TCM-2通用時間比對模塊及其應(yīng)用

1、TCM-2通用時間比對模塊及其應(yīng)用             摘要：美國 公司研發(fā)的通用高精度時間比對模塊能使用戶方便地開發(fā)高精度同步系統(tǒng)，成本低，性能高。因此已在多種時間、頻率同步系統(tǒng)中得到了應(yīng)用（如、光纖、無線和時間雙向傳遞同步系統(tǒng)等）。文章詳細(xì)介紹了的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和性能指標(biāo)，并給出了該模塊在高精度通用計數(shù)器、基站時鐘以及光纖同步時鐘方面的應(yīng)用電路。 關(guān)鍵詞：時間比對；時間間隔測量；時間同步；頻率同步；TCM-2概述美國精密同步公司研發(fā)的通用高精度時間比對模塊，可提供

2、四通道 分辨率的時間比對或時間間隔測量，同時它還提供多種接口。因此，用戶可以很方便地用它構(gòu)成自己的系統(tǒng)或儀器，包括用于時間頻率標(biāo)準(zhǔn)、電網(wǎng)電壓向量測量系統(tǒng)、電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)、移動通信基站時鐘、中的、多基地雷達(dá)系統(tǒng)、光纖通信網(wǎng)故障實時監(jiān)測、激光測距以及高精度通用計數(shù)器（高精度時間間隔測量儀）等。結(jié)構(gòu)原理及引腳功能采用雙列直插引腳封裝。各引腳的功能如表所列。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，具有四通道擴(kuò)展器、微處理器和三個主要功能模塊。兩事件之間的時間差通常是用脈沖填充法進(jìn)行測量的。它的測量精度取決于參考時鐘的頻率。這種方法具有固定的±計數(shù)的誤差。為了提高測量的分辨率，在高精度通用定時模塊中采用了模擬擴(kuò)

3、展技術(shù)。當(dāng)待測脈沖輸入模塊后，由模塊測量它們的時刻，并按要求將相應(yīng)的計算結(jié)果通過串行移位寄存器輸出。由于被測事件與測量時鐘之間沒有確定的相位關(guān)系但它們之間有一小數(shù)周期的差。因此為了提高測量分辨率，系統(tǒng)中的擴(kuò)展器采用了模擬技術(shù)，并將不足一個計數(shù)的時間間隔展寬（例如展寬倍），然后再用相同的時鐘對展寬了的脈沖計數(shù)以達(dá)到的分辨率?？蓪崿F(xiàn)所有的數(shù)字邏輯功能，包括輸入信號的選擇、擴(kuò)展邏輯、計數(shù)器、鎖存器、多路數(shù)據(jù)選擇、多個串行移位寄存器、等。其中串行移位寄存器又包括控制、顯示、與外部的數(shù)據(jù)交換等。中的各輸出控制模塊可按使用的要求舍取，例如，當(dāng)使用時，一般不使用。實際上，在不單獨構(gòu)成儀器時也不用顯示。模塊中

4、的單片機(jī)可控制整個工作流程，包括控制各通道的測量、采集測量數(shù)據(jù)、計算測量數(shù)據(jù)、與母板的數(shù)據(jù)交換、接收信息或與外部主控制器（如）交換數(shù)據(jù)及指令等。當(dāng)以為參考源時，通道的測量值可用于計算秒間隔，從而計算基本時鐘的頻率，根據(jù)計算結(jié)果可用另一串行移位寄存器來調(diào)整（）的輸出頻率。模塊的基本時鐘同時也是的時鐘。它可控制兩個，以便輸出兩個不同的頻率。它們共用一個串行移位寄存器，可由和來選擇。而外部（）則一般工作于串行輸入方式。實際上，設(shè)計時也可用其它定時脈沖作為外部參考以校準(zhǔn)時間和頻率。當(dāng)輸入待測脈沖多于四種時，可采用時分復(fù)用的方法進(jìn)行測量。通?？捎赡K內(nèi)部實現(xiàn)時分復(fù)用，也可由外部控制實現(xiàn)時分復(fù)用。外部控制

5、器通過串行移位寄存器向模塊發(fā)送操作指令。模塊根據(jù)外部控制器的指令來測量相應(yīng)通道的信號，然后經(jīng)計算送回外部控制器。高精度通用時間比對模塊還能自動識別參考定時脈沖和基準(zhǔn)時鐘的類別，同時可調(diào)整相應(yīng)的算法。表給出了的主要參數(shù)指標(biāo)。表1 TCM-2引腳分配及功能表引腳名引腳號I/O功 能DDSD18ODDS串行數(shù)據(jù)線DDSCK19ODDS串行時鐘線DDSUD/PWM12ODDS輸入數(shù)據(jù)更新或PWM輸出DDSRST10ODDS芯片復(fù)位DDSIORST31ODDS數(shù)據(jù)口復(fù)位DDSCS233O第二片DDS的片選DDSCS135O第一生DDS的片選LEDSD13O串行顯示口數(shù)據(jù)線LEDSCK14O串行顯示口時鐘

