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das DCF77 Zeitsignal

Tags: Elektronik, Software
Stand: 26. September 2006, 21:03
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Das DCF77 Signal wird von der Physikalisch-Technischen-Bundesanstalt in Braunschweig über ein System von 4 Cäsium-Atomuhren erzeugt und kann verwendet werden um elektronische Schaltungen mit einer Uhrzeit auszustatten.

Die Ganggenauigkeit beträgt 1s in 213s. Diese Ungenauigkeit beruht auf der Abschätzung von unkorrigierten Resteinflüssen wie der Gravitation. Dieses Signal wird über Telefonleitungen nach Mainflingen bei Frankfurt übertragen. Dort steht ein 50kW-Sendemast der Deutschen Telekom. Über diesen Sendemasten wird das DCF77 Signal ausgestrahlt. Die Trägerfrequenz liegt wegen der benötigten Reichweite im Langwellenbereich bei 77,5 kHz, wovon auch die Bezeichnung DCF77 abgeleitet ist. Dieses Signal ist im Umkreis von ca. 2000 km um Mainflingen von DCF77 Funkuhren empfangbar.

Natürlich kann man mit solchen Uhren nur Zeitdifferenzen messen. Der Anfangszeitpunkt wurde für Deutschland am 1.1.1971 festgelegt, international gilt eine auf Atomuhren basierende Zeit seit 1978. Dies geschieht durch die Mittlung der Uhren der meteorologischen Institute in den USA, in Frankreich, Deutschlands und Canadas. Die aktuelle Uhr der PTB hat daran einen Anteil von mehr als 80%. Wer noch mehr über meteorologische Institute erfahren will, der kann ja mal in deren WWW-Seiten schauen.

Name Abkürzung Website
Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Deutschland PTB http://www.ptb.de
Bundesanstalt für Materialforschung, Deutschland BAM http://www.bam-berlin.de
National Institute of Standards and Technology, USA NIST http://www.nist.gov
National Physical Laboratory, U.K. NPL http://www.npl.co.uk
National Research Council, Canada NRC http://www.nrc.ca

Das DCF77 Signal ist amplitudenmoduliert, d.h. es wird im Sekundentakt kurzfristig für ein bestimmtes Intervall abgesenkt. Die Dauer dieses Intervalls beträgt 100ms für eine binäre Null bzw. 200ms für eine binäre Eins. Innerhalb des Zyklus von einer Minute können so in fester Reihenfolge BCD kodierte Informationen zu Minute, Stunde, Kalendertag, Wochentag, Monat und Jahr übertragen werden.

Folgendes Schema soll das nochmal verdeutlichen:

DCF77 Schema

Der Beginn der Minute wird durch das Fehlen der 59. Sekundenmarke signalisiert. Die Bits 1…14 haben noch keine Bedeutung. Die erste auswertbare Information beginnt mit der 15. Sekunde.

Das Antennenbit R zeigt an, ob die Reserveantenne beziehungsweise der Reservesender in Mainflingen eingeschaltet ist. Dies ist beispielsweise bei Reparaturarbeiten der Fall. Das 1. Bit A1 wird eine Stunde vor dem Wechsel von Sommerzeit- nach Winterzeit und umgekehrt logisch Eins. Die Bits Z1 und Z2 zeigen, ob sich die folgenden Zeitinformationen auf die Sommerzeit MESZ (Z1 = 1, Z2 = 0) oder Winderzeit (Z1 = 0, Z2 = 1) beziehen. Mit Bit A2 wird eine zusätzliche Schaltsekunde angezeigt. Anstelle der 59. wird dann die 60. Sekundenmarke weggelassen.

Das Startbit S (logisch Eins) leitet die eigentliche Zeitinformation (für die folgende Minute) ein. Minute, Stunde, Kalendertag, Wochentag, Kalendermonat und Kalenderjahr werden nun BCD-kodiert ausgegeben, so besteht zum Beispiel die Minutenangabe 00-59 aus 4 Bits (0-9 dezimal entspricht 0000-1001 binär) für die Einerstelle gefolgt von drei Bits für die Zehnerstelle (0-5 dezimal entspricht 000-101 binär). Für die Jahreszahl werden nur die letzten beiden (Dezimal-)Ziffern übertragen, das Jahrhundert muss die Uhr wissen. Beachten Sie, daß die Informationen vom DCF-Modul entsprechend der gezeigten BCD-Diagramms geliefert werden, d.h. für die Dauer der Amplitudenabsenkung wird eine 1, sonst die 0 ausgegeben. Die Angaben zur Minute, Stunde und zum Kalenderjahr werden von den Paritätsbit P1, P2 und P3 ergänzt.

Ein großes Problem sind allerdings schlechte Empfangsbedingungen, wenn zum Beispiel die Antene schlecht ausgerichtet bzw. abgeschirmt ist. Dabei können von Zeit zu Zeit Zwei-Bit-Fehler beim Einlesen auftreten, die dann nicht erkannt werden können. Dadurch kann die Zeit völlig unbrauchbar werden. Deshalb muss man dies in seiner Auswertungssoftware berücksichtigen.

Quellen:
Elektor, DCF am PICee, Juni 2002

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