原子钟频率标准ppt课件
合集下载
原子钟
主讲：梅彪彪 组员：汪世斌
王治樊 乔梁
01 • 原子钟的工作原理
• 原子钟发展历史
02
原子钟的工作原理
• 综合原子综系合统时原组系子成时统的定（义及拓展） 03
综合原子时的归算
原子钟以原子共振频 率标准来计算及保持
时间的准确。
原子钟里的
元素有氢、铯、 铷等。
尽管市面上有形形色色的各种原子钟，但这些
原子钟的原 理都是相同的，其主要差别在于使 用的元素，以及能级变化时间的检测方式。
第一阶段： 由铯原子组成的气体，被
引入到时钟的真空室中，用6 束相互垂直的红外线激光
（黄线）照射铯原子气，使之 相互靠近而呈球状，同时激光
减慢了原子的运动速度并将 其冷却到接近绝对零度。此 时的铯原子气呈现圆球状气 体云。
综合原子时数据库不仅包
括了国内各守时实验室的主钟和其
它艳钟、氢钟、铆钟的比对结 果, 包括了长波、电视、微波 和卫星等多种同步技术的比对结
果, 还包括了国外主要守时中心, 如
美国海军天文台, 日本东京天文 台、日本电波研究所、巴黎天文 台、加拿大国家研究委员会等的
测量结果。
远距离同步
内部比对
综合原子时数据库Байду номын сангаас
预处理系统
M O W A 算法
协调补偿
原子时
协调时
综合原子时公报
综合原子时系统组成：
综合原子时预处理系统是一
种拟处理方式的设计, 能够成批计算大 量各实验室的原子钟的有关性能参数,
有效地处理原子钟中时有发生的相位 和频率的阶跃问题, 自动解决数据处 理中出现的满刻度、过零和软盘 转换等问题. 特别是该系统实现了电 视比对结果的自动补偿, 克服了错帧、 错场、错行或错用均衡脉冲等问
王治樊 乔梁
01 • 原子钟的工作原理
• 原子钟发展历史
02
原子钟的工作原理
• 综合原子综系合统时原组系子成时统的定（义及拓展） 03
综合原子时的归算
原子钟以原子共振频 率标准来计算及保持
时间的准确。
原子钟里的
元素有氢、铯、 铷等。
尽管市面上有形形色色的各种原子钟，但这些
原子钟的原 理都是相同的，其主要差别在于使 用的元素，以及能级变化时间的检测方式。
第一阶段： 由铯原子组成的气体，被
引入到时钟的真空室中，用6 束相互垂直的红外线激光
（黄线）照射铯原子气，使之 相互靠近而呈球状，同时激光
减慢了原子的运动速度并将 其冷却到接近绝对零度。此 时的铯原子气呈现圆球状气 体云。
综合原子时数据库不仅包
括了国内各守时实验室的主钟和其
它艳钟、氢钟、铆钟的比对结 果, 包括了长波、电视、微波 和卫星等多种同步技术的比对结
果, 还包括了国外主要守时中心, 如
美国海军天文台, 日本东京天文 台、日本电波研究所、巴黎天文 台、加拿大国家研究委员会等的
测量结果。
远距离同步
内部比对
综合原子时数据库Байду номын сангаас
预处理系统
M O W A 算法
协调补偿
原子时
协调时
综合原子时公报
综合原子时系统组成：
综合原子时预处理系统是一
种拟处理方式的设计, 能够成批计算大 量各实验室的原子钟的有关性能参数,
有效地处理原子钟中时有发生的相位 和频率的阶跃问题, 自动解决数据处 理中出现的满刻度、过零和软盘 转换等问题. 特别是该系统实现了电 视比对结果的自动补偿, 克服了错帧、 错场、错行或错用均衡脉冲等问
GPS卫星原子钟和原子频标介绍
GPS卫星原⼦钟和原⼦频标介绍原⼦钟最早是⽤来探索宇宙本质的，并不是⽤来计时的，直到科学家在研究原⼦和原⼦核基本特性过程时，才发明了的技术，这项技术可以测量出原⼦的⾃然共振频率，⽽⾃然共振频率的准确性⾮常⾼，特别适合制作⾼精度时钟，这样原⼦钟成为了研制⾼精度时钟的基础。
在时间计时领域，钟表是⼈们⽇常使⽤的计时⼯具，精度每天每年都存在有误差，这对于⼈们⽇常使⽤已经⾜够了，但在时间精度要求更⾼的⽣产和科研领域就不能满⾜了。
为了解决对精度要求很⾼的领域⼈们制造了原⼦钟，之后根据原⼦钟原理相继发明了铯原⼦钟、氢原⼦钟和，其中铯原⼦钟精度最⾼常应⽤于GPS北⽃等卫星系统中。
铯原⼦钟运⽤内部电⼦在两个能级间跳跃辐射出的电磁波为标准，从⽽控制校准电⼦振荡器和钟的计时。
铯原⼦钟稳定程度为2000万年相差1 秒。
氢原⼦钟运⽤原⼦能级跳跃时辐射出的电磁波来控制校准⽯英钟，其稳定度每天变化为⼗亿分之⼀秒。
铷原⼦钟相对其他原⼦更为简便紧凑，铷原⼦钟能使铷振荡器输出频和卫星的信号同步，能提供稳定的频率信号。
原⼦钟可以应⽤于守时⽅⾯，也可以应⽤于频率标准⽅⾯。
在守时⽅⾯⽐如设备SYN2136型北⽃NTP⽹络时间服务器，⾥⾯都内置了守时的铷原⼦钟、驯服铷钟，当设备没有实时的卫星时间信号时，设备内部⽤铷原⼦钟进⾏守时。
