计量方法与误差理论CH时间频率计量.ppt

第第1节节 时间频率计量测试时间频率计量测试 1.1.基本概念基本概念 时间、时间间隔、时刻、时标、频标时间、时间间隔、时刻、时标、频标时间：时间：基本的物理量，单位秒基本的物理量，单位秒（两层含义：时间间隔、时刻）（两层含义：时间间隔、时刻）。在。在单位时间间隔内重复、循环的次数为单位时间间隔内重复、循环的次数为频率频率时间间隔：时间间隔：连续流逝的时间中两个瞬时之间的间隔，其中连续流逝的时间中两个瞬时之间的间隔，其中任何一点的瞬时称为任何一点的瞬时称为时刻时刻。时标：时标：能给各个事件赋予时刻的能给各个事件赋予时刻的时间参考标尺时间参考标尺的简称。的简称。频标频标：频率的参考标尺，频率标准：频率的参考标尺，频率标准时间频率计量测试时间频率计量测试 2.2.时标时标世界时（世界时（UT,Universal TimeUT,Universal Time）:以地球自转为基础的时间计量以地球自转为基础的时间计量系统。以地球自转周期系统。以地球自转周期(1(1天天)确定的时间，即确定的时间，即1/(241/(24606060)=1/8640060)=1/86400为为1 1秒。其误差约为秒。其误差约为10107 7量级。量级。参考点：参考点：平太阳时平太阳时(mean solar time mean solar time)：由于地球自转周期存在不均匀性，由于地球自转周期存在不均匀性，以假想的平太阳作为基本参考点。以假想的平太阳作为基本参考点。零类世界时零类世界时（UT0 UT0）：以平太阳的子夜）：以平太阳的子夜0 0时为参考。时为参考。第一类世界时第一类世界时（UT1UT1）：对地球自转的极移效应（自转轴微小位移）：对地球自转的极移效应（自转轴微小位移）作修正得到。作修正得到。第二类世界时第二类世界时（UT2UT2）：对地球自转的季节性变化（影响自转速率）：对地球自转的季节性变化（影响自转速率）作修正得到。准确度为作修正得到。准确度为3 310108 8 以本初子午线的平子夜起算的平太阳时，又称格林威治平时或格林威治时间。时间频率计量测试时间频率计量测试 历书时历书时（ET,ephemeris timeET,ephemeris time ）:以地球公转为基础的时间计量系统。以地球公转为基础的时间计量系统。公转周期（公转周期（1 1年）的年）的31 556 925.974731 556 925.9747分之一为分之一为1 1秒。参考点为秒。参考点为19001900年年1 1月月1 1日日0 0时（国际天文学会定义）。准确度达时（国际天文学会定义）。准确度达1 110109 9 。于。于19601960年第年第1111届国届国际计量大会接受为际计量大会接受为“秒秒”的标准。的标准。原子时原子时（atomic timeatomic time），以物质的原子内部发射的电磁振荡频率为基，以物质的原子内部发射的电磁振荡频率为基准的时间计量系统准的时间计量系统，一种均匀的时间计量系统。一种均匀的时间计量系统。原子时的初始历元规原子时的初始历元规定为定为 19581958年年1 1月月1 1日世界时日世界时0 0时，秒长定义为铯时，秒长定义为铯-133 -133 原子基态的两个超原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射精细能级间在零磁场下跃迁辐射91926317709192631770周所持续的时间周所持续的时间 。原子时原子时的秒长规定为国际单位制的时间单位，作为三大物理量的基本单位之一。的秒长规定为国际单位制的时间单位，作为三大物理量的基本单位之一。由于由于世界时存在不均匀性世界时存在不均匀性和和历书时的测定精度低历书时的测定精度低，19671967年起，年起，原子时已取代历书时作为基本时间计量系统原子时已取代历书时作为基本时间计量系统 。协调世界时协调世界时（coordinated universal timecoordinated universal time，UTCUTC ）:又称世界统一又称世界统一时间，世界标准时间。以时间，世界标准时间。以国际制秒国际制秒(SI)(SI)为基准，用正负闰秒的方法保持为基准，用正负闰秒的方法保持与与世界时世界时相差在一秒以内的一种时间。协调世界时是以原子时秒长为基相差在一秒以内的一种时间。