【導(dǎo)讀】microseconds(1μs=10-6s)，nanoseconds(1ns=10-9s)，andpicoseconds(1ps. cesium-133atom.kilohertz(kHz)，megahertz(MHz)，orgigahertz(GHz)，where1kHzequalsone. Theworld?

　　

【正文】 發(fā)生一千次事件 ， 1MHz 相當(dāng)于每秒發(fā)生一百萬次事件 .1GHz 相當(dāng)于每秒發(fā)生十億次事件 .產(chǎn)生頻率的裝置叫做振蕩器 ， 設(shè)置不同振蕩器具有相同的頻率叫做同步 。 三種類型的時間和頻率信息是相似的 ， 時間間隔的標(biāo)準(zhǔn)單位是秒通過計數(shù)秒我們知道時間和日期 ， 通過計數(shù)每秒的事件數(shù)或循環(huán)數(shù) ， 我們能測量頻率于其他物理量相比時間間隔和頻率的測量具有誤差小 ， 易 于 分析的優(yōu)點 .目前最好的時間和頻率標(biāo)準(zhǔn)是 SI 誤差為 1015 其他基本 SI 單位有更大的誤差如表 所示 。 協(xié)調(diào)全世界時間 (UTC) 世界的主要度量學(xué)實驗室測量時間和頻率標(biāo)準(zhǔn) ， 并發(fā)送的 BIPM， 法國 BIPM 第 12 頁 共 16 頁 收集至少 40個實驗室的 200多個原子時間和頻率標(biāo)準(zhǔn)包括來自國際標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)會 (NIST).通過這些平均結(jié)果由 BIPM 產(chǎn)生兩個時間標(biāo)準(zhǔn) ， 國際原子時間 (TAI)和協(xié)調(diào)全世界時間 (UTC)， 這些時間標(biāo)準(zhǔn)盡可能地與 SI 標(biāo)準(zhǔn) 接近 。 UTC 與 TAI 執(zhí)行相同的頻率 ， 然而它有區(qū)別的 TAI 是整數(shù)秒 ， 這個不同處總在增長隨著皮 秒的跳變 .皮 秒增加到 UTC 的每年 6 月 30 日或 12 月 31 日 .增加跑秒的目的在于是原子時間的誤差在 +/ 老的時間標(biāo)準(zhǔn)叫 UT1， 它根據(jù)地球的回轉(zhuǎn)率 。皮 秒作為一個小量增加到 UTC 每年一次從 1972 年開始的 。 BIPM包括 UTC 和 TAI正規(guī)的時間標(biāo)準(zhǔn) ， 主要的度量學(xué)實驗室使用來自 BIPM控制它們時鐘和振蕩器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并產(chǎn)生真正的 UTC 時間 .許多實驗室描述他們的 UTC 信號是由射頻信號傳輸?shù)?， 這點將在 節(jié)討論 。 大家認(rèn)為 UTC 將作為最終時間 ， 時間間隔 ， 頻率標(biāo)準(zhǔn) ， 時間同步使 UTC 在全世界范圍顯示相同的時 ， 分 ， 秒 .振蕩器同步使 UTC 產(chǎn)生應(yīng)用于時間間隔和頻率參考標(biāo)準(zhǔn)的信號 . 時間和頻率測量 時間和頻率測量可以 應(yīng)用于度量學(xué)的其他領(lǐng)域 .頻率標(biāo)準(zhǔn)或時鐘測量叫做終端測試測量把 DUT 當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)或 參考 ， 標(biāo)準(zhǔn)用一個已知的 DUT 表示 ， 叫做測試誤差率 (TUR).