铯原子频率标准校准规范

JJF1958—20211铯原子频率标准校准规范1范围本规范适用于铯原子频率标准的校准。2引用文件本规范引用了下列文件:JJF1001—2011通用计量术语及定义JJF1180时间频率计量名词术语及定义JJF1206—2018时间与频率标准远程校准规范JJG2007—2015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。3概述铯原子频率标准(以下简称铯频标)是一种被动型原子频率标准,由物理部分和电子部分组成,基本原理如图1所示。物理部分主要为铯原子谐振器,谐振器内铯原子在微波激励信号作用下发生能级跃迁,输出与铯原子跃迁频率对应的鉴频信号;电子部分主要由信号解调、频率控制、晶体振荡器、信号调制、频率综合等部分组成,将晶体振荡器的频率锁定到铯原子的跃迁频率。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铯频标的输出信号,供外部使用。图1铯原子频率标准基本工作原理具备秒脉冲(1PPS)输出的铯频标又称为铯原子钟或铯钟,广泛应用于时频、通信、导航、航天、国防等科研、计量领域。JJF1958—202124计量特性4.1输出频率及幅度频率:5MHz、10MHz。幅度(有效值):≥1V(50Ω负载)。4.2谐波与非谐波失真谐波:≤-40dBc。非谐波:≤-80dBc。4.3频率稳定度见表1。τ表示取样时间,σy(τ)(阿伦标准偏差)表示频率稳定度。表1频率稳定度τσy(τ)10ms2×10-10~7×10-11100ms5×10-11~1×10-111s3×10-11~5×10-1210s1×10-11~3×10-12100s3×10-12~8×10-131000s1×10-12~2×10-1310000s3×10-13~8×10-141d2×10-13~1×10-144.4相位噪声见表2。f表示傅里叶分析频率,￡(f)表示单边带相位噪声。表2相位噪声f￡(f)(dBc/Hz)(载波频率f0=5MHz)1Hz-90~-10610Hz-120~-136100Hz-130~-1511kHz-140~-15610kHz-145~-160100kHz-145~-160JJF1958—202134.5相对频率偏差±1×10-11~±2×10-13。4.6频率复现性1×10-12~1×10-13。4.7频率调整范围范围:-1×10-9~1×10-9。4.8秒脉冲(1PPS)输出脉冲幅度:≥2.4V(50Ω负载)。脉冲宽度:20μs~10ms。上升时间:≤5ns。抖动:≤1ns(RMS)。脉冲相位调整范围:-0.5s~0.5s。脉冲相位调整分辨力:≤100ns。4.9时钟同步偏差同步秒脉冲:脉冲幅度2V~10V;脉冲宽度100ns~100μs;上升时间≤50ns。同步偏差:-50ns~50ns。注:以上技术指标不作合格评定,仅供参考。5校准条件5.1环境条件5.1.1环境温度在20℃~25℃范围内任选一值,温度最大允许变化±1℃。5.1.2环境湿度相对湿度≤80%。5.1.3供电电源电压:220(1±10%)V。频率:50(1±2%)Hz。5.1.4其他周围无影响仪器正常工作的电磁干扰和机械振动。5.2测量标准及其他设备5.2.1参考频标输出频率:5MHz、10MHz。频率稳定度:小于被校铯频标相同取样时间频率稳定度的1/3。相对频率偏差:比被校铯频标小1个量级。相位噪声:比被校铯频标相应傅里叶分析频率的相位噪声小10dB。注:参考频标可以选用一个或多个,分别满足上述要求。JJF1958—202145.2.2频标比对器输入频率:5MHz、10MHz。比对不确定度(用阿伦标准偏差表示)小于被校铯频标相同取样时间的频率稳定度的1/3。5.2.3相位噪声测量装置输入频率:5MHz、10MHz。傅里叶分析频率:1Hz~100kHz。相位噪声本底:比被校铯频标在相应傅里叶频率点的相位噪声小10dB。5.2.4频谱分析仪频率范围:覆盖1MHz~50MHz。动态范围:≥100dB。5.2.5时间间隔计数器时间间隔:1ns~1s。最大允许误差:±1ns。触发电平:在(0~5)V范围内连续可调,并能显示电平值。有外接频标功能。5.2.6示波器带宽:≥500MHz。幅度测量最大允许误差:±5%。5.2.7秒脉冲(1PPS)发生器脉冲幅度:≥2V(50Ω)。脉冲宽度:≥100ns。