协调世界时是以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统。础，在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统。位于巴黎的国际地球自转事务中央局负责决定何时加入闰秒。一般位于巴黎的国际地球自转事务中央局负责决定何时加入闰秒。一般会在每年的会在每年的6 6月月3030日、日、1212月月3131日的最后一秒进行调整。日的最后一秒进行调整。应用：网络时间协议应用：网络时间协议时间频率计量测试时间频率计量测试 原子频率标准原子频率标准 基本原理基本原理量子理论：量子理论：原子和分子只能处于一定的能级，其能量不能连续变化，原子和分子只能处于一定的能级，其能量不能连续变化，当它们由一个能级向另一个能级跃迁时，就会以电磁波形式辐射或吸当它们由一个能级向另一个能级跃迁时，就会以电磁波形式辐射或吸收能量，其频率严格决定于二能级间的能量差。收能量，其频率严格决定于二能级间的能量差。（h=6.625210-27为普朗克常数）时间频率计量测试时间频率计量测试 3.3.时间频率标准时间频率标准 可从时间标准导出的频率标准。包括精密钟、音可从时间标准导出的频率标准。包括精密钟、音叉、高稳定石英晶体振荡器和各种原子频率标准（时间和叉、高稳定石英晶体振荡器和各种原子频率标准（时间和频率共用一个基准）频率共用一个基准）石英晶体振荡器石英晶体振荡器 (1)(1)铯原子频标铯原子频标 国际规定的复现秒定义的标准装置。大铯钟和小铯钟。准确度国际规定的复现秒定义的标准装置。大铯钟和小铯钟。准确度1010-1414,长期稳定度长期稳定度1010-14-14 时间频率计量测试时间频率计量测试 (2)(2)气泡型铷原子频标气泡型铷原子频标造价低、体积小，使用最多的原子频标造价低、体积小，使用最多的原子频标准确度准确度1010-11-11（不适合作一级标准）（不适合作一级标准）稳定度稳定度1010-11-11-10-10-12-12缺点：频移，必须用铯标准定标缺点：频移，必须用铯标准定标(3)(3)氢原子频标氢原子频标 主动型氢激射器，从氢原子中选出高能级的原子送入谐振腔，原子主动型氢激射器，从氢原子中选出高能级的原子送入谐振腔，原子从高能级向低能级跃迁，辐射出频率准确的电磁波。从高能级向低能级跃迁，辐射出频率准确的电磁波。长长/短期稳定性好短期稳定性好1010-14-141010-15-15准确度准确度1010-12-12缺点：结构庞大复杂，价格昂贵缺点：结构庞大复杂，价格昂贵 时间频率计量测试时间频率计量测试 4.4.频率稳定度频率稳定度频率准确度频率准确度 频率源输出的实际频率值fx对其标称值f0的相对频率偏差。即：频率稳定度频率稳定度 频率准确度只能表示当前测量（取样时间）的准确度，它是时间频率准确度只能表示当前测量（取样时间）的准确度，它是时间t t的函数。频率准确度随时间的变化即为的函数。频率准确度随时间的变化即为频率稳定度频率稳定度。它表征频率源。它表征频率源维持其工作于恒定频率上的能力。维持其工作于恒定频率上的能力。长期、短期稳定度：长期年、月、日；短期秒级。时间频率计量测试时间频率计量测试 1 1）长期频率稳定度的表征）长期频率稳定度的表征 长期稳定度是指石英谐振器老化而引起的振荡频率在其平均值上的缓慢变化，即频率的老化漂移。-日老化率日老化率 对石英振荡器，通常用一天内的频率平均漂移作为长期稳定度的表征，叫做“日老化率”。（如时间轴的时间取为一天）日老化率的测量：每天的“日老化率”会有所变化，实际中连续测一周或一个月。设每天测一个数据，共测n天，得f1,f2,fi,fn,利用最小二乘法拟合得到老化曲线:则其斜率 (估计值)相对f0比值即为日老化率。最小二乘法：最小二乘法：时间频率计量测试时间频率计量测试 日波动定义日波动定义 晶体振荡器除老化漂移外，一天内还将产生频率的随机起伏。日波动综合表征了老化漂移和随机起伏。日日波动波动是指频率源在24小时内最大相对频率变化。日波动的测量：根据检定规程，测量日波动时可每隔1小时测量一个数据(每次测量的取样时间T=10s),连续测24小时，共得25个数据，取出fmax和fmin，用下式计算。