JJF 2090-2023 石英晶体频率标准校准规范.pdf
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1、中华人民共和国国家计量技术规范J J F2 0 9 02 0 2 3石英晶体频率标准校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rQ u a r t zC r y s t a lF r e q u e n c yS t a n d a r d s 2 0 2 3-1 0-1 2发布2 0 2 4-0 4-1 2实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局 发 布石英晶体频率标准校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rQ u a r t zC r y s t a l
2、F r e q u e n c yS t a n d a r d sJ J F2 0 9 02 0 2 3代替J J G1 8 12 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 本规范委托全国时间频率计量技术委员会负责解释J J F2 0 9 02 0 2 3本规范主要起草人:刘年丰(中国计量科学研究院)王玉琢(中国计量科学研究院)张爱敏(中国计量科学研究院)参加起草人:韩 红(北京无线电计量测试研究所)J J F2 0 9 02 0 2 3目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 术语(1)4 概述
3、(1)5 计量特性(2)5.1 频率信号输出(2)5.2 秒脉冲(1P P S)输出(2)5.3 谐波与非谐波失真(2)5.4 频率稳定度(2)5.5 相位噪声(2)5.6 相对频率偏差(3)5.7 日老化率(3)5.8 频率复现性(3)5.9 GN S S驯服石英频标相对频率偏差(3)5.1 0 GN S S驯服石英频标秒脉冲定时偏差(3)5.1 1 GN S S驯服石英频标秒脉冲定时稳定度(3)6 校准条件(3)6.1 环境条件(3)6.2 测量标准及其他设备(3)7 校准项目和校准方法(4)7.1 校准项目(4)7.2 校准方法(5)8 校准结果表达(1 0)9 复校时间间隔(1 0)附
4、录A 原始记录格式(1 1)附录B 校准证书(内页)格式(1 4)附录C GN S S驯服石英频标校准证书(内页)格式(1 6)附录D 主要校准项目不确定度评定示例(1 8)J J F2 0 9 02 0 2 3引 言J J F1 0 0 12 0 1 1 通用计量术语及定义、J J F1 0 7 12 0 1 0 国家计量校准规范编写规则、J J F1 0 5 9.12 0 1 2 测量不确定度评定与表示共同构成制定本校准规范的基础性系列规范。本规范是对J J G1 8 12 0 0 5 石英晶体频率标准的修订,主要修订内容如下:原规程名称为 石英晶体频率标准,现修改为 石英晶体频率标准校准
5、规范;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”;增加谐波与非谐波失真、日老化率、复现性、秒脉冲幅度、秒脉冲宽度、秒脉冲抖动、秒脉冲定时偏差、秒脉冲定时稳定度的校准内容;删除原规程中附录A(相对平均频率偏差测量方法);删除原规程中附录B(相位噪声测量方法);本规范历次版本发布情况为:J J G1 8 12 0 0 5;J J G1 8 11 9 8 9。J J F2 0 9 02 0 2 3石英晶体频率标准校准规范1 范围本规范适用于石英晶体频率标准,包括GN S S(全球导航卫星系统)驯服的石英晶体频率标准的校准。2 引用文件本规范引用了
6、下列文件:J J G2 0 0 7 时间频率计量器具J J F1 0 0 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 4 0 3 全球导航卫星系统(GN S S)接收机(时间测量型)校准规范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 术语3.1 定时偏差 t i m i n go f f s e t石英晶体频率标准输出1P P S信号与标准1P P S信号的偏差。3.2 定时稳定度 t i m i n gs t a b i l i t y石英晶体频率标准输出1P P S信号
