銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)檢定規(guī)程

1、了Ja中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程JJG 4922009銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)Cesium Atomic Frequency Standards200905一侶發(fā)布2009一”一侶實(shí)施國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布JJG 492-2009銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)檢定規(guī)程，一一 一一RVJJG 492-2009；VVerification Regulation of l代替JJG 492-1987 5h?、Cesium Atomic Frequency Standardsb一一一 一 1本規(guī)程經(jīng)國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局于2009年5月18日批準(zhǔn)，并自2009年11月18日起施行。歸口單位：全國時間頻率計量技術(shù)委員

2、會 主要起草單位：中國計量科學(xué)研究院 參加起草單位：航天科工集團(tuán)二院二。三所本規(guī)程委托全國時間頻率計量技術(shù)委員會負(fù)責(zé)解釋本規(guī)程主要起草人：張愛敏(中國計量科學(xué)研究院)參加起草人： 王偉波(中國計量科學(xué)研究院) 寧大愚(中國計量科學(xué)研究院) 徐月青(航天科工集團(tuán)二院二。三所)目錄1范圍 (1)2引用文獻(xiàn) (1)3概述 (1)4計量性能要求 (1)41輸出頻率及幅度 (1)42頻率穩(wěn)定度 (1)43相位噪聲 (2)44頻率準(zhǔn)確度 一 (2)45頻率調(diào)整 (2)46諧波與非諧波失真 (2)47秒脈沖(1PPS)輸出 (2)48時鐘同步 (3)5通用技術(shù)要求 (3)51外觀標(biāo)志 (3)52其他要求 (

3、3)6計量器具控制 (3)61檢定條件 (3)62檢定項(xiàng)目和檢定方法 (4)63檢定結(jié)果的處理 (9)64檢定周期 (9) 附錄A兩種頻標(biāo)比對器原理 (10) 附錄B檢定證書(內(nèi)頁)格式 (12) 附錄C檢定結(jié)果通知書(內(nèi)頁)格式 (14)JJG 4922009銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)檢定規(guī)程1范圍本規(guī)程適用于銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)(含銫原子鐘)的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢驗(yàn)。2引用文獻(xiàn)JJF 1001-1998通用計量術(shù)語及定義JJF 1180一2007時間頻率計量名詞術(shù)語及定義 JJG 20072007時間頻率計量器具檢定系統(tǒng)表 使用本規(guī)程時，應(yīng)注意使用上述引用文獻(xiàn)的現(xiàn)行有效版本。3概述 銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)(

4、以下簡稱銫頻標(biāo))是一種被動型原子頻標(biāo)，由物理部分(銫原子諧振器)及電路部分組成。諧振器內(nèi)銫原子在微波激勵信號感應(yīng)下發(fā)生能級躍遷；電路 部分包含石英晶體振蕩器、倍頻綜合器和頻率控制電路。頻率控制電路用于調(diào)整石英晶 體振蕩器的頻率，將其輸出頻率鎖定到銫原子的躍遷頻率?；驹砣鐖D1所示。圖1銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)原理配有數(shù)字時間指示的銫頻標(biāo)又稱為銫原子鐘。 銫頻標(biāo)和銫原子鐘具有很高的頻率準(zhǔn)確度，廣泛應(yīng)用于科研、國防、通訊、導(dǎo)航、計量等領(lǐng)域。4計量性能要求41輸出頻率及幅度 頻率：5MHz，10MHz 幅度：1V(50f1)42頻率穩(wěn)定度見表1，r表示取樣時間，q(r)(阿侖標(biāo)準(zhǔn)偏差)表示頻率穩(wěn)定度。JJG

5、 4922009表1頻率穩(wěn)定度要求氏(r)10ms2X10 107lO一“100ms 510“110111S 310“5101210s 110“3X1012100s3X10 12810 131000s 1X10122X10 1310000s310 13810141d210 133101443相位噪聲見表2，表示傅立葉分析頻率，(，)表示相位噪聲。表2相位噪聲要求f(，)(dBcHz)1Hz 一90一10610Hz 一120一136100Hz 一130一151 lkHz 一140一15610kHz 一145一160100kHz14516044頻率準(zhǔn)確度110一”4210 1345頻率調(diào)整 范圍：

