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电子科技大学:《计量方法与误差理论》课程教学资源(课件讲稿)第三章 各种物理量的测试计量 第1节 时间频率计量测试

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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  

2021-9-17 时间频率的计量 以者干个“相位重合点”间的时间间隔构成测量闸门时间, ~相位比较法测须 测量精度将大度提高(约提高1000倍左右) ■线性比相法 鉴相馨输出的电压或电流信号与两个信号的相位差成正比 5 MH N-AT △T为取样时间内两信号的累计相位差变化 时号产生 B 冒参易材门 放大整形一 2 鉴相 双稳志 一纸通滤波器 ·长图记录仪 装浴 放大整形 利叶及际 频标比对 相检宽带测频的频率计方框图 电特品热为壁三华净随 时间频率的计量 时间频率的计量 ■时差法与双混频器时差法 ■时差法与双混频器时差法 、时差法:与比相法类似,将被计量的颜率信号和标准频率信号分别分颜转 双混频器时差法:先把两个比对信号分别与第三个湘助(中介)振荡署混频 换为时间信号,送到时间间隔计数器计量时差,然后再换算出频率差。 得到各自的差频,然后再对这两个差频进行时差计量。这样,如果将信号 的时差进行了倍放大,则等于使时间间隔计激器的分辨力提高了倍。 因为一般商品型时间间隔计数器只能分辨出量级的时差,而高质量的守 速过双重混频,信号间的时楚被倍增了f。π 时钟之间的时差极其微小,所以这种方法很难进行短时间取样的计量。 放大 大 香热内净有经西三要民 他手氣隐王生影商 例 时间频率的计量 时间频率的计量 6.时间频率量值的传递 搬运钟比对 >直接检定 利用汽车、飞机或轮船等交通工具将由频率标准、数 搬运钟比对 字钟、直流电源或电源变换器等组成的便携钟由时间参考 利用电磁波信号接收比对 点搬至需时间同步或比对的地点测试,然后再返回时间参 (1)利用电视信号 考点。 方法:在一个参考点把钟同步好,搬运到需要同步 (2)利用卫是 和测试的地方,用时间间隔计数器在各测试点进行测试 GPS全球定位系统 俄全球卫里导航系统(格罗纳斯) 比对,返回参考点后再和参考钟比对,在闭合时间内可 歌洲“加利略”卫县导航 测得搬运期间累积的钟误差。 北斗导航系统 6

2021-9-17 6 相检宽带测频的频率计方框图 以若干个“相位重合点”间的时间间隔构成测量闸门时间, 测量精度将大幅度提高(约提高1000倍左右) 时间频率的计量 Ø相位比较法测频 n线性比相法 鉴相器输出的电压或电流信号与两个信号的相位差成正比 为取样时间内两信号的累计相位差变化  T    T f f 频标比对 时间频率的计量 n时差法与双混频器时差法 时差法:与比相法类似,将被计量的频率信号和标准频率信号分别分频转 换为时间信号,送到时间间隔计数器计量时差,然后再换算出频率差。 因为一般商品型时间间隔计数器只能分辨出ns量级的时差,而高质量的守 时钟之间的时差极其微小,所以这种方法很难进行短时间取样的计量。 时间频率的计量 n时差法与双混频器时差法 双混频器时差法:先把两个比对信号分别与第三个辅助(中介)振荡器混频 ,得到各自的差频,然后再对这两个差频进行时差计量。这样,如果将信号 的时差进行了n倍放大,则等于使时间间隔计数器的分辨力提高了n倍。 通过双重混频,信号间的时差被倍增了 0 f 被 测 频 率fx 双平衡 混频器 移相器 公 共 振荡器 双平衡 混频器 参 考 频 率f0 低通 滤波器 放大器 时间间隔计数 器 低通 滤波器 放大器 6. 时间频率量值的传递 Ø 直接检定 Ø 搬运钟比对 Ø 利用电磁波信号接收比对 (1)利用电视信号 (2)利用卫星 GPS全球定位系统 俄全球卫星导航系统(格罗纳斯) 欧洲“伽利略”卫星导航 北斗导航系统 时间频率的计量 搬运钟比对 利用汽车、飞机或轮船等交通工具将由频率标准、数 字钟、直流电源或电源变换器等组成的便携钟由时间参考 点搬至需时间同步或比对的地点测试, 然后再返回时间参 考点。 方法:在一个参考点把钟同步好, 搬运到需要同步 和测试的地方, 用时间间隔计数器在各测试点进行测试 比对, 返回参考点后再和参考钟比对, 在闭合时间内可 测得搬运期间累积的钟误差。 时间频率的计量

