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1、中国科学院上海天文台年刊2000年第21期ANNALSOFSHANGHAIOBSERVATORYACADEMIASINICANo.21,2000高精度原子钟频率稳定度测试仪的研制蔡勇林传富沈季良(中国科学院上海天文台,上海200030)提要扼要介绍了几种针对高精度频率源(氢钟)的频率稳定度测试设备的工作原理及系统结构,并-13给出了部分指标。其中,双混频时差法测试仪精度可达2×10/s,周期法测试仪精度可达1×-1310/s。主题词:频率标准—原子钟—氢钟分类号:P127.121引言现代无线电技术系统工作的可靠性与不间断性,几乎在
2、很大程度上取决于频率的稳定性,而对这样一个重要指标的确定和分析,必须采用一种高精度的测量系统来鉴别。针对高精度的频率源———氢钟,特研制以下测试设备。2时差法频率短期稳定度测试仪1.系统描述该系统利用双向混频方法———测量两路频率信号之间的时间差。系统框图如下所示。1999年9月9日收到。第21期高精度原子钟频率稳定度测试仪的研制149被测的两个频率信号在都不调偏的情况下分别和插入振荡器同时混频后,变换为拍频信号,经过零检波器后,输出具有非常陡峭前沿的方波去激励自带的时间间隔计数器(双路输入),经计数器内的门控式脉冲鉴相器,将两个
3、拍频信号之间的时差变为相应的调宽脉冲(该鉴相器的门是由内部CPU控制的,因此简单且性能良好),两个拍频的时差用时钟脉冲填充,再由计数器记下时差大小即脉冲个数,这便完成了一次的计数测量。如此得到一组数据(一般为101个)后,经CPU处理计算出实时稳定度并显示,这样一次测量结束。新一轮的测试又开始并可继续下去。另外,这台测试仪还可通过RS—232接口将实时数据或结果送到微机系统,微机则可根据需要对数据进行实时采集计算或对结果进行判断。利用这台测试仪可对1s,10s,100s,1000s时段的频率稳定度进行高精度、高分辨率的测量-15-
4、8-13比对,秒级测量范围内的频率稳定度为1×10～1.6×10,自较精度可达2×10。2.测量计算方法误差计算:fbφX(i)=(Ta-Tb)+,(1)f02πν0式中,Ta,Tb为计数器的启动、关闭时间,fb是f0与被测频率源的标称差频,f0是插入振荡器11-7的标称频率(5MHz),则==2×10,φ是双混频系统的两部分之间总相位差。f05000000(1)采用测定时间间隔的方法,以Ta信号打开计数器闸门,开始计数。以Tb信号关闭计数器的闸门,停止计数,得到(Ta-Tb)。计数频率为10MHz。采集(Ta-Tb)1;(Ta-
5、Tb)2;(Ta-Tb)3;(Ta-Tb)4;(Ta-Tb)5⋯⋯(Ta-Tb)101为一组数据。(2)计算得到时差:X(i)1,X(i)2,X(i)3,X(i)4⋯⋯X(i)n。x(i+1)-x(i)(3)计算不同时段间隔内的平均相对频差为y(i)=,这里τ=两次取τ数的时间间隔,为了测量不同时段的频率稳定度:τ分别取为1s,10s,100s,1000s。(4)计算频率稳定度:M-112σy(τ)[y(i+1)-y(i)].(2)2(M-1)∑i=13周期法频率短期稳定度测试仪1.系统描述本系统采用外差———周期测量技术。系统框
6、图如下所示。150中国科学院上海天文台年刊2000年将被测频标与参考频标的输出信号经倍频(100MHz)和放大后送入混频器,得到相对频偏为fb,再经低通滤波与直流放大得到两个频标的差拍信号,该信号为具有非常陡峭前沿的方波,由它去激励自带的时间间隔计数器(单路输入),如此可以得到一组数据(一般为101个)后,经内部CPU处理计算出实时频率稳定度并显示,同时也可通过RS—232接口将实时数据或结果送到微机系统,微机则可根据需要对数据进行实时采集计算或对结果进行判断。利用这台测试仪可对10ms,100ms,1s,10s,100s,100
7、0s时段的频率稳定度进行高精度、高分-16-9辨率的测量比对,秒级测量范围内的频率稳定度为1×10～1.6×10。2.测量计算的方法频率稳定度测量的误差计算:m-12∑(τi+1-τi)fbi=1σy(τ)=,(3)f0·τ2(m-1)11-8式中,fb为拍频频率,f0为比对频率,此处为100MHz,即:==1×10,m是取f0100,000,000N样个数,τ是取样时间,τ==NTb,N为周期倍乘次数。fb(1)采用测定信号周期的方法,以信号上升沿打开计数器闸门,开始计数。经过时间τ后关闭计数器的闸门,停止计数,得到τ1。计数频
8、率为10MHz。(2)采集τ1,τ2,τ3,τ4,τ5⋯⋯τ101为一组数据,对于1000s时段,则采集τ1,τ2,τ3⋯⋯τ21为一组数据,即m=21。τi+1-τi(3)计算不同时段间隔内的平均相对频差:Ti+1-Ti=,这里,N为周期倍乘次N
