2021-9-17 第三章 各种物理量的测试计量 第1节时间频率计量测试 1.基本概念 第1节时间频率计量测试 >时间：基本的物理量，单位秒。 第2节电磁学计量测试 ◆时刻（标准时间）：连续流逝的时间中的某一瞬时， 时刻依赖于一个约定的起始点； 第3节电子计量测试 ◆时间间隔：两个时刻之间的时间延迟。 第4节温度计量测试 频率：在单位时间间隔内重复、循环的次数。 第5节光学计量测试 >时标：能给各个事件赋予时刻的时间参考标尺的简称。 在国际范围内确立准确而统一的时刻及时间间隔，需要保持准确的 第6节其他计量测试 时间单位以及具备一个计算时刻的起点（也称原点），同时还要有一个 (几何、力学、声学、电离辐射、物质的量) 从起点开始累积时间间隔的计量系统。 >颜标：频率的参考标尺，频率标准。 电特品热为壁三华净呢口 第1节时间频率计量测试 时间频率计量测试 2.时间单位秒 时标 >世界时(UT Universal Time):以地球自转为基础的时间计量系 >在时标上的任何一点即为时刻： 统。以地球自转周期(1天)确定的时间，即1/24×60×60)=186400为1 秒。其精度约为10一量级。 >坐标原点即是时刻的起点，称为“历元”； 参考点： 平太阳时(mean solar time)由于地球自转周期存在不均匀性，以假 >两个时刻之差即为时间间隔。也就是说，任何时刻所表示 想的平太阳作为基本参考点。 的都是该时刻与历元之间的时间间隔； 星类世界时(UT0):以平太阳的子夜0时为参考。 第一类世界时(UT1):对地球自转的极移效应（自转轴徽小位移） >根据起点和时间单位的不同，时标可以分为很多种。 作修正得到。 第二类世界时(UT2):对地球自转的季节性变化（影响自转速率） 作修正得到。精度为3X10一 以本初子午线的平子夜起算的平太阳时，又称格林威治平时或格林威治时间。 以经过格林减治天文台的经线为0°，每15定义一条标准经线，对应一个时区 诗热内语有经西平能 快手期在生等的啊 时间频率计量测试 时间频率计量测试 >历书时(ET,ephemeris time):以地球公转为基础的时间计量系统。 >协调世界时(coordinated universal time,UTC):又称世界统一时 公转周期(1年)的31556925.9747分之一为1秒。参考点为1900年1月1 间，世界标准时间。以国际制秒(S为基准，用正负闰秒的方法保持与 日0时（国际天文学会定义），精度达1×10-9。于1960年第11届国际 世界时相差在一秒以内的一种时间。协调世界时是以原子时秒长为基础 计量大会接受为“秒”的标准。 在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统。 >原子时(atomic time),以物质的原子内部发射的电磁振荡颜率为基 位于巴擎的国际地球自转事务中央局负责决定何时加入闰秒。一 准的时间计量系统，一种均匀的时间计量系统。原子时的初始历元规 般会在每年的6月30日、12月31日的最后一秒进行调整。 定为1958年1月1日世界时0时，秒长定义为皓-133原子基态的两个超精 细能级间在零磁场下跃迁辐射9192631770周所持续的时间，精度达 应用：网络时间协议 1X10一5。原子时的秒长规定为国际单位制的时间单位，作为三大物 理量的基本单位之一。 由于世界时存在不均匀性和历书时的测定精度低，1967年起，原子 时已取代历书时作为基本时间计量系统。 也用染语。里吃 与可地评年经跑色