2021-9-17 各种传递方法的优、缺点比较 各种传递方法的优、缺点比较 时闭齿到的达到所述准晚 姨表 构通方法 渗确度 皮的有效距南 主要优装点 主要优缺 H非《高/中 1×101- )0)罗兰-A 在各度播台 电真响大 1×10 作用区内 纸广大 准蜂霍纸。有时互 导射系能 5×101 相干找 彩色图载波 ×10 电视 电提作用 限低 用区要站到离准 雀只使在国一电 VLP(低)( 1×19 广大 主要用于处丰得 之内 无源同步 1×10 目)奥构注早植不统 5×17 高 视发财合作用区 单向法 1-40m 1×10 双向法 1×10# 影半球 高广大 为用富,号货播 4每日) (米发) GPS全球定位 全低广大 系烧 1×104 10s 100m 要 LASS0新光 发播方式分类 -高颜:2.5MHz,5MHz,10M,15MHz,20MHz等短波台 甚高颜颜段,波长短穿透力强,不受电高层反射而直线传播,传播 -低频:100kH数量级的罗兰-C导航台 延迟仅决定于发射和接收之间的直线距高。 -甚年频:10-20kHz等2导航台 电视信号覆盖范围小,通过中继线略,延迟修正 -甚高频:电视和卫里通信(30MH到300MHz) >发播方式特点 无源事后同步:进定某一电视同步脉冲作公共参考信导,分别计量 一高频发播:波长短穿透力强,靠高层的电离层反射,电高层不德定 出各个钟与参考信号的时差,事后交换数据,得到各钟之间的关系。 -甚低顺发滑:波长长穿进力差,低层电离层反射,比高层电高层德定 有源实时同步:将时间编码和标准须率信号插入电视广播的场回扫 存在日落日出效应。 一低频发播:地波传措的相位德定度高,发送和接收设备昂贵。 逆程中的某一行内,随电视节目一起播出。用户使用解码器实时得到准 确的时刻信息,使用锁相振满器得到标准频率。 >发播延时 d=S/W天波V传滑速度等于光速C,地波需要根据大地导电率的不同 作修正 诗热内语有经码平能 他类手菊隐王4美商 利用彩色电视校准频率(无源事后同步) 利用彩色电视校准频率(有源实时同步) 微波站 顿率 综合器 密 比相仪 钟1 钟 利用电视彩色副载频校准频率 色可阁地评年经地5形

2021-9-17 7 各种传递方法的优、 缺点比较 各种传递方法的优、 缺点比较 因为不同频段电磁波的传播特性不同, 所以能够获得的比对 精度也就不同。 而且信号的覆盖范围和可利用的时间也不同 , 因此要根据需要加以选择。 利用电磁波信号接收比对 Ø发播方式分类 – 高频:2.5MHz,5MHz,10MHz,15MHz,20MHz等短波台 – 低频:100kHz数量级的罗兰-C导航台 – 甚低频:10-20kHz等Ω导航台 – 甚高频:电视和卫星通信(30MHz到300MHz) Ø发播方式特点 – 高频发播:波长短穿透力强,靠高层的电离层反射,电离层不稳定 – 甚低频发播:波长长穿透力差,低层电离层反射,比高层电离层稳定, 存在日落日出效应。 – 低频发播:地波传播的相位稳定度高,发送和接收设备昂贵。 Ø发播延时 d=S/V 天波V传播速度等于光速C,地波需要根据大地导电率的不同 作修正 时间频率的计量 利用电视信号 甚高频频段,波长短穿透力强,不受电离层反射而直线传播,传播 延迟仅决定于发射和接收之间的直线距离。 电视信号覆盖范围小,通过中继线路,延迟修正 无源事后同步:选定某一电视同步脉冲作公共参考信号,分别计量 出各个钟与参考信号的时差,事后交换数据,得到各钟之间的关系。 有源实时同步:将时间编码和标准频率信号插入电视广播的场回扫 逆程中的某一行内,随电视节目一起播出。用户使用解码器实时得到准 确的时刻信息,使用锁相振荡器得到标准频率。 利用彩色电视校准频率(无源事后同步) 时间间隔 计数器 钟Ⅰ TV 时间间隔 计数器 钟Ⅱ TV 利用彩色电视校准频率(有源实时同步) 中央 电视台 彩色 同步机 PAL 综合器 钟Ⅰ 微波站 地方 电视台 地方 电视台 比相仪 钟Ⅱ TV 频率 综合器 校 频 仪 利用电视彩色副载频校准频率