脉冲上升时间:<5ns。有外接频标功能。6校准项目和校准方法6.1校准项目校准项目见表3。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5表3(续)序号项目名称7频率复现性8频率调整范围9秒脉冲幅度及宽度10秒脉冲上升时间11秒脉冲抖动12秒脉冲相位调整范围及分辨力13时钟同步偏差6.2校准方法6.2.1外观及工作正常性检查(1)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。(2)工作正常性检查被校铯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。6.2.2输出信号幅度仪器连接如图2所示。图2频率信号幅度的校准被校铯频标的5MHz、10MHz信号分别接入示波器,输入阻抗为50Ω,直接测量输入信号的幅度值。6.2.3谐波与非谐波失真仪器连接如图3所示。图3谐波和非谐波失真的校准被校铯频标的5MHz、10MHz信号分别接入频谱分析仪。(1)谐波失真频谱分析仪的分辨力带宽(RBW)、视频带宽(VBW)均设置为1kHz,合理设置6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次谐波频率的功率电平。n次谐波失真按公式(1)计算,选取Hn最大值作为测量结果。Hn=Pn-P1(1)式中:P1—基波功率电平,dBm;Pn—n次谐波(一般n取2、3、4、5)功率电平,dBm;Hn—n次谐波失真,dBc。(2)非谐波失真频谱分析仪的分辨力带宽(RBW)、视频带宽(VBW)均设置为1kHz,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10kHz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(2)计算。(2)N=PN-P1(2)式中:PN—偏离载频10kHz以外频偏范围内最大的非谐波功率电平,dBm;N—非谐波失真,dBc。6.2.4频率稳定度仪器连接如图4所示。图4频率稳定度的校准被校铯频标的输出频率fx和参考频标的输出频率fr为5MHz或10MHz,取样时间和取样组数按表4选取,采用频标比对器测量阿伦标准偏差,作为频率稳定度结果。表4取样时间和取样组数取样时间τ取样组数m10ms≥100100ms≥1001s≥10010s≥100100s≥501000s≥1510000s≥151d≥15注:参考JJF1206—2018《时间与频率标准远程校准规范》,可远程校准频率稳定度。JJF1958—202176.2.5相位噪声仪器连接如图5所示。图5相位噪声的校准利用相位噪声测量装置直接测量,傅里叶分析频率取1Hz~100kHz。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。6.2.6相对频率偏差(1)频标比对器法仪器连接如图4所示,取样时间τ≥1d,频标比对器测量相对频率偏差,作为校准结果。(2)时差法仪器连接如图6所示。图6时差法测量原理参考频标和被校铯频标输出的秒脉冲分别接入时间间隔计数器的启动和停止端。时间间隔计数器测量两信号的相位时间差,测量结果为ΔT1,取样时间τ≥1d,再次测量结果为ΔT2,用公式(3)计算相对频率偏差:(3)y(τ)=(3)式中:ΔT1,ΔT2———两次测量的相位时间差,s;y(τ)—相对频率偏差。注:参考JJF1206—2018《时间与频率标准远程校准规范》,可远程校准相对频率偏差。6.2.7频率复现性被校铯频标锁定后,运行0.5h(或按说明书给定运行时间),测量24h,测得相对频率偏差y1(τ),τ=1d;关机24h,再次开机锁定后,运行0.5h(或按说明书给),测量24h,测得相对频率偏差y2(τ),τ=1d,按照公式(4)计算频率R=|y2(τ)-y1(τ)|(4)6.2.8频率调整范围用频标比对器法或时差法测量相对频率偏差y(τ),取样时间τ≥100s。调整前,测出被校铯频标的相对频率偏差y1(τ),设置被校铯频标频率调整量为正JJF1958—20218向最大调整量,测出频率调整后的相对频率偏差y2(τ);再设置被校铯频标频率调整量为负向最大调整量,测出频率调整后的相对频率偏差y3(τ)。计算出y2(τ)-y1(τ)和y3(τ)-y2(τ),作为频率调整量的实际值。