張東云 潘 曉 韓小余 韓耀東

（中國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心 西昌 615000）

1 引言

在時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)中，頻標(biāo)是保證守時(shí)精度的重要設(shè)備，為驗(yàn)證頻標(biāo)性能，需要定期進(jìn)行檢定。對(duì)頻標(biāo)頻率參數(shù)進(jìn)行檢定時(shí)，為提高測量分辨力，通常采用頻標(biāo)比對(duì)器測量相對(duì)頻率偏差，實(shí)現(xiàn)頻率各參數(shù)的檢定［1～3］。如果頻標(biāo)比對(duì)器出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致頻率測量標(biāo)準(zhǔn)無法正常開展檢定工作。因此，有必要研究開發(fā)基于計(jì)數(shù)器的頻標(biāo)自動(dòng)檢定系統(tǒng)，用以提高測量裝置的可靠性。

2 系統(tǒng)組成

2.1 硬件組成

石英晶體頻標(biāo)測量系統(tǒng)由計(jì)數(shù)器和銫原子頻標(biāo)組成，如圖1 所示，銫原子頻標(biāo)作為計(jì)數(shù)器的外頻標(biāo)，計(jì)數(shù)器直接測量被檢石英晶體頻標(biāo)的輸出頻率，計(jì)算得到相對(duì)頻率偏差。

圖1 直接測頻法原理圖

銣原子頻標(biāo)測量系統(tǒng)由計(jì)數(shù)器、銫原子頻標(biāo)、分頻器組成，采用時(shí)差法進(jìn)行測量，計(jì)數(shù)器測量兩個(gè)頻標(biāo)的時(shí)間間隔，由采樣時(shí)間間隔計(jì)算得到相對(duì)頻率偏差。如圖2 所示，銣頻標(biāo)經(jīng)過分頻器后輸出1PPS信號(hào)接計(jì)數(shù)器1通道，作為時(shí)間間隔測量的啟動(dòng)信號(hào)。銫原子頻標(biāo)輸出1PPS 信號(hào)接計(jì)數(shù)器2 通道，作為時(shí)間間隔測量的停止信號(hào)，同時(shí)作為計(jì)數(shù)器的參考頻標(biāo)。

圖2 時(shí)差法原理圖

2.2 軟件組成

自動(dòng)檢定軟件主要由系統(tǒng)自檢模塊、檢定管理模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和幫助模塊組成，系統(tǒng)自檢模塊完成儀器連接狀態(tài)自檢；檢定管理模塊實(shí)現(xiàn)不同項(xiàng)目的自動(dòng)檢定；數(shù)據(jù)管理模塊用于管理檢定數(shù)據(jù)，完成測量數(shù)據(jù)讀取和結(jié)果的處理、保存，調(diào)用數(shù)據(jù)庫生成原始記錄及證書報(bào)告。

軟件采用Visual Basic（VB）語言編寫，采用GPIB 連接控制儀器，利用SICL 標(biāo)準(zhǔn)儀器控制庫和VISA 虛擬儀器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)采用Access［4～5］。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件運(yùn)行界面如圖3 所示，測量開始前需進(jìn)行儀器連接、填寫設(shè)備信息、選擇需要檢定的項(xiàng)目，設(shè)置完成后點(diǎn)擊開始測量進(jìn)行自動(dòng)檢定，測量過程中數(shù)據(jù)和結(jié)果在列表框中實(shí)時(shí)顯示，自動(dòng)繪制漂移率（老化率）曲線，測量完成后自動(dòng)保存數(shù)據(jù)。

圖3 軟件運(yùn)行界面圖

3.1 石英晶體頻標(biāo)檢定

檢定石英晶體頻標(biāo)采用直接測頻法，計(jì)數(shù)器測量被測頻標(biāo)頻率值fx，按式（1）計(jì)算相對(duì)頻率偏差［1］。

式中：fx為被測頻率值；f0為參考頻率值。

1）準(zhǔn)確度

準(zhǔn)確度檢定時(shí)程序連續(xù)3 次讀取計(jì)數(shù)器頻率測量值，以平均值作為測量結(jié)果，按式（1）計(jì)算得到準(zhǔn)確度，將測量值及計(jì)算結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫，并在列表框控件中顯示測量結(jié)果。

