时间频率的高精度测量技术

达到 了一个新 的水平 。 时 间和 频 率 是 我 们 日常生 活和 工 作 中最 常 用 的 两种 基 本 参 量 ，
它 是 国际 单 位 制 中七 个 基本量 之 一 。 在 计 量 学和计 量测 试 中 ，时 间
频率是带头学科 ，是先导 。当代 量子频标 的出现和电子技术 的进 步 ， 极大地提高了时间频率计量测试的稳定度和准确度， 其测量精度和测 量技术遥遥领先于其它量子的计量测试水平．因而，下面就 目前时间
此 我 们 已建 立 了频 差 倍 增 测 量 系 统 来 对 时 间 频 率 进 行 高精 度 的 测 量 。根据这种原理制作 的装 置通 常称 为频 差倍增 器 （ 也称 比较器 、比 对 器 、测频器等 ），它是频 率测量 的基 本 组成 部分 ， 目前 。频 差倍
司！
增器的倍增次数一般最高为 １ ０ ０ 至 １ ０ ５ ，它可使频率测量系统的测量 精度达到 １ ０ － １ “ 至１ ０ － １ ３ （ 闸门时间为 ｌ ｏ ｏ ｓ 时 ）量级。 所谓频差倍增法， 就是将被测频率 ｆ ． 与参考频标 ｆ ， 之间的差值
为
Ａ ｆ ｌ ｆ 二 ２ ． ３ ｘ １ ０ － １ ４
根据这一基本原理，我们利用 １ ２ ０ ５ 数字 比相仪、艳束原子频标
和微型计算机组建了时 频坷准相 ． 位比 较侧ｆ系 ； 统・ 若 将５ Ｍ Ｈ ： 的 频标
术 ，其线路结构简单，测ｔ分辨率高 ．它主要适用于长时间指标 的测 量， 尤其适用于两个相同频 标长稳指标 的昼夜 比较测量而无须人员看 守 。这一 系统的建立 ，它 能够完成 目前 高精度 时频标准 中的精确测
代 产 品大 为增 加 。
２ ．测量技术与方法
２ ． １频差倍增法
在进行时间频率的高精度测 量时，不仅要选择高精密度 的时间
频率 标 准 ．而 且还 要选 择 适 当 的测 量技 术 。如 何 选择 和运 用 合 适 的测
量方 法来 组 建其 测量 系 统 呢？ 利用 数字频 率计 或通 用计数 器对 被 测
一般的频差倍增法往往满足不了要求，因此采用相位比较的方式来进行时
间频率的精确侧量是很有必要的．
用一般的计数器测量频率和周期，闸门时间不可能无限制的延长。延 长时也很容易因外界的电磁干扰导致错误计数，并且还不是严格的无间隙 采样。然而相位 比较法可 以克服这些缺点，它的基本原理是两个相同且很 接近 的频标通过相位 比较器就能够进行相位比较 。相位 比较器就是鉴相 器。 为了满足 ０ ＾３ ６ ０ ０ 鉴相。 一般采用脉冲鉴相来实现． 常用的比相器， 它 主要是由一个脉冲鉴相器和一个记录仪组成，其原理方框图如图 ２所示。 两个输入讯号通过放大整形分别去触发 Ｒ － Ｓ 触发器，被测讯号使触发器置
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秒 ”。
Ｈ Ｐ ５ ０ ７ １ Ａ主频标（ 用艳 Ｉ Ｉ 技术） 比它的取代产品 Ｈ Ｐ ５ ０ ６ １ Ｂ的精度
高 出一倍 ．它 的原子钟受 到 了世 界各 国时频 专家 的好评 ，其 设计 制造
技 术 体现 了 当代 技术 的结 晶 。
Ｈ Ｐ ５ ０ ７ １ Ａ的显著特点是 由于采用了艳 １ １ 技术 ， 从而改进 了原子 钟的精度 和稳定性 ，它在多种环境条件下 ，如温度 、湿度 以及磁场发 生变化时均可正常工作，能 达到 实验室条件下的指标 。并且 由于采用 了微处理器控制 ， 因而通过 微 处理器控制 的 电子组件 能稳定地控制艳 管 的微波 功率、艳温 、磁场 、电子倍增器 的 电压 和增益 ．使其工作 在
频 标 的频 率倍增 １ ０次 ，经 过混频后得 ： ｌ Ｏ ｆ ｘ 一９ ｆ ， ＝１ ０（ ｆ ， ＋Ａ ｆ ）一９ ｆ ， ，ｆ ， ＋Ｉ Ｏ Ａ ｆ 这个频率等于原有 的频率加上 １ ０倍的频 率不稳定值 ， 再经过 另
