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自制高灵敏JJY授时时钟

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本文将介绍接收日本低频时码授时信号JJY的高灵敏度接收系统茭设计方法。设计以MOS－51单片机为处埕咳心，以LA1650专用IC为主要接收芯片，通过软件算法处理，实现授时信号远距离的接收，时间精度达到秒同步。该系统具有实现简单、成本低、灵敏度高、精度高和稳定可靠等优点。

一、低频时码授时的基本原理与编码技术

1．授时系统的基本原理

在授时中心，由原子钟产生精确的标准时间，然后对时间信息进行编码，编码后的时间信号通过调制器调制到低频载波上（JJY／4OkHz， ASk） ，以无线电长波发射出去，见图 1。

图1 发射台原理图

接收系统则通过磁棒天线接收低频时码信号，由集成芯片进行时码信号的解调，再将此信号送入处理器进行解码等处理，得到标准时间信息，消除计时器的时间积累误差，使接收系统的时间与标准时间保持高度同步，见图2。

图2 接收系统原理图

2．JJY编码技术

JJY编码信号用—帧载荷当前的时间信息，这些信息以BCD码形式表示。每帧的时间长度为自分钟，分为60个码元，每个码元时间长度为1秒。码元为脉冲信号，每秒的开始对应于一位脉冲信号的上升沿，这样可以与标准时间精确同步。不同的脉冲宽度表示不同的码元，高电平宽度为2OOms±5ms表示定位码P码，SOOms±5ms表示逻辑O，8OOms±5ms表示逻辑1。时间信息为各位数值乘以位权值的求和。编码格式如图3所示。

图3 JJY编码格式

二、接收系统的方案设计

1.设计思想

为了获得高灵敏度的接收系统，需要从系统设计的各个环节上优化接收性能。根据对接收系统的分析，可以从以下几个方面提高接收灵敏度：选用制作合适的天线，以获得最佳的信号接收效果；采用授时信号专用高灵敏度接收解调芯片，使得电路尽可能简单稳定；选用适合的处理器作为信息处理的核心，通过软件程序的算法进—步提高接收性能。由此确定设计思想为：用磁棒天线接收JJY4O授时信号，然后通过．JJY接收集成芯片进行解调，最后将解调后的编码信号送入处理器分析处理，实现标准时间的显示和—些扩展功能。

2．设计方案

根据设计思想，天线选用制作适合频率4OkHz的磁棒天线；接收解调集咸芯片采用JJY4O专用芯片LA1650，其接收灵敏度可达1OdBuV，而我国大部分地区（如哈尔滨）的信号强度为uV级，它可以满足指标要求并且电路简单稳定，容易实现。处理器采用STC89C52单片机，其运算处理能力可以满足对JJY编码信号的解码和其它—些基本处理控制功能；再加上液晶和按键，便可显示标准时间以及进行一些控制设置。同时预留一些控制输出接口，便于增加扩展功能。方案原理框图如图4所示。

图4 方案原理框图

三、关键部分的设计和实现

1.天线

接收天线是接收系统的最前端，直接影响着接收机的接收灵敏度和后端的解调处理，它的制作至关重要。

对于40kHz的低频信号，接收天线应采用磁棒天线，和电容组成并联谐振回路作为输入囤路。根据工程经验，其电感量应为mH级，磁芯选用高导磁率的锰锌铁氧体，线圈采用直径O. 25 mm的漆包线。经绕制、测量得电约为4.8mH，Q值约为50。

根据谐振频率公式：

式中，f0为4OkHz，得出谐振电容为C约为357OpF，考虑到电感的分布电容，取为22OOpF。通过微调磁，芯的位置，使谐振频率为4OkHz。

2.接收解调电路

以LA1650为核心的接收解调电路如图5所示。其原理是：先由AMP1对接收到的信号进行放大。然后经4OkHz的晶体带通滤波器滤波，由AMP2进行二次放大，从AMP1 的输入到AMP2的输出的总开环增益可达90dB。AMP2的输出经过1 OOOpF电容输人到整流电路，电容和输入阻抗构成高通滤波器，可以滤除低频噪声。整流电路对信号进行全波整流，并输出两路信号。一路作为AGC信号在片内对AMP1进行反馈控制。另一路输入到检波电路，检波后的波形经过整形后输出。输出的编码信号与输入信号反相，在送入单片机前需经过反相器进行反相处理。

图5 接收解调电路

3.基带处理电路

基带信号处理以STC89C52单片机作为处理核心，需要实现以下功能：基本的电子时钟功能，在没有接收到授时信号时可正确走时；接收解码授时信号的功能；显示时间信息的功能；按键设置功能和一些扩展控制功能。根据其功能，外围电路设计为LCD1602液晶显示部分和按键设置部分，并且预留出一些控制端口。电路如图6所示。

