NTP子母钟系统(技术方案)—持久百成 3

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NTP子母钟系统技术方案 持久百成CJTC6300

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目 录

第一部分 NTP子母钟技术方案 ........................................ 4 1.系统技术规范...................................................... 4 2. 时钟系统优化设计................................................. 5

2.1概述......................................................... 5

2.1.1 系统特点............................................... 5 2.1.2优化后的时钟同步系统具有以下优势： ..................... 6 2.2系统设计原则................................................. 6

2.2.1 安全性、可靠性......................................... 6 2.2.2 经济合理性............................................. 7 2.2.3 先进性、成熟性、可持续性............................... 7 2.2.4 标准性、开放性、互联互通性............................. 7 2.2.5 可用性................................................. 7 2.2.6 可兼容性和可扩充性..................................... 7 2.2.7 抗干扰性............................................... 8 2.2.8 环保低功耗............................................. 8 2.2.9 制造工艺规范化......................................... 8 2.2.10 设备管理集中化........................................ 8 2.3时钟同步系统架构............................................. 8

2.3.1方案优化的必要性 ....................................... 8 2.3.2时钟同步系统优化方案 ................................... 9 2.3.4具体工作原理如下： .................................... 10 2.4系统设备结构................................................ 11

2.4.1 NTP中心母钟 .......................................... 11 2.4.1.5 NTP中心母钟配置 .................................... 12

3. 功能简介........................................................ 13 3.1 时间源......................................................... 13

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3.2 NTP中心母钟系统............................................ 13 3.3 NTP接口卡.................................................. 14 3.4 NTP子钟.................................................... 14 3.6 监控终端 ................................................... 15 4.系统技术性能指标................................................. 15

4.1 GPS/北斗天线 ............................................... 15 4.2 NTP中心母钟................................................ 15 4.3 NTP接口：.................................................. 16 4.4 GPS/北斗接收单元 ........................................... 16 4.5高稳晶振守时单元............................................ 17 4.6 NTP指针式子钟.............................................. 17 5.高精度NTP授时系统............................................... 22 6.可远程调试的子母钟系统........................................... 23 7.高精度授时授频相统一系统......................................... 24 8.智能多时源自动化、协商授时时间同步系统........................... 25 9.子母钟的多电源供电电源系统....................................... 26 10.子母钟的智能电源系统............................................ 27

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第一部分 NTP子母钟技术方案

1.系统技术规范

我公司按照ISO9001国际质量认证体系的要求，制定相应的企业标准和生产工艺流程，在产品设计、生产检验、安装调试、包装运输、运行和售后服务过程中，严格执行有关标准和相关技术规范，以更好地满足用户的需求。

系统所遵循的国际、国家、行业及企业标准包括： GBJ42-81《工业企业通信设计规范》

GBJ79-85《工业企业通信接地设计规范》 GB/T 4857.1-92《包装运输包装件试验时各部位的标示方法》 GB 3873-83《通信设备产品包装通用技术条件》 GB 50174-93《电子计算机机房设计规范》 GB50807-86《设备可靠性试验规范》

GB 50254-96《电气装置安装工程施工及验收规范》 GB 50311-2007《综合布线系统工程设计规范》

YD/T 1012-1999《数字同步网节点时钟系列及其定时特性》 JGJ/T 16-92《民用建筑电气设计规范》 YD/T 50-2005《数字同步网工程设计规范》

YD/T 5027-2005《通信电源集中监控系统工程设计规范》 YD 5098-2005《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》 YD/T5120-2005《无线通信系统室内覆盖工程设计规范》

GA/T331-2001《移动通信网警用自动级通信系统工程设计技术规范》 电磁兼容和防雷设计相关标准包括： IEC61000-6-2《工业环境中发射标准》 IEC61000-6-4《工业环境中抗扰度》

IEC61000-4-2《静电放电抗扰度试验》 IEC61000-4-3《射频电磁场辐射抗扰度试验》 IEC61000-4-4《电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》

