来自天上的1Hz – 自制PPS信号源

无论是无线电、电子爱好者或工程师,都会经常和时序、时钟信号打交道,各种各样的时钟装置更是被制作出来。为了追求时间的准确性,各种高精确时钟源也被发明出来,常见的像温补晶振,恒温晶振,铷原子钟,卫星PPS等。
PPS信号来自于卫星定位模块,GPS或北斗模块上都会有此信号输出,PPS全称Pulse Per Second(秒脉冲),在模块完成定位后,PPS引脚会在每个整秒时刻,以设定的频率输出一个脉冲(通常使用1Hz),以精确指示整秒的开始时刻。通常PPS信号的作用是配合模块串口输出的NMEA报文数据包,串口输出的 NMEA 数据包包含年月日时分秒信息,但通过串口传输存在毫秒级的延迟,下位机可以根据PPS信号的上升沿与 报文中的UTC 整秒严格对齐,通过PPS这样的协同授时误差可以在100纳秒之内。
我的个人需求是想要一个精确的1Hz时钟源,可以用于一些信号生成或计数应用中,相较于其它时钟源,PPS简单又便宜,所以选择PPS信号。为了得到PPS信号,首先是需要有卫星定位模块,我选择的是中科微电子的ATGM336H-5N-3X模块,此模块可以支持GPS和北斗,有TTL串行信号和PPS信号输出,配上陶瓷天线后体积也很小,价格也不贵。在这个项目中我不需要使用到NMEA报文数据包,所以最终只需要连接线到ATGM336H-5N-3X模块,整个制作过程也没难度可言。
下图就是ATGM336H-5N-3X模块的背面,主要有E2PROM用于保存设置参数,还有一个可充电载XH414小电池,可在热启动模式下加速搜星,还有就是LDO和一些阻容,正面就是ATGM336H-5N-3X模块,在第四张图片中可以看,用屏幕铁盒封装。

由于要在室外模块才能搜星和定位,才可以精确校准时间,所以需要把模块和天线放置到室外。打印个简单的小盒子,可以放下模块和天线。

模块通过航空接头和连线接入到室内。

模块和天线放置于盒子中,并用热熔胶固定好位置,焊接连线到航空接头上。

把模块连接到USB转串上,接入电脑用GNSS工具软件进行设置和测试。也可以用默认的出厂设置。

在授时设置项目页中可以设置PPS脉冲的频率、脉宽、电平等 。这里我设置是1Hz,脉宽是100ms。

在重启参数设置时,我选择的“清除内存”,这样上电后只有在模块搜星定位成功后,PPS才会有输出,否则上电后会一直有输出,这会比“热启动”搜星定位所花的时间会长,可根据自己需要设置。

室内部分的端子,我使用一个BNC端子安装在以前制作的一个小电源盒子上,方便连接使用,且不需要再占用桌面空间。

模块天线安装在阳台铝合金门框上,能对着天空的地方。

上电后连接示波器进行波形观测,效果还是符合预期的。或者以后可以把NMEA报文用MCU解读出来,制作一台精准的自动校时时钟。也可以通过 MCU对模块的授时参数进行设置,做一个简单的脉冲信号发生器。

20260906

继电器振荡电路

继电器振荡电路,是早期利用电磁铁吸合关断来实现振荡循环的电路。电源通过继电器常闭触点连接到线圈上,上电后电容充电,到达阀值时,LED亮,然后线圈吸合,常闭触点断开,电容放电,LED灭,线圈断开,电路重新得电,循环反复。示波器表笔分别夹在线圈两端。
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电路分析13-焦耳小偷

“焦耳小偷”(Joule Thief)是一个简单而有趣的电路。在1999年11月出版的《Everyday Practical Electronics》杂志上,英国人Z. Kaparnik发表的《One Volt LED – A Bright Light》文章中介绍了仅用一颗1.5V电池点亮LED的电路,此后这个电路得到众多电子爱好者的喜欢,再后来由油管UP主bigclivedotcom在2002年8月首次使用了Joule Thief(焦耳小偷)这个昵称来命名这种电路。

先来看看典型的焦耳小偷电路图。

此电路可以让电压远低于LED压降的旧电池点亮LED,它可以榨干电池的能量,即使电压低至0.6V依然可以工作,所以是名副其实的“焦耳小偷”。 一节干电池电压最高也只有1.5V左右,是无法驱动压降为1.8-3.2V的LED,“焦耳小偷”其实是一种阻塞振荡器电路,通过变压器和晶体管的自振荡把电压升高从而点亮LED。其原理最早可以追溯到电子管时代1930年的一份美国专利1949383。

搭建实验电路

使用一个电源滤波器里的共模电感,一个NPN管S8050,一个压降为2.5V的LED,一个10K电阻,电池使用的是1.2V的Ni-MH可充电电池,连接好电路后LED成功点亮。

测量波形

由于使用的共模电感电感量比较大,测得电路所产生的振荡波形频率约为11.8KHz。示波器黄色线为基极电压,蓝色线为C极电压。

开始分析

电源接通后,三极管B极电压上升到约0.6V时,波形图A点,三极管开始导通,此时C级上的电感12有电流通过。因电感12上有电流通过,电感12因此产生一个反向的电动势阻碍电流的流过,同时因为C极电流要远大于B极电流,电感 12产生的互感电动势要远大于电感34的自感电动势,会在电感34同名端产生方向一样的电动势,所以此时电感两侧的电动势状况如下图。

电感34上产生的互感电动势方向是流向B极的,形成正反馈,B级电流增加,从而C极电流也增加,这样反复反馈就会让三极管迅速导通。此时来到波形图的B点。在这个区间C极电流在不断增长,直到电流大到让线圈12或三极管饱和,一旦其中一个达到饱和时,电流达到最大,电流不再变化增加,此时线圈12的反向电动势消失,同时在线圈34产生的互感电动势也会消失。因为线圈34上的互感电动势的消失,B极的电流变小,C极电流也会因此减小,这时线圈12会产生反向电动势来阻止电流减小,电感会形成下图的状态。线圈34由此产生的互感电动势会让B极电压变小最后变成负电压,进入波形图中的C区域。三极管此时会迅速截止。这时线圈34所产生的自感电动势最大,电压叠加到电源电压上,LED上的电压会大于2.5V,LED点亮。

随着LED的点亮,线圈12的能量得到释放,B极电压会回到循环开始的状态,这样振荡就一直继续下去。

20260519