計(jì)量方法與誤差理論CH時(shí)間頻率計(jì)量

第1節(jié)時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試1.基本概念

時(shí)間、時(shí)間間隔、時(shí)刻、時(shí)標(biāo)、頻標(biāo)時(shí)間：基本的物理量，單位秒（兩層含義：時(shí)間間隔、時(shí)刻）。在單位時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)、循環(huán)的次數(shù)為頻率時(shí)間間隔：連續(xù)流逝的時(shí)間中兩個(gè)瞬時(shí)之間的間隔，其中任何一點(diǎn)的瞬時(shí)稱為時(shí)刻。時(shí)標(biāo)：能給各個(gè)事件賦予時(shí)刻的時(shí)間參考標(biāo)尺的簡(jiǎn)稱。頻標(biāo)：頻率的參考標(biāo)尺，頻率標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試2.時(shí)標(biāo)世界時(shí)（UT,UniversalTime）:以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。以地球自轉(zhuǎn)周期(1天)確定的時(shí)間，即1/(24×60×60)=1/86400為1秒。其誤差約為10－7量級(jí)。參考點(diǎn)：

平太陽(yáng)時(shí)(meansolartime)：由于地球自轉(zhuǎn)周期存在不均勻性，以假想的平太陽(yáng)作為基本參考點(diǎn)。

零類世界時(shí)（UT0）：以平太陽(yáng)的子夜0時(shí)為參考。

第一類世界時(shí)（UT1）：對(duì)地球自轉(zhuǎn)的極移效應(yīng)（自轉(zhuǎn)軸微小位移）作修正得到。

第二類世界時(shí)（UT2）：對(duì)地球自轉(zhuǎn)的季節(jié)性變化（影響自轉(zhuǎn)速率）作修正得到。準(zhǔn)確度為3×10－8

以本初子午線的平子夜起算的平太陽(yáng)時(shí)，又稱格林威治平時(shí)或格林威治時(shí)間。時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試歷書(shū)時(shí)（ET,ephemeristime

）:以地球公轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。公轉(zhuǎn)周期（1年）的31556925.9747分之一為1秒。參考點(diǎn)為1900年1月1日0時(shí)（國(guó)際天文學(xué)會(huì)定義）。準(zhǔn)確度達(dá)1×10－9

。于1960年第11屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)接受為“秒”的標(biāo)準(zhǔn)。原子時(shí)（atomictime），以物質(zhì)的原子內(nèi)部發(fā)射的電磁振蕩頻率為基準(zhǔn)的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)，一種均勻的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。原子時(shí)的初始?xì)v元規(guī)定為1958年1月1日世界時(shí)0時(shí)，秒長(zhǎng)定義為銫-133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間在零磁場(chǎng)下躍遷輻射9192631770周所持續(xù)的時(shí)間。原子時(shí)的秒長(zhǎng)規(guī)定為國(guó)際單位制的時(shí)間單位，作為三大物理量的基本單位之一。由于世界時(shí)存在不均勻性和歷書(shū)時(shí)的測(cè)定精度低，1967年起，原子時(shí)已取代歷書(shū)時(shí)作為基本時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。協(xié)調(diào)世界時(shí)（coordinateduniversaltime，UTC

）:又稱世界統(tǒng)一時(shí)間，世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。以國(guó)際制秒(SI)為基準(zhǔn)，用正負(fù)閏秒的方法保持與世界時(shí)相差在一秒以內(nèi)的一種時(shí)間。協(xié)調(diào)世界時(shí)是以原子時(shí)秒長(zhǎng)為基礎(chǔ)，在時(shí)刻上盡量接近于世界時(shí)的一種時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。位于巴黎的國(guó)際地球自轉(zhuǎn)事務(wù)中央局負(fù)責(zé)決定何時(shí)加入閏秒。一般會(huì)在每年的6月30日、12月31日的最后一秒進(jìn)行調(diào)整。應(yīng)用：網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試原子頻率標(biāo)準(zhǔn)

基本原理——量子理論：

原子和分子只能處于一定的能級(jí)，其能量不能連續(xù)變化，當(dāng)它們由一個(gè)能級(jí)向另一個(gè)能級(jí)躍遷時(shí)，就會(huì)以電磁波形式輻射或吸收能量，其頻率嚴(yán)格決定于二能級(jí)間的能量差。（h=6.6252×10-27為普朗克常數(shù)）

時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試3.時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)可從時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)出的頻率標(biāo)準(zhǔn)。包括精密鐘、音叉、高穩(wěn)定石英晶體振蕩器和各種原子頻率標(biāo)準(zhǔn)（時(shí)間和頻率共用一個(gè)基準(zhǔn)）石英晶體振蕩器

(1)銫原子頻標(biāo)國(guó)際規(guī)定的復(fù)現(xiàn)秒定義的標(biāo)準(zhǔn)裝置。大銫鐘和小銫鐘。準(zhǔn)確度10-14,長(zhǎng)期穩(wěn)定度10-14

