JJF 1956-2021 氢原子频率标准校准规范 高清晰版

中华人民共和国国家计量技术规范1氢原子频率标准校准规范ns8发布 8实施国家市场监督管理总局 发布1氢原子频率标准校准规范ns

1代替5归 口 单 位:全国时间频率计量技术委员主要起草单位:中国计量科学研究院参加起草单位:北京无线电计量测试研究所战略支援部队航天系统部装备部国防科技大学本规范委托全国时间频率计量技术委员会负责解释本规范主要起草人:王玉琢中国计量科学研究院张爱敏中国计量科学研究院刘年丰中国计量科学研究院参加起草人:杨 军北京无线电计量测试研究所)柳 丹北京无线电计量测试研究所)曾 亮战略支援部队航天系统部装备部)龚 航国防科技大学)目 录引言………………………

Ⅱ)1范围……………………2引用文件………………3概述……………………4计量特性………………1输出频率及幅度……………………2频率稳定度…………3频率漂移率…………4相对频率偏差………………………5相位噪声……………6谐波与非谐波失真…………………

1)1)1)2)2)2)2)2)2)2)7秒脉冲)输出

……………

3)8时钟同步……………5校准条件………………1环境条件……………2测量标准及其他设备………………6校准项目和校准方法…………………1校准项目……………2校准方法……………7校准结果表达…………8复校时间间隔…………

3)3)3)3)4)4)5)9))附录A 原始记录格式…………………

)附录B 校准证书内页)格式………

)附录C 主要校准项目不确定度评定示例……………

)Ⅰ引 言《 本规范依据0国家计量校准规范编写规则》和F2测量不确定度评定与表示》编写。本规范是对5氢原子频率标准》的修订,修订内容如下:根据5时间频率计量器具》将频率准确度改为相对频率偏差;增加了频率信号幅度、谐波与非谐波失真、秒脉冲幅度及宽度、秒脉冲上升时间、秒脉冲抖动、时钟同步校准项;删除了频率温度特性及频率值的远距离校准方法;完善了频率稳定度、频率漂移率及相对频率偏差的测量方法。本规范历次版本发布情况:。Ⅱ氢原子频率标准校准规范范围本规范适用于氢原子频率标准的校准。引用文件本规范引用了下列文件:1通用计量术语及定义0时间频率计量名词术语及定义8时间与频率标准远程校准规范5时间频率计量器具凡是注日期的引用文件仅注日期的版本适用于本规范凡是不注日期的引用文件,其最新版本包括所有的修改单适用于本规范。概述氢原子频率标准以下简称氢频标依其工作机理分为主动型和被动型两种,主要区别在于跃迁频率信号的产生方式不同:主动型氢频标的原子谐振器是一种自持振荡器,无需外部激励即可持续输出原子跃迁频率信号,如图1所示;被动型氢频标的原子谐振器需在外部信号的激励下产生原子跃迁频率信号,如图2所示。两者都是通过一套伺服控制系统将晶体振荡器锁定在原子跃迁频率上,晶振输出频率与原子跃迁频率具有同等水平的相对频率偏差和长期稳定度特性,经过分配等处理后产生氢频标的输出信号,供外部使用。图1主动型氢原子频率标准基本工作原理图2被动型氢原子频率标准基本工作原理1具备秒脉冲)输出的氢频标又称氢原子钟或氢钟。氢频标广泛应用于时频、通信、导航、航天、国防等科研、计量领域。计量特性输出频率及幅度频率500。幅度有效值1V0。频率稳定度τ表示取样时间见表τ表示取样时间

, ()( ) 。τ阿仑标准偏差表示频率稳定度表1τ阿仑标准偏差表示频率稳定度τy)1s24s34s35s45s461d56频率漂移率~。相对频率偏差2~3。相位噪声见表。f表示傅里叶分析频率

)

表示单边带相位噪声。表2相位噪声f￡)载波频率05)1~20z~50z~41kHz~0z~0谐波与非谐波失真谐波失真:≤。2非谐波失真:≤。秒脉冲)输出脉冲幅度:≥4V0。脉冲宽度s~0。上升时间:。抖动:≤s。时钟同步: : ;同步秒脉冲

