Vor einigen Jahren habe ich eine Auerswald DCM-77 Funkuhr auf einem Flohmarkt entdeckt und mitgenommen. Nun ist mir dieses „Digitale Funkuhrensystem“ wieder in die Hände gefallen und ich wollte natürlich herausfinden, ob sie sich wieder in Betrieb nehmen lässt.
Inhaltsverzeichnis
Bestandsaufname und Recherche zur Auerswald DCM-77
Die erste Recherche gestaltete sich allerdings etwas schwierig. Eine Suche nach „Conrad DCM-77“ lieferte nur wenige brauchbare Treffer, die zudem nur begrenzte technische Informationen enthielten. Erst nachdem ich das Gehäuse geöffnet hatte, fand ich auf der Platine einen Hinweis auf den Hersteller Auerswald. Mit dieser Information ließ sich die Suche deutlich gezielter fortsetzen.
Zunächst stieß ich auf die Dokumentation von Manfred Bischoff. Sie enthält zahlreiche technische Informationen zur Auerswald DCM-77 und auch zu deren Vorgänger, der ACS-77.
Besonders hilfreich war anschließend die Bedienungsanleitung der Auerswald DCM-77. Sie enthält einen Schaltplan, beschreibt unter anderem die Stromversorgung der Platine und den Anschluss des externen Empfängers ACEM. Damit war schnell klar, dass genau dieser Empfänger bei meinem Gerät fehlt.
Also musste eine Möglichkeit gefunden werden, den ACEM zu ersetzen. Bei der weiteren Recherche bin ich schließlich auf eine Beschreibung der ACEM-Schaltung gestoßen. Damit ließ sich zumindest nachvollziehen, wie der ursprüngliche Empfänger aufgebaut war und welche Signale die Uhr erwartet.
Nachdem ich die Schaltung mit den vorgesehenen 12 V versorgt hatte, zeigte sich allerdings ein ernüchterndes Bild: Von den zwölf Anzeigen leuchteten lediglich vier. Laut Bedienungsanleitung sollten dagegen alle Anzeigen eine Null anzeigen.
Reparatur der Hardware
Die Anzeigen werden im Multiplex-Verfahren angesteuert. Dabei werden die einzelnen Anzeigen nicht dauerhaft, sondern nacheinander in schneller Folge ein- und wieder ausgeschaltet. Durch die hohe Wiederholrate entsteht für das Auge der Eindruck, dass alle Anzeigen gleichzeitig leuchten.
Die Ansteuerung erfolgt über sechs BC337-Transistoren. Diese werden wiederum von einem HCF4028BE BCD-to-Decimal-Decoder angesteuert. Mit dem Oszilloskop habe ich die einzelnen Signale verfolgt und überprüft, an welcher Stelle sie auf dem Weg zu den Anzeigen verloren gehen.
Der Fehler war schließlich schnell gefunden: Der HCF4028BE war defekt. Ein Ersatzbauteil war problemlos zu beschaffen. Der HCF4028BE ist weiterhin erhältlich, beispielsweise bei Reichelt. Nach dem Austausch des Decoders waren die Signale wieder an den Basen der Transistoren vorhanden.
An den Messungen mit dem Oszilloskop lässt sich das Multiplex-Verfahren sehr schön nachvollziehen. Mein Oszilloskop verfügt allerdings nur über vier Kanäle, daher habe ich für die Messung exemplarisch vier der Ausgänge betrachtet.
Damit war die Reparatur allerdings noch nicht ganz abgeschlossen. Zwei Anzeigen wollten auch nach dem Austausch des HCF4028BE weiterhin nicht leuchten. Bei der weiteren Fehlersuche stellte sich heraus, dass in diesem Fall ein BC337-Transistor die Ursache war. Nach dem Austausch des defekten Transistors funktionierten schließlich alle Anzeigen wieder.
Ersatz für den ACEM-DCF77-Empfänger
Meine erste Idee war, den ACEM-Empfänger nachzubauen. Der Schaltungsaufwand ist überschaubar und die Anzahl der benötigten Bauteile hält sich in Grenzen. Bei der weiteren Recherche bin ich allerdings auf den Meteotime-Bug gestoßen. Offenbar sind davon auch einige Auerswald DCM-77 betroffen. Das hat meine ursprünglichen Pläne etwas verändert.