2021-9-17 1 第三章 各种物理量的测试计量 第1节 时间频率计量测试 第2节 电磁学计量测试 第3节 电子计量 测试 第4节 温度计量测试 第5节 光学计量测试 第6节 其他计量测试 （几何、力学、声学、电离辐射、物质的量） 第1节 时间频率计量测试 1.基本概念 Ø时间：基本的物理量，单位秒。 u时刻（标准时间）：连续流逝的时间中的某一瞬时， 时刻依赖于一个约定的起始点； u时间间隔：两个时刻之间的时间延迟。 频率：在单位时间间隔内重复、循环的次数。 Ø时标：能给各个事件赋予时刻的时间参考标尺的简称。 在国际范围内确立准确而统一的时刻及时间间隔，需要保持准确的 时间单位以及具备一个计算时刻的起点（也称原点），同时还要有一个 从起点开始累积时间间隔的计量系统。 Ø频标：频率的参考标尺，频率标准。 第1节 时间频率计量测试 时标 Ø 在时标上的任何一点即为时刻； Ø 坐标原点即是时刻的起点，称为“历元”； Ø 两个时刻之差即为时间间隔。也就是说，任何时刻所表示 的都是该时刻与历元之间的时间间隔； Ø 根据起点和时间单位的不同，时标可以分为很多种。 时间频率计量测试 2.时间单位秒 Ø世界时（UT Universal Time）:以地球自转为基础的时间计量系 统。以地球自转周期(1天)确定的时间，即1/(24×60×60)=1/86400为1 秒。其精度约为10－7量级。 参考点： 平太阳时(mean solar time )：由于地球自转周期存在不均匀性，以假 想的平太阳作为基本参考点。 零类世界时（UT0 ）：以平太阳的子夜0时为参考。 第一类世界时（UT1）：对地球自转的极移效应（自转轴微小位移） 作修正得到。 第二类世界时（UT2）：对地球自转的季节性变化（影响自转速率） 作修正得到。精度为3×10－8 以本初子午线的平子夜起算的平太阳时，又称格林威治平时或格林威治时间。 以经过格林威治天文台的经线为0°，每15°定义一条标准经线，对应一个时区。 时间频率计量测试 Ø历书时（ET, ephemeris time ）:以地球公转为基础的时间计量系统。 公转周期（1年）的31 556 925.9747分之一为1秒。参考点为1900年1月1 日0时（国际天文学会定义），精度达1×10－9 。于1960年第11届国际 计量大会接受为“秒”的标准。 Ø原子时（atomic time），以物质的原子内部发射的电磁振荡频率为基 准的时间计量系统， 一种均匀的时间计量系统。原子时的初始历元规 定为 1958年1月1日世界时0时，秒长定义为铯 -133 原子基态的两个超精 细能级间在零磁场下跃迁辐射9192631770周所持续的时间 ，精度达 1×10－15 。 原子时的秒长规定为国际单位制的时间单位，作为三大物 理量的基本单位之一。 由于世界时存在不均匀性和历书时的测定精度低，1967年起，原子 时已取代历书时作为基本时间计量系统 。 Ø协调世界时（coordinated universal time，UTC ）:又称世界统一时 间，世界标准时间。以国际制秒(SI)为基准，用正负闰秒的方法保持与 世界时相差在一秒以内的一种时间。协调世界时是以原子时秒长为基础， 在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统。 位于巴黎的国际地球自转事务中央局负责决定何时加入闰秒。一 般会在每年的6月30日、12月31日的最后一秒进行调整。 应用：网络时间协议 时间频率计量测试