7、自身的一致程度。4 概述石英晶体频率标准(以下简称石英频标)具有优良的短期频率稳定度和相位噪声,主要由石英谐振器、振荡电路、隔离放大器、自动增益控制电路、恒温槽、精密温度控制电路和直流稳压电源等部分组成,工作原理如图1所示。图1 石英晶体频标工作原理 GN S S驯服的石英频标输出频率受GN S S信号不断调节,具有更小的频率偏差,可达到原子频标的水平。石英频标广泛应用于工业生产、国防、科研和计量等部门。1J J F2 0 9 02 0 2 35 计量特性5.1 频率信号输出频率:5MH z、1 0MH z、1 0 0MH z;幅度:0.5V(5 0负载)。5.2 秒脉冲(1P P S)输出脉
8、冲幅度:2.4V(5 0负载);脉冲宽度:2 0s 1 0 0m s;上升时间:5n s;抖动:1n s。5.3 谐波与非谐波失真谐波:-4 0d B c;非谐波:-8 0d B c。5.4 频率稳定度见表1。表1 频率稳定度y()1m s11 0-811 0-1 11 0m s11 0-911 0-1 21 0 0m s11 0-1 011 0-1 31s11 0-1 051 0-1 41 0s11 0-1 051 0-1 41 0 0s11 0-1 051 0-1 4 注:表示取样时间,y()(阿仑标准偏差)表示频率稳定度。5.5 相位噪声见表2。表2 相位噪声f(f)/(d B c/H
9、z)1H z-8 0-1 3 01 0H z-9 0-1 5 01 0 0H z-1 0 0-1 5 01k H z-1 4 0-1 7 81 0k H z-1 4 0-1 7 81 0 0k H z-1 4 0-1 7 8 注:f表示傅里叶分析频率,(f)表示相位噪声。2J J F2 0 9 02 0 2 35.6 相对频率偏差(11 0-811 0-1 0)。5.7 日老化率(11 0-911 0-1 2)。5.8 频率复现性11 0-911 0-1 2。5.9 GN S S驯服石英频标相对频率偏差(11 0-1 011 0-1 3)(=1d)。5.1 0 GN S S驯服石英频标秒脉冲定
10、时偏差锁定模式(=1d):(1 0n s 1s);保持模式(=1d):(1 0 0n s 1 0 0s)。5.1 1 GN S S驯服石英频标秒脉冲定时稳定度(12 0 0)n s。注:以上指标仅供参考,不作为合格性判定的说明。6 校准条件6.1 环境条件6.1.1 环境温度在1 82 8范围内任选一点,温度最大允许变化2。6.1.2 环境湿度相对湿度8 0%。6.1.3 供电电源电压:2 2 0(11 0%)V;频率:5 0(12%)H z。6.1.4 其他周围无影响仪器正常工作的电磁干扰和机械振动。6.2 测量标准及其他设备6.2.1 参考频标输出频率:5MH z、1 0MH z、1 0
11、0MH z;频率稳定度:优于被校石英频标相同取样时间频率稳定度的1/3;相对频率偏差及日老化率:优于被校石英频标1个量级;相位噪声:比被校石英频标相同傅里叶分析频率的相位噪声至少小1 0d B。注:参考频标可以选用一个或多个,分别满足上述要求。6.2.2 参考时间源输出:1P P S;定时偏差:优于被校石英频标定时偏差一个量级;定时稳定度:优于被校石英频标定时稳定度的1/3。6.2.3 频标比对器输入频率:5MH z、1 0MH z、1 0 0MH z;3J J F2 0 9 02 0 2 3测量带宽:应大于相应取样时间倒数的5倍;能够测量和计算频率稳定度,比对不确定度(用阿仑标准偏差表示)优
12、于被校石英频标相同取样时间的频率稳定度的1/3。6.2.4 相位噪声测量装置输入频率:5MH z、1 0MH z、1 0 0MH z;傅里叶分析频率:1H z 1 0 0k H z;相位噪声本底:比被校石英频标相同傅里叶分析频率的相位噪声至少小1 0d B。6.2.5 频谱分析仪频率范围:1MH z 1 0 0MH z;电平测量最大允许误差:1d B;动态范围:1 0 0d B。6.2.6 时间间隔计数器测量范围:1n s 1s,应有外接频标功能;最大允许误差:(|参考频标相对频率偏差|被测时间间隔+1n s);触发电平:在(05)V范围内连续可调,并能指示电平值。6.2.7 示波器示波器带宽
