基于计数器的频标自动检定系统设计.pdf

总第347期1引言在时间统一系统中，频标是保证守时精度的重要设备，为验证频标性能，需要定期进行检定。对频标频率参数进行检定时，为提高测量分辨力，通常采用频标比对器测量相对频率偏差，实现频率各参数的检定13。如果频标比对器出现故障，将导致频率测量标准无法正常开展检定工作。因此，有必要研究开发基于计数器的频标自动检定系统，用以提高测量装置的可靠性。2系统组成2.1硬件组成石英晶体频标测量系统由计数器和铯原子频标组成，如图1所示，铯原子频标作为计数器的外频标，计数器直接测量被检石英晶体频标的输出频率，计算得到相对频率偏差。图1直接测频法原理图铷原子频标测量系统由计数器、铯原子频标、分频器组成，采用时差法进行测量，计数器测量两个频标的时间间隔，由采样时间间隔计算得到相对频率偏差。如图2所示，铷频标经过分频器后输出1PPS信号接计数器1通道，作为时间间隔测量的启动信号。铯原子频标输出1PPS信号接计数器2通道，作为时间间隔测量的停止信号，同时作为计数器的参考频标。舰 船 电 子 工 程Ship Electronic Engineering总第 347 期2023 年第 5 期Vol.43 No.5收稿日期：2022年11月19日，修回日期：2022年12月27日作者简介：张东云，男，硕士研究生，工程师，研究方向：无线电及时间频率计量。潘晓，女，硕士研究生，工程师，研究方向：无线电及时间频率计量。韩小余，男，硕士研究生，工程师，研究方向：无线电及时间频率计量。韩耀东，男，助理工程师，研究方向：无线电及时间频率计量。基于计数器的频标自动检定系统设计张东云潘晓韩小余韩耀东（中国西昌卫星发射中心西昌615000）摘要为提高频率测量标准的可靠性，利用铯原子频标、分频器、计数器等设备组成测量装置，设计了基于计数器的频标自动检定软件。给出了一种GNSS驯服铷频标的锁定方法，以及频标在长时间运行时准确度的使用方法。通过实验验证了软件功能，实现了频标的自动检定。关键词频率标准；计数器；直接测频法；时差法；自动检定系统中图分类号TH724DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.05.036Design of Automatic Verification System for Frequency StandardBased on CounterZHANG DongyunPAN XiaoHAN XiaoyuHAN Yaodong（Xichang Satellite Launch Center，Xichang615000）AbstractThe measurement device is composed of cesium atomic frequency standard，frequency divider and universal counter，in order to improve the frequency measurement standards reliability.An automatic verification software is designed based onuniversal counter.A locking method of the accuracy for GNSS tamed rubidium frequency standard is given.The method of using theaccuracy of frequency standard in long-time operation is given.The softwares function is validated by experiments.The automaticverification of frequency standard is realized.Key Wordsfrequency standard，counter，direct measurement，time difference method，automatic verification systemClass NumberTH724180舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期图2时差法原理图2.2软件组成自动检定软件主要由系统自检模块、检定管理模块、数据库管理模块和帮助模块组成，系统自检模块完成仪器连接状态自检；检定管理模块实现不同项目的自动检定；数据管理模块用于管理检定数据，完成测量数据读取和结果的处理、保存，调用数据库生成原始记录及证书报告。