石英晶體頻率標(biāo)準(zhǔn)

1石英晶體頻率標(biāo)準(zhǔn)檢定規(guī)程本規(guī)程適用于石英晶體頻率標(biāo)準(zhǔn)(包括GPS控制的石英晶體頻率標(biāo)準(zhǔn))的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢驗(yàn)。石英晶體頻率標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱石英頻標(biāo))是指制成一臺(tái)獨(dú)立裝置的高穩(wěn)定石英晶體振蕩器。它主要由石英諧振器、振蕩電路、隔離放大器、自動(dòng)增益控制電路、恒溫箱、精密溫度控制電路和直流穩(wěn)壓電源等部分組成。石英頻標(biāo)具有優(yōu)良的短期頻率穩(wěn)定度和較高的頻率準(zhǔn)確度；受GPS信號(hào)控制的石英頻標(biāo)，其頻率準(zhǔn)確度能達(dá)到原子頻標(biāo)的水平。石英頻標(biāo)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、國防、科研和計(jì)量等部門。3計(jì)量性能要求3.1輸出頻率3.2短期頻率穩(wěn)定度σ,(1ms):1×10~?~1×10-l?a,(10ms):1×10-?~1×10~-”a,(100ms):1×10-1?~1×10-123.3單邊帶相位噪聲±1×10~?~±1×10-1l3.5頻率準(zhǔn)確度(1~2)×10~l2(CPS控制時(shí)的石英頻標(biāo))2石英頻標(biāo)的前面板或后面板上應(yīng)標(biāo)有儀器名稱、儀器型號(hào)、制造廠、儀器出廠序4.2.2儀器送檢時(shí)要附帶儀器說明書，后計(jì)量器具控制包括首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢短期頻率穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于被檢石英頻標(biāo)相應(yīng)取樣時(shí)間頻率穩(wěn)定度的3倍。輸出功率電平應(yīng)滿足測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的要相位噪聲應(yīng)小于被檢石英頻標(biāo)相應(yīng)傅立葉頻率點(diǎn)的相位噪聲10dB。日老化率及頻率準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于被檢石英頻標(biāo)相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)的10倍。輸入頻率：包含1MHz,5MHz,10MHz。測(cè)量帶寬應(yīng)大于相應(yīng)取樣時(shí)間倒數(shù)的5倍。引入的測(cè)量不確定度應(yīng)比被檢石英頻標(biāo)相應(yīng)取樣時(shí)間的頻率穩(wěn)定度小3倍。輸入頻率：覆蓋1MHz,5MHz,10MHz。本底相位噪聲應(yīng)小于被檢石英頻標(biāo)相應(yīng)傅立葉頻率點(diǎn)的相位噪聲10dB。輸入頻率：包含1MHz,5MHz,10MHz。測(cè)量最大允許誤差應(yīng)比被檢石英頻標(biāo)相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)小10倍。5.1.2.1環(huán)境溫度：可處于(15~30)℃范圍內(nèi)任一點(diǎn)，溫度最大允許變化范圍±2℃。5.1.2.2環(huán)境相對(duì)濕度：≤80%。5.1.2.4交流電源：220(1±2%)V,50(1±2%)Hz。35.1.2.5負(fù)載：在檢定過程中負(fù)載應(yīng)固定不變。5.2檢定項(xiàng)目和檢定方法5.2.1檢定項(xiàng)目檢定項(xiàng)目見表1。項(xiàng)目名稱首次檢定后續(xù)檢定外觀及工作正常性檢查+++短期頻率穩(wěn)定度+++單邊帶相位噪聲+日老化率+++++2.