2021-9-17 时间频率计量测试 时间频率计量测试 3.时间频率标准 可从时间标准导出的颜率标准。包括精密钟、音叉、 高稳定石英晶体振荡器和各种原子频率标准（时间和频率 共用一个基准) >石英晶体振荡器 6-2,C, (h 石英晶体振荡器是使用 量最大的时间频率标准器及 并联型晶体振荡器的三种基本组态 常用频率源。 正、逆压电效应就是石 英晶体可以用作谐振器的物 放大器 隔离级 理基础。 电呼成热克为生三华中吃司 电诗地净华西正要学 时间频率计量测试 时间频率计量测试 露 外壳保护层) 3.时间频率标准 外层恒温槽 >原子频率标准 基本原理一量子理论： 主振电 电 原子和分子只能处于一定的能级，其能量不能连续变化，当它们 由一个能级向另一个能级氏迁时，就会以电赋波形式辐射或吸收能量， 其频率严格决定于二能级间的能量差。 24 据荡电路 f=△EIh (h=6.6252×1027为普朗克常数) 目前世界各国用于复现和保存时间单位“秒”的基准是帕原子时 间频率基准（简称绝基准）。 靴霜路 自1967年第13届国际计量大会将时间间隔单位定义为原子秒以 来，已经先后研制成功三代他原子基准装置，它们分别以德田PTB的 恒温晶体振荡器的基本组成方框图 Cs-1和Cs-2、美国的NST-7、法国LPTF的F-1为代表。我国是世界 上第四个掌握量该技术的国家。 专子得热内语有经死马能。 传手氣隐生影商 时间频率计量测试 时间频率计量测试 (1)悠原子频标 A 国际规定的复现秒定义的标准装置。大帕钟和小他钟。准确度 101长期稳定度1014 (②)气泡型物原子颜标 造价低、体积小，使用最多的原子颜标 准确度101（不适合作一级标准） 月+427 稳定度10-1-102 倍频综合 前置放心 峡点：频移，必须用他标准定标 (3)氢原子颜标 主动型氢激射器，从氢原子中选出高能级的原子送入请振腔，原子 从高能级向低能级氏迁，辐射出频率准确的电磁放。 长/短期稳定性好1014~1015 准确度102 昌骨宝 缺点：结构庞大复杂，价格昂贵 铯原子颍标原理图 色可阁地评年经地色 2
2021-9-17 2 时间频率计量测试 3.时间频率标准 可从时间标准导出的频率标准。包括精密钟、音叉、 高稳定石英晶体振荡器和各种原子频率标准（时间和频率 共用一个基准） Ø石英晶体振荡器 石英晶体振荡器是使用 量最大的时间频率标准器及 常用频率源。 正、逆压电效应就是石 英晶体可以用作谐振器的物 理基础。 C0 Iq CqRq xO f0 f∞ 容性 容性 f (a) (b) 感性 LqCq f 2 1 0 (a) (b) (c) 并联型晶体振荡器的三种基本组态 放大器 隔离级 时间频率计量测试 内层温度 控制电路 t RH RT 主振电路 控制电路 自动增益 幅度放大电 路 输 出 电 路 振荡电路 内 层 恒 温 槽 外层温度 控制电路 RT RH 输出 外层恒温槽 外壳(保护层) 恒温晶体振荡器的基本组成方框图 时间频率计量测试 Ø原子频率标准 基本原理——量子理论： 原子和分子只能处于一定的能级，其能量不能连续变化，当它们 由一个能级向另一个能级跃迁时，就会以电磁波形式辐射或吸收能量， 其频率严格决定于二能级间的能量差。 f E / h （h=6.6252×10-27为普朗克常数） 时间频率计量测试 3.时间频率标准 目前世界各国用于复现和保存时间单位“秒”的基准是铯原子时 间频率基准（简称铯基准）。 自1967年第13届国际计量大会将时间间隔单位定义为原子秒以 来，已经先后研制成功三代铯原子基准装置，它们分别以德国PTB的 Cs-1和Cs-2、美国的NIST-7、法国LPTF的F-1为代表。 我国是世界 上第四个掌握该技术的国家。 (1)铯原子频标 国际规定的复现秒定义的标准装置。大铯钟和小铯钟。准确度 10-14,长期稳定度10-14 时间频率计量测试 (2)气泡型铷原子频标 • 造价低、体积小，使用最多的原子频标 • 准确度10-11（不适合作一级标准） • 稳定度10-11 ~ 10-12 • 缺点：频移，必须用铯标准定标 (3)氢原子频标 • 主动型氢激射器，从氢原子中选出高能级的原子送入谐振腔，原子 从高能级向低能级跃迁，辐射出频率准确的电磁波。 • 长/短期稳定性好10-14 ~ 10-15 • 准确度10-12 • 缺点：结构庞大复杂，价格昂贵 铯原子频标原理图 钟 压控晶振 5 MHz 频率控制 元 件 伺服放大 调制器 调制振荡器 解调器 分频器 前置放大 倍频综合器 ×( n＋m) f＝f0 ＋427 2 H0 A B R C D O 时间频率计量测试