理想情況下 ， DUT 應(yīng)該是 10： 1 或更高有效的 .測量結(jié)果要求有高比率 ，低均值 時間測量的測試信號是一個脈沖每秒一個脈沖 (1pps)， 脈沖的寬度和極性從一個器件到另一個其間有差別的 ， TTL 電平通常被使用 .頻率測量信號用 1MHz或更高的頻率 ， 5 到 10MHz 是常用的 ， 頻率信號是正弦波 ， 月可以是脈沖或方波 .如果頻率信號是振蕩的正弦波 ， 它像圖 所示 ， 信號在一個周期產(chǎn)生一個循環(huán) ，真服用伏特表示 ， 并且和測量器件一致的 .如果振幅太大 ， 將會削弱或妨礙測量儀器的速 度 。 這部分主要說明時間和頻率測量的兩個特性 ： 精度和穩(wěn)定度 ， 討論用于測量頻率和時間的儀器 。 第 13 頁 共 16 頁 精度 精度是測量值或?qū)嶋H值的與真實值一致性的接近程度 ， 精度是與真實值的差量 .時差是在測量時間脈沖和實際時間脈沖的差值準(zhǔn)確地和 UTC 同時發(fā)生 ， 頻差是測量頻率和真實頻率的差值 ， 真實的頻率叫做時間頻率 。 用時間間隔計數(shù)器 (TIC)測量時差 ， 如圖 所示 ， 一個 TIC 輸入兩路信號一路信號開始技術(shù)另一路停止計數(shù) ， 通過計數(shù)時基振蕩器振蕩的次數(shù)來測量其實信號的時間間隔 。 一個廉價的時間計數(shù)器時基是有限的 。 例如 ， 一個 10MHz 的時間 計數(shù)器時基振蕩器具有 100ns 的分辨率 ， 大多數(shù)更復(fù)雜的計數(shù)器時基回路有更高的分辨率 1ns， 一般的可達到 20ps。 測量頻偏即可以在頻域也可以在時域 ， 一個基本的頻域測量包括直接計數(shù)和用 脈寬測量儀 數(shù)器在 DUT 顯示頻率 ， 測量的參考即可以是計數(shù)器的內(nèi)部時基振蕩器也可以是外部時基 。 計數(shù)器分辨率或是被顯示 。 極限偏置不超過 108 頻偏定義為 ： m easure nom inalnom inal(f f )f= f fmeasur是由 脈寬測量儀 讀出的 ， fnominal 是振蕩器銘牌上標(biāo)注的 ， 具體輸出頻率 。 頻偏測量在時域包括 DUT 和參考 之間的相差 ， 基本的相差可由示波器顯示 ，示波器可以顯示兩個正弦波 ， 上面的正弦波是來自于 DUT 的信號 ， 下面的是來自參考頻率的信號。如果兩個頻率非常相似 ， 那么 相位關(guān)系在同一臺示波器上的位置不變 。 兩個頻率差異較大時 ， 參考位置和 DUT 有一定的移動 。 通過測量 DUT信號的移動率我們可以得到頻偏 。 每個正弦波通過零點的點形成了豎線 。 圖像底部顯示不同信號的相差欄 ， 在隨著相差增大的情況下 ， DUT 顯示的頻率值比參考值小 。 在信號緩慢變化和示波器的分辨率之間關(guān)系是有限的 ， 測量高精度的信號用一臺示波器是不現(xiàn)實的 ， 用 TIC 可以清楚測出相 位差 ， 使用配置如 所示 ， 如果兩個輸入信號有相同的頻率 ， 時間間隔將不改變 ， 如果兩個信號頻率不相同時 第 14 頁 共 16 頁 間間隔將改變 ， 稱改變率 為 頻偏 ， TIC 的分辨率決定最小頻率的改變量 ， 例如 ，一臺便宜的時間計數(shù)器發(fā)射信號的分辨率為 100ns 可以得到 1s 內(nèi)頻率改變量為107。 目前 TIC 的分辨率極限值為 20ps， 也就是說在 1s 內(nèi)有 21011 的頻率變量被忽略 。 