6.2.9秒脉冲(1PPS)幅度及宽度仪器连接如图7所示,被校铯频标的秒脉冲信号接入示波器。图7秒脉冲信号校准示波器的输入阻抗选为50Ω,调节示波器,使屏幕上显示稳定的脉冲波形,直接测量输入秒脉冲信号的幅度与宽度。6.2.10秒脉冲(1PPS)上升时间仪器连接如图7所示。示波器的输入阻抗选为50Ω,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10%上升到90%所对应的时间间隔即为秒脉冲上升时间。6.2.11秒脉冲(1PPS)抖动仪器连接如图8所示。图8秒脉冲抖动校准被校铯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、输入阻抗为50Ω、触发电平为两脉冲幅度的1/2,测量100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。6.2.12秒脉冲(1PPS)相位调整范围及分辨力仪器连接如图9所示。参考秒脉冲发生器输出的1PPS信号接入时间间隔计数器的启动端,被测铯频标输出的1PPS信号接入时间间隔计数器的停止端,两连接电缆长度应相同,设置时间间隔计数器的触发电平分别为两脉冲幅度的1/2,并设为前沿触发。调整前,测量两秒脉冲的时差ΔT1。调节被校铯频标秒脉冲的相位+0.5s,测量时差为ΔT2,按公式(5)计算相移的实际值:S1=ΔT2-ΔT1(5)调节被校铯频标秒脉冲的相位-0.5s,测量时差为ΔT3,按公式(6)计算相移的实际值:S2=ΔT3-ΔT2(6)调节被校铯频标一个分辨力值,测量时差为ΔT4,按公式(7)计算相移的分辨力:R=ΔT4-ΔT3(7)S1、S2及R值应与设定值一致。JJF1958—20219图9秒脉冲相位调整范围及分辨力校准6.2.13时钟同步偏差仪器连接如图10所示。参考秒脉冲发生器输出的秒脉冲接入时间间隔计数器的启动端,被校铯频标输出的秒脉冲接入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”连接电缆也要尽量短,并且标定该电缆时延,记为ΔT0。设置时间间隔计数器的触发电平分别为两脉冲幅度的1/2,并设为前沿触发。ΔT1,ΔT1-ΔT0即为同步偏差。图10时钟同步7校准结果表达铯频标校准后,出具校准证书。校准证书至少应包含以下信息:a)标题:“校准证书”;b)实验室名称和地址;c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)客户的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识;g)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;h)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;i)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;k)校准环境的描述;10l)校准结果及其测量不确定度的说明;m)对校准规范的偏离的说明;n)校准证书签发人的签名、职务或等效标识;o)校准结果仅对被校对象有效的说明;p)未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。8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。JJF1958—202111附录A原始记录格式A.1外观及工作正常性检查检查项目结果外观工作正常性A.2输出信号幅度频率/MHz幅度/V不确定度U/V(k=2)510A.3谐波与非谐波失真频率/MHz谐波/dBc非谐波/dBc不确定度U/dB(k=2)510A.4频率稳定度取样时间τ频率稳定度σy(τ)不确定度U(k=2)10ms100ms1s10s100s1000s10000s1dA.5相位噪声f￡(f)/(dBc/Hz)(载波频率f0=5MHz)不确定度U/dB(k=2)1Hz10Hz100Hz12f￡(f)/(dBc/Hz)(载波频率f0=5MHz)不确定度U/dB(k=2)1kHz10kHz100kHzA.6相对频率偏差(1)频标比对器法:取样时间τ/s相对频率偏差y(τ)不确定度U(k=2)(2)时差法:时差ΔT1/s时差ΔT2/s取样时间τ/s相对频率偏差y(τ)不确定度U(k=2)A.7频率复现性相对频率偏差y1(τ)相对频率偏差y2(τ)频率复现性R不确定度U(k=2)A.8频率调整范围设定值实际值不确定度U(k=2)1×10-9*-1×10-9**按说明书给定的调整范围设定。