图6 基带处理电路

4.主程序

根据JJY接收系统的基本电子时钟功能、接收解码功能、显示功能和按键设置功能这4项基本功能，来确定程序设计的基本思想。主程序的设计思想为在基本的可设置、显示时间的基础上，融合加入JJY解码程序，并将解码后的实时时间信息更新到电子钟表，然后继续走时显示，利用单片机的定时器可实现精确的电子时钟，此可将程序分为显示子程序、置子程序、实时时钟子程序和接收解码子程序。主程序流程图7所示。

图7 主程序流程图

5.接收解码子程序

这部分子程序是整个程序的关键和核心，它是接收系统的授时技术思想的体现，它的设计水平直接关系到接收准确度和时间同步精度。由于前面已从硬件方面最太限度地提高了接收灵敏度，所以若要进一步提高接收系统的性能，则需在软件上进行技术完善：

由此确定JJY接收解码程序的设计重点是：对受干扰信号的正确判决接收，通过一定算法实现；保证与授时中心的标准时间同步，即较好的实现秒同步和分钟同步（位同步和帧同步）。

（1）同步思想

对于本接收系统，只需通过软件程序实现位同步和帧同步。基本思想是：首先利用每—位零时刻来找到秒同步，再找到连续的两个P码，确定分钟同步，最后便可＝店—帧的时间信息数据，实现与标准时间的同步。若在此过程中出现差错，则返回重新开始。

（2）算法思想

一接收后的基带信号，由于频带信号传播过程中受到信道影响，解调后的基带信号会变为受干扰波形（如图8、图9所示），若不进行处理，则无法正确辨识和储存。因此需采用一定算法，通过软件滤波处理，再进行码元判别，这样可极大降低误码率。

算法实现采用“采样法”，其基本思想是：在秒同步后，从找到上升沿便每隔10ms对信号读取采样—次，一共采样100次，即对—个码元采样100次，然后统计高低电平数即可判别H 1、0、 P。通过设置计数门限，便可使抗干扰效果达到最佳。JJY接收程序流程图如图10所示。

图10 JJY接收程序流程图

为了实现高灵敏度JJY信号接收系统，根据设计方案原理，需要从硬件和软件两个方面进行制作与调试。在硬件上，主要分为频带处理部分和基带处理部分。在软件上，主要完成对JJY信号的接收解码功能和电子时钟的功能。

硬件电路

1.接收天线

为了接收40kHz的低频授时信号，接收天线要采用磁棒天线，其和电容组成并联谐振回路作为输入回路。在铁氧体磁棒上绕上漆包线圈便可制成磁棒天线，根据经验值，其电感量应为mH级。磁棒选用导磁率2kH/m的锰锌铁氧体，尺寸为直径10mm，长度80mm的圆柱形磁棒，线圈采用直径0.25mm的单股漆包线，绕制成电感量约为4.8mH的磁棒天线（如图1所示），通过调整磁芯在线圈中的位置，可以微调电感量，从而使谐振频率为40kHz。

图1 磁棒天线

图2接收解调电路

图3接收状态监测显示电路 图4 采样比较电路

2.接收解调电路

利用接收芯片LA1650实现对JJY40授时信号的接收解调，SANYO公司的这款芯片是专为接收JJY40授时信号而设计的，其接收灵敏度达10dBμV。电路如图2所示。LA1650推荐的工作电压为1.5V，有一片选使能控制端PON，和JJY基带反相信号输出端TCO′。由于MCU的电平为5V，所以端口连接需进行电平转换，利用51单片机P0口的OC门特性，外接上拉电阻和1.5V电平即可进行PON端的电平转换，对解调后的信号输出端TCO′，采用比较器LM311可进行电平转换并且将信号反相，输入端1.5V为高电平，设置比较门限约为0.8V即可，故选取对5V的分压电阻为4.7kΩ和1kΩ，电路如图3所示。

3.基带处理电路

根据设计原理，以STC89C52单片机作为基带信号处理核心来实现基本功能。其中，液晶显示采用LCD1602，键盘采用4按键独立键盘，进行功能设置，其功能分别为：强制接收开关按键；时间菜单选择按键；单位增加按键；单位减少按键。