6、110_9 分辨力：110-15110_1446諧波與非諧波失真 諧波：-40dBc 非諧波：-80dBc47秒脈沖(1PPS)輸出 脈沖幅度：24V(50f1) 脈沖寬度：20bts 上升時間：5ns2JJG 492-200948時鐘同步481自動同步同步秒脈沖： 脈沖幅度：2V10V 脈沖寬度：100ns100s 上升時間：50ns最大同步誤差 ：50ns482手動同步 范圍：一O5s+05s 分辨力與最大同步誤差：50ns說明：檢定時計量性能要求以被檢銫頻標(biāo)(或銫原子鐘)說明書的技術(shù)指標(biāo)為準(zhǔn)。5通用技術(shù)要求51外觀標(biāo)志 銫頻標(biāo)的前面板或后面板上應(yīng)標(biāo)有：儀器名稱、型號、制造廠、出廠編號及電

7、源要求。 銫頻標(biāo)的電源開關(guān)、輸入輸出端口、功能設(shè)置開關(guān)等均應(yīng)有識別標(biāo)志，顯示屏能正常顯示工作參數(shù)。52其他要求送檢時要攜帶使用說明書，后續(xù)檢定時要攜帶上次的檢定證書。6計量器具控制 計量器具控制包括首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢驗(yàn)。61檢定條件611檢定用設(shè)備6111頻率穩(wěn)定度參考頻標(biāo)輸出頻率為5MHz、10MHz， 相同取樣時間的頻率穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于被檢銫頻標(biāo)頻率 穩(wěn)定度3倍。6112頻率準(zhǔn)確度參考頻標(biāo)輸出頻率為5MHz、10MHz， 可選用銫頻標(biāo)或氫頻標(biāo)，其頻率準(zhǔn)確度已校準(zhǔn)到比 被檢銫頻標(biāo)高一個量級。6113相位噪聲參考頻標(biāo)輸出頻率為5MHz、10MHz， 相位噪聲應(yīng)比被檢銫頻標(biāo)相應(yīng)傅立葉頻率點(diǎn)

8、的相位 噪聲小10dB，有電調(diào)輸入端口。6114頻標(biāo)比對器 輸入頻率：5MHz、10MHz。能夠測量和計算頻率穩(wěn)定度， 其比對不確定度(用阿侖標(biāo)準(zhǔn)偏差表示)應(yīng)不大于被檢銫頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度的13。6115相位噪聲測量裝置輸入頻率：5MHz、10MHz。JJG 492-一2009傅立葉分析頻率：1Hz100kHz，相位噪聲本底應(yīng)比被檢銫頻標(biāo)在相應(yīng)傅立葉頻 率點(diǎn)的相位噪聲小10dB。6116頻譜分析儀頻率范圍覆蓋1MHz50MHz，動態(tài)范圍100dB。6117時間間隔計數(shù)器 時間間隔：lnsls； 最大允許誤差：lns；觸發(fā)電平在(o5)V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并能指示電平值；有外接頻標(biāo)功能。6118示波

9、器上升時間應(yīng)小于被檢脈沖上升時間的13。6119秒脈沖(1PPS)發(fā)生器 脈沖幅度：2V(50n)； 脈沖寬度：100ns； 脈沖上升時間：5ns； 有外接頻標(biāo)功能。612檢定環(huán)境條件6121環(huán)境溫度被檢銫頻標(biāo)和參考頻標(biāo)均置于恒溫室內(nèi)，恒溫室的溫度可在(2025)范圍內(nèi)任 選一值，檢定期間溫度最大允許變化1。6122環(huán)境濕度 相對濕度80。6123供電電源交流，電壓220(110)V，頻率50(12)Hz。6124周圍無影響正常檢定的電磁干擾和機(jī)械振動。62檢定項(xiàng)目和檢定方法621檢定項(xiàng)目 檢定項(xiàng)目見表3。表3檢定項(xiàng)目項(xiàng)目名稱 首次檢定 后續(xù)檢定 使用中檢驗(yàn) 外觀及工作正常性檢查+頻率信號幅度