A.9秒脉冲幅度与宽度项目测量值不确定度U(k=2)幅度U/V宽度tw/sA.10秒脉冲上升时间秒脉冲上升时间Δt/ns不确定度U/ns(k=2)13A.11秒脉冲抖动秒脉冲抖动Δt/ns不确定度U/ns(k=2)A.12秒脉冲相位调整范围及分辨力相移设定值相移实际值不确定度U(k=2)0.5s-0.5s50ns**按说明书给定的分辨力设定。A.13时钟同步偏差同步偏差Δt/ns不确定度U/ns(k=2)14附录B校准证书(内页)格式B.1外观及工作正常性检查检查项目结果外观工作正常性B.2频率信号幅度频率/MHz幅度/V不确定度U/V(k=2)510B.3谐波与非谐波失真频率/MHz谐波/dBc非谐波/dBc不确定度U/dB(k=2)510B.4频率稳定度取样时间τ频率稳定度σy(τ)不确定度U(k=2)10ms100ms1s10s100s1000s10000s1dB.5相位噪声f￡(f)/(dBc/Hz)(载波频率f0=5MHz)不确定度U/dB(k=2)1Hz10Hz100Hz15f￡(f)/(dBc/Hz)(载波频率f0=5MHz)不确定度U/dB(k=2)1kHz10kHz100kHzB.6相对频率偏差相对频率偏差y不确定度U(k=2)B.7频率复现性频率复现性R不确定度U(k=2)B.8频率调整设定值实际值不确定度U(k=2)1×10-9*-1×10-9**按说明书给定的调整范围设定。B.9秒脉冲幅度与宽度项目测量值不确定度U(k=2)幅度U/V宽度tw/sB.10秒脉冲上升时间秒脉冲上升时间Δt/ns不确定度U/ns(k=2)B.11秒脉冲抖动秒脉冲抖动Δt/ns不确定度U/ns(k=2)B.12秒脉冲相位调整范围及分辨力相移设定值相移实际值不确定度U(k=2)0.5s-0.5s50ns**按说明书给定的分辨力设定。16B.13时钟同步偏差同步偏差Δt/ns不确定度U/ns(k=2)17附录C主要校准项目不确定度评定示例C.1频率稳定度不确定度评定测量方法见6.2.4,其中参考频标为高稳晶振8607、频标比对器为VCH314,频标比对器测量示值阿伦标准偏差,作为被校铯频标的频率稳定度测量值。C.1.1不确定度来源测量不确定度主要来源包括:(1)参考频标输出频率不稳定引入的不确定度;(2)频标比对器自身不稳定引入的不确定度;(3)有限次测量引入的不确定度。C.1.2标准不确定度分量评定(1)参考频标输出频率不稳定引入的不确定度分量u1参考频标(高稳晶振8607)平均时间为1s时的频率稳定度测量值为5.8×10-14,按A类方法评定,则:u1=5.8×10-14(2)频标比对器自身不稳定引入的不确定度分量u2频率比对器VCH314技术说明书给出取样闸门时间为1s时,比对不确定度为3.0×10-14,按B类方法评定,设为均匀分,包含因子k=3,则:u2==1.7×10-14(3)有限次测量引入的不确定度分量u3采用A类方法进行评定,被校铯频标1s频率稳定度测量结果为2.3×10-12,阿伦标准偏差有限次测量次数m为100,则:u3==2.3×10-13C.1.3标准不确定度分量表各标准不确定度分量见表C.1。表C.1标准不确定度分量表不确定度来源不确定度分量评定方法分布k值标准不确定度参考频标u1A类5.8×10-14频标比对器u2B类均匀 31.7×10-14有限次测量u3A类正态12.3×10-13C.1.4合成标准不确定度以上各分量互不相关,合成标准不确定度为:JJF1958—202118uc=u+u+u=2.4×10-13C.1.5扩展不确定度取包含因子k=2,扩展不确定度为:U=2uc=4.8×10-13,取U=5×10-13C.2相对频率偏差不确定度评定测量方法见6.2.6,以原子时标国家计量基准UTC(NIM)作为参考频标,采用时间间隔计数器SR620测量被校铯频标的相对频率偏差,则依据公式(3)计算出被校铯频标的相对频率偏差。C.2.1不确定度来源测量不确定来源包括:(1)UTC(NIM)输出频率不准确引入的不确定度;(2)UTC(NIM)输出频率不稳定引入的不确定度;(3)时间间隔计数器测量能力引入的不确定度;(4)测量重复性引入的不确定度。