脉冲幅度

20V同步偏差

脉冲宽度:上升时间:。:(5~。:(注:以上技术指标不作合格性评定,仅供参考。校准条件环境条件环境温度在0℃5℃范围内任选一值

温度最大允许变化5℃。环境湿度相对湿度0。供电电源电压00);频率02)。其他周围无影响仪器正常工作的电磁干扰和机械振动。测量标准及其他设备参考频标输出频率500;,频率稳定度:优于被校氢频标相同取样时间频率稳定度的;不能满足此要时 可用个频率稳定度接近的频标。,频率漂移率和相对频率偏差:优于被校氢频标一个量级。相位噪声:比被校氢频标相应傅里叶分析频率的相位噪声小;不能满足此要求时,可用 个相位噪声接近的频标。注:参考频标可以选用一个或多个,分别满足上述要求。频标比对器输入频率500;比对不确定度用阿仑标准偏差表示小于被校氢频标频率稳定度的。相位噪声测量装置输入频率500;3傅里叶分析频率:覆盖1;相位噪声本底:比被校氢频标在相应傅里叶频率点的相位噪声小。示波器带宽:0;幅度测量最大允许误差:5。频谱分析仪频率范围:覆盖10;动态范围:。时间间隔计数器时间间隔;最大允许误差:触发电平:在)V范围内连续可调,并能显示电平值;有外接频标功能。秒脉冲)发生器脉冲幅度:2V0脉冲宽度:;脉冲上升时间:有外接频标功能。校准项目和校准方法校准项目见表。表3校准项目序号项目名称1外观及工作正常性检查2输出信号幅度3谐波与非谐波失真4频率稳定度5相位噪声6相对频率偏差7频率漂移率8秒脉冲幅度及宽度9秒脉冲上升时间0秒脉冲抖动1时钟同步偏差4校准方法外观及工作正常性检查外观检查前面板或后面板上应标有

:仪器名称、

型号、

制造厂

、出厂编号及电源要求。电源开关、输入输出端口、功能设置开关等均应有识别标志,显示屏能正常显示工作参数。各接口应牢固可靠、各功能旋钮应灵活可用,无影响正常工作的机械损伤。工作正常性检查被校氢频标应在说明书规定的预热时间内正常锁定。

锁定后通过显示窗口或计算机操作软件窗口查看各有关性能参数,显示的数值应在说明书给定的范围内。输出信号幅度仪器连接如图3所示,

被校氢频标的输出频率信号接入示波器

,示波器的输入阻抗0,直接测量输入信号的幅度值。谐波与非谐波失真

图3输出信号幅度的校准仪器连接如图4所示,被校氢频标的输出频率信号接入频谱分析仪。() 图4谐波和非谐波失真的校准1谐波失真

( 、 ( ) ,频谱分析仪的分辨力带宽

视频带宽

均设置为

合理设置频谱分析仪的起始和终止频率,分别测量基波功率电平及n次谐波的功率电平。n次谐波失真按公式)计算,选取Hn最大值作为测量结果。 ()式中:

Hn11基波功率电平;nn次谐波一般n取)频率的功率电平;Hnn次谐波失真。非谐波失真

( 、 ( ) ,频谱分析仪的分辨力带宽

视频带宽

均设置为

合理设置频谱分析仪的起始和终止频率,测量基波功率电平及偏离载频z以外频偏范围内最大的非谐波功率电平。非谐波失真按公式)计算。N=PN-P1

)5式中:PN偏离载频z以外频偏范围内最大的非谐波功率电平;N非谐波失真。频率稳定度仪器连接如图5所示

其中被校氢频标输出频率fx,

参考频标输出频率为50z或0,取样时间和取样组数可按表4选取。图5频率稳定度的校准表4取样时间与取样组数取样时间τ取样组数m1s0s0s0s5s51d5可采用如下三种方式进行校准:直接测量 /,参考频标频率稳定度小于或等于被校氢频标频率稳定度的13接测量阿伦标准偏差,作为稳定度校准结果。

采用频标比对器直三台互比2被校氢频标与2台频率稳定度接近的参考频标进行互比。依据公式)计算被校氢频标的频率稳定度y:2式中:

y= yy) )y被校氢频标相对于参考频标1的频率稳定度;y被校氢频标相对于参考频标2的频率稳定度;2参考频标2相对于参考频标1的频率稳定度。两台互比被校氢频标与1台频率稳定度接近的参考频标互比,标的频率稳定度。6

依据公式

计算被校氢频2式中:2

y=y) )y)频率稳定度的测量结果。注参考8时间与频率标准远程校准规范,可远程校准频率稳定度。相位噪声仪器连接如图6所示。() 图6相位噪声的校准,1直接测量,参考频标比被校氢频标相应傅里叶分析频率的相位噪声小B时率取1,相位噪声测量装置直接测量值作为校准结果。

傅里叶分析频三台互比被校氢频标与2台相位噪声接近的参考频标进行互比。依据公式)计算被校氢频标的相位噪声:￡l￡x￡x￡

)式中:

g 0 0 0 2 ￡x)被校氢频标相对于参考频标1的相位噪声;￡x)被校氢频标相对于参考频标2的相位噪声;￡2)参考频标2相对于参考频标1的相位噪声。两台互比被校氢频标与1台相位噪声接近的参考频标互比作为校准结果。