为便于对信号的接收状态进行监测，采用LED灯来显示，如图4所示，电阻为P0口的外部上拉电阻。各灯功能如下：秒准同步监测，秒准同步后亮起；秒同步监测，秒同步后亮起；分钟同步监测，分钟同步后亮起；接收误码监测，出现误码后亮起；奇偶校验监测，奇偶校验判断出错后亮起；最后转换监测，最后信息转换时发现数据错误后亮起；JJY接收解调后的基带信号指示，实时显示信号，高电平亮低电平灭。

4.电源电路

电源需要输出5V和1.5V分别对单片机和接收芯片供电，采用稳压片7805和LM317产生5V和1.5V，如图5所示。其中1.5V的产生根据

V0＝（1＋R30 /R29）×1.25（V）＋（R30×50(μA)）

得出，经计算，选取R29为1kΩ，R30为200Ω。

图6调试接收天线

软件程序

根据程序流程图及JJY信号接收解码思想，便可完成C语言程序。8051单片机的C语言源代码可到《无线电》杂志网站上下载。

调试测试

根据电路图，制成PCB电路板，然后焊接元器件，并编写程序，便可进行调试测试。

1.接收天线

对接收天线的调试主要是对接收谐振回路中心频率的调整，通过调整磁芯在线圈中的位置，利用信号源和示波器测试，使中心频率为40kHz。测试方法如图6所示，改变信号源的频率，用示波器观测信号幅度，当其最大时信号源输出频率便是回路中心频率，通过此法便可使磁芯处于谐振40kHz时的位置，达到良好的接收选频效果。

2.接收解调电路

将输入的接收天线回路换为51Ω电阻，等效为无信号输入时的状态，即静态工作状态。给芯片供电1.5V，测各管脚电位，参考芯片资料，实测值与参考值误差很小，说明静态工作正常。然后将输入换回接收天线回路，并将芯片使能端置高，用信号源产生载频40kHz正弦波、调制信号为1Hz方波的2ASK信号（幅度mV级），通过耦合方式将已调信号加入芯片（如图7所示），用示波器观察芯片输出端波形，若为1Hz的方波，则说明可接收解调信号。

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简易日晷制作方法

简易日晷制作方法

日晷的简单制作方法：

材料工具：一个质地比较硬的卡纸、一个圆规、剪刀、铅笔、牙签。

1、首先用圆规在卡纸上画出一个大的圆形图案。

2、然后在大圆里面画两个较小的圆形图案。

3、之后拿剪刀将大圆裁剪下来。

4、接着将大圆的边均匀分成十二份。

5、分成十二份之后，在里面两个圆形边之间的位置用铅笔标注时辰。

6、标注完成后，拿一根牙签穿透纸板放置在中间。

7、然后将卡纸做成一个三角形底座，斜边的角度为当地的纬度。

8、最后这样一个完整的日晷就完成了。

日晷仪也称日晷，是观测日影记时的仪器，主要是根据日影的位置，以指定当时的时辰或刻数，是我国古代较为普遍使用的计时仪器。但在史籍中却少有记载，现在史料中最早的记载是“汉书·律历志·制汉历”一节：太史令司马迁建议共议“乃定东西，主晷仪，下刻漏”，而“汉书·艺文志”中列有晷书34卷，但仅存书名，而无内容。

科学日晷制作方法

科学日晷制作方法

科学日晷制作方法

科学日晷是一种能够根据太阳的位置和时间进行测量的仪器。它是通过太阳的光线经过一系列的装置，最终显示出时间的工具。以下是一个简单的科学日晷制作方法。

材料：

1.大理石或陶瓷板

2.纸板或卡片

3.胶水

4.圆珠笔或细直尺

5.针头

6.两个小木块

7.日历或钟表

步骤：

1.准备一个平整的大理石或陶瓷板作为日晷的底座。

2.在纸板或卡片上画一个圆形，直径约为15-20厘米。圆心位置标记为O。

3.在圆上选择12个点，分别代表上午8点至下午7点，每隔一个小时一个点。根据所处的地区经度，可对时间点进行微调。

4.将纸板或卡片上的圆剪下，并在圆心处钉上一个针头，以便固定在底座上。固定好后，将纸板或卡片放在底座上。 5.将底座放在阳光直射的位置上，确保纸板或卡片上的圆形平行于地面。

