- 相關推薦
TCM-2通用時間比對模塊及其應用
摘要：美國PrecisionSync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)中得到了應用（如GPS、光纖、無線和時間雙向傳遞同步系統(tǒng)等）。文章詳細介紹了TCM-2的內部結構、工作原理和性能指標，并給出了該模塊在高精度通用計數器、CDMA基站時鐘以及光纖CDMA同步時鐘方面的應用電路。關鍵詞：時間比對；時間間隔測量；時間同步；頻率同步；TCM-2
1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，可提供四通道0.1ns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成自己的系統(tǒng)或儀器，包括用于時間/頻率標準、電網電壓向量測量系統(tǒng)、電網故障定位系統(tǒng)、移動通信基站時鐘、SDH中的BITS、多基地雷達系統(tǒng)、OTDR、光纖通信網故障實時監(jiān)測、激光測距以及高精度通用計數器（高精度時間間隔測量儀）等。
2結構原理及引腳功能
TCM-2采用雙列直插48引腳封裝。各引腳的功能如表1所列。其內部結構如圖1所示，具有四通道擴展器、微處理器和FPGA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±1計數的誤差。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展技術。
當待測脈沖輸入模塊后，由模塊測量它們的時刻，并按要求將相應的計算結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系?但它們之間有一小數周期的差。因此為了提高測量分辨率，系統(tǒng)中的擴展器采用了模擬技術，并將不足一個計數的時間間隔展寬（例如展寬1000倍），然后再用相同的10MHz時鐘對展寬了的脈沖計數以達到0.1ns的分辨率。
FPGA可實現所有的數字邏輯功能，包括輸入信號的選擇、擴展邏輯、計數器、鎖存器、多路數據選擇、多個串行移位寄存器、PWM等。其中串行移位寄存器又包括DDS控制、LED顯示、與外部的數據交換等。
FPGA中的各輸出控制模塊可按使用的要求舍取，例如，當使用DDS時，一般不使用PWM.實際上，在不單獨構成儀器時也不用LED顯示。
模塊中的單片機可控制整個工作流程，包括控制各通道的測量、采集測量數據、計算測量數據、與母板的數據交換、接收GPS信息或與外部主控制器（如PC）交換數據及指令等。當以GPS為參考源時，GPS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，根據計算結果可用另一串行移位寄存器來調整DDS（AD9852）的輸出頻率。模塊的基本時鐘同時也是DDS的時鐘。它可控制兩個DDS,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DDSCS1和DDSCS2來選擇。而外部DDS（AD9852）則一般工作于串行輸入方式。實際上，設計時也可用其它定時脈沖作為外部參考以校準時間和頻率。
當輸入待測脈沖多于四種時，可采用時分復用的方法進行測量。通常可由模塊內部實現時分復用，也可由外部控制實現時分復用。
外部控制器通過串行移位寄存器向模塊發(fā)送操作指令。模塊根據外部控制器的指令來測量相應通道的信號，然后經計算送回外部控制器。
TCM-2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時鐘的類別，同時可調整相應的算法。表2給出了TCM-2的主要參數指標。
表1TCM-2引腳分配及功能表
引腳名引腳號I/O
功能
DDSD18ODDS串行數據線DDSCK19ODDS串行時鐘線DDSUD/PWM12ODDS輸入數據更新或PWM輸出DDSRST10ODDS芯片復位DDSIORST31ODDS數據口復位DDSCS233O第二片DDS的片選DDSCS135O第一生DDS的片選LEDSD13O串行顯示口數據線LEDSCK14O串行顯示口時鐘線SDDM2O輸出移位寄存器數據SCKDM3O輸出移位寄存器時鐘MBUSY4I外部接收移位寄存器滿標志SDMD42I輸入移位寄存器數據SCKMD43I輸入移位寄存器時鐘DBUSY44O內部移位寄存器滿標志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/微波輸出同步脈沖發(fā)送請求FR9I基準時鐘輸入WDO30O“看門狗”定時器輸出ALEF15I與PIN21相連TXD27OTS-232串行數據輸出，TTL電平RXD28IRS-232串行數據輸入，TTL電平RST29I內部單片機復位VPP20I編程電壓，對內部單片機編程時此引腳接VCCALE21O內部單片機編程時此引腳接VCCPSEN22O內部單片機編程時此引腳接地VCC7I+5V電源VCC16I+5V電源GND5地+15V8I+15V電源-15V11I-15V電源SPR1,SPR2,SPR36,38,39O備用引腳，供調試用XTAL123外接11.0592MHz晶振XTAL224外接晶振