相位噪声测量装置测量值减去。在校准结果中给出具体的测量结果及相位噪声随傅里叶分析频率的变化曲线相对频率偏差频标比对器法仪器连接如图5所示,校准结果。时差法仪器连接如图7所示。

取样时间

频标比对器直接测量相对频率偏差,作为7图7时差法测量原理参考频标和被校氢频标输出的秒脉冲分别接入到时间间隔计数器的启动和停止端,τ时间间隔计数器测量两信号的相位时间差,测量结果为1取样时间,再次测量结果为2,依据公式)计算相对频率偏差:τ式中:

=2-1

)12两次测量的相位时间差;yı)相对频率偏差。注参考8时间与频率标准远程校准规范,可远程校准相对频率偏差。频率漂移率采用频标比对器法测量5天

取样时间1

测量得到5个相对频率偏差i依据公式)计算日漂移率,给出频率变化曲线。-5i-·i) ()-K=

1it 7式中:

5( 2i取样时序为,…i)i时刻测得的相对频率偏差;5-=1i55-)=1i5注参考8时间与频率标准远程校准规范,可远程校准频率漂移率。秒脉冲)幅度及宽度仪器连接如图8所示。图8秒脉冲信号校准被校氢频标的秒脉冲信号接入示波器,示波器的输入阻抗选为0,调节示波器,使屏幕上显示稳定的脉冲波形,直接测量秒脉冲信号的幅度与脉冲宽度。秒脉冲)上升时间仪器连接如图8所示。被校氢频标的秒脉冲接入示波器示波器的输入阻抗选为8,调节示波器,使屏幕上显示稳定的脉冲波形且上升沿占示波器水平方向一格或以上,测出秒脉冲幅度从0上升到0所对应的时间间隔即为秒脉冲上升时间。秒脉冲抖动仪器连接如图9所示。图9秒脉冲抖动校准被校氢频标的秒脉冲接入时间间隔计数器,时间间隔计数器接外参考频标,设置为周期测量模式,直流耦合、输入阻抗0,触发电平为脉冲幅度的,测量0个数据以上,计算其实验标准偏差作为秒脉冲抖动校准结果。时钟同步偏差仪器连接如图0所示。图0时钟同步校准参考秒脉冲发生器输出的秒脉冲加到时间间隔计数器的启动端,被校氢频标输出的秒脉冲加到时间间隔计数器的停止端,时间间隔计数器启动端和停止端口使用连接线的材质、长度、接口都应保持一致,同步”连接电缆也应尽量短,并且标定该电缆时延,记为0。设置时间间隔计数器的触发电平分别为两脉冲幅度的,并设为前沿触发。同步前测量启动、停止两个秒脉冲的时差同步后再测量这两个秒脉冲的时差110即为实测的同步偏差。校准结果表达氢频标校准后,出具校准证书。校准证书至少应包含以下信息:标题:校准证书;实验室名称和地址;进行校准的地点如果与实验室的地址不同证书的唯一性标识如编号每页及总页数的标识;客户的名称和地址;被校对象的描述和明确标识;进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时应说明被校对象的接收日期;9如果与校准结果的有效性或应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;校准环境的描述;校准结果及其测量不确定度的说明;对校准规范的偏离的说明;校准证书签发人的签名、职务或等效标识;校准结果仅对被校对象有效的说明;未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。复校时间间隔复校时间间隔由用户根据使用情况自行确定,推荐校准周期不超过1年。0附录A外观及工作正常性检查

原始记录格式检查项目结果外观工作正常性输出信号幅度频率/MHz幅度/V不确定度V)500谐波与非谐波失真频率/MHzcc不确定度B)500频率稳定度方法)直接测量:取样时间τ频率稳定度y)不确定度U)1sssss1d方法)三台互比:取样时间τ频率稳定度不确定度U)y)y)2)1ss1表续)取样时间τ频率稳定度不确定度U)y)y)2)sss1d方法)两台互比:取样时间τ频率稳定度y)不确定度U)1sssss1d相位噪声方法)直接测量:f￡/)载波频率05不确定度)10z0z1kHzz方法)三台互比:f相位噪声/)载波频率05)不确定度)￡y)￡y)￡2)10z0z1kHzz2方法)两台互比:f￡y/)载波频率05不确定度)10z0z1kHzz相对频率偏差频标比对器法取样时间s相对频率偏差)不确定度U)时差法:时差1s时差2s取样时间τs相对频率偏差y)不确定度U)频率漂移率测量数据:时序i相对频率偏差i)1234567890123453不确定度U不确定度U)日漂移率K频率变化曲线:秒脉冲幅度与宽度项目测量值不确定度U)幅度V宽度s秒脉冲上升时间秒脉冲上升时间s不确定度s)秒脉冲抖动秒脉冲抖动s不确定度s)时钟同步偏差同步偏差s不确定度s)4附录B外观及工作正常性检查