C.2.2标准不确定度分量评定(1)UTC(NIM)输出频率不准确引入的不确定度分量u1UTC(NIM)相对于协调世界时UTC的最大频率偏差为±5×10-15,按B类方法评定,设其为均匀分布,包含因子k=3,则:u1=5×10-15 3=2.89×10-15(2)UTC(NIM)输出频率不稳定引入的不确定度分量u2UTC(NIM)相对于协调世界时UTC的日稳定度按2×10-15计算,按B类方法评定,设其为均匀分布,包含因子k=3,则:u2==1.15×10-15(3)时间间隔计数器测量能力引入的不确定度分量u3测量601-k=3,时差法测量2次,则:u3==9.47×10-15(4)测量重复性引入的不确定度分量u4采用A类方法进行评定,对被测铯原子频标的相对频率偏差连续独立测量10次,用贝塞尔法计算实验标准偏差。重复性测量数据见表C.2。JJF1958—202119表C.2重复性测量数据序号相对频率偏差xi1-6.5×10-132-7.1×10-133-6.3×10-134-6.9×10-135-6.4×10-136-7.2×10-137-6.5×10-138-6.9×10-139-6.7×10-1310-7.6×10-13x-6.8×10-13sn(x)4.3×10-13不确定度分量:u4=sn(x)=(xi-)2=4.3×10-14C.2.3标准不确定度分量表各标准不确定度分量表见表C.3。表C.3标准不确定度分量表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UTC(NIM)输出频率不准确u1B类均匀 32.89×10-15UTC(NIM)输出频率不稳定u2B类均匀 31.15×10-15时间间隔计数器测量能力u3B类均匀 39.47×10-15测量重复性u4A类正态14.3×10-14C.2.4合成标准不确定度以上各分量互不相关,合成标准不确定度为:uc=u+u+u+u=4.5×10-14C.2.5扩展不确定度取包含因子k=2,扩展不确定度为:U=2uc=9×10-14C.3相位噪声不确定度评定测量方法见6.2.5,其中以低噪声晶振为参考频标,相位噪声测量系统的直接测量值为被校铯频率标准输出信号单边带相位噪声校准值。20C.3.1不确定度来源测量不确定度来源包括:(1)参考频标引入的不确定度;(2)相位噪声测量装置引入的不确定度;(3)读数误差引入的不确定度;(4)测量重复性引入的标准不确定度。C.3.2标准不确定度分量评定(1)参考频标引入的不确定度u1参考频标选取低噪声晶振,其相位噪声小于被测铯频标相位噪声的10dB,其对测量结果的最大贡献为±0.4dB,即区间半宽度a=0.4dB,按B类方法评定,设为均匀分布,包含因子k=3,则:u1=0.23dB(2)相位噪声测量系统引入的不确定度u2相位噪声测量系统在傅里叶频率f≤100kHz时引入的最大误差为±2dB,即区间半宽度a=2dB,按B类方法评定,设为均匀分布,包含因子k=3,则:u2=1.16dB(3)读数误差引入的不确定度u3根据经验,读数误差最大贡献为±1dB,即区间半宽度a=1dB,按B类方法评定,设为均匀分布,包含因子k=3,则:u3=0.58dB(4)测量重复性引入的标准不确定度u4采用A类方法进行评定,以载波频率为10MHz,傅里叶频率f=10kHz的相位噪声为分析点,连续独立测试10次,用贝塞尔法计算实验标准偏差。相位噪声重复性测量数据见表C.4。表C.4相位噪声重复性测量数据序号￡(f=10kHz)/(dBc/Hz)测量值xi1-143.52-143.53-143.74-143.45-143.521表C.4(续)序号￡(f=10kHz)/(dBc/Hz)测量值xi6-143.77-143.68-143.69-143.710-143.5x-143.6sn(x)0.11不确定度分量:u4=sn=0.11dBC.3.3标准不确定度分量表各标准不确定度分量如表C.5所示。表C.5标准不确定度分量表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dB参考频标u1B类均匀 30.23相位噪声测量系统u2B类均匀 31.16读数误差u3B类均匀 30.58测量重复性u4A类正态10.11C.3.4合成标准不确