JJF 1956-2021 氢原子频率标准校准规范-(高清版).pdf
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1、中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 9 5 62 0 2 1氢原子频率标准校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rH y d r o g e nA t o m i cF r e q u e n c yS t a n d a r d s 2 0 2 1-1 2-2 8发布2 0 2 2-0 6-2 8实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局 发 布氢原子频率标准校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rH y d r o g e nA t o m i
2、 cF r e q u e n c yS t a n d a r d sJ J F1 9 5 62 0 2 1代替J J G1 0 0 42 0 0 5 归 口 单 位:全国时间频率计量技术委员会 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J J F1 9 5 62 0 2 1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
3、系统部装备部)龚 航(国防科技大学)J J F1 9 5 62 0 2 1目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 概述(1)4 计量特性(2)4.1 输出频率及幅度(2)4.2 频率稳定度(2)4.3 频率漂移率(2)4.4 相对频率偏差(2)4.5 相位噪声(2)4.6 谐波与非谐波失真(2)4.7 秒脉冲(1 P P S)输出(3)4.8 时钟同步(3)5 校准条件(3)5.1 环境条件(3)5.2 测量标准及其他设备(3)6 校准项目和校准方法(4)6.1 校准项目(4)6.2 校准方法(5)7 校准结果表达(9)8 复校时间间隔(1 0)附录A 原始记录格式(1 1)附录B
4、校准证书(内页)格式(1 5)附录C 主要校准项目不确定度评定示例(1 7)J J F1 9 5 62 0 2 1引 言本规范依据J J F1 0 7 12 0 1 0 国家计量校准规范编写规则和J J F1 0 5 9.12 0 1 2 测量不确定度评定与表示编写。本规范是对J J G1 0 0 42 0 0 5 氢原子频率标准的修订,修订内容如下:根据J J G2 0 0 72 0 1 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
5、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:J J G1 0 0 42 0 0 5。J J F1 9 5 62 0 2 1氢原子频率标准校准规范1 范围本规范适用于氢原子频率标准的校准。2 引用文件本规范引用了下列文件:J J F1 0 0 12 0 1 1 通用计量术语及定义J J F1 1 8 0 时间频率计量名词术语及定义J J F1 2 0 62 0 1 8 时间与频率标准远程校准规范J J G2 0 0 72 0 1 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。3 概述
6、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1J J F1 9 5 62 0 2 1具备秒脉冲(1 P
7、P S)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。4 计量特性4.1 输出频率及幅度频率:5MH z、1 0MH z、1 0 0MH z。幅度(有效值):1V(5 0)。4.2 频率稳定度见表1。表示取样时间,y()(阿仑标准偏差)表示频率稳定度。表1 频率稳定度y()1s11 0-1 251 0-1 41 0s31 0-1 311 0-1 41 0 0s11 0-1 321 0-1 510 0 0s51 0-1 411 0-1 51 00 0 0s11 0-1 481 0-1 61d41 0-1 511 0-1 64.3 频率漂移率11 0
8、-1 4/d 21 0-1 6/d。4.4 相对频率偏差11 0-1 211 0-1 3。4.5 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)(d B c/H z)(载波频率f0=5MH z)1H z-1 0 0-1 3 21 0H z-1 2 0-1 4 51 0 0H z-1 4 0-1 5 41k H z-1 5 0-1 6 01 0k H z-1 5 0-1 6 04.6 谐波与非谐波失真谐波失真:-3 0d B c。2J J F1 9 5 62 0 2 1非谐波失真:-8 0d B c。4.7 秒脉冲(1 P P S)输出脉冲幅度:2.4V(
9、5 0)。脉冲宽度:2 0s1 0m s。上升时间:5n s。抖动:0.1n s(RM S)。4.8 时钟同步同步秒脉冲:脉冲幅度:2V1 0V;脉冲宽度:2 0s;上升时间:5n s。同步偏差:(-2 52 5)n s。注:以上技术指标不作合格性评定,仅供参考。5 校准条件5.1 环境条件5.1.1 环境温度在2 02 5范围内任选一值,温度最大允许变化0.5。5.1.2 环境湿度相对湿度8 0%。5.1.3 供电电源电压:2 2 0(11 0%)V;频率:5 0(12%)H z。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
10、率:5MH z、1 0MH z、1 0 0MH z;频率稳定度:优于被校氢频标相同取样时间频率稳定度的1/3;不能满足此要求时,可用12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1 0d B;不能满足此要求时,可用12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。5.2.2 频标比对器输入频率:5MH z、1 0MH z、1 0 0MH z;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1/3。5.2.3 相位噪声测量装置输入频率:5MH z、1 0MH z、1 0 0
11、MH z;3J J F1 9 5 62 0 2 1傅里叶分析频率:覆盖1H z 1 0k H z;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1 0d B。5.2.4 示波器带宽:5 0 0MH z;幅度测量最大允许误差:5%。5.2.5 频谱分析仪频率范围:覆盖1MH z 5 0 0MH z;动态范围:1 0 0d B。5.2.6 时间间隔计数器时间间隔:1n s 1s;最大允许误差:1n s;触发电平:在(05)V范围内连续可调,并能显示电平值;有外接频标功能。5.2.7 秒脉冲(1 P P S)发生器脉冲幅度:2V(5 0);脉冲宽度:1 0 0n s;脉冲上升时间:5n s
