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，要求是有高精度和高稳定度的本地时基基准，以便在一定的程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较准设备，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较正信息。因为这种测量设备被设计为在整个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，较准程序花费昂贵，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在振荡器上进行校正，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上所收到的参考信号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）超过基准信号119的时钟脉冲的规定数目。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“O′s”。因为环形计数器108由来自分频器104的输出信号而被计时，环形计数器109由基准信号119触发，所以，这一点很重量。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。

在同步过程之物，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较准操作的结果。此“1”经基准信号119连续地计数至触发器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”将复位输入移到环形计数器109、触发器117、二进制计数器107、二进制计数器106和分频器104，将置位输入移到环形计数器108。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由来自分频器104经导线142接收的信号而被计时，二进制时计数器107和环形计数器109由经导线131接收的基准信号119而被计时。与门112、113和114比较环形计数器108和109的各级。如果一个与门对应于环形计数器108和109中各级均处于“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在所有各级一起将都同处于“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”被同步地计入触发器117之中，并且在导线131上基准信号119向反相状态上使该触发器置位。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、如果基准信号119的频率低于振荡器103，则在出现基准信号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接收的来自触发器117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，从环表计数器的起动和导线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再一启动环形计数器108和109的计数。在环形计数器达到等于特定的时钟数的RTIE前所得到的时间间隔应大于第二个时间。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以建立基准信号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。