2021-9-17 时间频率计量测试 时间频率计量测试 蜘谐振器 4.频率稳定度 光谱灯 滤光泡 谐振腔 光敏管 ◆频率准确度 频率源输出的实际频率值对其标称值的相对频率偏差。 缓冲 Rh十 即： f=人-6 综合混 +574丽 ◆频率稳定度 频率准确度只能表示当前测量（取样时间）的准确度，它是时间 Q一低须调制信 的函数。频率准确度随时间的变化即为频率稳定度。它表征频率源 维持其工作于恒定频事上的能力。 长期、短期稳定度：长期一年、月、日：短期一秒级。 物气泡型原子频标的原理方框图 电特品热为壁华净南 电诗地净华西正要为南一 时间频率计量测试 时间频率计量测试 1)长期频率稳定度的表征 长期稳定度是指石英诺振器老化而引起的振荡频率在其平均值 ◆日波动定义 上的缓慢变化，即频率的老化漂移。 晶体振荡器除老化漂移外，一天内还将产生频率的随 ◆日老化率 机起伏。日波动综合表征了老化漂移和随机起伏。日波动 对石英振荡器，通常用一天内的频率平均漂移作为长期稳定度的 是指频率源在24小时内最大相对频率变化。 表征，叫做“日老化率”。（如时间轴的时间取为一天） 日波动的测量：根据检定规程，测量日波动时可每隔1小 日老化率的测量：每天的“日老化率”会有所变化，实际中连续 时测量一个数据（每次测量的取样时间T>=10s),连续测24小时，共 测一周或一个月。设每天测一个数据，共测天，得，f,f.「。 利用最小二乘法拟合得到老化曲线1123。·。n 得25个数据，取出f和Em用下式计算。 ∫=a+m f6525···n S =Imax-fain 则其斜率B(估计值)相对。比值即为日老化率。 最小二乘法：A= 2(1.-,- 优 使为手菊隐4美商 时间频率计量测试 时间频率计量测试 2)短期频率稳定度的表征： 时域定义：在时域内用相对频率起伏来表征频率的不稳定性： 对瞬时频率0作有限次(n次)测量，得到、5、.、，用 贝塞尔公式计算其估计值： 100 尼r-7 》 -10 频域定义：在频域内用相位噪声来表征频率的不稳定度 E仁- 0。= f。 2用 1 和为相邻（无间隙）两次测量值，并将其作为一组，共进行 m组测量得到2m个数据。描述了相邻两次频率值的起伏变化 0 100 t.000 10.000 10.c0 t.cco.cco Offset Frequency(Hz) 短稳的测业方法差频倍增法 3
2021-9-17 3 铷气泡型原子频标的原理方框图 综合m× 压控晶振 5MHz 混频 倍数n× 相检 放大 87Rb 光谱灯 滤光泡 85Rb＋ 缓冲气 铷谐振器 磁屏蔽及恒温槽 谐振腔85Rb＋ 缓冲气 输出 f＝f0 ＋574 2 H0 —低频调制信号 光敏管 时间频率计量测试 时间频率计量测试 4. 频率稳定度 ◆频率准确度 频率源输出的实际频率值fx对其标称值f0的相对频率偏差。 即： 0 0 , x f f f f f ◆频率稳定度 频率准确度只能表示当前测量（取样时间）的准确度，它是时间t 的函数。频率准确度随时间的变化即为频率稳定度。它表征频率源 维持其工作于恒定频率上的能力。 长期、短期稳定度：长期——年、月、日；短期——秒级。 时间频率计量测试 1）长期频率稳定度的表征 长期稳定度是指石英谐振器老化而引起的振荡频率在其平均值 上的缓慢变化，即频率的老化漂移。 