Die eigentliche Verarbeitung des DCF77-Signals übernimmt der Microcontroller von Philips. Er erhält das von der Antenne demodulierte DCF77-Signal und berechnet daraus die aktuelle Uhrzeit und das Datum einschließlich des Wochentags. Die entsprechenden Informationen gibt er anschließend über seine Ausgänge an die nachgeschaltete Logik weiter, welche wiederum die LED-Anzeigen ansteuert.
Bis 2006 waren die ersten 14 Bit des DCF77-Telegramms als Nullen kodiert. Seitdem werden in diesem Bereich Wetterinformationen übertragen. Dadurch kann in diesen Bits nun auch eine Eins vorkommen. Diese Änderung bringt manche Versionen der Auerswald DCM-77 offenbar aus dem Tritt, sodass sie die Synchronisation verlieren.
Damit war klar, dass ich ein DCF77-Signal erzeugen musste, das ohne diese Wetterdaten auskommt. Meine Wahl fiel deshalb auf einen ESP32. Er bietet alle Funktionen, die für die Umsetzung benötigt werden. Außerdem hatte ich bereits bei einem anderen Projekt gute Erfahrungen mit dem ESP32 gesammelt.
Bei der Pegelanpassung gibt es allerdings eine kleine Besonderheit. Die Schaltung der Uhr arbeitet mit 5 V. Die 12 V werden lediglich für die 7-Segment-Anzeigen und die Ansteuerung des optionalen Relais benötigt. Der Microcontroller (IC3) benötigt mindestens 2 V, um einen High-Pegel sicher zu erkennen. Da über der LED D1 etwa 2 V abfallen, müssen am DCFIN-Eingang mehr als 4 V für einen High-Pegel anliegen.
Der ESP32 arbeitet an seinen GPIOs dagegen mit 3,3 V. Dieser Pegel reicht für den DCFIN-Eingang daher nicht aus. Grundsätzlich könnte man die Eingangsschaltung der Uhr entsprechend anpassen oder einen Pegelwandler einsetzen.
Ich habe mich für einen einfachen Pegelwandler entschieden. Die Schaltung kommt mit nur zwei Transistoren und zwei Widerständen aus und bleibt damit sehr übersichtlich:
- BC547B
- BC640
- 2 × 4,7 kΩ
Die Schaltung war schnell auf einem Steckbrett aufgebaut. Zusätzlich habe ich am Ausgang eine LED mit Vorwiderstand angeschlossen. Damit lässt sich das erzeugte Signal auch optisch kontrollieren.
Auf dem Oszilloskop sind das originale Signal in Gelb und das gewandelte Signal in Grün zu sehen. Der Ausgang erreicht dabei nicht ganz 5 V, da mein verwendetes Steckernetzteil eine etwas zu geringe Spannung liefert. Für den Eingang der Uhr ist der erreichte Pegel jedoch ausreichend. Für die endgültige Version werde ich eine passendere Spannungsversorgung einsetzen.
Verbindung von ESP32 und Auerswald DCM-77
Nachdem ich die erste Version der Software auf den ESP32 übertragen und diesen mit der Uhr verbunden hatte, begann die DCF-Takt-LED erwartungsgemäß zu blinken.
Die Uhr synchronisierte sich jedoch nicht mit dem ausgegebenen Signal. Irgendetwas stimmte also noch nicht. Auf dcf77logs lässt sich das aktuell ausgesendete DCF77-Signal beobachten. Ich habe dieses Signal mit dem von meinem ESP32 erzeugten Telegramm verglichen. Dabei stellte sich heraus, dass die beiden Signale nicht übereinstimmten.
Damit war klar, dass die Software noch angepasst werden musste. Nach den entsprechenden Änderungen funktionierte die Übertragung schließlich. Die Uhr zeigte nach einigen Minuten eine Zeit an und auch die LED für die DCF-Zeit leuchtete.
Die angezeigte Uhrzeit stimmte zu diesem Zeitpunkt allerdings noch nicht vollständig. Das war zu erwarten, denn für einen zuverlässigen Betrieb benötigte der ESP32 zunächst noch eine korrekte Zeitsynchronisation.
Auch bei der Stromversorgung wollte ich eine saubere Lösung finden. Der ESP32 kann im ungünstigsten Fall etwa 400 mA aufnehmen. Deshalb wollte ich ihn nicht direkt am 5-V-Spannungsregler der Auerswald DCM-77 betreiben. In meiner Bastelkiste fand sich glücklicherweise ein passender Spannungswandler auf 5 V. Gegenüber einem klassischen linearen Spannungsregler bietet ein solcher Wandler einen deutlich höheren Wirkungsgrad und benötigt in meinem Aufbau keine weiteren zusätzlichen Bauteile.