12、;有外接频标功能。6 校准项目和校准方法6.1 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7频率漂移率8秒脉冲幅度及宽度9秒脉冲上升时间1 0秒脉冲抖动1 1时钟同步偏差4J J F1 9 5 62 0 2 16.2 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
13、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。6.2.2 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,示波器的输入阻抗为5 0,直接测量输入信号的幅度值。图3 输出信号幅度的校准6.2.3 谐波与非谐波失真仪器连接如图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(R BW)、视频带宽(V BW)均设置为1k H z,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(1)
14、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,d B m;Pn n次谐波(一般n取2、3、4、5)频率的功率电平,d B m;Hn n次谐波失真,d B c。(2)非谐波失真频谱分析仪的分辨力带宽(R BW)、视频带宽(V BW)均设置为1k H z,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1 0k H 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(2)计算。N=PN-P1(2)5J J F1 9 5 62 0 2 1 式中:PN 偏离载频1 0k H z以外频偏范围内最大的非谐波功率电平,d B m;N 非谐波失真,d B
15、c。6.2.4 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fr为5MH z、1 0MH z或1 0 0MH z,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取样组数m1s1 0 01 0s1 0 01 0 0s5 010 0 0s1 51 00 0 0s1 51d1 5 可采用如下三种方式进行校准:(1)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1/3,采用频标比对器直接测量阿伦标准偏差,作为稳定度校准结果。(2)三台互比被校氢频标与2台频率稳定度接近的参考频标进行互比。依据公式(3)计算被校氢频标的频率
16、稳定度y:y=12(21y+22y-21 2)(3)式中:1y 被校氢频标相对于参考频标1的频率稳定度;2y 被校氢频标相对于参考频标2的频率稳定度;1 2 参考频标2相对于参考频标1的频率稳定度。(3)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,依据公式(4)计算被校氢频标的频率稳定度。6J J F1 9 5 62 0 2 1y()=121y()(4)式中:1y()频率稳定度的测量结果。注:参考J J F1 2 0 62 0 1 8 时间与频率标准远程校准规范,可远程校准频率稳定度。6.2.5 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
17、里叶分析频率的相位噪声小1 0d B时,傅里叶分析频率取1H z 1 0k H z,相位噪声测量装置直接测量值作为校准结果。(2)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(5)计算被校氢频标的相位噪声:(f)=1 0l g1 01x(f)1 0+1 02x(f)1 0-1 01 2(f)1 02 (5)式中:1x(f)被校氢频标相对于参考频标1的相位噪声;2x(f)被校氢频标相对于参考频标2的相位噪声;1 2(f)参考频标2相对于参考频标1的相位噪声。(3)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,相位噪声测量装置测量值减去3d B作为校准结果。在校准结果中给
18、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5所示,取样时间1d,频标比对器直接测量相对频率偏差,作为校准结果。(2)时差法仪器连接如图7所示。7J J F1 9 5 62 0 2 1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,时间间隔计数器测量两信号的相位时间差,测量结果为T1取样时间1d,再次测量结果为T2,依据公式(6)计算相对频率偏差:y()=T2-T1(6)式中:T1,T2 两次测量的相位时间差,s;y(?)相对频率偏差。注:参考J J F1 2 0 62 0 1 8 时间
19、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 频率漂移率采用频标比对器法测量1 5天,取样时间=1d,测量得到1 5个相对频率偏差yi(),依据公式(7)计算日漂移率,给出频率变化曲线。K=1 5i=1yi()-y-()(ti-t-)1 5i=1(ti-t-)2(7)式中:ti 取样时序(为1,2,1 5);yi()ti时刻测得的相对频率偏差,=1d;t-=11 51 5i=1ti;y-()=11 51 5i=1yi()。注:参考J J F1 2 0 62 0 1 8 时间与频率标准远程校准规范,可远程校准频率漂移率。6.2.8 秒脉冲(1 P P S)幅度及宽度仪器连接如图8所
20、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5 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。6.2.9 秒脉冲(1 P P S)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8J J F1 9 5 62 0 2 15 0,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1 0%上升到9 0%所对应的时间间隔即为秒脉冲上升时间。6.2.1 0 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
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