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IEC61000-4-5《浪涌（冲击）抗扰度试验》 IEC61000-4-6《射频场感应的传导骚扰抗扰度》 IEC CISPR 22 1997《信息技术设备的无线电干扰限值和测量方法》 GB50057-94《建筑物防雷设计规范》 IEC61312-95《雷电电磁脉冲的防护》 YD5068-98《移动通信基站防雷与接地设计规范》

NTP子母钟系统设备在产品设计、生产检验、安装调试、包装运输、运行和售后服务过程中，当国家标准与国际标准矛盾时，以国际标准为准；当地方标准与国家标准矛盾时，以国家标准为准；若同级标准、规范之间发生冲突，采用要求最为严格的标准、规范。

随着现代科技的迅速发展，电子设备日益增多，加之弱电信号极易受到电磁干扰，因此为避免各种设备对时钟同步系统的电磁干扰影响，同时保证时钟同步系统不对其他网络和系统信号造成干扰和影响，我公司特别注意了电磁兼容相关标准，并采取必要的防护措施，使系统完全满足电磁兼容性能的要求。

2.时钟系统优化设计

2.1概述

NTP子母钟系统是一个大型通信计时系统，对保证计时准确、提高运营服务质量起到了重要的作用，是保证安全、稳定、协调和有序运行的重要组成部分之一。

NTP子母钟系统可以为本系统和其他需要时间源的系统提供精确、统一的时间信息。

NTP子母钟系统可以为医院所有提供标准时间源为解决因时间导致的医疗纠纷提供依据。

2.1.1 系统特点

随着各种设备的全面数字化、网络化、信息化、自动化，时钟系统需要更高

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精度、更高稳定性、更高性价比的时钟同步系统，现有的时钟同步系统已无法满足当前时钟系统的需求。因此，我公司立足于时钟同步系统的高标准、高可靠性、高智能化的需求，充分发挥了北京持久百成钟表有限公司在时钟同步系统产品设计、生产检验、安装调试、包装运输、运行和售后服务方面的优势，设计出一套全新时钟同步系统。

2.1.2优化后的时钟同步系统具有以下优势：

采用NTP方式组网相对于传统的RS485、RS422等组网方式有以下优势：

1) 提高系统可靠性。由于以太网采用星型连接方式，非RS485、RS422的

总线方式，因此一旦某条线路出现故障，受影响的仅仅是这一个终端。 2) 维护方便。一旦系统出现问题，排查故障方便，快捷。以太网的结构对

于排查故障非常有利。可以分段查找、排查故障。 3) 充分利用现有的网络资源，减小布线的工作量

4) 可充分利用某些区域的POE交换机，采用POE方式为子钟供电。

2.2系统设计原则

为了实现时钟同步系统高质量、低成本的目标，以及综合考虑施工、维护、操作及今后的发展、扩建、改造等因素，我公司在进行时钟同步系统设计时遵循以下原则：

2.2.1 安全性、可靠性

提高系统的安全性，必须在系统设计阶段考虑建立和完善系统的安全机制，在系统软件和硬件的配置方面必须注重系统的安全。

系统的稳定性和可靠性是系统设计中最关键的问题。提高系统的可靠性，必须进行具有高可靠性的总体设计，设计中所选用的设备本身具有较高的可靠性并支持热拔插和软件升级；另外，关键环节均采用并行无扰、多重冗余设计，在系统设备上消除单点故障，通过设备冗余和负载分担的方式来提高系统的可靠性。

本系统所有设备满足24小时/天，365天/年，全天候不间断连续运行。

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2.2.2 经济合理性

在达到预定目标、具备所需功能的前提下，系统力求简单、经济、便于实现和管理。从业主维护和管理的利益出发，重点考虑“合理降低建设投资、减少运营维护成本”，做到时钟同步系统内部设备资源的充分共享。

