Hace casi dos años hice un transmisor de DCF77 con un módulo ESP32, y lo acoplé dentro de otro transmisor que había hecho con anterioridad con Arduino. Ahora voy a montar otra versión del mismo transmisor DCF77, reduciendo al mínimo su tamaño y sin eliminar sus prestaciones.
En la versión 2 del transmisor DCF77 con ESP32, he quitado el segundo controlador de Arduino, ya que sólo servía para complementar la información que muestra el display OLED. Pero he utilizado un trozo del PCB de ese transmisor, el que contiene los componentes del amplificador, y mediante 3 hilos lo he conectado con el módulo ESP32: los 2 hilos de alimentación y el hilo de salida DCF77 ya modulado. La salida de los impulsos DCF77 no se utiliza, pero se puede utilizar para hacer medidas.
Para comprobar que se está transmitiendo la señal por el amplificador, he montado un LED SMD en serie con una resistencia limitadora, en paralelo con el condensador de 1nF del circuito resonante de salida, la antena transmisora. La resistencia limitadora del LED la he puesto bastante alta, de 3k9, con el fin de que no se reduzca el nivel de RF radiado.
Nivel de salida DCF77
Con el fin de comprobar el correcto funcionamiento del amplificador de salida, y medir el nivel de tensión pico a pico de la portadora DCF77 (77,5 kHz), he conectado las puntas del osciloscopio en paralelo con la bobina del amplificador (antena). La punta de referencia del osciloscopio (GND) la he conectado a la toma de la bobina que va conectada a la alimentación de +5V, ya que para la señal de RF el +5 es lo mismo que el GND. Así en las medidas del osciloscopio, la referencia GND que muestre se corresponderá con la tensión +5 del amplificador.
El osciloscopio debería funcionar con batería, o estar aislado de la tensión de la red eléctrica
Analizando la gráfica que muestra el osciloscopio, la amplitud de la señal DCF77 ocupa 3 cuadros X 5V = 15Vpp. Se puede observar que desde el punto de referencia del osciloscopio (1→ de la izquierda) hacia abajo hay un cuadro = 5V, justo la tensión a la que está alimentado el amplificador. Al estar funcionando el amplificador en Clase C (se polariza con la señal de RF) el transistor deja de conducir cada segundo durante 100 o 200ms, dependiendo si se transmite un CERO o UNO lógico. En la imagen se muestran dos segundos consecutivos (10 divisiones de 200ms), con dos intervalos sin portadora de 100ms = dos ceros lógicos. La medida que muestra a la derecha la pantalla del osciloscopio de 10V, es la tensión ‘extra’ que produce la bobina de 4mH junto con el condensador de 1nF al estar en resonancia a la frecuencia de 77,5 kHz.
El archivo que necesitas para programar el ESP32, lo puedes descargar de forma gratuita desde el siguiente enlace: DFC77_ESP32_JR.rar
Caja 3D (ESP32+Display)
El fichero .stl que necesitas para fabricar esta caja, lo puedes descargar desde el siguiente enlace: DCF77 transmitter with ESP32 (v2)
¿Necesitas fabricar un circuito impreso?
Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos (PCB), pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.
Construcción de un sencillo transmisor de 77,5 KHz, para poder poner en hora los relojes DCF77 que no reciban correctamente la señal del transmisor de Alemania. DCF77 es una estación de radio situada en Alemania, que transmite en onda larga (LW). Comenzó a funcionar como una estación de frecuencia estándar el 1 de enero de 1959, y a partir de junio de 1973 se incorporó en la transmisión la información de la fecha y la hora. La señal DCF77 utiliza la codificación de cambio de amplitud para transmitir información de tiempo, codificada digitalmente al reducir la amplitud de la portadora hasta un 15% de su nivel nominal durante 0,1 o 0,2 segundos, al comienzo de cada segundo. Una reducción de 0,1 segundos indica un 0 binario; y una reducción de 0,2 segundos indica un 1 binario.
A pesar de la gran precisión en frecuencia y fase con la que se transmiten las señales DCF77 desde el transmisor de Alemania, los relojes de uso doméstico no comprueban la información que reciben con tanta precisión.
Un reloj DCF77 sólo necesita recibir una portadora de 77,5 KHz, con amplitud variable al ritmo de cada segundo y la codificación de tiempo adecuada. Si colocamos un pequeño transmisor de 77,5 KHz en las proximidades de un reloj DCF77, la portadora podría tener una deriva en frecuencia de +/-300 Hz, no incluir la modulación en fase, y aumentar la profundidad de modulación en amplitud hasta el 100%. Así es posible transmitir la información DCF77 con una modulación ASK.