u日老化率 对石英振荡器，通常用一天内的频率平均漂移作为长期稳定度的 表征，叫做“日老化率”。（如时间轴的时间取为一天） 日老化率的测量：每天的“日老化率”会有所变化，实际中连续 测一周或一个月。设每天测一个数据，共测n天，得f1 ,f2 ,…, fi ,…fn , 利用最小二乘法拟合得到老化曲线: 则其斜率 (估计值)相对f0比值即为日老化率。 f t 0 K f 1 2 1 ( ) ( ) ˆ ( ) n i i i n i i f f t t t t 最小二乘法： 时间频率计量测试 u日波动定义 晶体振荡器除老化漂移外，一天内还将产生频率的随 机起伏。日波动综合表征了老化漂移和随机起伏。日波动 是指频率源在24小时内最大相对频率变化。 日波动的测量：根据检定规程，测量日波动时可每隔1小 时测量一个数据(每次测量的取样时间T>=10s),连续测24小时，共 得25个数据，取出fmax和fmin，用下式计算。 m ax m in 0 f f S f 时间频率计量测试 2）短期频率稳定度的表征： 时域定义：在时域内用相对频率起伏来表征频率的不稳定性； 对瞬时频率f(t)作有限次（n次）测量，得到f1、f2、…、fn，用 贝塞尔公式计算其估计值： 频域定义：在频域内用相位噪声来表征频率的不稳定度 fi’和fi为相邻（无间隙）两次测量值，并将其作为一组，共进行 m组测量得到2m个数据。描述了相邻两次频率值的起伏变化 2 2 1 0 0 1 1 n i i f n f f f f n 2 1 0 ' 1 2 m i i i a f f f m 短稳的测量方法:差频倍增法 时间频率计量测试
2021-9-17 时间频率计量测试 时间频率计量测试 5.时间频率的计量 (1)时间间隔的计量 输入C终出 两个信号分别控制闸门开启和关闭 体 中一9 门控信号 T 时标i山山山iL 钟I 开 时间间隔计数 计数时标山山山山 T.-N.To 钟Ⅱ 电呼成热克为生三净吃 关们冲 时间频率计量测试 时间频率计量测试 特测脉冲信号 Tx 领门 量化时钟f。 L⊥ 实际侧门 电容充放电波形 UUUTUUn 游标信号！ U 待扩展时间间隔 静标信号2 符台点 m 扩展后的时间间 kT: f 符合点 量化时钟 游标法测量原理波形图 模拟内插法测量原理波形图 香热内净有经西三要能 他手氣隐王生影商 时间频率计量测试 时间频率计量测试 (2)频率值的计量 sar信号 直接计量法测频 San信号延迟 规定的闸门时间内，对被计量信号进行计数 San信号延迟 重合时刻 主门 几几 计数器 显示器 Sat信号延迟 Sop格号 几几 】一一分频路 控制器 际频品体振将所产生的稳定的频率偏号分频产生准确的时基信号（如秒倍号），并用它控 数字内插法测量原理波形图 量化误差及精度(107~100)
2021-9-17 4 （1）时间间隔的计量 两个信号分别控制闸门开启和关闭 5. 时间频率的计量 时间频率计量测试 利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间的相位差。 时间频率计量测试 预闸门 被测信号 实际闸门 主时钟 游标信号1 游标信号2 T 符合点 符合点 0 f ① ② ③ ④ t1 t2 fy1 fy2 游标法测量原理波形图 时间频率计量测试 模拟内插法测量原理波形图 时间频率计量测试 数字内插法测量原理波形图 时间频率计量测试 时间频率计量测试 Ø 直接计量法测频 规定的闸门时间内，对被计量信号进行计数 （2）频率值的计量 标频晶体振荡器所产生的稳定的频率信号分频产生准确的时基信号（如秒信号），并用它控 制一个闸门。被测信号经过该闸门后，由计数器计数。当时基信号为1s时，所计数的结果就 严格等于被测信号的频率值。 量化误差及精度（10-7～10-10）