软件采用 Visual Basic（VB）语言编写，采用GPIB连接控制仪器，利用SICL标准仪器控制库和VISA虚拟仪器驱动实现对仪器的控制，数据库设计采用Access45。3软件实现软件运行界面如图3所示，测量开始前需进行仪器连接、填写设备信息、选择需要检定的项目，设置完成后点击开始测量进行自动检定，测量过程中数据和结果在列表框中实时显示，自动绘制漂移率（老化率）曲线，测量完成后自动保存数据。图3软件运行界面图3.1石英晶体频标检定检定石英晶体频标采用直接测频法，计数器测量被测频标频率值fx，按式（1）计算相对频率偏差1。y()=fx-f0f0（1）式中：fx为被测频率值；f0为参考频率值。1）准确度准确度检定时程序连续3次读取计数器频率测量值，以平均值作为测量结果，按式（1）计算得到准确度，将测量值及计算结果保存到数据库，并在列表框控件中显示测量结果。2）开机特性开机特性检定时程序循环测量8次，每次读取3个频率值，用3次平均值作为本次测量结果，按式（1）计算准确度yi()，完成一次循环后延时1h进入下一次循环，得到8组yi()，按文献 1 中对应公式计算开机特性V1，软件流程如图4所示。图4石英晶体频标开机特性软件流程图3）复现性复现性软件实现时循环测量2次，2次测量间隔25h，按文献 1 中对应公式计算复现性R1。4）日频率波动日频率波动软件实现时循环测量25次，循环间隔1h，得到25组yi()，按文献 1 中对应公式计181总第347期算开机特性S1。5）日老化率日老化率软件实现时循环测量15次，循环间隔 12h，得到 15组yi()，按文献 1 中对应公式计算老化率K和相关系数r1。6）稳定度稳定度软件实现方法时循环测量101次，每次测量1个频率值，循环间隔1s，到得101组yi()，按文献 1 中对应公式计算1s的稳定度y()1。3.2铷原子频标检定检定铷原子频标时采用时差法，按式（2）计算相对频率偏差y()2。y()=X2-X1（2）式中：X1、X2分别为t1时刻和t2时刻的时差值，为两个时差值之间的测量时间间隔，=t2-t1。1）开机特性开机特性软件实现流程如图5所示，循环测量时差值1和时差值2，两次测量间隔300s，每次循环测量间隔1h，共循环测量4次，将时差值1、时差值2按式（2）计算得到1组相对频率偏差，测量完成后得到4组相对频率偏差，软件计算开机1h、2h、3h、4h的准确度2。按文献 3 校准时每次循环测量间隔设置为4h，循环测量次数设置为2次，得到开机4h、8h的相对频率偏差。图5铷原子频标开机特性软件流程图2）复现性复现性软件实现方法同开机特性，两次时差测量时间间隔 300s，循环测量 2 次，循环时间间隔25h2，按文献 3 校准时循环间隔设置为36h，测量完成后得到2组时差值，按式（2）计算得到2组相对频率偏差，按文献 3 对应公式计算复现性R。3）漂移率漂移率软件实现方法如图6所示，循环测量16次，每次循环时间间隔24h，得到16组时差值，用相邻两次时差值，按式（2）计算得到15组相对频率偏差，按文献 3 中对应公式计算老化率K和相关系数r23，并自动绘制漂移率曲线，绘制漂移率曲线采用MSChart插件，以15组相对频率偏差作为数据源。图6铷原子频标漂移率软件流程图4）频率稳定度采用时差法时主要对铷原子频标长期（1d）稳定度进行检定，测量数据与漂移率相同，按文献 3中对应公式计算得到日稳定度y()23。5）准确度（相对频率偏差）准确度软件实现时循环测量2次，得到2组时差值，测量间隔设为300s，按式（2）计算得到相对频率偏差。测量GNSS驯服铷原子频标相对频率偏差时，需要通过GNSS与铷原子频标输出1PPS的时差来锁定铷原子频标输出信号3，67。由于星载原子频标性能直接影响输出1PPS指标，星载原子频标在运行过程中也存在指标下降的问题，需要定期通过地面监控系统进行调整810，因此，在不具备GNSS接收条件时，可通过指标优于铷原子频标的铯原子频标输出的1PPS对其进行驯服。在铷原子频标运行的过程中，由于受环境条件、器件老化等因素影响，相对频率偏差的变化如式（3）所示11。如果相对频率偏差变大，但在式（3）估算的范围内，且铷原子频标的其他指标满足要求，则该次测量的相对频率偏差可作为校准值使用。y()=A+y()+K(t-t0)（3）张东云等：基于计数器的频标自动检定系统设计182舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期式中：y()为运行一段时间后的相对频率偏差，A为上一校准周期t0时的相对频率偏差，y()为频率稳定度，K为漂移率。4结果分析4.1石英晶体频标检定结果采用自动检定系统检定某仪器内石英晶体频标，准确度检定数据如下。