采用高速数字频差计数器的同步电路

本发明涉及本地振荡器与一外界基准信号的同步，特别涉及 一种采用数字差频计数器的同步电路，其中数字差频计数器被用 来测量本地振荡器和外界基准信号之间的相对时间间隔误差。

在高精度的同步系统中，要求  有高精度和高稳定度的本地 时基基准，以便在一定的精度内产生和测量系统的时钟信号。这些 时基通常具有晶体频率源，这类装置的特性是公知的。除了因温度 和电源电压的变化引起输出频率的变化之外，这些装置还有一种老 化特性，即这意味着在经过一段长的时间之后，其输出频率将偏离 所要求的频定值。为了保持许多电信系统所要求的精度，就必须使 用昂贵的振荡器以克服此种老化效应，或者需定期对振荡器进行较 准。

校准通常是用人工进行的，对于极其精密的应用场合，需要将 这些时基单元送入校准设备，而对于不十分严格的应用场合，则可 以对它们进行现场校准。在任何一种情况下，用于校准的基准频率 源必须是比被校准的时基单元更为精确的。通过相对基准测量可 调整的时基，能得到用以调整时基单元的振荡器的校正信息。因为 这种测量设备将设计为要在很大的频率范围内进行工作，所以 是极其复杂和昂贵的。此外，校准过程花费昂贵，而且通常还要中断 该单元的运行服务。

本发明的目的是简化测量设备，使任何两个频率源都能精确 地、定量地相互比较。利用这种简化的测量设备，可以用一个外部 基准信号对振荡器进行校正，而此振荡器则正被用于运行的系 统之中。通过对测量设备的简化，使得该设备能装入允许在相对短 的时间间隔内进行重复校准的时基单元内。本发明采用一种以环形 计数器为基础的频差检测器和电信交换系统中现有的控制器，将 用于现场较准的时基单元的振荡器与一个精确的外部基准进行比 较。在该电信交换系统中，高精度的外部基准信号通常是可以从互 联的电信网络中得到的。在频差检测器中使用环形计数器可以简 化测量设备，它基本上没有增加时基单元的成本。而且由于测量设 备完全数字化，无需象带模拟部件的测量设备所需要的那样进行设 备的调谐。

有利的是，由于测量设备是时基单元的整体组成部分，因此在 一个较长的时间内只需进行一些小的校正，允许在不影响正常运 行服务的条件下进行实际时基单元的校准。

图1示出由一外部基准信号较准振荡器的系统；

图2示出图1中的环形计数器经过的状态；

图3以流程图的形式示出由图1中的控制器执行的程序。

图1示出用以确定本地时基单元(本地振荡器103和振荡器 调节器102)和导线器131上所收到的基准信号119之差的装置。 控制器101为此装置提供整体控制。而且，控制器101通过振荡器 调节器102调整本地振荡器103的频率。基准信号119例如是一 个64KHz的信号。本地振荡器103在额定值为5MHz的频率下工 作，该频率经分频器104在导线142上降低为额定值为64KHz的 信号。基准信号119是在远程通信中可从电信网络接收的高度稳 定精确的外部频率信号。环形计数器108，109，与门112-115和触 发器117检测何时本地振荡器103和基准信号119之间的相对时 间间隔误差(RTIE)超过了规定数目的基准信号119时钟点脉冲数。二 进制计数器106和107用来确定本地振荡器103的频率是大于还 是小于基准信号119的频率。

按照本发明，如图2所示，因为每个时钟信号仅使一个环形计 数器的一个触发器改变状态，所以使用环形计数器108和109来 检测基准信号119和分频器104的输出信号之间的RTIE。这避免 了例如在二进制计数器中因多个触发器同时改变状态而可能引起 的竞争状态的问题。竞争状态使在与门112-115的输入端上出现 瞬时的“1′s”和“0′s”。因为环形计数器108对来自分频器104的输 出信号进行计数，环形计数器109对基准信号119计数，所以，这 一点很重要。这两个时钟信号互不相关，因此，如果二进制计数器 的状态用与门112-115比较，会存在潜在的竞争状态。

在同步过程的开始，控制器101经导线138将“1”传输到触发器 111的D输入端作为上一次再校准操作的结果。此“1”被基准信号 119连续地送至触发器111之中，使触发器111被置位。当触发 器111被置位时，在导线133上传输“0”。此“0”使二进制计数器 106和107，分频器104、触发器177和环形计数器109被复位，并使 环形计数器108被置位。在这一时间点上，环形计数器109的状态 示于图2的行201(000)，环形计数器108的状态示于图2的行202 (111)。