平均較長的間隔可以改進分辨率是小于 1ps 在一些單元 。 標(biāo)準(zhǔn)頻率像5MHz 或 10MHz 不能用 TIC 測量 ， 頻率分配器或頻率合成器使測試頻率轉(zhuǎn)換到底頻 。 分配系統(tǒng)比較便宜且功 能多 ， 它們更容易建立或編程使其適應(yīng)于不同的頻率 ?；祛l系統(tǒng)比較貴要求更多的硬件包括一個附加的參考振蕩器和一個能測量的輸入頻率 (如 10MHz)但它們的信噪比比分頻系統(tǒng)更高 。 如果使用分頻器 ， 用時間 間隔計數(shù)器測量取代直接測量我們可以從不斷的讀數(shù)據(jù)測得變化量，這種 變化量 可以 稱為相偏 ， 我們估算的頻偏如下 ： tf=T? △ t 代表相偏 ， T 代表周期。上式 說明 ， 周期為 24 小時有 +1us 的相偏 ， 周期測量的單位應(yīng)轉(zhuǎn)換為相偏的單位 (us)， 等式為 ： 11t 1 u sf o ffs et = = = 1 . 1 6 1 0T 8 6 4 0 0 0 0 0 0 0 0 u s ?? ?（ ） ， ， ， 一臺設(shè)備每天積 累 1us 的相偏 ， 就其參考而言頻偏為 1011 ， 這個簡單的例子說明兩個時間間隔 均 被掃描到 ， △ t 在兩次掃描之間是不同的 ， 多采集在數(shù)據(jù)集使用最小平方的線性回歸估算頻偏 ， 從最先的傾斜獲得 △ t。 這些數(shù)據(jù)通常用相線表示 ， 如圖 所示終端測試相對于頻率精確到 1109 ， 表示 為 1ns/s 的相偏 。 如果實際頻率是已知的最小頻偏可以轉(zhuǎn)化成頻率單位 。 以下為例一個振蕩器實際頻率為 5MHz 頻偏為 +*1011。 用赫茲表示頻偏 ， 是頻率與頻偏相乘 ：5106(+1011)=105=+ Hz。 那么 ， 把頻偏增加到實際頻率上就得到了真實的頻率值 5， 000， 000 Hz + Hz =5， 000， . 穩(wěn)定性 穩(wěn)定性表示為在給定時間間隔的情況下振蕩器能產(chǎn)生一個相同的時間或頻偏 ， 它不能說明時間或周期是否正確 ， 僅僅說明一致性 。 相比之下 ， 精確度則說 第 15 頁 共 16 頁 明振蕩器按時間或頻率的配置如何 ， 明白了這個不同點 ， 穩(wěn)定的振蕩器需要調(diào)整可能纏身較大偏執(zhí)的頻率 ， 或者不穩(wěn)定的 振蕩器僅僅調(diào)整接近實際值的頻率 ， 圖 顯示了精確度與穩(wěn)定度的關(guān)系 ，穩(wěn)定的定義是統(tǒng)計估 計的頻率或時間的波動信號 ， 在一個特定的時間 區(qū)間 . 這些波動是衡量對一個平均頻率或時間抵消 。 短期穩(wěn)定通常是指波動區(qū)間不到 100，長期穩(wěn)定 的 可參考測量間隔大于 100 s ， 但通常是指時間超過 1 天 。 穩(wěn)定性估計可無論是在頻域或時間域 ， 可以從任一頻率偏移或時間間隔測量集計算 。 在測量一些領(lǐng)域 ， 穩(wěn)定是估計到數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)偏差 。 然而 ， 標(biāo)準(zhǔn)偏差只適用于靜止的數(shù)據(jù) ， 其中的結(jié)果是時間獨立 ， 噪音是白色的 ， 這意味著它是均勻分布在測量頻帶分配 。 振蕩器數(shù)據(jù)通常非平穩(wěn)的 ， 因為它包含了時間的相關(guān)噪聲頻率偏移所貢獻 。 