表2TCM-2的主要指標
參數數值單位內部時鐘10（TTL）MHz測量精度1——3ns分辨率0.1ns測量時間<0.5ms環(huán)境溫度-10——50℃相對濕度<90%R.H.輸入信號電平TTL<10MHz輸出信號電平TTL@20mA>電源5@200mA
15@20mA
-15@20mAV
3TCM-2的應用
TCM-2內含所有同步方式算法，因此它不僅可用于進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)。
3.1高精度通用計數器
通用時間比對模塊只要外接電源、晶振、鍵盤和LED顯示，就能構成一個高精度通用計數器?圖2所示為由TCM-2構成的高精度通用計數器的原理圖。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0.1ns,測量精度為1——3ns,因此可以進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0.5ms/次。這種高精度通用計數器可用內部10MHz晶振作為基本測量時鐘，也可選外部10MHz信號（如銣鐘或銫鐘）作測量時鐘。PA和PB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。LED顯示可采用串行移位方式。另外，TCM-2還提供有RS-232接口，因而可與計算機相連，以便輸出測量數據或實現遙控操作測量功能。
3.2CDMA基站時鐘
CDMA基站時鐘主要用于為CDMA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CDMA基站時鐘的頻率準確度應達到1×10-11,時間同步精度應達到100ns以上。
CDMA基站時鐘有兩個方案，一個是以GPS或GPS/GLONASS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GPS或GLONASS為基準，且各站都與GPS或GLONASS同步，從而實現各基站之間的同步。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3和圖4分別是這兩種方案的結構框圖。圖3中，各信號的具體含義如下：
10MC:用于本模塊的基本測量時鐘及DDS的輸入時鐘。為了滿足頻率準度要求，設計時，應使用銣鐘或雙層恒溫的晶振來提供10MC信號；
GPS1PPS:GPS秒脈沖輸入信號，用作時鐘參考；
GPS1PPSD:GPS秒脈沖直接輸入，用于測量電纜的時延，以便修正測量結果；
DDS1/DDS2:兩路DDS,可分別生成兩個不同頻率的信號；
DDS1X/DDS2X:對應盤的兩DDS輸出信號，用于測量與本盤信號的相位差并進行修正，以保證主/備無縫切換；
M/S:主/備狀態(tài)標志輸入；
1PP2S:用于輸出兩秒一次的定時脈沖；
SIO:串行輸入輸出接口，用于與外部控制器交換信息；
RS-232:通用RS-232串行口，用于與GPS交換信息。
在圖4所示的光纖同步CDMA基站時鐘原理圖中?RXP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TXP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；
銣鐘產生的10MC信號主要用于通用時間比對模塊的基本測量時鐘及DDS的輸入時鐘。當用溫度穩(wěn)定性優(yōu)于5×10-10、日漂移優(yōu)于1×10-10的晶振時，一般均可以滿足要求。
用通用時間比對模塊測量RXP和TXP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據后，將根據本站脈沖的發(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DDS,這樣可使本站時鐘頻率與主站的時鐘頻率保持一致。
RXP和TXP可以是直接由光纖傳輸的脈沖，也可以在多路復接方式中提供一個定時通道?并將RXP和TXP組織在定時通道的幀結構中。
本盤DDS的輸出信號和對應盤DDS的輸出信號可在通用時間比對模塊中比較相位。如果它們之間存在相位差，則從站應調整相應的DDS以使其輸出信號的相位與主站保持一致。
需要說明的是：采用光纖同步比GPS同步成本低，且在相同配置時的同步精度也高。其同步精度可達到10ns以上，基本能夠滿足基站定位應用中高精度同步的要求。
微波同步時鐘的原理和結構與此完全相同。GPS時間/頻率標準與GPS同步CDMA時鐘也基本相同，只是結構和功能更簡單些。
【TCM-2通用時間比對模塊及其應用】相關文章：
小點陣漢顯液晶模塊及其應用08-06
灰度液晶HD66421的模塊化及其應用08-06
VFD顯示模塊128S64AA1及其應用08-06
NOKIA移動電話液晶顯示模塊LPH7366原理及其應用08-06
透鏡及其應用08-17
離心現象及其應用08-17
膠體的性質及其應用08-17