2021-9-17 时间频率计量测试 时间频率计量测试 主闲门 0 阅门时间 计数器 显示器 T产.1s 误差曲线 15 器一分换 一控制器 -10 已如冉王社暴国月开闭胜的喻肘相位淋计数煦脐频幸 冲序列比闹的年是随趣的割因而可能雅生食敷的计数 =5×10 数裸妻为逑种方法在不考建标准频率信号误差的情况 109 下计量须率准境度为士7品 103 电特品热为响壁华为呢 电诗地净华西能正要为传■ 时间频率计量测试 时间频率计量测试 差频周期法测频 频差倍增法测频 将被计量信号与标准颜率信号混频，取出差拍信号，然后用测 将差拍信号周期扩大，再进行测量以提高精度。通常倍增系数为104。 周法测出差拍信号的颜率 原理：当两个频率值相近的频标信号混频后再测量其差拍周期值时，对 差拍周期的测量精度反映到对被测信号的测量精度时提高了一个倍增因子。 一日4日-目-4日因且 该因子就等于被测信号频率与差拍信号频率的比值，常常可以把测量精度 或分辨率提高数万到上百万倍。 鉴相器 若被测颜率f,=1.0001MHz,标准颜率信号=1MHz,闸门时间1秒， 装额周黝法测址方据图 欲把士1误差产生的测频误差减少到10，问倍增器的倍增系数m应取 值多大？ 诗热内净有经西三要民 他手氣王等商 时间频率计量测试 时间频率的计量 多周期同步测频法 >相位重合法测频—相检宽带测频法 被测信号脉冲波形 最大公因子须率：对任意两个须率信号和，当=A,=B*f时 (A、B为互素正整数)，f就是/和之间的最大公因子颜率与c 个预何门波形 最小公倍数周期Tmc:在一个Tic内，两信号间的相位差状态都有 fx 同电 些值，它们分别等于信号间的相对初始相位差加0，△团，2△7， 大整形 运算电 AT=Imaxe 实际闸门改形 fo Π几几Π几几几几几几几几几 000000001 几几几Π T 与地空斯砂积路 5
2021-9-17 5 时间频率计量测试 由于计数器闸门开闭时的瞬时相位与被计数的脉 冲序列之间的相位是随机的，因而可能产生1个数的计 数误差。这种方法在不考虑标准频率信号误差的情况 下计量频率准确度为 时间频率计量测试 Ø 差频周期法测频 将被计量信号与标准频率信号混频，取出差拍信号，然后用测 周法测出差拍信号的频率 时间频率计量测试 原理：当两个频率值相近的频标信号混频后再测量其差拍周期值时，对 差拍周期的测量精度反映到对被测信号的测量精度时提高了一个倍增因子。 该因子就等于被测信号频率与差拍信号频率的比值，常常可以把测量精度 或分辨率提高数万到上百万倍。 Ø 频差倍增法测频 将差拍信号周期扩大，再进行测量以提高精度。通常倍增系数为104。 时间频率计量测试 若被测频率fx=1.0001MHz，标准频率信号f0=1MHz，闸门时间1秒， 欲把±1误差产生的测频误差减少到10-9，问倍增器的倍增系数mn应取 值多大？ 放大整形 fx 逻辑控制 电路 计数器1 Nx=fxT 计数器2 N0=f0T N0 Nx 运算电 路 预闸门 实际闸 门 D Q C 基准时钟 f0 同步电路 Ø 多周期同步测频法 t 基准时钟波形To 实际闸门波形 t 被测信号脉冲波形 Tx t 预闸门波形 Tp t T t1 t2 时间频率计量测试 时间频率的计量 Ø 相位重合法测频——相检宽带测频法 最大公因子频率：对任意两个频率信号f1和f2，当f1=A*f0，f2=B*f0时 （A、B为互素正整数），f0就是f1和f2之间的最大公因子频率fmaxc。 最小公倍数周期Tminc: 在一个Tminc内，两信号间的相位差状态都有 一些值，它们分别等于信号间的相对初始相位差加0 , ,2 ,… T T 1 2 max f f f T c