時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試(2)氣泡型銣原子頻標(biāo)造價(jià)低、體積小，使用最多的原子頻標(biāo)準(zhǔn)確度10-11（不適合作一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）穩(wěn)定度10-11-10-12缺點(diǎn)：頻移，必須用銫標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)(3)氫原子頻標(biāo)

主動(dòng)型氫激射器，從氫原子中選出高能級(jí)的原子送入諧振腔，原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，輻射出頻率準(zhǔn)確的電磁波。長(zhǎng)/短期穩(wěn)定性好10-14—10-15準(zhǔn)確度10-12缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，價(jià)格昂貴時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試4.頻率穩(wěn)定度◆頻率準(zhǔn)確度 頻率源輸出的實(shí)際頻率值fx對(duì)其標(biāo)稱值f0的相對(duì)頻率偏差。即：◆頻率穩(wěn)定度

頻率準(zhǔn)確度只能表示當(dāng)前測(cè)量（取樣時(shí)間）的準(zhǔn)確度，它是時(shí)間t的函數(shù)。頻率準(zhǔn)確度隨時(shí)間的變化即為頻率穩(wěn)定度。它表征頻率源維持其工作于恒定頻率上的能力。長(zhǎng)期、短期穩(wěn)定度：長(zhǎng)期——年、月、日；短期——秒級(jí)。時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試1）長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度的表征

長(zhǎng)期穩(wěn)定度是指石英諧振器老化而引起的振蕩頻率在其平均值上的緩慢變化，即頻率的老化漂移。-日老化率對(duì)石英振蕩器，通常用一天內(nèi)的頻率平均漂移作為長(zhǎng)期穩(wěn)定度的表征，叫做“日老化率”。（如時(shí)間軸的時(shí)間取為一天）日老化率的測(cè)量：每天的“日老化率”會(huì)有所變化，實(shí)際中連續(xù)測(cè)一周或一個(gè)月。設(shè)每天測(cè)一個(gè)數(shù)據(jù)，共測(cè)n天，得f1,f2,…,fi,…fn,利用最小二乘法擬合得到老化曲線:

則其斜率(估計(jì)值)相對(duì)f0比值即為日老化率。

最小二乘法：時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試日波動(dòng)定義

晶體振蕩器除老化漂移外，一天內(nèi)還將產(chǎn)生頻率的隨機(jī)起伏。日波動(dòng)綜合表征了老化漂移和隨機(jī)起伏。日波動(dòng)是指頻率源在24小時(shí)內(nèi)最大相對(duì)頻率變化。日波動(dòng)的測(cè)量：根據(jù)檢定規(guī)程，測(cè)量日波動(dòng)時(shí)可每隔1小時(shí)測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)(每次測(cè)量的取樣時(shí)間T>=10s),連續(xù)測(cè)24小時(shí)，共得25個(gè)數(shù)據(jù)，取出fmax和fmin，用下式計(jì)算。

時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試2）短期頻率穩(wěn)定度的表征：時(shí)域定義：在時(shí)域內(nèi)用相對(duì)頻率起伏來(lái)表征頻率的不穩(wěn)定性；

對(duì)瞬時(shí)頻率f(t)作有限次（n次）測(cè)量，得到f1、f2、…、fn，用貝塞爾公式計(jì)算其估計(jì)值：頻域定義：在頻域內(nèi)用相位噪聲來(lái)表征頻率的不穩(wěn)定度

fi’和fi為相鄰（無(wú)間隙）兩次測(cè)量值，并將其作為一組，共進(jìn)行m組測(cè)量得到2m個(gè)數(shù)據(jù)。描述了相鄰兩次頻率值的起伏變化短穩(wěn)的測(cè)量方法:差頻倍增法（1）時(shí)間間隔的計(jì)量 兩個(gè)信號(hào)分別控制閘門開(kāi)啟和關(guān)閉

5.時(shí)間頻率的計(jì)量時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試?yán)脮r(shí)間間隔的測(cè)量，可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻率的信號(hào)之間的相位差。時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試THANKYOUSUCCESS2023/12/1213可編輯時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試直接計(jì)量法測(cè)頻 規(guī)定的閘門時(shí)間內(nèi)，對(duì)被計(jì)量信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)

（2）頻率值的計(jì)量標(biāo)頻晶體振蕩器所產(chǎn)生的穩(wěn)定的頻率信號(hào)分頻產(chǎn)生準(zhǔn)確的時(shí)基信號(hào)（如秒信號(hào)），并用它控制一個(gè)閘門。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)該閘門后，由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)時(shí)基信號(hào)為1s時(shí)，所計(jì)數(shù)的結(jié)果就嚴(yán)格等于被測(cè)信號(hào)的頻率值。量化誤差及精度（10-7～10-10）時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試差頻周期法測(cè)頻

將被計(jì)量信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)混頻，取出差拍信號(hào)，然后用測(cè)周法測(cè)出差拍信號(hào)的頻率