Alle Komponenten finden schließlich auf einer kleinen Lochrasterplatine Platz. Die Platine lässt sich problemlos im Gehäuse der Uhr unterbringen. Links und rechts sind bereits Bohrungen zur Befestigung vorgesehen.
Angeschlossen wird die Platine an den Anschlüssen 12…18 V, GND und DCFIN. Der USB-C-Anschluss bleibt dabei gut zugänglich. So kann der ESP32 auch später noch problemlos für zukünftige Software-Updates angeschlossen werden.
Software für den ESP32
Nachdem die erste Version bereits vielversprechende Ergebnisse geliefert hatte, habe ich die Software im nächsten Schritt erweitert und an einigen Stellen verbessert.
Bevor die Software auf den ESP32 übertragen werden kann, muss zunächst die Entwicklungsumgebung installiert und eingerichtet werden.
Für das Projekt verwende ich die Arduino IDE in der älteren Version 1.8. Über den Boardverwalter im Menü „Werkzeuge“ lässt sich das ESP32-Paket von Espressif installieren. Anschließend kann als Zielplattform das ESP32 Dev Module ausgewählt werden.
Der Quellcode wird in einer .ino-Datei abgelegt. Diese Datei kann direkt mit der Arduino IDE geöffnet und bearbeitet werden. Über den entsprechenden Button lässt sich der Quellcode anschließend kompilieren und auf den ESP32 übertragen.
Im Laufe der Entwicklung sind folgende Funktionen hinzugekommen:
- vollständige Implementierung des DCF77-Protokolls
- Webinterface
- Konfiguration WLAN
- Konfiguration NTP-Servern
- Konfiguration Zeitzone
- dauerhaft gespeicherter Konfiguration
- mDNS
- automatischer Access Point für die Erstkonfiguration
- direkte UDP-basierte NTP-Synchronisation
- Watchdog zur Überwachung der NTP-Synchronisation
Nach dem ersten Einschalten startet der ESP32 automatisch einen WLAN-Access-Point mit dem Namen DCM77-Setup. Während dieser Betriebsart blinkt die DCF-Takt-LED schnell. Mit einem WLAN-fähigen Gerät kann man sich mit diesem Access Point verbinden und anschließend über die Adresse 192.168.4.1 die Erstkonfiguration aufrufen.
Dort werden die SSID und das Passwort des vorhandenen WLANs eingetragen. Nach einem Klick auf WLAN speichern und Neustart übernimmt der ESP32 die Einstellungen und versucht, eine Verbindung mit dem konfigurierten Netzwerk herzustellen.
Sobald die Netzwerkverbindung steht, synchronisiert der ESP32 seine Uhrzeit über das Internet. Anschließend wird daraus das DCF77-Telegramm erzeugt und an die Auerswald DCM-77 ausgegeben. Die DCF-Takt-LED blinkt dabei im entsprechenden Sekundenrhythmus. Nach einigen Minuten sollte sich auch die Uhr synchronisieren und die korrekte Uhrzeit anzeigen.
Über die Weboberfläche können anschließend weitere Einstellungen vorgenommen werden. Dazu gehört beispielsweise die Auswahl einer anderen Zeitzone. Die Konfiguration wird dabei dauerhaft im ESP32 gespeichert und steht auch nach einem Neustart wieder zur Verfügung.
Quellcode und weitere Informationen
Wer das Projekt selbst ausprobieren oder einen Blick in die Software werfen möchte, findet den Quellcode auf GitHub. Dort gibt es neben den aktuellen Versionen auch eine ausführliche Beschreibung der einzelnen Funktionen und weitere Informationen zum Projekt.
Fazit Auerswald DCM-77
Die Auerswald DCM-77 ist für mich ein schönes Stück Zeitgeschichte. Die verwendeten Logikbausteine und die gesamte Schaltungstechnik erinnern an eine Zeit, in der solche Aufgaben noch mit zahlreichen einzelnen Bausteinen gelöst wurden. Wenn man die Platine betrachtet, wirkt die Kombination aus ICs, Transistoren und den vielen LED Anzeigen fast ein wenig wie die Elektronik eines Zeitzünders aus einem Film der 80er Jahre. Genau das macht für mich einen Teil des Reizes dieser Uhr aus.