SYN3204型GPS北⽃驯服铷原⼦频率标准是由西安同步研制的⾼精度频率标准设备，能溯源同步到GPS卫星上，输出频率信号准确度⾼并能长期稳定输出，该设备可以提供铯钟级的频率标准，并能代替价格较⾼的铯钟，是⼀款⾼性价⽐的时频设备。
SYN3204型GPS北⽃驯服铷原⼦频率标准，以卫星信号为基准提供铯钟级的稳定频率标准。
该设备有10MHz正弦信号输出、1PPS脉冲信号和RS232时间信号，其中10MHz正弦信号输出，也可选择为5MHz和1MHz，频率准确度≤1E-12。
SYN3204型GPS北⽃驯服铷原⼦频率标准能快速锁定信号，并提供稳定可靠的信号，⼴泛应⽤于航空航天、卫星、航海、时频计量、同步⼴播、测控、通信、天⽂、⽓象等⾏业。
《时间频率测量》课件
石英晶体具有高度的稳定性和可靠性，因此被广泛应用于各种电子设备和仪器中。
石英晶体振荡器的频率精度和稳定性对于时间频率测量具有重要意义，能够提供高 精度的时频基准。
原子钟
原子钟是一种基于原子能级跃 迁的计时装置，能够提供极高 的频率稳定度和精确度。
原子钟利用原子能级之间的跃 迁频率作为计时基准，其频率 稳定度和精确度比石英晶体振 荡器更高。
频谱分析法
通过频谱分析仪测量信号 的频谱，可以获得信号子能级跃迁产生的 频率作为时间频率标准， 具有极高的稳定性和精度 ，是国际时间频率标准。
02
时间频率测量技术
石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是一种基于石英晶体的电子振荡器，用于产生高精度、高稳定的频 率信号。
在生物学中，时间频率测量可 用于研究生物分子的动态行为 和相互作用，例如蛋白质折叠 和分子动力学模拟。
05
时间频率测量的发展趋势
高精度测量技术的研究
原子钟技术
利用原子能级跃迁频率稳 定的特性，实现超高的时 间频率测量精度。
光频梳技术
利用光频梳的频率稳定性 ，结合光学干涉和光谱分 析技术，实现高精度的时 间频率测量。
导航系统中的时间频率测量主要用于确定位置和时间 信息。
其他导航系统如伽利略、格洛纳斯和北斗等也依赖于 时间频率测量技术来提供准确的定位和导航服务。
电力系统
01
电力系统中的时间频率测量主要用于保障电力系统的稳定运行 。
02
时间频率测量可以帮助监测电网的频率和相位，确保电力系统
的稳定性和可靠性。
在智能电网中，时间频率测量还可以用于优化能源调度和需求
时间频率的表示方法
时间频率可以用波形图或频谱图来表 示，波形图展示时间间隔和周期性变 化，而频谱图则展示不同频率分量的 幅度和相位。
石英晶体振荡器的频率精度和稳定性对于时间频率测量具有重要意义，能够提供高 精度的时频基准。
原子钟
原子钟是一种基于原子能级跃 迁的计时装置，能够提供极高 的频率稳定度和精确度。
原子钟利用原子能级之间的跃 迁频率作为计时基准，其频率 稳定度和精确度比石英晶体振 荡器更高。
频谱分析法
通过频谱分析仪测量信号 的频谱，可以获得信号子能级跃迁产生的 频率作为时间频率标准， 具有极高的稳定性和精度 ，是国际时间频率标准。
02
时间频率测量技术
石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是一种基于石英晶体的电子振荡器，用于产生高精度、高稳定的频 率信号。
在生物学中，时间频率测量可 用于研究生物分子的动态行为 和相互作用，例如蛋白质折叠 和分子动力学模拟。
05
时间频率测量的发展趋势
高精度测量技术的研究
原子钟技术
利用原子能级跃迁频率稳 定的特性，实现超高的时 间频率测量精度。
光频梳技术
利用光频梳的频率稳定性 ，结合光学干涉和光谱分 析技术，实现高精度的时 间频率测量。
导航系统中的时间频率测量主要用于确定位置和时间 信息。
其他导航系统如伽利略、格洛纳斯和北斗等也依赖于 时间频率测量技术来提供准确的定位和导航服务。
电力系统
01
电力系统中的时间频率测量主要用于保障电力系统的稳定运行 。
02
时间频率测量可以帮助监测电网的频率和相位，确保电力系统
的稳定性和可靠性。
在智能电网中，时间频率测量还可以用于优化能源调度和需求
时间频率的表示方法
时间频率可以用波形图或频谱图来表 示，波形图展示时间间隔和周期性变 化，而频谱图则展示不同频率分量的 幅度和相位。
《时间与频率测量》课件
03
CATALOGUE
时间测量技术
机械钟表
机械钟表是利用机械原理，如齿 轮、弹簧等，来测量时间的装置
。
机械钟表有多种类型，如摆钟、 落地钟、挂钟等，其精度和稳定 性受限于机械系统的复杂性和制
造工艺。
机械钟表的历史悠久，是人类最 早的时间测量工具之一，至今仍