靜止的數(shù)據(jù) ， 均值和標(biāo)準(zhǔn) 差將收斂到更多的測量值 ， 尤其是制成 。 隨著非平穩(wěn)數(shù)據(jù) ， 均值和標(biāo)準(zhǔn)差從未收斂到任何特定的值 。 相反 ， 有一個可以改變移動平均每次我們增加一個測量 。 基于這些原因 ， 非經(jīng)典統(tǒng)計往往是用來估計在時域的穩(wěn)定 。 這一統(tǒng)計數(shù)字是有時被稱為 Allan 方差 ， 但因為它是方差的平方根 ， 其正確名稱是阿倫偏差 。 艾倫偏差為方程 2M 1y i + ii = 1= y yM+?? ? 11（ ） （ ）（ 21 ） 其中 yi是頻率偏移含 y1， y2， y3等 一 系列值的數(shù)量 ， 并把數(shù)據(jù)段同樣τ秒長的間隔 。 或 可寫為： 2N 2x i + 1 i2 i = 1= 2 x + xN+?? ? ? i+21（ ） （ x ）（ 21 ） 其中 xi是一種含有 單位 相位的測量時間 ， 為 x1， x2， x3等等 ， N 是在十一系列值數(shù)集 ， 數(shù)據(jù)也同樣分部 τ 秒長的間隔 。 請注意 ， 雖然標(biāo)準(zhǔn)差減去每次測量前軋平其總和的平均值 ， 在阿倫偏差減去以前的數(shù)據(jù)點 。 這種連續(xù)的數(shù)據(jù)點差分消除了時間相關(guān)的噪聲的頻率偏移貢獻 。 阿蘭偏差圖如圖 所示 。 它顯示了作為平均周期 (τ)提高設(shè)備的穩(wěn)定性愈長 ， 因為有些噪聲類型可通過平均刪除 。 在某些 第 16 頁 共 16 頁 時候 ， 然而 ， 更多的平均不再提高的結(jié)果 。 這一點被稱為本底噪聲 ， 或 點剩余噪聲的非平穩(wěn)過程組成 ， 如閃爍噪聲或隨機游動。該裝置測量圖 。 τ=100? 510 11 s 為 本底噪聲 。 實際上 ， 一個頻率 穩(wěn)定度圖還告訴我們 ， 我們需要多久平均得到的噪音消除由基準(zhǔn)和測量系統(tǒng)作出了貢獻 。 本底噪聲提供了一些對平均需要獲得足夠高的TUR 向我們展示了真實頻率金額跡象 DUT 的偏移 。 如果 DUT 是一個原子振蕩器(第 )和參考是無線電控制的傳輸標(biāo)準(zhǔn) (第 )， 我們可以有 24 小時或更長的時間平均在測量結(jié)果的信心 。 五噪聲類型通常討論的時間和頻率文學(xué) ： 白色相 ，相閃爍 ， 白頻率 ， 閃爍頻率 ， 隨機游動的頻率 。 在阿倫偏差的直線的斜率可以幫助確定所需的平均消除這些噪聲類型 (圖 )的金額 。 第一種類型的噪聲被刪除的平均相位噪聲 ， 或快 速 ， 在信號的相位隨機波動 。 理想情況下 ， 只能根據(jù)測試設(shè)備將有助于相位噪聲的測量 ， 但在實踐中 ， 一些從測量系統(tǒng)和參考相位噪聲需要通過平均刪除 。 請注意 ， 阿倫偏差不區(qū)分白相位噪聲和閃爍的相位噪聲 。 表 顯示了用于估算穩(wěn)定和確定各種應(yīng)用中的噪聲類型的其他幾個統(tǒng)計數(shù)字 。 查明和消除噪聲源的振蕩器 是一個復(fù)雜的主題 ， 但策劃一個時域測量組可以提供如何消除噪聲 。 圖 使用的是穩(wěn)定 數(shù)據(jù)段 。 圖 它顯示了白相位噪聲占主導(dǎo)地位相圖 (平均 1 秒 )， 白頻率噪聲 (平均 64 s)， 閃爍頻率的噪音 (平均 256秒 )和隨機行走頻率 (平 均 1024 s)。 請注意 ， 白色的相位噪聲 為 2 ns 的規(guī)模，而 其他 的為 100 ps 的規(guī)模 。