Technisch ist die Lösung mit dem ESP32 heute natürlich wesentlich komfortabler. Statt eines historischen DCF77-Empfängers übernimmt nun ein kleiner Mikrocontroller die Erzeugung des benötigten Signals. Dabei wird nicht versucht, die komplette DCF77-Funkübertragung nachzubilden, sondern lediglich das digitale Signal erzeugt, das die Auerswald DCM-77 an ihrem Eingang erwartet.
Die derzeitige Zeitversorgung über NTP funktioniert für den Betrieb gut. Die Genauigkeit hängt dabei allerdings von der verwendeten Zeitquelle und der Synchronisation über das Netzwerk ab. Für eine zukünftige Version könnte ich mir deshalb auch andere Zeitquellen vorstellen. Ein externes GPS-Modul wäre beispielsweise eine Möglichkeit. Ebenso könnte ein DCF77-Empfänger direkt am ESP32 verwendet werden. Damit ließe sich die Uhr wieder über das tatsächlich empfangene DCF77-Zeitsignal synchronisieren.
Ganz abgeschlossen ist das Projekt für mich deshalb noch nicht. Auch optisch gibt es noch ein paar Punkte, die ich gerne ändern würde. Die beige Farbe des Gehäuses gehört zwar zweifellos zum Erscheinungsbild dieser Zeit, ist aber nicht unbedingt meine Lieblingsfarbe. Wenn sich eine passende Gelegenheit ergibt, wird das Gehäuse vielleicht noch eine andere Farbe bekommen.
Auch ein Relais möchte ich noch ergänzen und dessen Kontakte nach außen führen. Damit könnte die Uhr später noch eine zusätzliche Schaltfunktion übernehmen, ohne dass dafür wieder in das Gehäuse eingegriffen werden muss.
Im Betrieb macht die Auerswald DCM-77 jedenfalls einiges her. Die DCF-Takt-LED blinkt im Sekundentakt und die roten Ziffern der Anzeige haben eine ganz eigene Wirkung. Etwas rätselhaft finde ich bis heute den Doppelpunkt zwischen Stunden und Minuten: Warum dieser eine andere Farbe hat als die eigentlichen Ziffern, erschließt sich mir nicht so recht. Gerade solche kleinen Details machen aber auch den Charme alter Geräte aus.
Praktisch ist außerdem der eingebaute Testmodus. Er lässt sich aktivieren, indem beim Einschalten der Stromversorgung die Taste MODE gedrückt gehalten wird. Damit können verschiedene Funktionen der Uhr überprüft werden, ohne dass dafür ein gültiges DCF77-Signal benötigt wird.
Insgesamt hat sich die Reparatur und der Umbau für mich gelohnt. Aus einer alten Uhr vom Flohmarkt ist wieder ein funktionierendes Gerät geworden. Gleichzeitig war das Projekt eine interessante Kombination aus Fehlersuche an klassischer Elektronik, DCF77-Telegrammverarbeitung, ESP32-Programmierung und etwas Netzwerktechnik. Besonders schön finde ich dabei, dass die ursprüngliche Elektronik der Auerswald DCM-77 weitgehend erhalten bleiben konnte und lediglich der inzwischen problematische Empfänger durch eine moderne, digitale Lösung ersetzt wurde.
Damit ist die DCM-77 zwar nicht ganz so autark wie mit einem funktionierenden Originalempfänger, aber sie hat eine zweite Chance bekommen – und steht nun wieder dort, wo sie meiner Meinung nach hingehört: eingeschaltet auf dem Schreibtisch und mit ihren roten Anzeigen gut sichtbar.
Funfact zum Schluss
Zum Abschluss habe ich noch einen kleinen Test gemacht, der mich selbst etwas überrascht hat. Da die Wetterdaten im DCF77-Telegramm ursprünglich der Grund für den beschriebenen Meteotime-Bug waren, habe ich meinem ESP32 testweise einfach Wetterdaten mitgeschickt.
Das Ergebnis: Die Auerswald DCM-77 hat sich davon überhaupt nicht beeindrucken lassen. Die Synchronisation funktionierte weiterhin problemlos.
Offenbar gehört meine Uhr damit zu den Varianten, die vom Meteotime-Bug nicht betroffen sind. Der Test war für den Umbau zwar nicht notwendig, aber natürlich musste ich ausprobieren, was passiert.