TCM-2通用時間比對模塊及其應(yīng)用

摘要：美國Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｓｙｎｃ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(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、ＣＤＭＡ基站時鐘以及光纖ＣＤＭＡ同步時鐘方面的應(yīng)用電路。

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(gòu)成自己的系統(tǒng)或儀器，包括用于時間／頻率標(biāo)準、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、ＳＤＨ中的ＢＩＴＳ、多基地雷達系統(tǒng)、ＯＴＤＲ、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。

２　結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(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１０００倍），然后再用相同的１０ＭＨｚ時鐘對展寬了的脈沖計數(shù)以達到０．１ｎｓ的分辨率。

ＦＰＧＡ可實現(xiàn)所有的數(shù)字邏輯功能，包括輸入信號的選擇、擴展邏輯、計數(shù)器、鎖存器、多路數(shù)據(jù)選擇、多個串行移位寄存器、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(shù)據(jù)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(dāng)使用ＤＤＳ時，一般不使用ＰＷＭ。實際上，在不單獨構(gòu)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(shù)據(jù)、計算測量數(shù)據(jù)、與母板的數(shù)據(jù)交換、接收ＧＰＳ信息或與外部主控制器（如ＰＣ）交換數(shù)據(jù)及指令等。當(dāng)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(jù)計算結(jié)果可用另一串行移位寄存器來調(diào)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(shè)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(dāng)輸入待測脈沖多于四種時，可采用時分復(fù)用的方法進行測量。通�？捎赡�塊內(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。

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(diào)整相應(yīng)的算法。表２給出了ＴＣＭ－２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/微波輸出同步脈沖發(fā)送請求

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