2）開機(jī)特性

開機(jī)特性檢定時(shí)程序循環(huán)測量8 次，每次讀取3個(gè)頻率值，用3次平均值作為本次測量結(jié)果，按式（1）計(jì)算準(zhǔn)確度yi(τ)，完成一次循環(huán)后延時(shí)1h進(jìn)入下一次循環(huán)，得到8組yi(τ)，按文獻(xiàn)［1］中對(duì)應(yīng)公式計(jì)算開機(jī)特性V［1］，軟件流程如圖4所示。

圖4 石英晶體頻標(biāo)開機(jī)特性軟件流程圖

3）復(fù)現(xiàn)性

復(fù)現(xiàn)性軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)循環(huán)測量2 次，2 次測量間隔25h，按文獻(xiàn)［1］中對(duì)應(yīng)公式計(jì)算復(fù)現(xiàn)性R［1］。

4）日頻率波動(dòng)

日頻率波動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)循環(huán)測量25 次，循環(huán)間隔1h，得到25 組yi(τ)，按文獻(xiàn)［1］中對(duì)應(yīng)公式計(jì)算開機(jī)特性S［1］。

5）日老化率

日老化率軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)循環(huán)測量15 次，循環(huán)間隔12h，得到15 組yi(τ)，按文獻(xiàn)［1］中對(duì)應(yīng)公式計(jì)算老化率K和相關(guān)系數(shù)r［1］。

6）穩(wěn)定度

穩(wěn)定度軟件實(shí)現(xiàn)方法時(shí)循環(huán)測量101 次，每次測量1 個(gè)頻率值，循環(huán)間隔1s，到得101 組yi(τ)，按文獻(xiàn)［1］中對(duì)應(yīng)公式計(jì)算1s的穩(wěn)定度σy(τ)［1］。

3.2 銣原子頻標(biāo)檢定

檢定銣原子頻標(biāo)時(shí)采用時(shí)差法，按式（2）計(jì)算相對(duì)頻率偏差y(τ)［2］。

式中：X1、X2分別為t1時(shí)刻和t2時(shí)刻的時(shí)差值，τ為兩個(gè)時(shí)差值之間的測量時(shí)間間隔，τ=t2-t1。

1）開機(jī)特性

開機(jī)特性軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖5 所示，循環(huán)測量時(shí)差值1和時(shí)差值2，兩次測量間隔300s，每次循環(huán)測量間隔1h，共循環(huán)測量4 次，將時(shí)差值1、時(shí)差值2按式（2）計(jì)算得到1組相對(duì)頻率偏差，測量完成后得到4 組相對(duì)頻率偏差，軟件計(jì)算開機(jī)1h、2h、3h、4h的準(zhǔn)確度［2］。按文獻(xiàn)［3］校準(zhǔn)時(shí)每次循環(huán)測量間隔設(shè)置為4h，循環(huán)測量次數(shù)設(shè)置為2 次，得到開機(jī)4h、8h的相對(duì)頻率偏差。

圖5 銣原子頻標(biāo)開機(jī)特性軟件流程圖

2）復(fù)現(xiàn)性

復(fù)現(xiàn)性軟件實(shí)現(xiàn)方法同開機(jī)特性，兩次時(shí)差測量時(shí)間間隔300s，循環(huán)測量2 次，循環(huán)時(shí)間間隔25h［2］，按文獻(xiàn)［3］校準(zhǔn)時(shí)循環(huán)間隔設(shè)置為36h，測量完成后得到2組時(shí)差值，按式（2）計(jì)算得到2組相對(duì)頻率偏差，按文獻(xiàn)［3］對(duì)應(yīng)公式計(jì)算復(fù)現(xiàn)性R。