时间频率计量测试时间频率计量测试 2 2）短期频率稳定度的表征：）短期频率稳定度的表征：时域定义：在时域内用相对频率起伏来表征频率的不稳定性；对瞬时频率f(t)作有限次（n次）测量，得到f1、f2、fn，用贝塞尔公式计算其估计值：频域定义：在频域内用相位噪声来表征频率的不稳定度 fi和fi为相邻（无间隙）两次测量值，并将其作为一组，共进行m组测量得到2m个数据。描述了相邻两次频率值的起伏变化短稳的测量方法短稳的测量方法:差频倍增法差频倍增法（1 1）时间间隔的计量）时间间隔的计量两个信号分别控制闸门开启和关闭两个信号分别控制闸门开启和关闭 5.5.时间频率的计量时间频率的计量时间频率计量测试时间频率计量测试 利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间的相位差。利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间的相位差。时间频率计量测试时间频率计量测试 THANK YOUSUCCESS2024/4/21 周日周日13可编辑可编辑时间频率计量测试时间频率计量测试 直接计量法测频直接计量法测频规定的闸门时间内，对被计量信号进行计数规定的闸门时间内，对被计量信号进行计数（2 2）频率值的计量）频率值的计量标频晶体振荡器所产生的稳定的频率信号分频产生准确的时基信号（如秒信号），并用它控制一个闸门。被测信号经过该闸门后，由计数器计数。当时基信号为1s时，所计数的结果就严格等于被测信号的频率值。量化误差及精度（10-710-10）时间频率计量测试时间频率计量测试 差频周期法测频差频周期法测频 将被计量信号与标准频率信号混频，取出差拍信号，然后用将被计量信号与标准频率信号混频，取出差拍信号，然后用测周法测出差拍信号的频率测周法测出差拍信号的频率 时间频率计量测试时间频率计量测试 原理：当两个频率值相近的频标信号混频后再测量其差拍周期值时，对差拍周期的测量精度反映到对被测信号的测量精度时提高了一个倍增因子。该因子就等于被测信号频率与差拍信号频率的比值，常常可以把测量精度或分辨率提高数万到上百万倍。频差倍增法测频频差倍增法测频将差拍信号周期扩大，再进行测量以提高精度将差拍信号周期扩大，再进行测量以提高精度时间频率计量测试时间频率计量测试 若被测频率若被测频率f fx x=1.0001MHz=1.0001MHz，标准频率信号，标准频率信号f f0 0=1MHz=1MHz，闸门时间，闸门时间1 1秒，欲秒，欲把把1 1误差产生的测频误差减少到误差产生的测频误差减少到1010-9-9，问倍增器的倍增系数，问倍增器的倍增系数m mn n应取值应取值多大？多大？时间频率的计量时间频率的计量相位重合法测频相位重合法测频相检宽带测频法相检宽带测频法最大公因子频率：最大公因子频率：对任意两个频率信号对任意两个频率信号f f1 1和和f f2 2，当，当f f1 1=A*=A*f f0 0，f f2 2=B*=B*f f0 0时（时（A A、B B为互素正整数），为互素正整数），f f0 0就是就是f f1 1和和f f2 2之间的最大公因子频率之间的最大公因子频率f fmaxcmaxc。最小公倍数周期最小公倍数周期T Tmincminc:在一个在一个T Tmincminc内，两信号间的相位差状态都有一内，两信号间的相位差状态都有一些值，它们分别等于信号间的相对初始相位差加些值，它们分别等于信号间的相对初始相位差加0,2 ,时间频率的计量时间频率的计量相位比较法测频相位比较法测频n线性比相法线性比相法 FIG5-2-2 FIG5-2-2 频标比对频标比对 鉴相器输出的电压或电流信号与两个信号的相位差成正比鉴相器输出的电压或电流信号与两个信号的相位差成正比 时间频率的计量时间频率的计量n时差法与双混频器时差法时差法与双混频器时差法 将频率信号转化为时间信号，送到时间间隔计数器计量时差。将频率信号转化为时间信号，送到时间间隔计数器计量时差。双混频器时差法引入中介源，双混频器时差法引入中介源，P 116 FIG 5-7-1P 116 FIG 5-7-1 通过双重混频，信号间的时差被倍增了通过双重混频，信号间的时差被倍增了6.6.