合并的單元格表示對(duì)應(yīng)的兩項(xiàng)可全檢或選檢其中一項(xiàng)。(根需要)3.()表示僅作為短期頻率穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)的石英頻4.[]表示GPS控制的石英頻標(biāo)檢定項(xiàng)目。5.2.2外觀及工作正常性檢查5.2.2.1被檢石英頻標(biāo)不能有影響正常工作及讀數(shù)的機(jī)械損傷、插座松動(dòng)和接觸不良。通用技術(shù)要求中的各項(xiàng)標(biāo)志齊全，可被識(shí)別。5.2.2.2通電后儀器狀態(tài)正常。達(dá)到說明書規(guī)定預(yù)熱時(shí)間后各輸出端應(yīng)有相應(yīng)頻率信號(hào)輸出。將輸出頻率標(biāo)稱值記錄于附錄C中的表C.4或附錄D中的表D.3。5.2.3相對(duì)平均頻率偏差相對(duì)平均頻率偏差y(t)是在時(shí)間間隔(取樣時(shí)間)r內(nèi)頻率實(shí)際值的平均值相對(duì)標(biāo)稱值的偏差。用公式(1)表示：f:——被測(cè)頻率在時(shí)間r內(nèi)的平均頻率值。y(r)的測(cè)量方法參看附錄A。5.2.4短期頻率穩(wěn)定度的檢定頻率穩(wěn)定度是描述一定時(shí)間間隔(取樣時(shí)間)r內(nèi)平均頻率隨機(jī)起伏程度的量。用Allan標(biāo)準(zhǔn)偏差o,(r)表征。4y;(r),y.,(r)-—第i和第i+1次測(cè)得的取樣時(shí)間r內(nèi)相對(duì)平均頻率偏差。5.2.4.1被檢石英頻標(biāo)需預(yù)熱24h以上。5.2.4.2測(cè)量短期頻率穩(wěn)定度時(shí)，取樣時(shí)間及相應(yīng)的取樣組數(shù)見表2。5.2.4.3可選用附錄A中A.1或A.2的方法進(jìn)行測(cè)量。A.1方法一：測(cè)量信號(hào)頻率獲取y(r)。所需取樣時(shí)間由電子計(jì)數(shù)器的閘門時(shí)間給出，測(cè)量帶寬不小于5/r,相對(duì)每個(gè)取樣時(shí)間分別連續(xù)測(cè)量m+1個(gè)y(r)數(shù)據(jù)。A.2方法二：測(cè)量信號(hào)周期獲取y(r)。調(diào)節(jié)頻率合成器使混頻器輸出的信號(hào)頻率為1kHz,所需的取樣時(shí)間通過改變電子計(jì)數(shù)器周期倍乘數(shù)獲得。與周期倍乘數(shù)1,10,102,103,10*相對(duì)應(yīng)的取樣時(shí)間分別為1ms,10ms,100ms,1s,10s。選擇測(cè)量帶寬不小于51r,相對(duì)每個(gè)取樣時(shí)間分別連續(xù)測(cè)量m+1個(gè)y(t)數(shù)據(jù)。將獲得的y(r)數(shù)據(jù)及取樣組數(shù)m代入公式(2),計(jì)算出相應(yīng)取樣時(shí)間的σ,(r)。將計(jì)算結(jié)果記錄于附錄C中的表C.1,并注明測(cè)量帶寬。5.2.4.4取樣時(shí)間為1s和10s的頻率穩(wěn)定度必須進(jìn)行檢定，其余取樣時(shí)間的頻率穩(wěn)定度根據(jù)送檢單位的需要選檢。5.2.4.5作為短期頻率穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)的石英頻標(biāo)，取樣時(shí)間為1ms～10s的頻率穩(wěn)定度全5.2.4.6GPS控制的石英頻標(biāo)應(yīng)在不受控狀態(tài)(未接人GPS信號(hào))和受控狀態(tài)分別進(jìn)行測(cè)量。預(yù)熱時(shí)間同5.2.4.1。結(jié)果記錄于附錄D中的表D.1。5.2.5單邊帶相位噪聲的檢定單邊帶相位噪聲是指偏離載頻f處信號(hào)的一個(gè)相位調(diào)制邊帶的功率譜密度與載波功率之比，用%(f)表示。