10、+諧波與非諧波失真+頻率穩(wěn)定度 +上相位噪聲 +_-頻率準(zhǔn)確度 牟+一4JJG 4922009表3(續(xù))項(xiàng)目名稱 首次檢定 后續(xù)檢定 使用中檢驗(yàn) 頻率調(diào)整 J一秒脈沖幅度及寬度+o秒脈沖上升時間-L+時鐘同步 +注：“+”為必檢項(xiàng)，“一”為可不檢項(xiàng)。622檢定方法6221外觀及工作正常性檢查 (1)外觀檢查 應(yīng)滿足51和52的要求。 (2)工作正常性檢查被檢銫頻標(biāo)應(yīng)在說明書規(guī)定的預(yù)熱時間內(nèi)鎖定。鎖定后通過顯示窗口或計算機(jī)操作 軟件窗口查看各有關(guān)性能參數(shù)，顯示的數(shù)值應(yīng)在說明書給定的范圍內(nèi)。6222頻率信號幅度的檢定 儀器連接如圖2。I5MHz、I被檢銫頻標(biāo)10Ml-lz 示波器 III圖2頻率信

11、號幅度的檢定被檢銫頻標(biāo)的5MHz、10MHz頻率信號分別接入示波器，示波器的輸入阻抗選為50f2，直接測量輸入信號的幅度值。6223諧波與非諧波失真的檢定 儀器連接如圖3。被檢銫頻標(biāo)的5MHz、10MHz信號分別接入頻譜分析儀。圖3諧波和非諧波失真的檢定(1)諧波失真 頻譜分析儀的分辨力帶寬(RBw)、視頻帶寬(VBW)均設(shè)置為lkHz，合理設(shè)置頻譜分析儀的起始和終止頻率，分別測量基波頻率處功率電平P。及n次諧波(一般n取2、3、4、5)頻率處的功率電平P。n次諧波失真H。按公式H。一P。一P，計算，選取H。最大值作為測量結(jié)果。5JJG 492-2009(2)非諧波失真 頻譜分析儀的分辨力帶寬

12、(RBW)、視頻帶寬(VBW)均設(shè)置為lkHz，合理設(shè)置頻譜分析儀的起始和終止頻率，測量基波功率電平P，及偏離載頻10kHz以外頻偏范圍 內(nèi)最大的非諧波功率電平P。非諧波失真N按公式N=PwP。計算。6224頻率穩(wěn)定度的檢定 利用頻標(biāo)比對器進(jìn)行測量，儀器連接如圖4所示。 厶為被檢銫頻標(biāo)輸出頻率，r為參考頻標(biāo)輸出頻率。圖4頻率穩(wěn)定度的檢定取樣時間r和取樣組數(shù)m按表4選取。表4取樣時間和取樣組數(shù)10ms 100lOOms1001s 10010s loo100s501000s1510000s151d 15頻標(biāo)比對器可采用雙混頻時差法或頻差倍增法，測量原理見附錄A。6225相位噪聲的檢定 儀器連接如圖

13、5。圖5相位噪聲的檢定6JJG 4922009相位噪聲測量裝置一般采用正交鑒相法，將被測頻標(biāo)的隨機(jī)相位噪聲轉(zhuǎn)化為與之成 正比的隨機(jī)電壓起伏，從而得到被測頻標(biāo)的相位噪聲(p。與，的標(biāo)稱值要相同，傅立葉分析頻率取1Hz100kHz。 在檢定結(jié)果中給出具體的測量結(jié)果，或給出相位噪聲隨傅立葉分析頻率的變化曲線。6226頻率準(zhǔn)確度的檢定 (1)如果在測量頻率穩(wěn)定度時，頻標(biāo)比對器給出取樣時間rld的頻率偏差，則取該頻率偏差為y(r)。 (2)如頻標(biāo)比對器不能給出取樣時間rld的頻率偏差，則按圖6所示時差法測量。圖6時差法測量原理參考頻標(biāo)和被檢銫頻標(biāo)輸出的秒脈沖分別輸入到時間間隔計數(shù)器的啟動和停止端。 時間

