原子钟频率标准
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• 频率稳定度：频率稳定度表示时钟输出频率因受噪声影响产生的 随机起伏特性。可以从时域和频域来分析频率稳定度。频率稳定 度用阿伦方差的平方根来表征。
• 频率漂移率（老化率）：频率漂移率是指时钟输出频率随运行时 间单调变化的线性率。随时间单位的不同，有日漂移率?p月漂移 率和年漂移率。对于高稳石英晶体振荡器，由于频率漂移通常是 由石英晶体的老化造成的，因此它的频率漂移率称为频率老化率。 原子钟的漂移主要由内部器件造成，包括由量子结构的频率漂移、 相检及运放的漂移引起。
精品课件
安
排
1. 钟的工作原理
2.仪器常用指标及实现
3. 公司相关产品介绍 4. 其它竞争产品比较 5. 总结
No Image
精品课件
仪器常用指标
• 频率准确度：表征信号的实际频率值与理想的或定义的频率值 （以UTC为标准的频率，实际是国际原子时ATI的频率）的偏离 或符合程度，一般用相对频率偏差来表示。
高性能的时间频率标准
Ideal for telecommunications, metrology and electronics industry.
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安
排
1.钟的工作原理
2. 仪器常用指标及实现 3. 相关产品介绍 4. 其它竞争产品比较 5. 总结
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精品课件
钟的工作原理
根据量子物理学的基本原理，原子是按 照围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来 吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连 续的。当原子从一个高“能量态”跃迁至低的 “能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁 波特征频率是固定的，这也就是人们所说的共 振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例 如铯133的共振频率为每秒9192631770周。 因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确 的时间。
1 N
N
ti
i1
为N次测量的测量时序平均值
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仪器的常用指标
• 频率稳定度—阿伦偏差（Allan Deviation）:
描述输出频率受噪声影响而产生随机起伏程度的量， 在数学上用Allan(阿伦)方差的平方根值来加以表示。
其主要的计算公式为：
y()
1 f0
m (fi1fi)2 i1 2m
铷钟的工作原理：
光源灯泡中的铷87在无 光源灯泡
微波腔
极放电的工作状态下产生特
定波长的电磁波，通过超精
细滤光泡对某些波长的光进
行滤除后照射进入谐振泡。
利用光抽运技术使得谐振泡
中的铷87发生能级跃迁。调
整微波腔的频率，当光电转 换电路的输出电流达到最大
超精细滤光 谐振泡 灯泡
的时候可得到铷的共振频率。
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GPS的工作原理
• 铯钟或者铷钟
• 原子钟通过 NIST 和 USNO加以校准
• 每一个卫星传输时间和 位置编码信 (1575.42MHz的L1载波 和频率为1227.60HMz 的L2载波)
• 所传送的GPS时间& 频 率基准对于NIST 和 UTC 是可追踪的。No
Image
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已有的时间频率标准
• 独立工作源 – 首选标准 • 铯,氢钟 – 第二选择 • 铷, OCXO（高稳晶振）
• 发送系统 – 卫星无线电系统 • GPS, GLONASS, 伽利略 – 地面无线电系统 • Loran-C, DCF-77 – 光纤同步系统 • E1, T1 (SSU)
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仪器常用指标
• 老化率：
频率值随时间呈单方向的变化，称为频率漂移或老化。近
似描述频率老化特性的直线用最小二乘法计算。其主要的
计算公式为：
N
( fi f )(ti t )
k i1 N
f 0 (ti t ) 2
i 1
f
1 N
N i 1
fi 为N次测量的平均频率
t
的原子发生跃迁达到统一的 能量态。再利用谐振腔的受 控外部震荡器对铯束管中的 铯原子加以作用，形成能级 跃迁。最后发生跃迁的原子
原子束
光束
铯束管
激光器
第二光学作 用区
在第二光学区被加以检测，
以测定原子的共振频率。