时间频率量值的传递时间频率量值的传递直接检定直接检定搬运钟比对搬运钟比对利用电磁波信号接收比对利用电磁波信号接收比对 （1 1）利用电视信号）利用电视信号 （2 2）利用卫星）利用卫星 GPSGPS全球定位系统全球定位系统 俄全球卫星导航系统（格罗纳斯）俄全球卫星导航系统（格罗纳斯）欧洲欧洲“伽利略伽利略”卫星导航卫星导航 北斗导航系统北斗导航系统时间频率的计量时间频率的计量搬运钟比对搬运钟比对 利用汽车、飞机或轮船等交通工具将由频率标准、数利用汽车、飞机或轮船等交通工具将由频率标准、数字钟、直流电源或电源变换器等组成的便携钟由时间参考字钟、直流电源或电源变换器等组成的便携钟由时间参考点搬至需时间同步或比对的地点测试点搬至需时间同步或比对的地点测试,然后再返回时间参然后再返回时间参考点。考点。方法：方法：在一个参考点把钟同步好在一个参考点把钟同步好,搬运到需要同步搬运到需要同步和测试的地方和测试的地方,用时间间隔计数器在各测试点进行测试用时间间隔计数器在各测试点进行测试比对比对,返回参考点后再和参考钟比对返回参考点后再和参考钟比对,在闭合时间内可在闭合时间内可测得搬运期间累积的钟误差。测得搬运期间累积的钟误差。时间频率的计量时间频率的计量利用电磁波信号接收比对利用电磁波信号接收比对 发播方式分类发播方式分类高频：高频：2.5MHz,5MHz,10MHz,15MHz,20MHz2.5MHz,5MHz,10MHz,15MHz,20MHz等短波台等短波台低频：低频：100kHz100kHz数量级的罗兰数量级的罗兰-C-C导航台导航台甚低频：甚低频：10-20kHz10-20kHz等等导航台导航台甚高频：电视和卫星通信（甚高频：电视和卫星通信（30MHz30MHz到到300MHz300MHz）发播方式特点发播方式特点高频发播：波长短穿透力强，靠高层的电离层反射，电离层不稳定高频发播：波长短穿透力强，靠高层的电离层反射，电离层不稳定甚低频发播：波长长穿透力差，低层电离层反射，比高层电离层稳定，甚低频发播：波长长穿透力差，低层电离层反射，比高层电离层稳定，存在日落日出效应。存在日落日出效应。低频发播：地波传播的相位稳定度高，发送和接收设备昂贵。低频发播：地波传播的相位稳定度高，发送和接收设备昂贵。发播延时发播延时 d=S/V d=S/V 天波天波V V传播速度等于光速传播速度等于光速C C，地波需要作修正，地波需要作修正时间频率的计量时间频率的计量利用电视信号利用电视信号 甚高频频段，波长短穿透力强，不受电离层反射而直线传播，传甚高频频段，波长短穿透力强，不受电离层反射而直线传播，传播延迟仅决定于发射和接收之间的直线距离。播延迟仅决定于发射和接收之间的直线距离。电视信号覆盖范围小，通过中继线路，延迟修正电视信号覆盖范围小，通过中继线路，延迟修正 无源事后同步无源事后同步：选定某一电视同步脉冲作公共参考信号，分别计量选定某一电视同步脉冲作公共参考信号，分别计量出各个钟与参考信号的时差，事后交换数据，得到各钟之间的关系。出各个钟与参考信号的时差，事后交换数据，得到各钟之间的关系。有源实时同步有源实时同步：将时间编码和标准频率信号插入电视广播的场回扫将时间编码和标准频率信号插入电视广播的场回扫逆程中的某一行内，随电视节目一起播出。用户使用解码器实时得到准逆程中的某一行内，随电视节目一起播出。用户使用解码器实时得到准确的时刻信息，使用锁相振荡器得到标准频率。确的时刻信息，使用锁相振荡器得到标准频率。利用彩色电视校准频率利用彩色电视校准频率P159 FIG8-1-23 量值传递与检定测试量值传递与检定测试量值传递与检定测试量值传递与检定测试利用卫星的接收比对利用卫星的接收比对具有电视方法的全部优点，克服了覆盖面积小的缺点。具有电视方法的全部优点，克服了覆盖面积小的缺点。无源法：无源法：转发转发 单向：地面单向：地面A A点点-卫星卫星-地面地面B B点，点，卫星运动引起的传播延时变化难卫星运动引起的传播延时变化难以确定，不准确以确定，不准确 双向：双向：A-A-卫星卫星-B-B，B-B-卫星卫星-A-A，同时转发和接收。通过交换数据计同时转发和接收。通过交换数据计量出传播延时，但仍需修正量出传播延时，但仍需修正有源法：有源法：卫星上放置高准确度的铷钟或铯钟卫星上放置高准确度的铷钟或铯钟 全球卫星定位系统：美全球卫星定位系统：美GPSGPS、俄、俄GLONASSGLONASS、北斗。、北斗。THANK YOUSUCCESS2024/4/21 周日周日26可编辑可编辑