2.2.3 先进性、成熟性、可持续性

技术的先进性可以提高系统的性能，节省用户的远期投资；成熟的技术可以保障系统的运行，并节省用户的近期投资。在项目实施中所采用的设备和技术属世界主流产品，在相应的应用领域占有较大的市场，考虑到时钟同步系统建成后将在很长一段时间内使用，所以在选择技术的时候具有一定的前瞻性，同时也充分考虑到技术生命周期，保证技术的成熟性、可持续性。

2.2.4 标准性、开放性、互联互通性

由于通信系统中的设备种类多、设置分散、通信业务需求多、互通性强，因此在通信系统中所采用的设备支持符合国际标准和工业界标准的相关接口，能够与其它相关系统或业务部门实现可靠的互联；系统软硬件平台具有良好的移植能力；选择广泛应用的标准协议。

2.2.5 可用性

时钟同步系统的性能指标能够满足各项业务的需求。整个系统的性能是可靠的、便于管理的。从业务运营角度出发，在满足业务运营要求的条件下，尽量压缩设备数量并集中设置，系统易于维护并具有便捷的故障恢复能力及恢复手段，最大限度的提高整个系统的可用性。

2.2.6 可兼容性和可扩充性

在工程建设过程中，在系统结构和设备的选择方面，充分考虑到与既有设备的兼容性，同时考虑具有良好的可扩充能力，便于业主根据将来业务的发展需要，可平滑地对系统进行扩容和升级。

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2.2.7 抗干扰性

时钟同步系统设计充分考虑到设备的电气特性和环境特点，采取相应的防护措施，防止其他系统对时钟设备及系统产生的干扰影响。在系统设计和设备选型时，采用抗干扰性能强的系统设计，选择电磁兼容性好的设备。

由于是高频、音视频等设备的集中地，因此时钟同步系统的主要设备必须满足此类环境下对于电磁兼容性能的要求，设计时采用抗电磁、电气干扰的设备/电缆的防护措施、故障隔离技术和输出/输入保护，防止电磁波对时钟同步系统的干扰，同时也保证了时钟同步系统不对网络造成干扰和影响。

2.2.8 环保低功耗

我公司致力于推行绿色环保的设计思想，选择和使用低能耗元器件，引进与应用低能耗、长寿命的材料以及先进的超大规模集成电路技术，降低了时钟同步系统的总体能耗，以达到提高时钟同步系统的使用寿命、降低使用成本的目标。

2.2.9 制造工艺规范化

系统的制造完全遵循ISO9001质量体系标准及有关的标准、规范。设备生产采用经过老化测试和严格筛选的优质元器件，以保证长期使用的高稳定性和高可靠性，力求将时钟同步系统建成完整的、规范的、标准的时间信息显示系统。

2.2.10 设备管理集中化

时钟同步系统通过监控终端设备集中统一管理，实施对所有远端设备的控制、设置。时钟监控系统能够实时监测主要设备的运行状态及故障状态，并具有集中告警和远程联网告警功能，保证系统设备的集中化管理。

2.3时钟同步系统架构

2.3.1方案优化的必要性

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随着局域网的广泛应用，基于局域网实现时钟同步系统已被国内外同行广泛应用与众多领域。局域网具有如下优势：

1）数据的传输速率比较高，从最初的10 Mbps、100 Mbps，近年来已达到1000Mbps、10Gbps。

2）具有较低的延迟和误码率，其误码率一般为10−8～10−11。 3）便于安装、维护和扩充，建网成本低、周期短。

4）能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据，从一个站点可访问全网。

5）便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。 6）提高了系统的可靠性、可用性、可扩展性。 2.3.2时钟同步系统优化方案

时钟系统由GPS/北斗时间接收单元、NTP中心母钟、级联扩展箱、以太网交换机（或POE太网交换机）、各种子钟和需时间同步的各种网及监控网管终端、数

据传输通道等构成。其时钟同步系统构成框图如下：

时钟系统的框图

管理控制计算机GPS/北斗校时接收装置NTP中心母钟NTPNTPNTP以太网POE以太网骨干网POE以太网以太网以太网以太网其他网络办公网POE供电子钟

交流220V供电子钟第 9 页 共 27 页

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2.3.3时钟同步系统原理

时钟以太网NTP中心母钟GPS/北斗处理单元晶振驯服单元(一)晶振驯服单元(二)NTP处理单元子钟处理单元时间码其他网络GPS/北斗处理单元级联方式输出单元晶振单元(一)骨干网办公网晶振单元(二)电源(冗余备份)状态监测其他网络内部总线设置命令 管理控制计算机

