时间频率计量“课题研究式”学习及实践

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  [摘           要]  在“无线电计量”首次任职专业课中,时间频率计量是最基本也是最重要的计量项目。基于对时间频率计量的浓厚兴趣,在老师的指导下成立了时间频率计量课题研究小组,系统学习了时间频率计量知识,具体认识了时间频率的概念和特点,对国内外时间频率计量标准发展沿革和未来的发展趋势进行了分析和评述,熟悉了时间频率的计量方法,基于SR620时间频率计数器和Keysight 53520A时间频率计数器设计了时间频率测量实验,并对测量结果进行了分析。通过“课题研究式”学习和实践,收获了知识、增长了见识、锻炼了团队协作能力,取得了良好的学习效果。
  [关    键   词]  时间频率;计量;“课题研究式”
  [中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A              [文章编号]  2096-0603(2021)31-0051-03
   一、“课题研究式”学习方法和时间频率计量课题
   “课题研究式”学习方法,一般指为探究某个课题,或解决某个问题所采取的一种资讯收集、专项调查、分析归纳、探讨研究的学习并解决问题的方法[1]。“课题研究式”学习中,通过较为系统、阶段性、持续地对具体问题进行研究或探究性学习,学生人人有自己的思维方式,有不竭的学习动力,有永恒的学习好奇心,有助于培养学生的收集整理信息能力、设计创新能力、科学研究能力、书面和口头表达能力,增强学生学习的自主性、协作性、创新性,从而达到新课程要求的三维目标[2]。在国内近十多年间,“课题研究式”学习方法被广泛应用于物理、化学及生物自然学科、数学、历史、英语、工科课程等各个领域,取得了良好的教学效果[3-5]。
   “无线电计量”是测控技术与仪器专业的一门首次任职专业课,其中时间频率计量是最基本也是最重要的计量项目[6-9]。目前时间单位“秒”是7个国际单位制基本单位中最准确和最基础的,长度基本单位“米”的定义依赖于秒定义和光速(基本常数)导出,电学重要单位“伏特”可直接以频率定义,许多其他物理量,如距离、位移、加速度、温度、力等转化为时间频率来测量可提高测量准确度。这使在计量领域,时间频率计量成为保证许多测量值准确可靠的基础。我们在课外学习过程中,对时间频率计量产生了浓厚的兴趣,根据老师的指导,我们三人一组成立了时间频率计量课题研究小组,对时间频率的前世今生、应用发展进行了系统学习,并针对具体测量问题设计了实验测试,在学习和实践过程中取得了很大的收获。
   二、时间频率概念和计量发展历程
   计量为生产生活、科技进步提供了统一的单位制和准确可靠的量值,其中时间频率计量又显得尤为重要,大到航空航天发射测控和卫星导航系统建设,小到生活中的一次会见时间[10-11]。
   (一)时间频率的概念和发展
   人类对秒的认识和研究比较久远,大体上分为三个阶段:平太阳秒、历书秒和原子秒。平太阳秒是以地球自转周期为基础导出的时间基本单位,即以一个真太阳日的1/86400为真太阳秒,一年内真太阳秒的平均值作为平太阳秒;1960年出现了历书秒,即以1900年1月0日12时开始的一个回归年的1/31556925.974为历书秒,这种时间标准由于对星体准确位置观测上的困难,使秒长误差在10-9数量级;7年后,原子秒取代了历书秒,原子秒为铯-133原子在其基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁时辐射震荡9192631770个周期所持续的时间[12]。
   进入近现代以来,科学技术在进步,对秒复现的精度越来越高。世界上第一台热铯束钟是英国国家物理实验室于1955年研制完成的,精度达10-9;在英国之后相继有美国、德国、加拿大等国家研究成功,准确度也不断提高,至1995年首台铯原子喷泉钟建成时准确度等级达到了10-16量级。近年来,光钟的发展迅速,它利用原子或离子很窄的光学频率跃迁谱线,原子光钟精度达到了10-18量级,在国际上发展潜力最大、研究最多,未来有望对目前的“秒”重新定义和复现[13-14]。光钟已经成为当今时间频率领域的一个研究熱点。我国的光钟研究起步较晚。锶原子光晶格钟的研究于2006年正式启动,2015年独立研制完成国内第一台锶原子光晶格钟,评定的频率偏移不确定度为2.3×10-16。