被广泛使用。
石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是利用石英晶 体的压电效应来产生稳定振荡 的装置，常用于电子设备和仪 器中。
相位比较法
01
相位比较法是一种测量 频率的方法，通过比较 两个信号的相位差来计 算频率值。
02
该方法具有抗干扰能力 强、精度高等优点，适 用于高精度频率测量。
03
相位比较法的主要技术 指标包括相位分辨率、 测量范围、测量精度等 。
04
相位比较法可以应用于 各种领域，如电子设备 、通信系统、雷达、导 航等。
频谱分析仪的种类繁多，按工作原理 可分为超外差式和直接数字式两类。
计数器法
计数器法是一种测量频率的方法，通过计数器对输入信 号的周期进行计数，从而得到频率值。
计数器法的主要技术指标包括计数器位数、测量范围、 测量精度等。
该方法具有精度高、稳定性好等优点，适用于高精度频 率测量。
计数器法可以应用于各种领域，如电子设备、通信系统 、雷达、导航等。
THANKS
感谢观看
《时间与频率测 量》ppt课件
目 录
• 引言 • 时间与频率测量的基础知识 • 时间测量技术 • 频率测量技术 • 时间与频率测量的应用 • 时间与频率测量的未来发展
01
CATALOGUE
引言
课程简介
课程名称
《时间与频率测量》
时间与频率的测量基本概述课件(PPT 120页)
日波动:2×10-10
；日老化:1×10-10；秒稳:5×10-12。
输出波形:正弦波；输出幅度:0.5Vrms(负载50Ω)。
◆几种不同类型的晶体振荡器指标
晶振类型 输出频率 日稳定 准确度
(MHz)
度
普通
1，10
105~10-6
10-5
温度补偿
1，5，10
106~10-7
10-6
单恒温槽 1，2.5，5， 10-
18.11.2019
15
2）原子时标
原子钟
• 原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和 比对。
铯原子钟
• 准确度：10-13~10-14。
• 大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率 工作基准。
铷原子钟
• 准确度： 10-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为 工作基准。
18.11.2019
21
( 2）电桥法：利用电桥的平衡条件和频率有关的
特性来进行频率测量,通常采用如下图所示的文氏
电桥来进行测量。
调节R 、R 使电桥达到平衡，则有 1 2
（R1+j1xC1）R4＝（R12＋1jxC2）R3
C1 R3
R1
fx
R2 R4
C2
fx
x 2 2
1 R1R2C1C2
18.11.2019
8
2）主要技术指标
（1）测量范围：毫赫~几十GHz。
（2）准确度：可达10-9以上。
（3）晶振频率及稳定度：晶体振荡器是电子计数器的内部基 准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级（10 倍）。输出频率为1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等， 普通晶振稳定度为10-5，恒温晶振达10-7~10-9。
频率及时间测量课件
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
第五章 时间、频率和相位的测量
目录 5.1 概述 5.2 电子计数法测量频率 5.3 电子计数法测量周期 5.4 电子计数法测量时间间隔 5.5 单片10MHz频率计数器 5.6 其它测量频率的方法
3
第五章 时间、频率和相位的测量 一是作为领导干部一定要树立正确的权力观和科学的发展观，权力必须为职工群众谋利益，绝不能为个人或少数人谋取私利
时间的定义： 2)、原子时（AT）： 秒定义为：“秒是铯133原子（Cs133）基态的两个超
精细能级之间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770个周 期所持续的时间。” 误差：10－14 3)、协调世界时 (UTC):
1
第五章 时间、频率和相位的测量 一是作为领导干部一定要树立正确的权力观和科学的发展观，权力必须为职工群众谋利益，绝不能为个人或少数人谋取私利
5-1 一、时间、频率的基本概念
概
述
1.时间的定义与标准
时间是国际单位制中七个基本物理量之一，基本单位是秒（s）
“时间”在一般概念中有“时刻”“间隔”两种含义.