14、間隔計數(shù)器直接測量兩信號的相位時間差，測量結(jié)果為丁1，取樣時間r1d，測 量結(jié)果為T2，用下式計算頻率偏差：yL。_丁2一T1，、(3)設(shè)被檢銫頻標(biāo)給定的頻率準(zhǔn)確度為A，實(shí)際測得的頻率偏差為y(r)，若y(r)IA，則在檢定結(jié)果中頻率準(zhǔn)確度仍按A值給出。 若Jy(r)lA，設(shè)y(f)一d10一，則n以1位整數(shù)加1位小數(shù)表示，頻率準(zhǔn)確度A按下式的結(jié)果給出：A一(取整In J+1)10例如：若Y】(r)一6710_13或Y】(r)一一631013，則取A=710_136227頻率調(diào)整的檢定 頻率調(diào)整的檢定，即是通過測量來驗(yàn)證頻率調(diào)整量的實(shí)際值與設(shè)定值是否一致。為觀測到穩(wěn)定的頻率調(diào)整量，要保證選擇的

15、取樣時間內(nèi)的頻率穩(wěn)定度比調(diào)整量小一個量級。 (1)調(diào)整量設(shè)置為110_13 用時差法測量y(r)，取樣時間r1d。頻率調(diào)整前，測出被測頻標(biāo)與參考頻標(biāo)的頻率偏差Y，(r)，設(shè)置被檢銫頻標(biāo)頻率調(diào) 整量為110。3，測出頻率調(diào)整后的頻率偏差Y，(r)。再設(shè)置被檢銫原子頻標(biāo)頻率調(diào)整量為一110-13，測出頻率調(diào)整后的頻率偏差Y3(r)。7JJG 492-2009計算出y：(r)-y，(r)和Y。(r)-y，(r)，作為頻率調(diào)整量的實(shí)際值，應(yīng)與設(shè)定的調(diào)整 量一致。(2)調(diào)整量設(shè)置為士110“ 用頻標(biāo)比對器或時差法測量了(r)，取樣時間r100s。 調(diào)整前，測出頻率偏差y，(r)，設(shè)置被檢銫原子頻標(biāo)頻率調(diào)

16、整量為110，測出頻率調(diào)整后的頻率偏差Y，(r)。再設(shè)置被檢銫原子頻標(biāo)頻率調(diào)整量為一l10，測出 頻率調(diào)整后的頻率偏差Y，(r)。計算出兒(r)-y，(r)和Y。(力-y。(r)，作為頻率調(diào)整量的實(shí)際值，應(yīng)與設(shè)定的調(diào)整 量一致。6228秒脈沖(1PPS)幅度及寬度的檢定儀器連接如圖7。被檢銫原子鐘的秒脈沖信號接入示波器。l1PPSl被檢銫原子鐘示波器I圖7秒脈沖信號幅度的檢定示波器的輸入阻抗選為50fl，調(diào)節(jié)示波器，使屏幕上顯示穩(wěn)定的脈沖波形，直接測 量輸入秒脈沖信號的幅度與寬度。6229秒脈沖(1PPS)上升時間的檢定 儀器連接如圖7所示。被檢銫原子鐘的秒脈沖接人示波器。調(diào)節(jié)示波器，使屏幕上

17、顯示穩(wěn)定的脈沖波形，測出秒脈沖幅度從10上升到90所對應(yīng)的時問間隔即為秒脈沖上升時間。62210時鐘同步功能的檢定 (1)自動同步 儀器連接如圖8所示。圖8自動同步的檢定參考秒脈沖發(fā)生器輸出的秒脈沖加到時問間隔計數(shù)器的啟動端，被檢銫原子鐘輸出 的秒脈沖加到時間間隔計數(shù)器的停止端，兩連接電纜長度應(yīng)相同，“同步”連接電纜也 應(yīng)盡量短。設(shè)置時間間隔計數(shù)器的觸發(fā)電平分別為兩脈沖幅度的12，并設(shè)為前沿 觸發(fā)。同步前測量啟動、停止兩個秒脈沖的時差兀，同步后再測量這兩個秒脈沖的時差RJJG 492-2009T2，T2即為實(shí)測的同步誤差。 (2)手動同步 手動同步是指人工調(diào)整被檢銫原子鐘輸出秒脈沖的相位，使其

