TCM-2通用時(shí)間比對(duì)模塊及其應(yīng)用

1、TCM-2通用時(shí)間比對(duì)模塊及其應(yīng)用             摘要：美國 公司研發(fā)的通用高精度時(shí)間比對(duì)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(shí)間、頻率同步系統(tǒng)中得到了應(yīng)用（如、光纖、無線和時(shí)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(jì)數(shù)器、基站時(shí)鐘以及光纖同步時(shí)鐘方面的應(yīng)用電路。 關(guān)鍵詞：時(shí)間比對(duì)；時(shí)間間隔測(cè)量；時(shí)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(shí)間比對(duì)模塊，可提供

2、四通道 分辨率的時(shí)間比對(duì)或時(shí)間間隔測(cè)量，同時(shí)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(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)、電網(wǎng)電壓向量測(cè)量系統(tǒng)、電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)、移動(dòng)通信基站時(shí)鐘、中的、多基地雷達(dá)系統(tǒng)、光纖通信網(wǎng)故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、激光測(cè)距以及高精度通用計(jì)數(shù)器（高精度時(shí)間間隔測(cè)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(gè)主要功能模塊。兩事件之間的時(shí)間差通常是用脈沖填充法進(jìn)行測(cè)量的。它的測(cè)量精度取決于參考時(shí)鐘的頻率。這種方法具有固定的±計(jì)數(shù)的誤差。為了提高測(cè)量的分辨率，在高精度通用定時(shí)模塊中采用了模擬擴(kuò)

3、展技術(shù)。當(dāng)待測(cè)脈沖輸入模塊后，由模塊測(cè)量它們的時(shí)刻，并按要求將相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果通過串行移位寄存器輸出。由于被測(cè)事件與測(cè)量時(shí)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(cè)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(gè)計(jì)數(shù)的時(shí)間間隔展寬（例如展寬倍），然后再用相同的時(shí)鐘對(duì)展寬了的脈沖計(jì)數(shù)以達(dá)到的分辨率?？蓪?shí)現(xiàn)所有的數(shù)字邏輯功能，包括輸入信號(hào)的選擇、擴(kuò)展邏輯、計(jì)數(shù)器、鎖存器、多路數(shù)據(jù)選擇、多個(gè)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(shí)，一般不使用。實(shí)際上，在不單獨(dú)構(gòu)成儀器時(shí)也不用顯示。模塊中

4、的單片機(jī)可控制整個(gè)工作流程，包括控制各通道的測(cè)量、采集測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)算測(cè)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(shí)，通道的測(cè)量值可用于計(jì)算秒間隔，從而計(jì)算基本時(shí)鐘的頻率，根據(jù)計(jì)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(shí)鐘同時(shí)也是的時(shí)鐘。它可控制兩個(gè)，以便輸出兩個(gè)不同的頻率。它們共用一個(gè)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(shí)際上，設(shè)計(jì)時(shí)也可用其它定時(shí)脈沖作為外部參考以校準(zhǔn)時(shí)間和頻率。當(dāng)輸入待測(cè)脈沖多于四種時(shí)，可采用時(shí)分復(fù)用的方法進(jìn)行測(cè)量。通常可由模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用，也可由外部控制實(shí)現(xiàn)時(shí)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(cè)量相應(yīng)通道的信號(hào)，然后經(jīng)計(jì)算送回外部控制器。高精度通用時(shí)間比對(duì)模塊還能自動(dòng)識(shí)別參考定時(shí)脈沖和基準(zhǔn)時(shí)鐘的類別，同時(shí)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(hào)I/O功 能DDSD18ODDS串行數(shù)據(jù)線DDSCK19ODDS串行時(shí)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(shí)鐘

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

7、波輸出同步脈沖發(fā)送請(qǐng)求             表2 TCM-2的主要指標(biāo)參 數(shù)數(shù) 值單 位內(nèi)部時(shí)鐘10（TTL）MHz測(cè)量精度13ns分辨率0.1ns測(cè)量時(shí)間0.5ms環(huán)境溫度-1050相對(duì)濕度90%R.H.輸入信號(hào)電平TTL10MHz輸出信號(hào)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(shí)間比對(duì)或時(shí)間間隔測(cè)量，還可用于各種高精度同步系統(tǒng)。 高精度通用計(jì)數(shù)器通用時(shí)間比對(duì)模塊只要外接電源、晶振、鍵盤和顯示，就能構(gòu)成一個(gè)高精度通用計(jì)數(shù)器圖所示為由構(gòu)成

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

9、達(dá)到×，時(shí)間同步精度應(yīng)達(dá)到以上?；緯r(shí)鐘有兩個(gè)方案，一個(gè)是以或?yàn)閰⒖荚吹淖灾魍椒绞剑硪粋€(gè)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?yàn)榛鶞?zhǔn)，且各站都與或同步，從而實(shí)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?yàn)橥ㄟ^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(hào)的具體含義：用于本模塊的基本測(cè)量時(shí)鐘及的輸入時(shí)鐘。為了滿足頻率準(zhǔn)度要求，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使用銣鐘或雙層恒溫的晶振來提供信號(hào)；：秒脈沖輸入信號(hào)，用作時(shí)鐘參考；：秒

10、脈沖直接輸入，用于測(cè)量電纜的時(shí)延，以便修正測(cè)量結(jié)果；： 兩路，可分別生成兩個(gè)不同頻率的信號(hào)；：對(duì)應(yīng)盤的兩輸出信號(hào)，用于測(cè)量與本盤信號(hào)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(shí)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(shí)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(hào)主要用于通用時(shí)間比對(duì)模塊的基本測(cè)量時(shí)鐘及的輸入時(shí)鐘。當(dāng)用溫度穩(wěn)定性優(yōu)于×、日漂移優(yōu)于×的晶振時(shí)，一般均可以滿足要求。用通用時(shí)間比對(duì)模塊測(cè)量和時(shí)，主站將發(fā)送和接收時(shí)刻傳給從站，從站在收到主站傳來的兩個(gè)脈沖數(shù)據(jù)后，將根據(jù)本站脈沖的發(fā)送和接收時(shí)刻來計(jì)算傳輸時(shí)延，從而計(jì)算出本站的時(shí)間誤差并修正本站的時(shí)鐘，以使其保持與主站時(shí)鐘的同步。此外，根據(jù)兩組同步         脈沖的時(shí)間間隔，可以測(cè)量本站基本測(cè)量時(shí)鐘的頻率并修正，這樣可使本站時(shí)鐘頻率與主站的時(shí)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(gè)定時(shí)通道并將和組織在定時(shí)通道的幀結(jié)構(gòu)中。本盤的輸出信號(hào)和對(duì)應(yīng)盤的輸出信號(hào)可在通用時(shí)間比對(duì)模塊中比較相位。如