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=407554、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.htm5、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,
恒温晶振:
http://www.temex.com/temex/product/...ocxo/index.html铷钟:
http://www.temextime.com/index.php?...source_rubidium(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)