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