采用原子时的速率（对秒的定义）通过闰秒方法使原 子时和世界时接近的时间尺度。是一种折衷的产物。
4
第五章 时间、频率和相位的测量 一是作为领导干部一定要树立正确的权力观和科学的发展观，权力必须为职工群众谋利益，绝不能为个人或少数人谋取私利
现在各国标准时间发播台所发送的是协调 世界时标UTC），其精确度优于±2×10-11s。
11
第五章 时间、频率和相位的测量 一是作为领导干部一定要树立正确的权力观和科学的发展观，权力必须为职工群众谋利益，绝不能为个人或少数人谋取私利
第五章 时间、频率和相位的测量
目录 5.1 概述 5.2 电子计数法测量频率 5.3 电子计数法测量周期 5.4 电子计数法测量时间间隔 5.5 单片10MHz频率计数器 5.6 其它测量频率的方法
3
第五章 时间、频率和相位的测量 一是作为领导干部一定要树立正确的权力观和科学的发展观，权力必须为职工群众谋利益，绝不能为个人或少数人谋取私利
时间的定义： 2)、原子时（AT）： 秒定义为：“秒是铯133原子（Cs133）基态的两个超
精细能级之间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770个周 期所持续的时间。” 误差：10－14 3)、协调世界时 (UTC):
1
第五章 时间、频率和相位的测量 一是作为领导干部一定要树立正确的权力观和科学的发展观，权力必须为职工群众谋利益，绝不能为个人或少数人谋取私利
5-1 一、时间、频率的基本概念
概
述
1.时间的定义与标准
时间是国际单位制中七个基本物理量之一，基本单位是秒（s）
“时间”在一般概念中有“时刻”“间隔”两种含义.
采用原子时的速率（对秒的定义）通过闰秒方法使原 子时和世界时接近的时间尺度。是一种折衷的产物。
4
第五章 时间、频率和相位的测量 一是作为领导干部一定要树立正确的权力观和科学的发展观，权力必须为职工群众谋利益，绝不能为个人或少数人谋取私利
现在各国标准时间发播台所发送的是协调 世界时标UTC），其精确度优于±2×10-11s。
11
第五章 时间、频率和相位的测量 一是作为领导干部一定要树立正确的权力观和科学的发展观，权力必须为职工群众谋利益，绝不能为个人或少数人谋取私利
量子频标原理英文课件 Chapter11
全球定位系统中的原子钟研究现状
• 卫星全球定位是目前最精密的空间三维定位系统。
• 目前国际上的四套系统： • 美国GPS系统 • 俄罗斯的GLONASS系统 • 欧洲的GALILIEO系统（建设中） • 中国：“北斗”一代
“北斗”二代导航系统一期（建设中）
• 三大系统中的原子钟： • 空间段： 星载原子钟：铷钟、铯钟、氢钟（ Gallieo) • 地面段：原子钟钟组：铯钟、氢钟、原子喷泉钟 • 用户段：晶振
重量：小于20kg Symmetricom announced Tuesday that it has been selected as a supplier for the Advanced Technology Atomic Frequency
功耗： 60 Standard (ATAFS) program, sponsored by the Department of Defense (DOD) Joint Program Office (JPO).
In general it is desirable to measure a higher harmonic (say, near 10 GHz) rather than the repetition frequency itself since in this case a fast InGaAs PIN photodiode allows one to achieve a higher signal-to-noise ratio [43]. To this end an etalon with a free spectral range of 10 GHz in front of the photodiode PD 2 (Fig. 11.20) is used.