校准证书内页格式检查项目结果外观工作正常性频率信号幅度频率/MHz幅度/V不确定度V)500谐波与非谐波失真频率/MHzcc不确定度B)500频率稳定度取样时间τ频率稳定度y)不确定度U)1sssss1d相位噪声f￡/)载波频率05不确定度)10z0z1kHzz5相对频率偏差相对频率偏差y不确定度U)频率漂移率测量结果:日漂移率K不确定度U)频率变化曲线:秒脉冲幅度与宽度项目测量值不确定度U)幅度U/V宽度s秒脉冲上升时间秒脉冲上升时间s不确定度s)秒脉冲抖动秒脉冲抖动s不确定度s)时钟同步偏差同步偏差s不确定度s)6附录C主要校准项目不确定度评定示例频率稳定度不确定度评定测量方法见4中第三种测量方法

假设参考频标与被校氢频标同型号且稳定度接近,频标比对器为,则依据公式)可计算出被校氢频标的频率稳定度。不确定度来源测量不确定度主要来源包括:测量方法引入的不确定度;频标比对器自身不稳定引入的不确定度有限次测量引入的不确定度。标准不确定度分量评定测量方法引入的不确定度分量按照公式取样时间为s时,得到测量值4;按B类方法评定,设为均匀分布,包含因子3,则:31u4431频标比对器自身不稳定引入的不确定度分量依据频标比对器4技术说明书,取样时间为s时比对不确定度为,按B类方法评定,设为均匀分布,包含因子3,则:32u4432有限次测量引入的不确定度分量采用A类方法进行评定,被校氢频标s频率稳定度测量结果为4,阿伦0标准偏差有限次测量次数m为,则:0u3标准不确定度分量表

45。各标准不确定度分量见表1表1频率稳定度的标准不确定度分量不确定度来源不确定度分量评定方法分布k值标准不确定度测量方法u1B类均匀34频标比对器u2B类均匀34有限次测量u3A类正态157合成标准不确定度1123扩展不确定度

=

4取包含因子k=2,扩展不确定度为:Uc4相对频率偏差不确定度评定测量方法见,其中原子时标国家计量基准CM)作为参考频标,采用时间间隔计数器0测量被校氢频标的相对频率偏差,取样时间为,则依据公式)计算出被校氢频标的相对频率偏差。不确定度来源测量不确定来源包括:C)输出频率不准确引入的不确定度C)输出频率不稳定引入的不确定度时间间隔计数器测量能力引入的不确定度测量重复性引入的不确定度。标准不确定度分量评定C)输出频率不准确引入的不确定度分量1C)相对于协调世界时C的频率偏差为5,按B类方法评定,设其为均匀分布,包含因子3,则:31u5531C)输出频率不稳定引入的不确定度分量2C)相对于协调世界时C的日稳定度按5计算,按B类方法评定,设其为匀分布,包含因子3,则:32u5632时间间隔计数器测量能力引入的不确定度分量时间间隔计数器0测量最大允许误差,取样时间d时,时差法测量频率最大允许误差4,按B类方法评定,设为均匀分布,包含因子=,时差法测量2次,则:33u=24533测量重复性引入的不确定度分量采用A类方法进行评定,对被测氢频标的相对频率偏差连续独立测量0次,用贝塞尔法计算实验标准偏差。重复性测量数据见表。8表2相对频率偏差的测量重复性序号相对频率偏差i142434445464748494044n)5n-1n-11∑ny-i y-2=

5标准不确定度分量表 。各标准不确定度分量如表3表3相对频率偏差的标准不确定度分量不确定度来源不确定度分量评定方法分布k值标准不确定度C)输出频率不准确u1B类均匀35C)输出频率不稳定u2B类均匀35时间间隔计数器测量能力u3B类均匀35测量重复性u4A类正态15合成标准不确定度11234扩展不确定度

=

4取包含因子k=2,扩展不确定度为:Uc49频率漂移率不确定度评定测量方法见,其中原子时标国家计量基准CM)作为参考频标,假设其无漂移;频标比对器4作为测量仪器,则依据公式)计算出被校氢频标的日漂移率。不确定度来源测量不确定度来源包括:C)输出频率不稳定引入的不确定度频标比对器自身不稳定引入的不确定度;日漂移率估值算法引入的不确定度。标准不确定度分量评定C)输出频率不稳定引入的不确定度分量1C)相对于协调世界时C的日稳定度按5计算,按B类方法评定,设其为均匀分布,包含因子3,则:31u5531频标比对器自身不稳定引入的不确定度分量依据频标比对器4技术说