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铯钟的工作原理（喷泉钟）（美国 NIST）
1. 由铯原子组成的气体，被引入 到时钟的真空室中，用激光减 慢了原子的运动速度并将其冷 却到接近绝对零度。
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频率标准的准确度
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频率标准的选择
Frequency Stability
(number of digits)Cesium Oscillator
wenku.baidu.com
13
12
GPS-controlled Rubidium Oscillator
11 10
Rubidium Oscillator
信号 光电检测
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GPS的工作原理
GPS系统操作原理为:每 一颗卫星不断发射包含其位 置和精确到十亿分之一秒的 时间的数字无线电信号。 GPS的接收装置接收到来自 于四颗卫星的信号，然后计 算出在地球上的位置。接收 装置将接收时间与卫星发射 的时间进行比较，通过二者 之差计算出远离卫星的距离。 通过比较这个时间与其他三 个已知位置的卫星的时间， 接收装置便能够确定经纬度 及海拔高度。
波尔能量关系公式: E2E1 h0
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铯钟的工作原理（铯束管）
1. 磁选态铯钟(德国PTB)：
利用磁偏转的方式将符
合工作要求的特定能量态的
铯原子选取出来，并将其输 入铯束管（微波谐振腔），
铯炉
铯束在微波谐振腔中与外部
受控震荡器相作用发生能级
跃迁。输出的铯束与高温金
属丝相作用形成铯离子电流，
2. 两束垂直的激光轻轻地将这个 铯原子气球向上举起，穿过微 波腔，形成“喷泉”式的运动。
3. 在地心引力的作用下，铯原子 气球开始向下落并将所吸收的 能量全部释放出来。
4. 在微波腔的出口处，另一束激 光射向铯原子气，探测器将对 辐射出的荧光的强度进行测量。
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铷钟的工作原理
当铯离子电流输出达到最大 选态磁铁
的时候，谐振腔的可控震荡
器频率与铯的共振频率相同。
外部受控振 荡器
原子束 铯束管
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铯钟的工作原理（铯束管）
2. 光抽运铯钟(法国
LPTF）：
第一光学
在光抽运铯束频标中， 作用区 利用激光（第一光学区）对 铯炉
外部受控振 荡器
铯束照射，使得不同能量态
• 频率漂移率（老化率）：频率漂移率是指时钟输出频率随运行时 间单调变化的线性率。随时间单位的不同，有日漂移率?p月漂移 率和年漂移率。对于高稳石英晶体振荡器，由于频率漂移通常是 由石英晶体的老化造成的，因此它的频率漂移率称为频率老化率。 原子钟的漂移主要由内部器件造成，包括由量子结构的频率漂移、 相检及运放的漂移引起。
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安
排
1. 钟的工作原理
2.仪器常用指标及实现
3. 公司相关产品介绍 4. 其它竞争产品比较 5. 总结
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仪器常用指标
• 频率准确度：表征信号的实际频率值与理想的或定义的频率值 （以UTC为标准的频率，实际是国际原子时ATI的频率）的偏离 或符合程度，一般用相对频率偏差来表示。
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2. 仪器常用指标及实现 3. 相关产品介绍 4. 其它竞争产品比较 5. 总结
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钟的工作原理
根据量子物理学的基本原理，原子是按 照围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来 吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连 续的。当原子从一个高“能量态”跃迁至低的 “能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁 波特征频率是固定的，这也就是人们所说的共 振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例 如铯133的共振频率为每秒9192631770周。 因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确 的时间。
1 N