2.3.4具体工作原理如下：

时钟同步系统为二重时间源（GPS/北斗时间信号）并行无扰冗余模式。正常情况下，接收来自GPS /北斗卫星的时间码信号，同时对接收到的二路时间源信号经过PPS校验、时序滤波、PPS推后补偿等处理，得出准确的时间信息，并转化为NTP中心母钟系统内部总线的数据格式，通过内部总线将标准时间信息及PPS信息送至NTP中心母钟系统守时单元，同时将输出接口模块的状态信息反馈给人机界面单元。

高稳晶振守时单元对接收到的二路时间源信号进行分析对比判断，去除偏差较大的一路信号，优选取1路作为标准时间信号，并转化为NTP中心母

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状态监测

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钟系统内部总线的数据格式，通过内部总线将标准时间信息及PPS信息送至NTP中心母钟系统，同时将输出接口模块的状态信息反馈给人机界面单元。

当GPS/北斗时间源其一或其二出现故障时，高稳晶振守时单元可自动选择准确无故障的时间信号作为时间源，向NTP中心母钟系统其他单元发送时间信号。NTP接口单元等对接收到的两路守时单元时间信号，进行分析判断，选取较高精度的时间信号作为自身时间源信号，同时为子钟、、计算机网络、等设备提供准确的时间信号。

2.4系统设备结构

系统布置图如下图所示：

2.4.1 NTP中心母钟

NTP中心母钟是整个中心时钟同步系统的核心部分，因此对关键部件采取

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并行无扰、多重冗余工作模式。当某一部件故障时，系统仍能工作正常，保证了系统的可靠性。NTP中心母钟具有长期工作能力，在GPS/北斗等外部时间源信号失效的情况下，整个时钟同步系统仍能稳定运行，且能保证运行的精度。 2.4.1.1 NTP中心母钟机箱的正面图片

2.4.1.2NTP中心母钟机箱的背面图片

2.4.1.5 NTP中心母钟配置

NTP中心母钟采用插板式总线结构，可灵活配置输出接口的种类与数量。  NTP中心母钟机箱配置两块电源卡，实现主、备电源热备份。  配置一块GPS/北斗双模时间源接收卡。实现GPS/北斗时间源的接收，

并且此卡配置守时用恒温晶振。并可实现扩展级联输出功能。  配置两块NTP卡。可实现4路物理隔离的以太网NTP输出口。可用于

连接子钟或实现对外输出NTP功能。

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3.功能简介

3.1 时间源

1) 采用多个时间源并行无扰、多重冗余的设计思想，正常情况下，多重时间源

并行无扰工作，在某一或某些时间源出现故障时，无需切换装置，由当前设备对接收到的时间源信号进行比对，滤除故障信号，自动选择无故障、精度高、质量好的时间信号作为标准的时间信号。

2) 可接收标准GPS/北斗锁定，并能够消除卫星失步和抖动造成的时间误差。 3) GPS/北斗的并行无扰、冗余工作方式。

4) 扩展性良好，其类型和数量可根据工程需求自由配置。

3.2 NTP中心母钟系统

1) NTP中心母钟对接收到的多重时间源进行判断、对比和优选，产生精确时间

信号，经由NTP中心母钟和扩展平台输出多路NTP时间信号供其他系统使用；

2) 通过以太网向子钟传送同步时间数据，统一校准子钟，并通过NTP接口，

能够给各相关系统提供时间同步信号； 3) 带有内部高稳晶振，具有高精度守时功能；

4) 守时源的扩展性良好，可根据工程需求即时自由配置两者的类型和数量； 5) 支持热插拔操作，便于维修； 6) 接口扩展性良好，可即时自由配置； 7) 输出接口具有数据传输状态指示功能； 8) 采用双电源冗余设计；

