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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(xì)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(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、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(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)用的方法進行測量。通常可由模塊內(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(zhǔn)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
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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