   我国的计量科学研究院从70年代起开始了热铯束钟的研究,第一代的国家秒长计量基准NIM3于1981年研制完成,相对频率不确定度可达3×10-13[15],第二代秒长国家计量标准激光冷却铯原子喷泉钟NIM4于2003年初步完成研制,经改进后精度达5×10-15,2014年我国计量科学研究院研制成新一代的NIM5铯原子喷泉钟,不确定度等级达到1.5×10-15,经过改进以后将NIM5的不确定度等级提升至9×10-16,2020年又研制成新一代的NIM6铯原子喷泉基准钟,频率不确定度优于5.8×10-16,相当于5400万年不差1秒。
   (二)时间频率计量标准简介及分类
   频率标准指能给出较高准确度等级的单一频率值的正弦型振荡信号的装置,其频率值大都是1MHz,5MHz或10MHz。
   计量标准由国家计量标准、参照计量标准组成,国家时间频率标准由铯原子束基准装置和原子时标基准钟两部分构成,二者之间通过时间频率比对装置相联系;参照计量标准是计量技术机构建立和保持的计量标准,用于检定或校准计量器具以进行量值传递,其由标准器、比较器、测量仪、数据处理器和核查标准五个部分构成[16-17]。    根据谐振器的物理机理不同,将频率标准分为晶振频标和量子频标[18-19]。量子频标可以分为分子频标、激光频标、原子频标。目前大量使用的是石英晶体频标和少量的高准确度等级的原子频标。石英频标与原子频标相比价格更低、体积相对较小、使用方便灵活、短期的频率稳定度较好,但长期稳定度存在较大的频率漂移,其复制性不好。原子频标根据跃迁频率分类,可以分为微波频标和光频标,微波原子频标采用参考量子跃迁频率在微波段的跃迁,按照原子的种类不同可以分为氢钟、铷钟、铯钟等,其频率大小为100MHz-100GHz,光原子频标采用的是参考量子跃迁谱线在光频段,即可见光波段的跃迁,其工作频率比微波频率提高了4-5个数量级,具有极高的频率稳定度和准确度。
   三、时间频率测量实验设计及分析
   (一)计数器法测量原理
   时间的测量依赖于频率的准确测量。现有文献研究中,频率的测量方法主要有两类:一类是以计数器测频为代表的宽范围测量,另一类是针对频标比对的各种测量技术,如示波器法、频差倍增法、拍频法、差频法和相位比对法[18]。其中计数器法测频原理如图1所示,利用脉冲形成电路将被测信号:放大整形为尖脉冲;再由晶振频率fr经分频电路分频后,再形成脉冲信号称为时标信号(时标);然后由时标控制门控电路,形成测量时间基准Tr (时基);接着由时基控制闸门的开闭,在闸门开通时间内, 1/fr 脉冲通过;最后由计数器计数通过闸门的脉冲个数,并将结果用数字的形式显示出来。
   计数器法的测量原理为:在标准时间Tr内,测量得到周期信号fx重复出现的次数n,即得被测频率fx值。
   (二)时间频率计数器性能
   通过深入理解和掌握时间频率测量方法,我们向指导老师请教了如何通过实验来直观理解该测量方法,在指导老师的实验室有两台时间频率计数器:SR620时间频率计数器和Keysight 53520A时间频率计数器。
   SR620时间频率计数器可以测量时间间隔、频率脉冲宽度、上升和下降时间、周期、相位。(1)性能特点:单次时间分辨率为25ps;频率范围为1.3GHz;频率分辨率(1s)可达11位;相位分辨率是0.001°。(2)功能特点:可以进行统计分析和Allan方差分析;提供测量结果图形显示;可以拷贝到打印机和绘图仪上;支持GPIB和RS-232接口。