铷原子频率标准tr2005c技术指标
铷原子频率标准TR2005C技术指标在现代科技发展日新月异的今天，高精度的时间频率标准已经成为各个领域不可或缺的重要工具。
铷原子频率标准TR2005C作为当前世界上最先进的原子钟之一，其技术指标和性能优势备受关注。
本文将从深度和广度两方面对铷原子频率标准TR2005C进行全面评估，并剖析其在现代科技中的重要地位。
一、铷原子频率标准TR2005C技术指标概述1.频率稳定度铷原子频率标准TR2005C的频率稳定度极高，达到了每秒10的负14次方的水平，这意味着其频率误差仅为每秒几个万亿分之一，可以满足各种高精度时间测量的需求。
2.频率准确度TR2005C的频率准确度非常高，可以稳定地输出特定的频率信号，通常误差在每秒几个十亿分之一以内。
这样的准确度使得其在卫星导航、通信网络以及科学研究领域有着广泛的应用。
3.短期稳定度TR2005C在短时间内的频率稳定度也很突出，可以在毫秒甚至微秒的时间尺度上保持高稳定的频率输出，这对于需要高速数据传输或者实时信号处理的应用至关重要。
4.长期稳定度除了短期稳定度外，TR2005C在长时间尺度上也能够保持出色的频率稳定性，这对于天文观测、卫星定位和导航系统的精准定位以及地震监测等方面具有重要意义。
二、铷原子频率标准TR2005C的应用领域1.卫星导航高精度的时间频率标准是卫星导航系统的核心，而TR2005C凭借其卓越的频率稳定度和准确度，成为了众多卫星导航系统的首选时钟设备，为全球定位系统（GPS）、北斗导航系统等提供了可靠的时间基准。
2.通信网络在高速通信网络中，精准的时间同步对于数据传输和网络安全至关重要。
TR2005C作为高稳定频率标准的代表，被广泛应用于各种通信基站的时间同步系统，保障了通信网络的高效运行。
3.科学研究在科学实验和研究中，时间频率的精准度直接影响着实验数据的准确性和科学结论的可靠性。
TR2005C在科学研究领域有着广泛的应用，为实验数据的采集和分析提供了可靠的时间基准。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 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。
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
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
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
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。
信号 光电检测
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。
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 ( fi1 fi )2
i 1
2m
频率标准的准确度
频率标准的选择
Frequency Stability
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。
铷钟的工作原理
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
• 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)
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
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。
4
Standard Crystal
3
Meas uring tim e = 10 s , 1-year calibration interval
频率标准的稳定度
• 铷原子钟 – 稳定度： 1E-11，体积小、重量轻，便于携带，可 作为工作基准。
仪器常用指标
• 老化率：
频率值随时间呈单方向的变主要的
计算公式为：
N
( fi f )(ti t )
k i1 N
f0 (ti t )2
i 1
f
1 N
N i 1
fi 为N次测量的平均频率
t
1 N
N
ti
i 1
为N次测量的测量时序平均值
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。
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）
高性能的时间频率标准
Ideal for telecommunications, metrology and electronics industry.
1
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
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。
波尔能量关系公式: E2 E1 h 0
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，
当铯离子电流输出达到最大 选态磁铁
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。
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。
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。
(number of digits)Cesium Oscillator
13
12
GPS-controlled Rubidium Oscillator
11 10
Rubidium Oscillator
9
GPS-controlled Oven Oscillator
8
7
Oven Oscillator
6
5
TCXO
• 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。
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
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
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
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。
信号 光电检测
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。
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 ( fi1 fi )2
i 1
2m
频率标准的准确度
频率标准的选择
Frequency Stability
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。
铷钟的工作原理
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
• 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)
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
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。
4
Standard Crystal
3
Meas uring tim e = 10 s , 1-year calibration interval
频率标准的稳定度
• 铷原子钟 – 稳定度： 1E-11，体积小、重量轻，便于携带，可 作为工作基准。
仪器常用指标
• 老化率：
频率值随时间呈单方向的变主要的
计算公式为：
N
( fi f )(ti t )
k i1 N
f0 (ti t )2
i 1
f
1 N
N i 1
fi 为N次测量的平均频率
t
1 N
N
ti
i 1
为N次测量的测量时序平均值
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。
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）
高性能的时间频率标准
Ideal for telecommunications, metrology and electronics industry.
1
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
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。
波尔能量关系公式: E2 E1 h 0
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，
当铯离子电流输出达到最大 选态磁铁
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。
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。
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。
(number of digits)Cesium Oscillator
13
12
GPS-controlled Rubidium Oscillator
11 10
Rubidium Oscillator
9
GPS-controlled Oven Oscillator
8
7
Oven Oscillator
6
5
TCXO