为了开始同步过程，控制器101在导线138上提供一使触发器 111复位的“0”。在复位状态下触发器111在导线133上传输“1”。 导线133上的“1”消除了环形计数器109、触发器117、二进制计数器 107、二进制计数器106和分频器104的复位输入，并消除了环形计数 器108的置位输入。由于触发器117处于复位状态，二进制计数器106 和二进制计数器107的时钟使能输入被开启。所有的计数器都响 应它们的时钟输入信号而开始计数。

计数器106-109以额定频率64KHz计数。二进制计数器106 和环形计数器108对来自分频器104经导线142接收的信号进行 计数，二进制计数器107和环形计数器109对经导线131接收的 基准信号119进行计数。与门112、113和114比较环形计数器108 和109的各级。如果一个与门在两个环形计数器108和109中的对应级 均处于“1”状态，则该与门输出“1”。在一段时间之后，如果振荡器 103与基准信号119之间存在频差，环形计数器108和环形计数器 109的所有各级都将同处于“1”状态。出现这种情况时，与门 112-114向与门115传送“1”，与门115则通过导线139向触发器 117传送“1”。在导线139上的“1”被同步地送入触发器117之中， 并且使该触发器置位在与导线131上的基准信号反相的状态。 在置位状态，触发器117在导线132上传送“1”。导线132上的1 禁止二进制计数器106和107计数，二进制计数器106和107保存 其内容以供其后由控制器101读出。由于触发器117由反转基准 信号119的反相器118所计时，因此，如果基准信号119的频率高 于振荡器103的频率，那么在基准信号119的2.5个时钟脉冲的 差值出现之后或者如果基准信号119的频率低于振荡器103，则 在基准信号119的3.5个时钟脉冲的差值出现之后，环形计数器 108和环形计数器109将同时处于”111”状态。控制器101用二进 制计数器106和二进制计数器107的内容来确定用于计算振荡器 103的调整量的时间间隔。

控制器101响应通过导线132从触发器117接收的“1”， 来确定从环形计数器的起动到在导线132上出现“1”所经过的时 间。该时间定义了本地振荡器103与基准信号119间的频率之差。 控制器101利用振荡器105为其时基，计算该时间间隔，而振荡器 105却不象本地振荡器103那样精确，从环形计数器的起动到导 线132上出现“1”间的时间间隔为诸如数百秒，因此，振荡器105的 精度不必接近本地振荡器103的精度。控制器101确定对本地振 荡器103的频率的调整量，然后，用振荡器调整器102进行这一调 整。这一调整使本地振荡器103更接近基准信号119的频率。控制 器101再一次启动环形计数器108和109的计数。下一次时，环 形计数器达到等于特定的时钟数的RTIE前所需的时间间隔将更 大。这清楚地表明，为了能够将本地振荡器103调整到接近基准信 号119的频率，振荡器105不必接近本地振荡器103的精度。

如果基准信号119变得不稳定了，则情况由检测器110检知， 检测器110就这一情况向控制器101发出信号。此外，检测器110 的输出使单稳态触发器120向触发器117的置位输入端发出一脉 冲使触发器117置位。如上所述，控制器101响应触发器117的置 位，然而，如图3所详示的，控制器101通过读检测器110而确定已 有一误差出现。

图3以流程图的表式示出了控制器101所执行的功能。判断 框301确定从上一次校准过程后什么时候已经过足够的时间。如果 已经过足够长的时间，则控制传到判断框303，后者检查检测器110 以确定基准信号119的存在。如果基准信号119不存在，则控制传 到方框302，它来计算第一预定时间间隔的时间，然后将控制传回 判断框303。

如果基准信号119存在，则将控制传到方框304，它使触发器 111置位。触发器111的置位启动计数器106-109。然后控制传到 方框305，它启动控制器101中的内部软件定时器。此后，方框305 把控制传送到判断框306。

判断框306和312确定何时已过了足够的时间使分频器104 的输出和基准信号119出现3个时钟脉冲的不同步。判断框312 用来确保控制器101不会等待超过使触发器117置位的第二预定 时间间隔。如果超过了这个第二预定时间间隔，则振荡器103满足 对应于基准信号119的指标要求，并将控制传到方框313。后者存 储用来调整调整器102的数值并把控制传送回方框301。

一旦触发器117置位，则方框310进行检查以确保在再校准 过程中基准信号119已是稳定的。如果基准信号119已稳定，则控 制传到方框307，它计算振荡器103的频率改变量。所计算的改变 量由判断框308进行检查以肯定它是合理的。如果所计算的改变量 不合理，则控制转到方框309以修复故障。如果所计算的改变量是 合理的，则方框311更新振荡器调整器102并使控制返回判断框 301。如果基准信号119不稳定，则控制传到方框309以修复故障。