13、:5 0 0MH z;幅度测量最大允许误差:5%。7 校准项目和校准方法7.1 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频率信号输出幅度3秒脉冲(1P P S)输出4谐波与非谐波失真5频率稳定度6相位噪声7相对频率偏差8日老化率9频率复现性1 0GN S S驯服石英频标相对频率偏差1 1GN S S驯服石英频标秒脉冲定时偏差1 2GN S S驯服石英频标秒脉冲定时稳定度4J J F2 0 9 02 0 2 37.2 校准方法7.2.1 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
14、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,无影响工作的机械损伤。2)工作正常性检查被校石英频标加电后,应用示波器进行检查各输出端有无相应的信号输出。7.2.2 频率信号输出幅度仪器连接如图2所示。图2 频率信号输出幅度校准 被校石英频标的5MH z、1 0MH z及1 0 0MH z频率信号分别接入示波器,示波器的输入阻抗选为5 0,测量输入信号的幅度值。7.2.3 秒脉冲(1P P S)输出1)秒脉冲(1P P S)幅度及宽度图3 秒脉冲信号幅度校准 仪器连接如图3。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,测量输
15、入秒脉冲信号的幅度与宽度。2)秒脉冲(1P P S)上升时间仪器连接如图3。调节示波器,使屏幕上显示稳定的脉冲波形且上升沿部分占水平方向半格以上,测量秒脉冲幅度从1 0%上升到9 0%所对应的时间间隔,此即为秒脉冲(1P P S)上升时间。3)秒脉冲(1P P S)抖动仪器连接如图4所示。被校石英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,触发电平为秒脉冲幅度的5 0%,测量1 0 0个数据,计算其实验标准偏差作为秒脉冲抖动校准结果。校准结果计算公式见公式(1)。图4 秒脉冲抖动校准5J J F2 0 9 02 0 2 3Sj i t t e r=1N-1N
16、i=1xi-x 2(1)式中:N 采样个数;xi 第i次测量的秒脉冲周期的值;x 测得的秒脉冲周期的平均值。7.2.4 谐波与非谐波失真仪器连接如图5。被校石英频标的5MH z、1 0MH z、1 0 0MH z信号分别接入频谱分析仪。图5 谐波和非谐波失真校准 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,分别测量基波频率功率电平及n次谐波频率的功率电平。n次谐波失真按公式(2)计算。Hn=Pn-P0(2)式中:P0 基波频率功率电平,d B m;Pn n次谐波(一般n取2、3、4、5)频率功率电平,d B m;
17、Hn n次谐波失真,d B c。选取Hn最大值作为测量结果。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(3)计算。N=PN-P0(3)式中:P0 基波频率功率电平,d B m;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 c。7.2.5 频率稳定度仪器连接如图6所示,其中被校石英频标的输出频率为fx,参考频标的输出频率fr为5MH z、1 0MH z或1 0 0
18、MH z,取样时间和取样组数按表4选取,采用频标比对器直接测量阿仑标准偏差,作为频率稳定度结果。测量带宽应大于相应取样时间倒数的5倍。6J J F2 0 9 02 0 2 3图6 频标比对器法稳定度校准表4 取样时间和取样组数取样时间取样组数m1m s1 0 01 0m s1 0 01 0 0m s1 0 01s1 0 01 0s1 0 01 0 0s5 07.2.6 相位噪声仪器连接如图7所示。图7 相位噪声校准 利用相位噪声测量装置分别测量石英频标自由和GN S S驯服两种状态下的相位噪声,傅里叶分析频率取1H z 1 0 0k H z。在校准结果中给出相对于每个傅里叶分析频率的测量结果,