6、線SDDM2O輸出移位寄存器數(shù)據(jù)SCKDM3O輸出移位寄存器時鐘MBUSY4I外部接收移位寄存器滿標(biāo)志SDMD42I輸入移位寄存器數(shù)據(jù)SCK MD43I輸入移位寄存器時鐘DBUSY44O內(nèi)部移位寄存器滿標(biāo)志CKO17I輸出時鐘信號，用于生成定時脈沖及與對方盤時鐘比較CKOX46I對方盤輸出時鐘，用于在主/備工作時與本盤比較GPS1PPS48IGPS秒脈沖輸入G1PPSD47IGPS秒脈沖直接輸入，用于測量天線延時1PPSO1O秒脈沖輸出W/FSNCI41I光纖/微波輸入同步脈沖（用于時間雙向傳遞同步）W/FSNCO40I光纖/微波輸出同步脈沖（用于時間雙向傳遞同步）W/FORQU45O光纖/微

7、波輸出同步脈沖發(fā)送請求             表2 TCM-2的主要指標(biāo)參 數(shù)數(shù) 值單 位內(nèi)部時鐘10（TTL）MHz測量精度13ns分辨率0.1ns測量時間0.5ms環(huán)境溫度-1050相對濕度90%R.H.輸入信號電平TTL10MHz輸出信號電平TTL20mA電源-1520mAV的應(yīng)用 內(nèi)含所有同步方式算法，因此它不僅可用于進(jìn)行高精度時間比對或時間間隔測量，還可用于各種高精度同步系統(tǒng)。 高精度通用計數(shù)器通用時間比對模塊只要外接電源、晶振、鍵盤和顯示，就能構(gòu)成一個高精度通用計數(shù)器圖所示為由構(gòu)成

8、的高精度通用計數(shù)器的原理圖。利用它不僅可以測量兩輸入脈沖的時間間隔或相位差，還可測量輸入信號的頻率和周期。該電路的時間分辨率為，測量精度為，因此可以進(jìn)行高精度的時間間隔、頻率和周期的測量。它的測量速率優(yōu)于次。這種高精度通用計數(shù)器可用內(nèi)部晶振作為基本測量時鐘，也可選外部信號（如銣鐘或銫鐘）作測量時鐘。和是兩路輸入信號。面板鍵盤通過串行移位或矩陣接法直接連到通用時間比對模塊上。顯示可采用串行移位方式。另外，還提供有接口，因而可與計算機(jī)相連，以便輸出測量數(shù)據(jù)或?qū)崿F(xiàn)遙控操作測量功能。 基站時鐘基站時鐘主要用于為移動通信基站提供時鐘信號。為了保證正常的通信和基站之間的平滑切換，要求基站時鐘的頻率準(zhǔn)確度應(yīng)

9、達(dá)到×，時間同步精度應(yīng)達(dá)到以上。基站時鐘有兩個方案，一個是以或為參考源的自主同步方式，另一個是通過光纖傳輸同步信息的主從同步方式。前者是各基站都以或為基準(zhǔn)，且各站都與或同步，從而實現(xiàn)各基站之間的同步。后者是主站通過光纖向各基站發(fā)送同步脈沖，從而使各基站都與主站的同步脈沖同步，最終使各基站之間保持同步。由于各基站本來就是通過光纖與主站聯(lián)系的，因此后者并不因為通過光纖傳遞同步脈沖而增加成本。圖和圖分別是這兩種方案的結(jié)構(gòu)框圖。圖中，各信號的具體含義：用于本模塊的基本測量時鐘及的輸入時鐘。為了滿足頻率準(zhǔn)度要求，設(shè)計時，應(yīng)使用銣鐘或雙層恒溫的晶振來提供信號；：秒脈沖輸入信號，用作時鐘參考；：秒

10、脈沖直接輸入，用于測量電纜的時延，以便修正測量結(jié)果；： 兩路，可分別生成兩個不同頻率的信號；：對應(yīng)盤的兩輸出信號，用于測量與本盤信號的相位差并進(jìn)行修正，以保證主備無縫切換；：主備狀態(tài)標(biāo)志輸入；：用于輸出兩秒一次的定時脈沖；：串行輸入輸出接口，用于與外部控制器交換信息；：通用串行口，用于與交換信息。在圖所示的光纖同步基站時鐘原理圖中是由中心站發(fā)來的光纖同步脈沖或從站傳來的返回脈沖；而則是由本站發(fā)給中心站的返回脈沖或中心站發(fā)出的同步脈沖；銣鐘產(chǎn)生的信號主要用于通用時間比對模塊的基本測量時鐘及的輸入時鐘。當(dāng)用溫度穩(wěn)定性優(yōu)于×、日漂移優(yōu)于×的晶振時，一般均可以滿足要求。用通用時間比對模塊測量和時，主站將發(fā)送和接收時刻傳給從站，從站在收到主站傳來的兩個脈沖數(shù)據(jù)后，將根據(jù)本站脈沖的發(fā)送和接收時刻來計算傳輸時延，從而計算出本站的時間誤差并修正本站的時鐘，以使其保持與主站時鐘的同步。此外，根據(jù)兩組同步         脈沖的時間間隔，可以測量本站基本測量時鐘的頻率并修正，這樣可使本站時鐘頻率與主站的時鐘頻率保持一致。和可以是直接由光纖傳輸?shù)拿}沖，也可以在多路復(fù)接方式中提供一個定時通道并將和組織在定時通道的幀結(jié)構(gòu)中。本盤的輸出信號和對應(yīng)盤的輸出信號可在通用時間比對模塊中比較相位。如