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3.3 NTP接口卡

1) NTP网络时间服务器接收中心母钟或GPS发出的时间信号，再通过计算机

网络系统，使用NTP网络时间协议，同步网络内的服务器、PC工作站以及相关系统的时间。

2) NTP网络时间服务器为的工业级设备，采用双机热备方式工作，切换时

间在3分钟内，时间同步时无需另外配置工作站或服务器。

3) NTP网络时间服务器支持的网络（或管理）特性有：TCP/IP，基于web的

HTML，NTPv2(RFC1119)&NTPv3(RFC1305)，以及SNTP等。

3.4 NTP子钟

1) 接收标准NTP等时间码输入锁定；

2) 子钟具有可监控功能，可反馈自身状态信息给NTP中心母钟；

3) 可对输入的标准时间信号进行判断处理，消除误码，进行传输延迟补偿，以

保证走时精度；

4) 具有晶振，脱离NTP中心母钟能够保持时间精度，正常运行； 5) 子钟具有断电记忆功能，自身能反映与NTP中心母钟通信的失步指示； 6) 子钟的地址码可任意设置；

7) 子钟具有高性能复位电路，抗死机；

8) 指针式子钟可根据当前时间自动判断正向反向追时；

9) 指针式子钟可采用低功耗背光照明，可根据环境自由设置亮度等级； 10) 数显式子钟均采用全静态显示、无闪烁，显示清晰醒目，色泽均匀，视觉柔

和，显示字符边缘清晰，字体饱满，钟面为抗老化防眩光板； 11) 子钟采用高精度、超低功耗器件，符合绿色环保的要求；

12) 子钟可提供多种外观形式以供选择，可按照外观的统一规范、安装现场装修

风格的要求以及用户实际需求，定制子钟外形外观；

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3.6 监控终端

1) 监控终端接收NTP中心母钟发来的系统设备运行状态信息；

2) 监控终端可对NTP中心母钟系统发出操作指令，实施对全系统的控制管理； 3) 监控终端可设置运行状态信息及告警信息的输出接口，接口类型为标准的

IEEE 802.3以太网接口，与通信集中告警系统连接，并按照通信集中告警系统提供的协议，完成数据集中告警采集；

4) 监控终端可实现对时钟设备进行实时点对点监控，包括设备运行状态以及子

钟的地址名称、校时间隔等，发现故障可自动发出声光报警；

5) 监控可显示故障部件的位置、内容、时间，可显示并打印历史故障记录，极

大方便系统维护人员维护和修理；

6) 时钟网管软件为全中文简体版本，具有图形化的人机界面，包含实时监控、

配置管理、安全管理 、故障管理、存储打印等功能。

4.系统技术性能指标

4.1 GPS/北斗天线

1) 阻抗 50 欧姆 ； 2) NF <2dB；

3) 增益35 dB ( 包括电缆损失)；

4) 天线检测电路 有效（检测短路或开路）；

5) 天线电缆/连接器(已焊接到接收板) BNC(标准)，可提供SMA，SMB ，MCX，

GT–5；

6) 天线：防水、防腐、避雷

7) 工作环境相对湿度：0 ~100%，不结露； 8) 存储环境温度：－25℃ ~ +60℃； 9) 大气压力：960~1060mbar。

4.2 NTP中心母钟

1) 计时精度：≤±0.001秒/日； 2) 计时精度：≤±1秒/年；

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3) 子母钟同步误差：≤5ms； 4) 驱动子钟能力：≥ 256面； 5) 环境要求：工作温度：0～＋50℃； 6) 电源电压：220V±20％； 7) 输入频率：50Hz±5%。