N
ti
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为N次测量的测量时序平均值
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仪器的常用指标
• 频率稳定度—阿伦偏差（Allan Deviation）:
描述输出频率受噪声影响而产生随机起伏程度的量， 在数学上用Allan(阿伦)方差的平方根值来加以表示。
其主要的计算公式为：
y()
1 f0
m (fi1fi)2 i1 2m
铷钟的工作原理：
光源灯泡中的铷87在无 光源灯泡
微波腔
极放电的工作状态下产生特
定波长的电磁波，通过超精
细滤光泡对某些波长的光进
行滤除后照射进入谐振泡。
利用光抽运技术使得谐振泡
中的铷87发生能级跃迁。调
整微波腔的频率，当光电转 换电路的输出电流达到最大
超精细滤光 谐振泡 灯泡
的时候可得到铷的共振频率。
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GPS的工作原理
• 铯钟或者铷钟
• 原子钟通过 NIST 和 USNO加以校准
• 每一个卫星传输时间和 位置编码信 (1575.42MHz的L1载波 和频率为1227.60HMz 的L2载波)
• 所传送的GPS时间& 频 率基准对于NIST 和 UTC 是可追踪的。No
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已有的时间频率标准
• 独立工作源 – 首选标准 • 铯,氢钟 – 第二选择 • 铷, OCXO（高稳晶振）
• 发送系统 – 卫星无线电系统 • GPS, GLONASS, 伽利略 – 地面无线电系统 • Loran-C, DCF-77 – 光纤同步系统 • E1, T1 (SSU)
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仪器常用指标
• 老化率：
频率值随时间呈单方向的变化，称为频率漂移或老化。近
似描述频率老化特性的直线用最小二乘法计算。其主要的
计算公式为：
N
( fi f )(ti t )
k i1 N
f 0 (ti t ) 2
i 1
f
1 N
N i 1
fi 为N次测量的平均频率
t
的原子发生跃迁达到统一的 能量态。再利用谐振腔的受 控外部震荡器对铯束管中的 铯原子加以作用，形成能级 跃迁。最后发生跃迁的原子
原子束
光束
铯束管
激光器
第二光学作 用区
在第二光学区被加以检测，
以测定原子的共振频率。
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铯钟的工作原理（喷泉钟）（美国 NIST）
1. 由铯原子组成的气体，被引入 到时钟的真空室中，用激光减 慢了原子的运动速度并将其冷 却到接近绝对零度。
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Rubidium Oscillator
信号 光电检测
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GPS的工作原理
GPS系统操作原理为:每 一颗卫星不断发射包含其位 置和精确到十亿分之一秒的 时间的数字无线电信号。 GPS的接收装置接收到来自 于四颗卫星的信号，然后计 算出在地球上的位置。接收 装置将接收时间与卫星发射 的时间进行比较，通过二者 之差计算出远离卫星的距离。 通过比较这个时间与其他三 个已知位置的卫星的时间， 接收装置便能够确定经纬度 及海拔高度。
波尔能量关系公式: E2E1 h0
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铯钟的工作原理（铯束管）
1. 磁选态铯钟(德国PTB)：
利用磁偏转的方式将符
合工作要求的特定能量态的
铯原子选取出来，并将其输 入铯束管（微波谐振腔），
铯炉
铯束在微波谐振腔中与外部
受控震荡器相作用发生能级
跃迁。输出的铯束与高温金
属丝相作用形成铯离子电流，
2. 两束垂直的激光轻轻地将这个 铯原子气球向上举起，穿过微 波腔，形成“喷泉”式的运动。
3. 在地心引力的作用下，铯原子 气球开始向下落并将所吸收的 能量全部释放出来。
4. 在微波腔的出口处，另一束激 光射向铯原子气，探测器将对 辐射出的荧光的强度进行测量。
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铷钟的工作原理
当铯离子电流输出达到最大 选态磁铁
的时候，谐振腔的可控震荡
器频率与铯的共振频率相同。
外部受控振 荡器
原子束 铯束管
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铯钟的工作原理（铯束管）
2. 光抽运铯钟(法国
LPTF）：
第一光学
在光抽运铯束频标中， 作用区 利用激光（第一光学区）对 铯炉
外部受控振 荡器
铯束照射，使得不同能量态