如何建立自己的时间和频率基准?

本来写一个建立时间试验室的帖子,先把其中的问题和解答(q&a)贴出来分享,问题和疑问请多指教。

q1. 你为什么要开这样一个帖子?有什么用?
a1. 一个字:玩。两个字:爱好。五个字:吃饱了撑的

q2. 追求高精度的时间和频率到底有什么用途?
a2. 用途比较多,其实人们对精度的追求总是无止境的。可以:
  1. 做一个时钟,多少年也不差1秒。至于几万年不差一秒也许是我们用不到的,但做到50年不差一秒还是有实际意义的,那样你的表就永远不用调整了,这相当于6e-10。
  2. 频率计等仪器的精确校准
  3. 与类似高精度的时间频率基准做对比。比如有一个高级信号发生器,还有一个温补晶振,到底哪一个好?
  4. 测量晶体振荡器的各种不稳定因素,比如老化率、温度特性。
q3. 如果我有个8位的频率计,在测量10mhz信号时,要求最末一位也是准确的,那么对频率基准的稳定性有什么要求?
a3. 8位频率计是最常见的频率计,测量10mhz十显示10,000,000hz,因此,1秒的采样时间就足够,要求频率基准误差不超过0.5hz,即5e-8。如果允许最末1位跳动+/-1个字,那么实际上要求就是1e-7,即0.1ppm。假设用10秒闸门,那么分辨力提高了10倍,要求就更高了。

这个要求对于温度补偿晶体,就很难达到,因为不仅要校准后准确,而且要求这种准确度要保持很长时间。因此,需要恒温晶体振荡器(ocxo),比如日稳定3e-9的,一个月最差漂移为1e-7(但也有可能一年才漂移1e-7)。

q4. 一般用什么来衡量准确度或稳定性呢?
a4. 一般用三种方法:
  1. ppm,ppm是parts per million的缩写,意思为百万分之一,即10的负6次方。
  2. ppb,ppb是parts per billion的缩写,意思为十亿分之一,即10的负9次方。1ppm = 1000ppb。
  3. 科学表示法,即直接用10的负多少次方来表示,例如5.3乘10的负8次方可以写成5.3 x 10e-9,简写为5.3e-9

举个例子,一个晶体日稳定度是3 x 10 -8,记为3e-8,那也就是0.03ppm/日,同时也是30ppb/日。

q5. 我想做个时钟,要求每年不差1秒,需要什么样的基准?
a5. 一年有大约有31500000秒,因此一年差一秒就是0.3ppm,也是300ppb,也是3e-7。尽管这个指标好像不高,但稳定的基准是关键。很多稳定度不到10ppb的晶振,是每天的稳定度,最坏的情况下每年要乘上100多倍,1年以后频率就很可能漂移到1ppm了,那就是每年3秒了,因此必须寻找年稳定度不超过0.5ppm的晶体才可以。

q6. 目前可以做内部基准的东西都有那些?稳定度如何?
a6. 可以做内部基准的有以下几种:
  1. 温度补偿晶体振荡器,简称tcxo,年稳定度大约是几个ppm到零点几个ppm。温度稳定性也类似,用这样的晶体做电子表,年差几秒。
  2. 恒温晶体振荡器,简称ocxo,年稳定度大约是0.01ppm到0.5ppm。温度稳定性也类似,用这样的晶体做电子表,年差一般不到1秒。
  3. 铷钟或者铷模块,属于原子钟,年稳定是1ppb左右,相当于300年差1秒
  4. 铯钟,属于原子钟,年稳定是0.01ppb左右,相当于3万年差1秒
  5. 氢钟,属于原子钟,年稳定是0.00001ppb左右,相当于每年差几微秒
  6. 还有更高的。
q7. 我已经有了比较稳定的ocxo,如何校准呢?
a7. 是的,准确度和稳定度是两个概念。上面的问题是讨论稳定度的,而这里要涉及如何把频率调节准确。假设没有稳定度作为前提,调节再准确也是没有用的,因为很容易就变化了。校准的方法有多种:
  1. 采用专用gps时钟、频率基准,准确度高且价格不算贵,可以达到1e-10以上。例如hp58540a,直接输出标准的10mhz信号。
  2. 采用带有10khz输出的gps模块,频率准确度根据我自己最近的测量可以达到1e-9。如果您已经有这样的模块,直接找到10khz输出即可。用等精度的频率计测量对比就可以完成校准。但如果没有等精度的频率计,那么10秒闸门也只能度到10,000.0hz,只有6位,最多能校准到10ppm。这个时候可以用双通道示波器来同时观察10khz和另外需要校准的10mhz/5mhz波形,人为校准。
  3. 用彩色电视中央电视台的副载波信号。这个频率为4.43361875mhz的信号已经在中央电视台与中国计量科学院的铯钟保持同步,准确度为1e-12。参考:http://www.hellocq.net/forum/showthread.php?t=40755
  4. 接收“标准时间标准频率发播台”的10mhz信号。发射台在陕西,呼号为bpm,时间精度1e-3秒,频率精度1e-8。可以采用多级选频直放(注意隔离和泄漏以防反馈),直接得到10mhz的信号。参考:http://www.time.ac.cn/jianjie/1.htm
  5. 找人校准自己的ocxo。有以上校准能力的火腿可以帮忙。不过,校准后经过运输等,频率可能有少许变化。电调节的,需要事先装好电位器。这种校准的方法估计可以达到1e-8。
  6. 利用成品带有频率基准的东西,例如高精度频率计、合成信号发生器、高档电台等进行校准。
q8. 频率比较和传递需要用什么设备?
a8. 频率计就够了。普通的8位最高可以分辨到1e-8,好的9位的到1e-9。hp53131a实际上是12位的,每秒可以达到10位。用于频率频率比较和传递的频率计需要有如下特点:
  1. 分辨位数高,最好为9位以上。
  2. 时间分辨快,最好为亚纳秒的,例如hp53132a为0.15纳秒。
  3. 计数快,每秒最好10位以上。
其它参看:
  1. 一个老外自己的站点,爱好时间基准多年,设备多技术强: http://www.leapsecond.com/
  2. 恒温晶振和铷钟生产大家temex,
(其中第一个lcr-900是售价小于900美金的产品,体积0.23升)


图1、比较典型频率漂移曲线,选自leapsecond.com
图2、频率计测量5mhz晶体,分辨2e-11
图3、两个独立10mhz基准的互补比较,分辨1e-11和1e-12
图4、sr625内部铷模块
图5、西安授时中心胡永辉与ba7kw
图6、bd1es的设备(超过5个了)



摘自:http://www.hellocq.net/forum/read-htm-tid-112048-page-1.html