6.在太阳直射时，观察太阳光通过纸板或卡片上的圆，在底座上形成一个阴影。这个阴影将随着时间的推移而改变位置。确保底座不会被阴影覆盖。

7.比较底座上的阴影与圆上的标记点，可以根据阴影的位置推测出大致时间。可以参考此时的日历或钟表进行验证。

8.为了更好地观察阴影，可在底座旁放置两个小木块，以确保底座与地面保持一定的距离。

注意事项：

1.在制作科学日晷时，需要选择一个光线充足的位置，例如室外阳台或花园。

2.底座需要保持平整，以确保阴影准确地显示在纸板或卡片上的标记点上。

3.圆的大小和刻度的准确度可以根据实际需求进行调整。

4.科学日晷只能在太阳直射时使用，天气阴云密布时无法正常工作。

5.科学日晷只能粗略测量时间，无法提供准确到分钟或秒的时间。

总结：

以上是一个简单的科学日晷制作方法。制作日晷并观察太阳的阴影可以帮助我们更好地了解时间的变化，并对大自然的运行规律有更深入的认识。

日晷简单的制作方法

日晷简单的制作方法

日晷简单的制作方法

日晷是一种古老而实用的时间测量工具，它可以通过太阳的位置来判断时间。制作一个简单的日晷并不困难，下面将介绍一种制作日晷的方法。

我们需要准备以下材料：

1. 一个直立的棍子或竹子，高度约为1米。

2. 一个平坦的地面或底座，以便将日晷固定在上面。

3. 一根较长的细棍或竹子，用于作为指针。

接下来，按照以下步骤进行制作：

步骤一：选择一个阳光充足的地方，确保日晷能够充分接收到阳光。

步骤二：将直立的棍子或竹子插入地面或底座中，确保其稳固垂直。

步骤三：在直立的棍子或竹子的顶部，使用绳子或胶带固定一根较长的细棍或竹子，使其与地面平行。

步骤四：在地面上绘制一个圆形，直径约为1米，作为日晷的刻度盘。

步骤五：在刻度盘上绘制刻度，可以使用数字或标记来表示小时。

步骤六：将日晷放置在阳光下，确保指针的阴影准确地落在刻度盘上。

步骤七：根据指针的阴影位置，可以准确地读取时间。

需要注意的是，由于太阳的位置和季节的变化，日晷的准确性可能会有所偏差。因此，在使用日晷测量时间时，最好结合其他时间测量工具进行校准。

总结一下，制作一个简单的日晷只需要几个简单的步骤和少量的材料。它可以作为一种有趣的手工制品，同时也能够帮助我们感受到太阳的运动和时间的流逝。希望这篇文章对你有所帮助！

制作简易钟摆实验

制作简易钟摆实验

制作简易钟摆实验

钟摆实验是物理学实验中常见的一种实验，通过制作简易钟摆实验，可以很好地理解钟摆的运动规律和重力的作用。本文将介绍制作简易钟摆实验的详细步骤和实验原理。

材料准备：

1. 针线：选择长一些的针线，方便进行实验操作。

2. 卡纸：准备一张卡纸作为钟摆的挂线。

3. 小圆铁片：选择小圆铁片作为钟摆的重物。

实验步骤：

1. 将针线穿过卡纸的上部，使其形成一个固定的环。

2. 将针线的下部系一小结，然后将小圆铁片系在结的下方。

3. 手持卡纸的上部，使针线垂直，然后轻轻放开，观察钟摆的运动。

实验结果与讨论：

当我们轻轻放开卡纸后，小圆铁片将开始摆动，形成一个钟摆。我们可以观察到以下结果：

1. 振动周期：在没有阻力的情况下，我们可以发现钟摆的振动周期是相等的。也就是说，从一个方向摆向另一个方向的时间是相等的。

2. 振动幅度：振动幅度指钟摆摆动的最大角度。我们可以通过调整振动幅度来观察音摆的运动特性。 3. 频率与长度的关系：根据钟摆公式，可以推导出钟摆的频率与其长度的关系。通过实验中不同长度的针线制作的钟摆，我们可以验证这一关系，从而深入理解钟摆运动规律。

实验原理：

钟摆实验涉及到一些物理原理，下面简要介绍实验相关的几个原理：

1. 重力：钟摆实验是利用地球的重力来驱动钟摆运动的。针线的下方的小圆铁片受到了地球对其的引力作用，从而形成了钟摆的运动。

2. 振动周期：振动周期是指钟摆从一个极点到另一个极点所需要的时间。在没有摩擦力和空气阻力的情况下，振动周期是相等的。

3. 铅垂线与真铅垂线：铅垂线是指垂直于地面的线段，而真铅垂线是指沿地球引力方向的线段。钟摆实验中，我们通过针线使钟摆在真铅垂线上运动。

结论：

通过制作简易钟摆实验，我们可以更深入地理解钟摆的运动规律和重力的作用。实验中可以观察到振动周期相等、振动幅度变化与频率和长度的关系等现象。这些实验结果与讨论有助于我们对钟摆运动规律的理解，同时也有助于我们进一步学习与探究物理学中的其他知识。