表1石英晶体频标准确度数据次数123频率/MHz10.0000015724610.0000015724710.00000157284由 表 1 数 据 软 件 计 算 频 率 平 均 值 为10.00000157259MHz，y（）=1.5710-7，准确度为A=1.610-7，经比对软件读数与仪器显示一致，数据处理正确。开机特性检定数据如下。表2石英晶体频标开机特性数据次数12345678t10:29:1111:29:1112:29:1113:29:1114:29:1115:29:1116:29:1117:29:11频率均值/MHz10.0000015634210.0000015780610.0000015720710.0000015684210.0000015649210.0000015660410.0000015730610.00000155027y()1.56E-71.58E-71.57E-71.57E-71.56E-71.57E-71.57E-71.55E-7软件计算开机特性V=3.010-9，由表2可知，开机特性测量时间间隔设置正确，结果计算处理与人工计算一致。复现性测量数据如下。表3石英晶体频标复现性数据次数12t2022-1-4 11:29:112022-1-5 12:29:11频率均值/MHz10.000001646610.0000015749y()1.65E-71.57E-7软件计算复现性为R8.010-9，由表3可知，开机特性测量时间间隔设置正确，结果计算处理与人工计算一致。日频率波动测量25组数据，软件计算得到日频率波动为 S=3.0 10-9。日老化率测量 15组数据，软件计算得到老化率为S=-5.410-10，相关系数r-0.51。对于石英晶体频标，由于受内部器件老化影响，老化率对准确度影响较大，当相关系数|r0.6时，要考虑老化率对准确度的影响。1s频率稳定度测量101组数据，每秒钟测量一次，软件计算得到稳定度为y()=6.2 10-9。4.2铷原子频标检定结果铷原子频标开机特性检定数据如下。表4铷原子频标开机特性数据次数1234t116:16:2317:16:2318:16:2319:16:23时差1/s0.440772488850.440772554650.440772619850.44077268657t216:21:2317:21:2318:21:2319:21:23时差2/s0.440772494260.440772560200.440772625600.44077269264由表 4 可知，自动检定铷原子频标开机特性时，时间间隔t1、t2设置正确，软件计算相对频率偏差正确，开机 1h、2h、3h、4h 的准确度分别为 210-11、210-11、210-11、310-11。复现性检定数据如下。表5铷原子频标复现性数据t15-13 19:21:545-14 20:21:54时差1/s0.440772693580.92723642614t219:26:5420:26:54时差2/s0.440772699060.92723643221软件计算复现性为R1.9010-12，由表5可知，软件设置时间间隔t1、t2正确，关机时间和预热时间符合要求，结果处理正确。如果铷原子频率标准不是长期连续运行，仅在使用时通电开机，不用时关机，这类频标在使用时还需要关注开机特性、复现性指标。准确度检定数据如下。表6铷原子频标准确度数据次数12t20:27:5620:32:56时差/s0.927263149280.92726315472y()-1.81E-11软件计算准确度为A=210-11，由表6可知，软件设置时间间隔正确，结果处理正确。图7铷原子频标漂移率曲线漂移率和日稳定度检定同时进行，软件自动测量16组时差值，自动计算得到漂移率为S=-1.4183总第347期10-13，相关系数 r-0.65，日稳定度为y()=4.610-13，自动绘制漂移率曲线如图7所示。5结语利用计数器、铯原子频率标准、分频器组成频标自动检定系统，以计数器作为主要测量设备，采用VB语言，开发了基于直接测频法的晶体频标检定软件，以及基于时差法的铷原子频标检定软件。通过对准确度（相对频率偏差）、开机特性、复现性、老化率、漂移率、稳定度等参数的测量，验证了软件功能。由结果可以看出，软件读数准确，测量结果计算处理正确，实现了频率参数的自动检定，提高了工作效率。参 考 文 献1国家质量监督检验检疫总局.JJG180-2002电子测量仪器内石英晶体振荡器 S.北京：中国计量出版社，2002：2-7.2国家质量监督检验检疫总局.JJG292-2009铷原子频率标准 S.北京：中国计量出版社，2009：6-12.3国家市场监督管理总局，JJF1957-2021铷原子频率标准校准规范 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