19、或给出相位噪声随傅里叶分析频率的变化曲线。7.2.7 相对频率偏差1)频标比对器法仪器连接如图6所示,取样时间1 0s,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8所示。图8 时差法相对频率偏差校准7J J F2 0 9 02 0 2 3 参考频标和被校石英频标输出的秒脉冲分别输入到时间间隔计数器的启动和停止端口。时间间隔计数器测量两信号的相位时间差,测量结果为T1,取样时间间隔 3 0 0s,再次测量结果为T2,按公式(4)计算相对频率偏差:y()=T2-T1(4)式中:T1、T2 两次测量的相位时间差,s;y()相对频率偏差;取样时间间隔,s。7.2.8 日老化率
20、采用频标比对器或时差法进行测量,每1 2h测量一次被校石英频标相对参考频标的相对频率偏差yi(),共测量7d,得到1 5个测量数据。按公式(5)和公式(6)计算日老化率K和相关系数r。K=21 5i=1yi()-y()(ti-t)1 5i=1(ti-t)2(5)r=1 5i=1yi()-y()(ti-t)1 5i=1yi()-y()21 5i=1(ti-t)2(6)式中:ti 测量时序(1,2,1 5);yi ti时刻测得的相对平均频率偏差;y 日老化测量周期内每1 2h测得的相对频率偏差测量值的算术平均值,y =11 51 5i=1yi();t 日老化测量时序算术平均值,t=11 51 5i
21、=1ti。如果相关系数|r|0.6,表明被校石英频标频率随时间线性变化显著,则校准结果给出日老化率K,附相对频率偏差变化曲线及拟合直线,并在校准结果中给出预热时间和相关系数;如果相关系数|r|0.6,表明被校石英频标频率随时间变化线性不明显,则不给日老化率值,只给相对频率偏差变化曲线。7.2.9 频率复现性被校石英频标连续工作一段时间T1后测得相对频率偏差y1(),断电一段时间T2,再开机一段时间T3后测得相对频率偏差值y2(),取样时间1 0s,T1=T3=石英频标规定的预热时间,T22 4h。按公式(7)计算频率复现性R:R=|y2()-y1()|(7)相对频率偏差的测量可采用频标比对器法
22、或时差法,具体可参见7.2.7。8J J F2 0 9 02 0 2 37.2.1 0 GN S S驯服石英频标相对频率偏差1)驯服状态下相对频率偏差将GN S S天线连接到被校石英频标GN S S天线输入端,待石英频标正常锁定2 4h后,用频标比对器法或时差法连续测量3d,给出每天的相对平均频率偏差yi(),绝对值最大的相对平均频率偏差,为锁定状态下相对频率偏差。2)保持状态下相对频率偏差被校石英频标锁定于GN S S信号状态2 4h后,去掉GN S S天线,利用频标比对器法或时差法测量1d,得到的相对平均频率偏差为保持状态下相对频率偏差。7.2.1 1 GN S S驯服石英频标秒脉冲定时偏
23、差仪器连接如图9所示,GN S S驯服的石英频标与参考时间源接入时间间隔计数器前天线和电缆所引入的两路1P P S信号时延差记为TD。图9 秒脉冲定时偏差校准 1)驯服状态下秒脉冲定时偏差石英频标正常锁定于GN S S信号后,由时间间隔计数器测量GN S S驯服石英频标与参考时间源1P P S信号2 4h时差算术平均值,记为t,按公式(8)计算石英频标锁定状态下的定时偏差AL。AL=t-TD(8)式中:TD 天线和电缆所引入信号时延差,n s;t GN S S驯服石英频标与参考时间源1P P S信号2 4h时差算术平均值。2)保持状态下秒脉冲定时偏差当石英频标锁定于GN S S信号2 4h后,
24、去掉GN S S天线,测量石英频标与参考时间源1P P S的时差序列2 4h时差峰值记为tm a x,按公式(9)计算石英频标保持状态下的定时偏差AK。AK=tm a x-TD(9)式中:TD 天线和电缆所引入信号时延差,n s;tm a x 保持状态下,GN S S驯服石英频标与参考时间源1P P S的时差序列2 4h时差峰值。7.2.1 2 GN S S驯服石英频标秒脉冲定时稳定度仪器连接如图9所示。当石英频标正常锁定于GN S S信号后,由时间间隔计数器测量石英频标与参考时间频率源1P P S信号2 4h时差序列ti,计算2 4h时差序列实验9J J F2 0 9 02 0 2 3标准差
25、s(t),则石英频标锁定状态下的定时稳定度为s(t)。8 校准结果表达石英频标校准后,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和应用有关时,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;l)校准
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