8) 平均无故障时间（MTBF）：≥4万小时 9) 平均故障修复时间：≤8小时 10) 采用3U 19英寸标准机架式安装方式

4.3 NTP接口：

1) 输出信号：10BaseT/100BaseT以太网接口/RJ45用于NTP时间码 2) 管理端口：10BaseT/100BaseT以太网接口/RJ45

3) 网络时间同步精度：在网络正常的情况下，TCP/IP网络上的NTP：300ns-10ms 4) 环境要求：工作温度：0～＋50℃； 5) 电源电压：220V±20％； 6) 电源频率：50Hz±5% 7) 单接口容量 2000次/秒 8) 平均无故障时间 9) 工作温度 10) 相对湿度 11) 功率

≥80000小时

0℃～＋50℃ 5％～95％

≤10W

4.4 GPS/北斗接收单元

1) 跟踪卫星数：≥ 6颗卫星同时跟踪；

2) 重捕获时间：最小重捕获时间2.5s(卫星丢失时

间少于15秒)，最大重捕获时间5s(卫星丢失时间大于60秒);

3) 对标准时的同步误差： 2μs；

4) 接口方式：标准RS-422接口 图1：GPS接受单元

5) 天线馈线长度：≥ 20米

6) 环境要求：工作温度：-15℃～45℃。

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7) 湿度：30%～85%（不结露）； 8) 电源电压：220V±20％v；

4.5高稳晶振守时单元

1) 频率稳定度：1×10-8 2) 准确度：

5× 10-8

3) 脱开同步时的日波动： 5×10-8 4) 同步计时精度： 5) 最大功耗：20W 6) MTBF：

8万小时

±1μS

4.6 NTP指针式子钟

1) 计时精度：±0.05秒/天； 2) 同步误差：≤5ms

3) 环境要求：工作温度：0～＋50℃； 4) 电源电压：220V±20％；

5) 电源频率：50Hz±5%。

图2：指针式子钟

4.7 NTP数字式子钟： 5英寸单面NTP数字子钟:

简单描述： 5英寸显示 “时：分” 的数字式子钟

1）重量：2.2KG

2）长/宽/厚度： 670/198/60 毫米 3）工作电压: AC220V±15%，50Hz±10%

4）自身计时精度：≤±180毫秒/天(长时间守时精度)

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5）精度： 和母钟一致(通过通信线路和母钟同步) 6) 通信接口：标准以太网接口 7) 功率：小于10W 8) 工作时间：连续

9) 温度范围：-40-+60摄氏度 10) 湿度: 小于%95 不结露 11) 亮度调整范围：1-10级

图3：5英寸单面NTP数字子钟

5英寸双面NTP数字子钟:

简单描述： 5英寸显示 “时：分” 的双面数字式子钟 1）重量：5KG

2）长/宽/厚度： 670/198/140 毫米 3）工作电压: AC220V±15%，50Hz±10%

4）自身计时精度：≤±180毫秒/天(长时间守时精度) 5）精度： 和母钟一致(通过通信线路和母钟同步) 6）通信接口：标准以太网接口

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7）功率：小于20W 8）工作时间：连续

9）温度范围：-40-+60摄氏度 10）湿度: 小于%95 不结露

图4：5英寸双面NTP数字子钟

NTP万年历子钟：

1) 年、月、日LED 7段数码管高度3吋； 2) 时、分、星期、温度LED 7段数码管高度3吋； 3) LED显示单元发光强度：≥200cd/㎡； 4) 对比度≥10：1；

5) LED显示屏可视视角≥±65º； 6) 计时精度：±0.05秒/天；

7) 环境要求：工作温度：－10℃～＋50℃； 8) 电源电压：220V±20％；

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9) 电源频率：50Hz±5%；

图5：万年历子钟

时分秒数字子钟：

图6：时分秒数字子钟

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手术室子钟：

图7：手术室子钟

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5.高精度NTP授时系统

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6.可远程调试的子母钟系统

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7.高精度授时授频相统一系统

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8.智能多时源自动化、协商授时时间同步系统

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9.子母钟的多电源供电电源系统

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10.子母钟的智能电源系统

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