Bei der Videoaufzeichnung wird in jedes PAL-Halbbild eine auf Millisekunden genaue Zeit am Bildrand eingeblendet und somit mitaufgezeichnet. So kann jedes Bild im PAL-System dann einer bestimmten Zeit mit einem Toleranzbereich von +/- 10 ms zugeordnet werden. Eine Lösung dazu gibt es von Geoff Hitchcox aus Christchurch in Neuseeland mit einer Schaltung für Video- mit exakter Zeitaufzeichnung KIWI-OSD.

Kiwi-OSD System - aufgebaut Oktober 2005

Notebook, GPS Garmin 18 LVC und KIWI-OSD

Visuelle Beobachtung

Bei einer visuellen Aufzeichnung wird das Ereignis beobachtet und durch das möglichst schnelle Drücken einer Taste sofort die momentane Uhrzeit erfasst. Somit wird das Ereignis mit einem Zeitstempel versehen und kann später genau analysiert werden.

Die genaueste Uhrzeit kann man mit relativ einfachen Mitteln über das Global Positioning System - GPS erhalten. Gegen diese Methode erscheint sogar das Funkuhrsystem DCF-77 noch als relativ ungenau. Beim DCF-77 Empfang können durch Amplitudenschwankungen und verschieden wirksame Entfernungen vom Sender in Summe Abweichungen von bis zu mehreren Millisekunden entstehen. Mit einem geeignetem GPS-Sensor, der auch ein genaues PPS-Signal liefert, kann man jedoch Genauigkeiten im Bereich von nur einer 1/10000 Sekunde erreichen.

Geoff Hitchcox aus Neuseeland hat auch die hervorragende DOS-Freeware KIWI für das KIWI Precision Time Stamp Utility entwickelt und mit einem einfachen Schaltungsvorschlag auf seinen Seiten zum Download bereitgestellt.

Das KIWI Precision Time Stamp Utility ist für visuelle Beobachtungen mit genauen Zeitaufzeichnungen optimal. Jeder Tastendruck wird mit genauer UTC in eine Datei geschrieben und ist somit später abrufbar.

Hier folgt nun die Beschreibung von meinem Nachbau.

Notebook-Bildschirm

Das Bild unten zeigt in meinem Nachbau die Zusammenschaltung aller erforderlichen Komponenten. Das Kästchen TSU enthält die einfache Schaltung mit den wenigen Bauteilen sowie die erforderliche Verdrahtung. Als GPS-Sensor verwende ich die Type Garmin GPS18 LVC. Dieser moderne 12-Kanalempfänger mit integrierter SBAS (Satellite Based Augmentation Systems) Korrektur und 1PPS-Ausgang erreicht bei entsprechendem Empfang eine horizontale Positionsgenauigkeit, die besser als drei Meter ist. Das SBA-System EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) soll in Europa ab Q2/2005 vorerst nur für nicht sicherheitsrelevante Anwendungen in Betrieb gehen. Im Jahr 2006 ist dann eine Freigabe für alle Anwendungen geplant. Der Sensor hat neben einem weiten Temperaturbereich von -30°C bis +80°C auch ein wasserdichtes Gehäuse sowie einen integrierten Haftmagneten. Von den Internetseiten der Fa. Garmin kann ein kostenloses Softwaretool zum Konfigurieren des Sensors geladen werden. Für die Anwendung mit KIWI sollen nur die beiden NMEA0183 Datenstrings $GPRMC, $GPGGA und das 1PPS-Signal vom Sensor ausgegeben werden.

Zusammenschaltung der Komponenten

Eine erste Prototypenschaltung wurde von mir auf einer Lochrasterplatine aufgebaut und diese mit den Steckverbindungen in ein kleines Kunststoffgehäuse eingebaut. Wie bei Prototypen üblich, war nach mehreren Um- und Zubauten eine geordnete Drahtführung nicht mehr möglich. Daher herrscht im Inneren nun ein funktionierendes Chaos ;-).

TSU - Innenansicht mit Prototypenplatine und Verdrahtung

Den Schaltungsvorschlag von Geoff Hitchcox habe ich bei meinem Aufbau um diese sichere Spannungsversorgung erweitert. Damit sind Eingangsspannungen in einem weiten Bereich von 4,5 bis 15 Volt möglich. Die Schaltung hat auch eine Power-LED und ist zusätzlich gegen eine falsche Polung geschützt.

TSU Schaltung - Spannungsversorgung (4,5V - 15V DC)

Dieser zweite Schaltungsteil entspricht großteils dem Vorschlag von Geoff Hitchcox. Hier werden alle Komponenten entsprechend verbunden. Der Transistor invertiert das ansteigende 1PPS-Signal des Garmin GPS18 LVC um am Sekundenbeginn eine fallende Flanke zu erreichen. Die Software KIWI ist auf eine fallende Flanke programmiert. Bei der Verwendung eines anderen GPS-Sensors mit fallender Flanke am 1PPS-Ausgang braucht man diesen invertierenden Transistor V2 und die Widerstände R2, R3 und R4 natürlich nicht.

TSU Schaltung - Signale und Anschlüsse

Diese Messung zeigt die beiden Datenstrings und das 1PPS-Signal. Schon hier sieht man, dass das 1PPS-Signal zeitlich jeweils etwas vor den beiden zusammenhängenden Datenstrings gesendet wird.

Kanal_1: TxD (NMEA0183 $GPRMC + $GPGGA) Kanal_2: 1PPS

In dieser Messung wird ein Zeitversatz von 14ms zwischen 1PPS-Signal und Datenstrings genau ersichtlich. Dieser Zeitversatz ist aber keineswegs konstant, sondern schwankt - abhängig von der GPS-Empfangssituation - laufend im Bereich von etwa 10 - 20 ms. Mit der GPS-Empfangssituation ändert sich der Rechenaufwand im GPS-Modul und somit auch dieser Zeitversatz.

Kanal_1: TxD (NMEA0183 $GPRMC + $GPGGA) Kanal_2: 1PPS

Obwohl die drei Meter langen Anschlussleitungen des GPS-Sensors Garmin GPS18 LVC zusätzlich um sieben Meter auf insgesamt 10 Meter verlängert wurden, zeigt diese Messung, dass das 1PPS-Signal noch immer in etwa 200ns einen sicheren Pegelwechsel durchführt. Daher kann man den Sensor ohne Probleme auch mit solchen Leitungslängen noch betreiben. Durch die Transistor-Inverterstufe wird das Signal zusätzlich um 150 ns verzögert. Der gesamte Aufbau kann also das Signal um etwa 350 ns verzögern. Zusammen mit der von Garmin angegebenen Grundgenauigkeit des 1PPS-Signals von +/- 1 Mikrosekunde wird dadurch aber noch immer eine viel bessere Genauigkeit als 1/10000 Sekunde erreicht.

Kanal_1: 1PPS-Signal direkt vom Garmin GPS18 LVC

Kanal_2: 1PPS-Signal nach der Transistorstufe zum PC

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