時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試原理：當(dāng)兩個(gè)頻率值相近的頻標(biāo)信號(hào)混頻后再測(cè)量其差拍周期值時(shí)，對(duì)差拍周期的測(cè)量精度反映到對(duì)被測(cè)信號(hào)的測(cè)量精度時(shí)提高了一個(gè)倍增因子。該因子就等于被測(cè)信號(hào)頻率與差拍信號(hào)頻率的比值，常?？梢园褱y(cè)量精度或分辨率提高數(shù)萬(wàn)到上百萬(wàn)倍。頻差倍增法測(cè)頻 將差拍信號(hào)周期擴(kuò)大，再進(jìn)行測(cè)量以提高精度時(shí)間頻率計(jì)量測(cè)試若被測(cè)頻率fx=1.0001MHz，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)f0=1MHz，閘門時(shí)間1秒，欲把±1誤差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差減少到10-9，問(wèn)倍增器的倍增系數(shù)mn應(yīng)取值多大？時(shí)間頻率的計(jì)量相位重合法測(cè)頻——相檢寬帶測(cè)頻法

最大公因子頻率：對(duì)任意兩個(gè)頻率信號(hào)f1和f2，當(dāng)f1=A*f0，f2=B*f0時(shí)（A、B為互素正整數(shù)），f0就是f1和f2之間的最大公因子頻率fmaxc。

最小公倍數(shù)周期Tminc: 在一個(gè)Tminc內(nèi)，兩信號(hào)間的相位差狀態(tài)都有一些值，它們分別等于信號(hào)間的相對(duì)初始相位差加0,,2,…時(shí)間頻率的計(jì)量相位比較法測(cè)頻線性比相法FIG5-2-2頻標(biāo)比對(duì)鑒相器輸出的電壓或電流信號(hào)與兩個(gè)信號(hào)的相位差成正比

時(shí)間頻率的計(jì)量時(shí)差法與雙混頻器時(shí)差法將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)間信號(hào)，送到時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器計(jì)量時(shí)差。雙混頻器時(shí)差法引入中介源，P116FIG5-7-1通過(guò)雙重混頻，信號(hào)間的時(shí)差被倍增了6.時(shí)間頻率量值的傳遞直接檢定搬運(yùn)鐘比對(duì)利用電磁波信號(hào)接收比對(duì)

（1）利用電視信號(hào)（2）利用衛(wèi)星

GPS全球定位系統(tǒng)俄全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（格羅納斯）歐洲“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航北斗導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間頻率的計(jì)量搬運(yùn)鐘比對(duì)

利用汽車、飛機(jī)或輪船等交通工具將由頻率標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字鐘、直流電源或電源變換器等組成的便攜鐘由時(shí)間參考點(diǎn)搬至需時(shí)間同步或比對(duì)的地點(diǎn)測(cè)試,然后再返回時(shí)間參考點(diǎn)。

方法：在一個(gè)參考點(diǎn)把鐘同步好,搬運(yùn)到需要同步和測(cè)試的地方,用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器在各測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試比對(duì),返回參考點(diǎn)后再和參考鐘比對(duì),在閉合時(shí)間內(nèi)可測(cè)得搬運(yùn)期間累積的鐘誤差。時(shí)間頻率的計(jì)量利用電磁波信號(hào)接收比對(duì)

發(fā)播方式分類高頻：2.5MHz,5MHz,10MHz,15MHz,20MHz等短波臺(tái)低頻：100kHz數(shù)量級(jí)的羅蘭-C導(dǎo)航臺(tái)甚低頻：10-20kHz等Ω導(dǎo)航臺(tái)甚高頻：電視和衛(wèi)星通信（30MHz到300MHz）發(fā)播方式特點(diǎn)高頻發(fā)播：波長(zhǎng)短穿透力強(qiáng)，靠高層的電離層反射，電離層不穩(wěn)定甚低頻發(fā)播：波長(zhǎng)長(zhǎng)穿透力差，低層電離層反射，比高層電離層穩(wěn)定， 存在日落日出效應(yīng)。低頻發(fā)播：地波傳播的相位穩(wěn)定度高，發(fā)送和接收設(shè)備昂貴。發(fā)播延時(shí)

d=S/V 天波V傳播速度等于光速C，地波需要作修正時(shí)間頻率的計(jì)量——利用電視信號(hào)

甚高頻頻段，波長(zhǎng)短穿透力強(qiáng)，不受電離層反射而直線傳播，傳播延遲僅決定于發(fā)射和接收之間的直線距離。 電視信號(hào)覆蓋范圍小，通過(guò)中繼線路，延遲修正

無(wú)源事后同步：選定某一電視同步脈沖作公共參考信號(hào)，分別計(jì)量出各個(gè)鐘與參考信號(hào)的時(shí)差，事后交換數(shù)據(jù)，得到各鐘之間的關(guān)系。有源實(shí)時(shí)同步：將時(shí)間編碼和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)插入電視廣播的場(chǎng)回掃逆程中的某一行內(nèi)，隨電視節(jié)目一起播出。用戶使用解碼器實(shí)時(shí)得到準(zhǔn)確的時(shí)刻信息，使用鎖相振蕩器得到標(biāo)準(zhǔn)頻率。 利用彩色電視校準(zhǔn)頻率

P159FIG8-1-23量值傳遞與檢定測(cè)試——利用衛(wèi)星的接收比