18、與參考秒脈沖的時差減小到相移的分辨力之內(nèi)。 儀器連接如圖9。參考圖9手動同步的檢定參考秒脈沖發(fā)生器輸出的1PPS信號加到時間間隔計數(shù)器的啟動端，被檢原子鐘輸 出的1PPS信號加到時間間隔計數(shù)器的停止端，兩連接電纜長度應(yīng)相同，設(shè)置時間間隔 計數(shù)器的觸發(fā)電平分別為兩脈沖幅度的12，并設(shè)為前沿觸發(fā)。調(diào)整前，測量兩秒脈沖的時差T。移動被檢原子鐘秒脈沖的相位十o5s，測量時 差為T2，計算相移的實(shí)際值：S。=T2一兀移動被檢原子鐘秒脈沖的相位一O5s，測量時差為T3，計算相移的實(shí)際值：SzAT3一A瓦移動被檢原子鐘一個分辨力值，測量時差為，計算相移的分辨力：R=A瓦一瓦S。、Sz及R值應(yīng)與設(shè)定值一致。6

19、3檢定結(jié)果的處理 按本檢定規(guī)程要求檢定合格的銫頻標(biāo)和銫原子鐘，出具檢定證書；檢定不合格的，出具檢定結(jié)果通知書，并注明不合格項(xiàng)目。64檢定周期 銫頻標(biāo)(或銫原子鐘)的檢定周期一般不超過1年。9JJG 4922009附錄A兩種頻標(biāo)比對器原理A1 雙混頻時差法頻標(biāo)比對器基本原理如圖A1所示。0n -n 且 皿 兒L123盯+1幾 一_J LJ一圖A1雙混頻時差法頻標(biāo)比對器原理輸入到頻標(biāo)比對器的被測頻率標(biāo)準(zhǔn)與參考頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率標(biāo)稱值應(yīng)相同，設(shè)為，fo一5MHz或fo一10MHz。比對器內(nèi)置的公共振蕩器輸出信號與兩頻率標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號進(jìn)行混頻，產(chǎn)生標(biāo)稱值 相同的兩個低頻信號，內(nèi)置的時間間隔計數(shù)器測量兩個低

20、頻信號的相位差(時差)。利 用時差在所需取樣時間前后的變化量，計算得到兩頻率標(biāo)準(zhǔn)在所需取樣時間內(nèi)的相對平 均頻率偏差。設(shè)低頻信號的頻率標(biāo)稱值為Fo，由最小取樣時fq決定。在本規(guī)程中取Fo一亡一11UlIJ3100Hz，周期以矗表示。時間問隔計數(shù)器連續(xù)測量兩個低頻信號的時差T，每隔矗測量一次，測得的T 值按序存儲。設(shè)r=Nro，N一1，2，3，為正整數(shù)。 按表4規(guī)定除fld外，N值按lo倍程選取。如欲在檢定結(jié)果中給出lgo(力Jgr的變化曲線，r應(yīng)多取一些值，此時N值可按2、5、10倍程選取。由圖中可得兩頻標(biāo)的相對平均頻率偏差：10幣瀘譬一半一魯警一魯半JJG 492-2009蹦扣案等等業(yè)魯盟半

21、由此得了(r)的阿侖標(biāo)準(zhǔn)偏差刪=去去喜c地岬啦+球cM，A2頻差倍增法頻標(biāo)比對器頻差倍增器法一般用于測量r100s的頻率穩(wěn)定度?；驹砣鐖DA2所示。：圖A2頻差倍增法頻標(biāo)比對器原理輸入到比對器的兩頻標(biāo)的頻率分別被變換成標(biāo)稱值相同的頻率，設(shè)標(biāo)稱值為，0， 然后進(jìn)行頻差倍增，倍增前的差頻為Af。第一級混頻器的輸出頻率為F-一+mp,f第二級混頻頻出為F2=fo+m2廠；假定共有n級，則最后一級混頻器的輸出即輸入到頻率計的頻率為F。一凡+m“Af取樣時間由頻率計數(shù)器測量時的閘門時間給定，通常為10ms、lOOms、ls、10s、100s。 按下式計算頻率穩(wěn)定度：，廠彳百啪卜吉去著眠t卅，一R)2(A2)JJG 492-2009附錄B檢定證書(內(nèi)頁)格式1頻率信號幅度頻率(MHz) 幅度(V)5102諧波與非諧波失真頻率(MHz)諧波(dBc)非諧波(dBc)5103頻率穩(wěn)定度q(r)o(r)10ms100ms1S10s100s1000s10000sld4相位噪聲