式中：Pm——偏離載頻f處單位頻帶內(nèi)信號(hào)的一個(gè)相位調(diào)制邊帶的平均功率；5.2.5.1被檢石英頻標(biāo)需預(yù)熱24h以上。5.2.5.2按附錄B的方法測(cè)量。5.2.5.3傅立葉頻率選10Hz,100Hz,1kHz,10kHz,100kHz。在每一個(gè)傅立葉頻率處至少測(cè)量4次，取其平均值作為該頻率點(diǎn)的單邊帶相位噪聲.%(f)的測(cè)量數(shù)據(jù)。將檢定結(jié)果記錄于附錄C中的表C.2,并給出測(cè)試曲線。5.2.5.4CPS控制的石英頻標(biāo)，應(yīng)在不受控狀態(tài)和受控狀態(tài)分別進(jìn)行測(cè)量。預(yù)熱時(shí)間同5.2.5.1。檢定結(jié)果記錄于附錄D中的表D.2。5.2.6日老化率的檢定5晶振在連續(xù)運(yùn)行過程中，頻率值隨時(shí)間呈單方向的變化，稱頻率老化。單位時(shí)間內(nèi)相對(duì)平均頻率偏差的變化量稱為老化率。如果單位時(shí)間為日，則稱日老化率。大多數(shù)晶振經(jīng)足夠的時(shí)間預(yù)熱后，在一段時(shí)間內(nèi)其頻率變化近似為線性，可用一條直線近似描述，該直線由實(shí)測(cè)值用最小二乘法擬合而成。老化率K則用直線的斜率b擬合直線斜率b的計(jì)算公式為(1/日)t;——測(cè)量時(shí)刻，t?=iT,T為取樣周期(單位為日);y(r)——t;時(shí)刻測(cè)得的相對(duì)平均頻率偏差。相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算公式為殘差均方根值σ。的計(jì)算公式為殘差是指在t,時(shí)刻測(cè)得的y;(r)與擬合直線上同一時(shí)刻估算的y(r)之差。5.2.6.1被檢石英頻標(biāo)按說明書規(guī)定時(shí)間預(yù)熱，實(shí)際預(yù)熱時(shí)間應(yīng)在檢定證書中注明。5.2.6.2按附錄A中A.1測(cè)量y(t)。取樣時(shí)間r≥10s,每隔12h測(cè)量一組數(shù)據(jù)，即T=0.5日，每組連續(xù)取樣3次，取其算術(shù)平均值作為y(r)的一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。共測(cè)7天，得到15個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。由于t?=iT,T=0.5日，公式(4)變換為按公式(7)計(jì)算擬合直線斜率b。按公式(5)計(jì)算相關(guān)系數(shù)r。按公式(6)計(jì)算殘差均方根值σp。65.2.6.3如果相關(guān)系數(shù)1rl≥0.6,表明頻率隨時(shí)間變化線性顯著,則可用δ近似表示日老化率K。將日老化率K記錄于附錄C中的表C.3,并附頻率變化曲線和老化直線。如果相關(guān)系數(shù)|rl<0.6,表明按規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間測(cè)量，頻率隨時(shí)間變化線性不明頻率準(zhǔn)確度是指頻率的實(shí)際值相對(duì)標(biāo)稱值的偏離程度。被檢石英頻標(biāo)在其他各項(xiàng)指標(biāo)檢定完畢后，對(duì)其頻率準(zhǔn)確度進(jìn)行測(cè)量，取樣時(shí)間r≥10s。按附錄A中A.1方法連續(xù)測(cè)量3次y(r),取其算術(shù)平均值作為該時(shí)刻頻率準(zhǔn)確參考5.2.6.2中計(jì)算得到的K,6,r,oo;當(dāng)1rl≥0.6時(shí)，如果ly(r)l>101Kl+3op或y(r)與K的符號(hào)相同，則對(duì)頻率準(zhǔn)確度進(jìn)行調(diào)整。使調(diào)整后的1y(r)l≤101Kl+3ao,并使y(r)與K的符號(hào)相反。當(dāng)1rl<0.6時(shí)，如果ly(x)l>101bl+3σp,則對(duì)其頻率準(zhǔn)確度進(jìn)行調(diào)整。