2021-9-17 量值传递与检定测试 利用卫星的接收比对 具有电视方法的全部优点,克服了覆盖面积小的缺点,是建立全国统 一的时间频率服务及国际间远距离时间颜率比对的好方法。 ·无源法:转发 一单向:地面A点-卫星-地面B点,卫星运动引起的传播延时变化难 以确定,不准确 发送 双向:A-卫星B,B-卫星-A,同时转发和接收。通过交换数据 计量出传滑延时,但仍需修正 「钟 ·有源法:卫星上放置高准确度的铷钟或艳钟 全球卫星定位系统:美CPS、俄GLONASS、北斗。 双向法 杯可实现10ns量额的远距高时间传递。 电特品热为登华净呢口 也电等热通多西能正华学随■ GPS简介 GPS由24颗卫星组成星座,分布在距地球2万Km的6个 a时的基准:UIC(UC) 轨道平面上,任何地方任何时候都可以看到411颗卫星。 (USNO-MC)) 卫里发射信号有2个频率: L1=1575.24MHz, L2=1227.6MHz 2种调制码: 瑟文 P码精密定位服务码(美军,加密) CA码一标准定位码(开放) GPS时间的建立过程 诗热内语有经西平能 与子楼争再隐工4影南 GPS简介 设卫星发播信号时的GPS时间s,而卫星的钟面时为:用户接 ·GPS定位原理:测距 收信号时的GPS时间,而接收机的钟面时为r'。则测定到的距高为: 设卫星于s发播导航信号,经距高时延后,用户接收 机在时刻t接收到该信号,则卫星至用户的距离为: P,'=c(L,'-t,')=c(,-t,)+CA,-cAt P,=,-)=X,-X)+(,-Y)+(Z,-Z “伪距”:不是卫星到用户的真实距高,包含了时钟差的距离。 GPS伪距测量导航定位的基本方程: 如果卫星与用户接收机的时钟严格同步,并且卫星的 位置、发射导航信号的时刻确定,则通过同时接收3 P,=VX,-)+化,-Y)+(Z,-Z)+c,-cA 颗GPS星的发播信号,求解出用户接收机的坐标位置。 4个特定参数,在观测4颗GPS卫星的情况下,不需要用户配备高精度 的原子钟,也不需要与卫星钟同步,即可实现定位以及用户钟相对 要求用户接收机装备精确的原子钟并与卫墨钟同步不现实 GPS时间的精确钟差。 也用地。5纯国 P

2021-9-17 8 量值传递与检定测试 利用卫星的接收比对 具有电视方法的全部优点,克服了覆盖面积小的缺点,是建立全国统 一的时间频率服务及国际间远距离时间频率比对的好方法。 • 无源法:转发 单向:地面A点-卫星-地面B点,卫星运动引起的传播延时变化难 以确定,不准确 双向:A-卫星-B,B-卫星-A,同时转发和接收。通过交换数据 计量出传播延时,但仍需修正 • 有源法:卫星上放置高准确度的铷钟或铯钟 全球卫星定位系统:美GPS、俄GLONASS、北斗。 都可实现10ns量级的远距离时间传递。 双向法 发送 接收 钟Ⅰ 时间 间隔 计数器 接收 发送 钟Ⅱ 时间 间隔 计数器 GPS简介 GPS由24颗卫星组成星座,分布在距地球2万Km的6个 轨道平面上,任何地方任何时候都可以看到4-11颗卫星。 卫星发射信号有2个频率: L1=1575.24MHz, L2=1227.6MHz 2种调制码: P码—精密定位服务码(美军,加密) C/A码—标准定位码(开放) GPS时间的建立过程 监测站1 # 铯钟1 # 监测站2 # 铯钟2 # 监测站3 # 铯钟3 # 监测站4 # 铯钟4 # GPS地面主控站 UTC(GPS-MC) 海军天文台 (USNO) UTC (USNO-MC) GPS 卫星 下行链 L 波段 3 GPS GPS 星载钟 卫星 ·GPS时的基准:UTC(USNO-MC) ·GPS时的不确定度:≤100 ns(相对于 UTC (USNO-MC)) • GPS定位原理:测距 设卫星j于tsj发播导航信号,经距离时延后,用户接收 机在时刻tr接收到该信号,则卫星j至用户的距离为: 2 2 2 c(t t ) (X X ) (Y Y) (Z Z)  j  r  sj  j   j   j  如果卫星与用户接收机的时钟严格同步,并且卫星的 位置、发射导航信号的时刻确定,则通过同时接收3 颗GPS星的发播信号,求解出用户接收机的坐标位置。 GPS简介 要求用户接收机装备精确的原子钟并与卫星钟同步不现实 设卫星j发播信号时的GPS时间tsj,而卫星的钟面时为tsj’;用户接 收信号时的GPS时间tr,而接收机的钟面时为tr’。则测定到的距离为: j r sj r sj r j  ' c(t 't ')  c(t  t )  ct  ct “伪距”:不是卫星到用户的真实距离,包含了时钟差的距离。 GPS伪距测量导航定位的基本方程: j j j j r j  X  X  Y  Y  Z  Z  ct  ct 2 2 2  ' ( ) ( ) ( ) • 4个待定参数,在观测4颗GPS卫星的情况下,不需要用户配备高精度 的原子钟,也不需要与卫星钟同步,即可实现定位以及用户钟相对 GPS时间的精确钟差

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