一个 １ ０ 倍频后将得到 ｆ ， 十Ｉ ０ Ｏ Ａ ｆ ， 以此类推 ，将 可得到 ｆ ， ＋ １ ０ ０ ０ ４ ｆ ，
一
。
观测到 １ ｘ １ ０ ． １ ２ １ １ ０ ｓ 的精度。因而可见 ， 运用这一方法， 大大地提高了
测 量 精 度。
用这种方法直接地观 测频标 的准确度 ， 可立 即判断频标 的频 率
偏高偏低。 在此基础上， 我 们己 建立了 一 套频标自 动 测试 系统。 它可 对
１ ＾１ ６通道被测仪器的开机特性、短期频率稳定度 、日频率波动 、日老化
量。
进 行 比 相 ， 其 侧 ｔ日 ｉ 分 辨 率 就 可 达２ ． ３ ｘ １ ０ － ＇ 气 这 种 相 位 比 较 溯 量 技
３ ．结 论
一 １ ６ ６一
综上所述 ， 通 过对 当今 时频标准 与测量技 术 的学 习和研 究 ，我 们 组 建 的时 间频 率标准 自动 测 试 系 统和 时间频 率标 准相位 比较 测 量
频率的高精度 测量所采用 的标准 和测 量技术 与方法进行一些论述 。
１ ．高精度 的艳束原子时间频率标准
我们知道 ，时间频 率的测量过程 ， 实际上是通过所选定的方法 将被测频标 与参考频标进行 比对的过程 ． 要进行时间频率的高精度测 量，首先要选用高精密度的时间频率标准 。作为世界上最精密 的商品
４ ｆ通过 多次倍频 、混频及滤波 ，将其 频 率不稳 定值△ ｆ扩大 ，再用通 用计 数器或数字频 率计进 行测量 。 并借 助 于计数器 的闸门控 制取 样时
Ｒ ， ｆ ９门控制取样时间有 ｌ Ｒ ｍ ｓ ， ｌ ｏ ｍ ｓ ， ｌ ｏ ｏ ｍ ｓ ， Ｉ ｓ ， ｌ ｏ ｓ或 ｌ ｏ ｏ ｓ 。其 测 试 原理方框 图如 图 Ｉ 所示 。
最 佳 的水 平 上 ．
以前 的艳束原子钟要受环境温度 的影响使其精度不高， 并且还 要受 拉 比和拉姆其 原子现 象 的牵 引而受损害 ，因而 出现 明显的不 精确 性 。由于这种新原子钟采 用 了艳 ｎ技术 ，减 少 了艳钟受环境和频 率牵 引敏感度 的影响， 因此，Ｈ Ｐ ５ ０ ７ １ Ａ在稳定性和精度上有了明显地提 高 。所谓艳 Ｉ Ｉ 技术 ，就是 由改进 的艳束管和 由微 处理器控制 的数字 电 路构成 。它还使 Ｈ Ｐ ５ ０ ７ １ Ａ 在多种环境条件下，无须操作人员干预 ， 只需 ３ ０分钟就可 以达 到其 精度 。 目前使用 的老 型艳钟 ，即使在 稳定 的条件 下 ，至少要预热 ２ ４小时 ，而 且还 需要操作人员不断地照看 。
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１ １ １ ．，参考讯号使它置 ． ０ ．．因此，触发器输出高电平的持续时间与两 输入讯号的相位差成 比例 ．触发器输出讯号经积分后，得到一个与输入相 位差成 比例的直流电压 ，然后送入记录器记录。
改进后的艳管能更有效地使用其艳源， 在工作时， 可以 保留住
２ ０ ％以上的艳流失， 并且还采用 了最佳的艳束光和磁态选择器 ．由 于艳束 管 设计上的进 步 ， 自动维 护和广泛 使用数 字 电路 ，艳 １ １ 技术 提供 的可靠性要 比 Ｈ Ｐ ５ ０ ６ １ Ｂ高得 多 。 并且 ，艳 管的寿命也将 比老 一
当两个输入讯号的频率不 同时，他们之 间的相位差将随时间改变 。相
刊｜１． ！
被测
图 ２ 相位 比较法 测 试 原 理框 图
应地直流输出电压也随之改变。当两输入讯号的相位差从 ０ ＇ 变到 ３ ６ ０ 。 时， 积分器输出便从零变到最大，若相位继续增大，则输出电压迅速返回到零
而 开始下一个测量周期 。