使調(diào)整后的ly(r)l值盡量小。5.2.7.3調(diào)整完成后，被檢石英頻標(biāo)應(yīng)穩(wěn)定1h,重復(fù)5.2.7.1和5.2.7.2的測(cè)量、比較5.2.7.5頻率準(zhǔn)確度的數(shù)值只保留一位有效數(shù)字，只要舍去的數(shù)不為0,則將所保留的有效數(shù)字加1。例：A=3.2×10-°,給出結(jié)果A=4×10~°。累積的相位差數(shù)，按公式(A.3)計(jì)算，得到一個(gè)相對(duì)頻率偏差測(cè)量數(shù)據(jù)。后在t?時(shí)刻測(cè)量的時(shí)間間隔為T?,按公式(A.4)計(jì)算，得到一個(gè)相對(duì)頻率偏差測(cè)量連續(xù)測(cè)量7天，得到7個(gè)相對(duì)頻率偏差y(r),按式(8)給出被檢石英頻標(biāo)的頻率準(zhǔn)確度(一天平均)。(2)石英頻標(biāo)為保持狀態(tài)7受控7天后去掉GPS信號(hào)，測(cè)量1天，得到1個(gè)相對(duì)頻率偏差測(cè)量數(shù)據(jù)y(r),頻率準(zhǔn)確度A保特=ly(r)1,記錄于附錄D中的表D.3。(1),(2)中A的數(shù)值處理同5.2.7.5。5.3檢定結(jié)果的處理按本規(guī)程規(guī)定和要求檢定合格的石英頻標(biāo)，出具檢定證書；檢定不合格的，出具檢定結(jié)果通知書，并注明不合格項(xiàng)目。5.4檢定周期石英頻標(biāo)的檢定周期一般不超過1年。8A.1方法一；用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻差倍增器輸出的信號(hào)頻率。按圖A.1連接儀器。電子計(jì)數(shù)器或數(shù)據(jù)采集器外標(biāo)輸入被檢石英頻標(biāo)fxf:頻差倍增器參頻將被檢石英頻標(biāo)和參考頻標(biāo)的輸出信號(hào)分別接至頻差倍增器的相應(yīng)輸入端，頻差倍增器的輸出端與電子計(jì)數(shù)器的輸入端相連。電子計(jì)數(shù)器的外標(biāo)輸入端接入?yún)⒖碱l標(biāo)。按公式(A.1)計(jì)算y(x):式中：fw——電子計(jì)數(shù)器所測(cè)頻率的標(biāo)稱值；fa——電子計(jì)數(shù)器在取樣時(shí)間r內(nèi)測(cè)得的平均頻率值；M——頻差倍增器的等效倍增次數(shù)；f?——被檢石英頻標(biāo)頻率的標(biāo)稱值。A.2方法二：用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量差頻信號(hào)周期。按圖A.2或圖A.3連接儀器。M(f?+△f)計(jì)數(shù)器f外標(biāo)輸入合成器被檢石英頻標(biāo)f?=f+△fF?+M△f混頻器Mf?-F?9測(cè)測(cè)+MAf合成器被檢石英頻標(biāo)倍增器f?-f+△jF?+M△ff?-F?量f,頻差倍增器(或倍頻器)的輸出端和頻率合成器的輸出端分別與混頻器的兩輸入端相連。混頻器輸出的差頻信號(hào)接至電子計(jì)數(shù)器的輸入端。按公式(A.2)計(jì)算y(r):式中：F?——電子計(jì)數(shù)器所測(cè)頻率的標(biāo)稱值，取1kHz;數(shù));re——電子計(jì)數(shù)器實(shí)際測(cè)得值。按圖A.4連接儀器。被檢石英頻標(biāo)f,考標(biāo)參瀕fx將被檢石英頻標(biāo)和參考頻標(biāo)的輸出信號(hào)分別接至比相儀的相應(yīng)輸入端。按公式(A.3)計(jì)算y(x):考標(biāo)考標(biāo)x(t),x(t+r)——分別為x的始末時(shí)刻測(cè)得的相位時(shí)間，單位為ns。將被檢石英頻標(biāo)和參考頻標(biāo)的輸出信號(hào)分別接至?xí)r間間隔計(jì)數(shù)器的起始和終止輸入按公式(A.4)式計(jì)算y(r):按圖B.1連接儀器。