Todo esto facilita mucho la construcción de un transmisor experimental, que nos permita actualizar la hora de los relojes DCF77 que no estén situados en un lugar favorable para recibir las señales horarias desde el transmisor de Alemania.
Otra ventaja de disponer de un pequeño transmisor DCF77, es que podríamos utilizar estos relojes en lugares en los que nunca podrían funcionar… en América, Asia, etc.
Desde hace años estoy utilizando pequeños transmisores para sincronizar relojes DCF77, pero los dos transmisores que tengo están diseñados con algunos componentes electrónicos que actualmente son difíciles de encontrar. Por ese motivo voy a construir un nuevo transmisor DCF77, barato y muy sencillo de construir. El nuevo transmisor está construido a partir del microprocesador ATmega328P, utilizado en las placas de desarrollo Arduino UNO.
El transmisor se encarga de generar la frecuencia portadora (77,5 KHz) y controlar su modulación, interrumpiendo la señal de RF (ASK). Con el fin de facilitar el transporte y ubicación en el lugar más favorable al reloj o relojes a sincronizar, el transmisor es de baja potencia y está alimentado con una batería de Li-ion (3,7V).
Interface: USB-RS232
La codificación DCF77 la genera una aplicación para PC, y la envía al transmisor mediante el hilo RTS de un puerto serie. Actualmente ningún PC dispone de un puerto serie (DB9), pero es muy fácil y barato conseguir un interface USB-RS232.
(Actualizado: Septiembre 2020)
El archivo que necesitas para programar el ATmega328P, lo puedes descargar de forma gratuita desde el siguiente enlace: TX_DCF77.rar
Software de control DCF77
Con el fin de poder programar y controlar el reloj LED de esfera rotante, he creado una aplicación para Windows (DCF77.exe), la cuál también incluye la funcionalidad de generar las señales DCF77. El software DCF77.exe puede controlar de forma simultánea el reloj LED de esfera rotante y el transmisor DCF77.
El software DCF77.exe lo puedes descargar de forma gratuita y con seguridad desde el siguiente enlace: Install_DCF77.rar
La caja se considera como un complemento de cualquier montaje electrónico, y además suele ser lo más laborioso de realizar, debido a su mecanizado. Actualmente es más fácil conseguir una caja a medida y mecanizada a buen precio, utilizando una impresora 3D. El trabajo más laborioso es el realizar el diseño, pero una vez hecho, se pueden hacer todas las cajas que quieras sin la necesidad de perder más tiempo en realizar sus mecanizados.
Los ficheros que necesitas para fabricar esta caja, los puedes descargar desde el siguiente enlace:
Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos, pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.
Desde hace años, los sistemas de sincronización horaria han ido evolucionando. No hace mucho tiempo, todos los relojes de uso doméstico había que ponerlos en hora de forma manual cada cierto tiempo. Cada vez que se hacía un cambio oficial de la hora, teníamos que ajustar de forma manual la hora del PC, el reloj de todos electrodomésticos, los equipos de audio y grabación de video, el reloj del automóvil, etc. Actualmente con Internet, esto ha cambiado mucho. Todos los equipos que disponen de una conexión a Internet, tienen la posibilidad de mantener con gran precisión la información de fecha y hora, y ajustar los cambios de hora de forma automática. Sin embargo, desde hace muchos años existen sistemas de sincronización horaria, incluso anteriores a la aparición del GPS. Uno de los sistemas más utilizados en Europa, es el DCF77.
¿Qué es DCF77?
DCF77 es una estación de radio situada en Alemania, que transmite en onda larga (LW). Comenzó a funcionar como una estación de frecuencia estándar el 1 de enero de 1959, y a partir de junio de 1973 se incorporó en la transmisión la información de la fecha y la hora.
El transmisor DCF77 está controlado por Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), el laboratorio nacional de física de Alemania, y transmite en funcionamiento continuo (24 horas).
El transmisor es operado por Media Broadcast GmbH (anteriormente una subsidiaria de Deutsche Telekom AG ), en nombre del laboratorio nacional de física PTB.
La frecuencia portadora de la señal DCF77 es de 77,5 kHz (aproximadamente 3.868,3 m. de longitud de onda) y se genera a partir de relojes atómicos locales que están vinculados con los relojes maestros alemanes en el el laboratorio nacional de física de Alemania en Braunschweig. La señal horaria del DCF77 se utiliza para la difusión del tiempo legal nacional en Alemania.
La transmisión DCF77 marca segundos al reducir la potencia de la portadora durante un intervalo que comienza cada segundo. La duración de la reducción se varía para transmitir un bit de código por segundo, codificando toda la información de fecha y hora a lo largo de cada minuto.