艳束原子钟 Ｈ Ｐ ５ ０ ７ １ Ａ （ 选型 ０ ０ １ ） ，其准确度和稳定度分别为 １ Ｘ １ ０ － １ ２
和 ２ Ｘ １ ０ ＂ ＂ Ｉ ｄ ｏ 在此之前 ， Ｈ Ｐ公司宣布：“ 世界上最精密的守时装置一 Ｈ Ｐ ５ ０ ７ １ Ａ艳束原子钟从市场上可 以买到 ， 它 的守时精度在 】 ６ ０万年 内为 １
频标或信 号源进行直接测量 ，这是 目前普遍使用的方法 。然而这样 并
不能对高精度的时间频率进行精确测量， 只能观察到 １ ０ － ６ 至１ ０ － １ 量级
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！ 、！
的频率精度。为了提． 高测量精度，解决 １ ０ ＂ ７ 量级以下频率的测量精 度 。采用频率差值倍增技术 （ 简称频差倍增技术 ）是 比较合适的 ，因
「
率 、 频率重现性和频率准确度等技术指标进行定时自动测试。并且还能
够 对采 集 的 数据 进行自 动 处 理和 打印 出 结果 来， 满 足了 当 代 较高 精 度仪 器
的测试需要 。 这种测量方法， 其线路结构较复杂 ． 观测误差与结果直观 。测量分辨
率较高。它主要适用于单台和多台频标的准确度、瞬时和短期性指标的测
根据相对频率偏差与相位时间差的关系， 可以很容易从比相记录曲线
上求出两输入频率讯号的相对频 率差 ，即
竺＝ ｘ （ ｔ ＋ ２ 上ｘ （ 丝
ｒ ： 例如设ｘ （ ｔ ＋ ｉ ） 一 ｘ （ ｉ ） 为２ ｎ ｓ ， ：为 １ 天等于 ８ ６ ４ ０ ０ ５ ， 则相对频率差
时 间频率 的高 精 度 测量 技 术
中国工程物理研究院计量测试中心 秦运柏 ６ ２ １ ９ ０ ０
本文论述了目前时间频率在时域的高精度测量中所采用的标准及测量 【 摘 要】
技术与方法
引言
时间频 率 的高精度测量 ， 促 进着科 学技术 的进步 ，而科 学技 术
的进步，又反过来把时间频率的测量精度提高到了崭新的高度 ，两者 之间相互关联 ，相互促进 ，使时间频率高精度测量的有关技术 与方法
ｆ ， 十ｌ ０ ０ ０ ０ Ａ ｆ ． ． …。
由于倍颇器 、 混频器等 电路本身的噪声与相位抖动以及杂波等 因素的影响，因而不能无限制地将误差扩大 ， 通常实际最高倍增次数
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ｌ
系统，其测试精度分别为 １ ｘ １ ０ ． ２ 和２ ｘ １ ０ － １ 物 。能同国际国内的计量
测试 水 平接 轨 ，能 够 完 成 当代 时 间 频 率时域 中的 高精度 测量 ，满 足 了
量 ，从而满足了当代时频中的高精度测量要求。
２ ． ２ 相位比较法
由于原子频标和高科技的发展 确度及稳定度 的要求也越来越高． 因此 对时间频率标准的特性给予全面准确、可靠的鉴别是很重要的．特别是对
高稳定的频标（ 包括原子频标） 的老化漂移率和长期频率稳定度的测量， 用
故侧
１ ０ （ｆ ， ＋ ｄ ｆ ）
ｆ ， ＋Ｉ Ｏ Ｏ Ｏ ｎｒ ｆ ， ＋ １ ０ ０ ０ ０ ４ｆ
、 叫 兴日 ” “
馄颁器 ｛ ＿Ｉ 倍频器Ｉ ｝ 混领器
９ ｆ ． １ １计 盆 璐
（侧 旅
图 １ 频 差 倍 增 法 测试 原 理框 图
在如图所示的测量系统中， 将参考频标 的频率倍增 ９次，被测
只能 做到１ ０ ‘ 至１ ０ ， 范围以 内， 这主要取决于 器件本 身和 所采用的电
路。
！
‘
在图 １ 所示的框图表明，当误差倍增 １ ０ ０ 时，相当于将误差△ ｆ
扩大了 １ ０ ０ 倍。如果被测为 １ ０ ＭＨ ｚ 并采用 １ ０ ０ ＭＨ ｚ的计数器作为结
果 显 示 ，若 计数 器末 位 计 数 为 １ ， 当取 样 的 闸 门时 间 为 ｌ ｏ ｓ时 ，就 可