   Keysight 53520A时间频率计数器也可以测量时间间隔、频率脉冲宽度、上升和下降时间、周期相位。(1)功能特点:数据记录趋势图、累积直方图;内置数学分析和统计;外部接口可選LXI,LAN,USB,GPIB总线;测量方式包括连续无间隙测量、调制域分析的基本测量和时间戳脉冲/突发微波测量。(2)性能特点:带宽是350MHz基带频率;6或15GHz可选微波通道;分辨率12位/秒;单次测量时间间隔可以分解到20ps;频率读数速度每秒75000次,时间间隔读数速度每秒90000次。
   (三)实验过程
   借鉴现有时间频率相关测量系统软硬件设计和实验分析的研究经验[20-21],根据计数器法的频率测量原理,结合实验室提供的实验条件:SR620时间频率计数器、Keysight 53520A时间频率计数器、斯坦福FS725铷钟源,我们设计实验进行频率测量,主要基于1pps秒脉冲信号测试同源信号和非同源信号的差别。1pps信号上升沿准确标记了每秒的开始,精度达100 ns。
   首先,将铷钟开机预热,然后连接好铷钟源和SR620时间频率计数器,如图2所示。
   1.10MHz频率采集并测量,将时钟源的10MHz输出信号接入计数器A通道:当使用SR620时,首先选择测量模式,选择FREQ,SAMPLE SIZE选择2,DISPLAY选择为TRIG,然后调节A通道的触发电平,直至右边A通道上的LEVAL灯亮为止,然后将DISPLAY调回MEAN方式,待示数稳定后进行读数,采集数据。使用频率计数功能对10MHz进行数据采集和显示,如图3所示,得到频率平均值为1.000000211670841×107MHz,与基准值的偏差为2.1167Hz,测量数据的标准差为0.0534Hz,极差为0.1934 Hz,铷钟源的频率较为稳定。
   2.同源1pps时钟源钟差测量,将同一个时钟源的两路输出信号分别接入AB通道:当使用SR620时,首先选择测量模式,选择TIME,SAMPLE SIZE选择1,DISPLAY选择为TRIG,然后分别调节AB通道的触发电平,直至右边AB通道上的LEVAL灯全部亮为止,然后将DISPLAY调回MEAN方式,待示数稳定后进行读数,采集数据,进行粗大误差数据剔除处理后,得到两路信号之间的差值平均值为1.7633×10-9s,这些差值的标准差为4.0267×10-11s。
   3.非同源1pps时钟源钟差测量,将两个时钟源的输出信号分别接入AB通道:当使用SR620时,首先选择测量模式,选择TIME,SAMPLE SIZE选择1,DISPLAY选择为TRIG,然后分别调节AB通道的触发电平,直至右边AB通道上的LEVAL灯全部亮为止,然后将DISPLAY调回MEAN方式,待示数稳定后进行读数,采集数据。
   对两个时钟源输出的1pps信号进行比较测量,得到其信号差值的平均值为9.6629×10-6s,测量结果的标准差为1.5013×10-8s。
   综合两方面来看,同源的钟差要比非同源的钟差小两个数量级,这可以用作一条判别依据。另外,在进行时间频率同步的实验时,要注意周围环境的干扰,钟源要在实验前进行半小时左右的预热,否则测出的结果会一直增大或者减小。测量的时间要长,这样测得的结果才具有可信性。
   四、结语
   作为测控技术与仪器专业的学生,一向非常重视测量和计量知识的学习,结合“无线电计量”课程中时间频率计量这个关键知识环节,在任课老师的指导下,我们三人一组成立了时间频率计量课题研究小组,通过文献资料查阅、整理和分析,对时间频率领域基本知识进行了系统学习,具体认识了时间频率的概念和特点,梳理了时间频率计量器具的发展历程,对国内外时间频率计量标准发展沿革和未来的发展趋势进行了分析和评述,熟悉了时间频率的计量方法,基于SR620时间频率计数器和Keysight 53520A时间频率计数器设计了同源1pps时间间隔测量、非同源1pps时间间隔测量和10MHz频率测量,并对测量结果进行了分析,在完整的独立学习和实践过程中收获了知识、增长了见识、锻炼了团队协作能力。    参考文献:
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  ◎编辑 马燕萍
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