Modulación de amplitud
La señal DCF77 utiliza la codificación de cambio de amplitud para transmitir información de tiempo, codificada digitalmente al reducir la amplitud de la portadora hasta un 15% de lo normal (−16,5 dB) durante 0,1 o 0,2 segundos al comienzo de cada segundo. Una reducción de 0,1 segundos indica un 0 binario; y una reducción de 0,2 segundos indica un 1 binario. Como un caso especial, el último segundo de cada minuto se marca sin reducción de la potencia portadora. La portadora DCF77 está sincronizada de modo que el cruce por cero ascendente se produce al inicio de cada segundo. Todos los cambios de modulación también ocurren al aumentar los cruces por cero.
Hasta el año 2006 también hubo una identificación de la estación con el código Morse, que se enviaba durante los minutos 19, 39 y 59 de cada hora. Finalmente se suspendió, ya que la estación es fácilmente identificable por su señal característica. Se generaba un tono de 250 Hz mediante la onda cuadrada que modula la portadora entre el 100% y el 85% de potencia, y el distintivo de llamada era «DCF77«.
Modulación de fase
Además de la modulación en amplitud, durante 792,78 mSeg. y a partir de 200 mSeg., cada bit de código de tiempo se transmite utilizando un espectro ensanchado de secuencia directa. El bit se mezcla con una secuencia de chips pseudoaleatorios de 512 bits, y se codifica en la portadora utilizando el cambio de fase de ±13°. La secuencia de chips contiene cantidades iguales de cada fase, por lo que la fase promedio permanece sin cambios. Cada chip abarca 120 ciclos de la portadora, por lo que la duración exacta es de los ciclos 15.500 a 76.940 de 77.500. Los últimos 560 ciclos (7,22 mSeg) de cada segundo no están modulados en fase.
Dentro de la modulación de fase, el bit 59 se transmite como un bit 0 ordinario, y los primeros 10 bits (segundos 0–9) se transmiten como 1 binario.
Cuando se compara con la modulación de amplitud, la modulación de fase hace un mejor uso del espectro de frecuencia disponible y da como resultado una distribución de tiempo de baja frecuencia más precisa con menos sensibilidad a las interferencias. Sin embargo, muchos receptores DCF77 no utilizan la modulación de fase. La razón de esto es la disponibilidad mundial de las señales (referencia horaria precisa) transmitidas por los sistemas de navegación global por satélite como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y GLONASS .
Interpretación del código de tiempo
El tiempo se representa en decimal codificado en binario. Representa el tiempo civil, incluidos los ajustes de horario de verano. El tiempo transmitido es el correspondiente al minuto siguiente. Por ejemplo, a las 23:59 del próximo 31 de Diciembre de 2019, se transmitiría la información de las 00:00 del 1 de Enero de 2020.
La modulación de fase generalmente codifica los mismos datos que la modulación de amplitud, pero difiere para los bits 59 a 14, inclusive. El bit 59 (sin modulación de amplitud) se modula en fase como un bit 0. Los bits 0–9 se modulan en fase como 1 bits, y los bits 10–14 se modulan en fase como 0 bits. La información de protección civil y la información meteorológica no se incluye en los datos modulados en fase.
Dos indicadores advierten que los cambios ocurrirán al final de la hora actual: un cambio de zonas horarias y una inserción de segundo intercalar (esta operación se realiza para ajustar los relojes con el calendario solar). Estas indicaciones están presentes durante toda la hora anterior al evento. Esto incluye el último minuto antes del evento, durante el cual los otros bits del código de tiempo (incluidos los bits indicadores del huso horario) codifican la hora del primer minuto después del evento. Los bits de zona horaria pueden considerarse una representación codificada en binario del desplazamiento UTC . El conjunto Z1 indica UTC+2 , mientras que Z2 indica UTC+1. En el caso de un segundo intercalar, se inserta un bit 0 durante el segundo 59, y el bit faltante especial se transmite durante el segundo salto, segundo 60.
Los primeros 20 segundos son indicaciones especiales. Los minutos se codifican en los segundos 21–28, las horas durante los segundos 29–34 y la fecha en los segundos 36–58. Aunque el código de tiempo solo incluye dos dígitos del año, es posible deducir dos bits de siglo utilizando el día de la semana. Aún así existe ambigüedad cada 400 años, ya que en el calendario gregoriano se repiten semanas cada 400 años, pero esto sería suficiente para determinar qué años de los que terminan en 00, son años bisiestos.
Sincronización de redes con DCF77
DCF77 se creó para cubrir la necesidad que existía de disponer de un sistema de sincronización vía radio, con gran cobertura y la precisión de un reloj atómico. La señal DCF77 se utiliza para sincronizar sistemas de seguimiento a satélites, telescopios, redes transmitiendo en isofrecuencia (SFN), etc.
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Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos (PCB), pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.
