praticamente inalterate le onde a lungo periodo.

* I disturbi dai vari utilizzatori domestici sembrano infastidire molto il ricevitore si cerchi dunque una posizione lontana da qualsiasi utilizzatore specialmente PC e TV e anche lontano dai grossi conduttori di energia dell'impianto elettrico di casa.

Altre spiegazioni comunque sono in arrivo. Sto sperimentando un circuito di filtro per il segnale in uscita dal ricevitore che incorpora anche un LED per il monitoraggio del segnale. Controllate ancora queste pagine nei prossimi giorni per vedere le novità.

Altre informazioni sul DCF77:

http://www.eurisco.com/jack/dcf77/dcf-e.shtml

http://www.hopf-time.com/en/dcf-info.htm

http://www.eecis.udel.edu/~mills/ntp/dcf77.htm

I trasmettitori del segnale DCF77
http://www.plicht.de/ekki/mainflin/