3）漂移率

漂移率軟件實(shí)現(xiàn)方法如圖6所示，循環(huán)測量16次，每次循環(huán)時(shí)間間隔24h，得到16組時(shí)差值，用相鄰兩次時(shí)差值，按式（2）計(jì)算得到15 組相對(duì)頻率偏差，按文獻(xiàn)［3］中對(duì)應(yīng)公式計(jì)算老化率K 和相關(guān)系數(shù)r［2～3］，并自動(dòng)繪制漂移率曲線，繪制漂移率曲線采用MSChart插件，以15組相對(duì)頻率偏差作為數(shù)據(jù)源。

圖6 銣原子頻標(biāo)漂移率軟件流程圖

4）頻率穩(wěn)定度

采用時(shí)差法時(shí)主要對(duì)銣原子頻標(biāo)長期（1d）穩(wěn)定度進(jìn)行檢定，測量數(shù)據(jù)與漂移率相同，按文獻(xiàn)［3］中對(duì)應(yīng)公式計(jì)算得到日穩(wěn)定度σy(τ)［2～3］。

5）準(zhǔn)確度（相對(duì)頻率偏差）

準(zhǔn)確度軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)循環(huán)測量2 次，得到2 組時(shí)差值，測量間隔設(shè)為300s，按式（2）計(jì)算得到相對(duì)頻率偏差。測量GNSS馴服銣原子頻標(biāo)相對(duì)頻率偏差時(shí)，需要通過GNSS與銣原子頻標(biāo)輸出1PPS的時(shí)差來鎖定銣原子頻標(biāo)輸出信號(hào)［3，6～7］。由于星載原子頻標(biāo)性能直接影響輸出1PPS 指標(biāo)，星載原子頻標(biāo)在運(yùn)行過程中也存在指標(biāo)下降的問題，需要定期通過地面監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整［8～10］，因此，在不具備GNSS 接收條件時(shí)，可通過指標(biāo)優(yōu)于銣原子頻標(biāo)的銫原子頻標(biāo)輸出的1PPS對(duì)其進(jìn)行馴服。

在銣原子頻標(biāo)運(yùn)行的過程中，由于受環(huán)境條件、器件老化等因素影響，相對(duì)頻率偏差的變化如式（3）所示［11］。如果相對(duì)頻率偏差變大，但在式（3）估算的范圍內(nèi)，且銣原子頻標(biāo)的其他指標(biāo)滿足要求，則該次測量的相對(duì)頻率偏差可作為校準(zhǔn)值使用。

式中：y(τ)為運(yùn)行一段時(shí)間后的相對(duì)頻率偏差，A為上一校準(zhǔn)周期t0時(shí)的相對(duì)頻率偏差，σy(τ)為頻率穩(wěn)定度，K為漂移率。

4 結(jié)果分析

4.1 石英晶體頻標(biāo)檢定結(jié)果

采用自動(dòng)檢定系統(tǒng)檢定某儀器內(nèi)石英晶體頻標(biāo)，準(zhǔn)確度檢定數(shù)據(jù)如下。

由表1 數(shù)據(jù)軟件計(jì)算頻率平均值為10.00000157259MHz，y（τ）=1.57×10-7，準(zhǔn)確度為A=1.6×10-7，經(jīng)比對(duì)軟件讀數(shù)與儀器顯示一致，數(shù)據(jù)處理正確。

表1 石英晶體頻標(biāo)準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)

開機(jī)特性檢定數(shù)據(jù)如下。

軟件計(jì)算開機(jī)特性V=3.0×10-9，由表2 可知，開機(jī)特性測量時(shí)間間隔設(shè)置正確，結(jié)果計(jì)算處理與人工計(jì)算一致。

表2 石英晶體頻標(biāo)開機(jī)特性數(shù)據(jù)

復(fù)現(xiàn)性測量數(shù)據(jù)如下。

軟件計(jì)算復(fù)現(xiàn)性為R＝8.0×10-9，由表3 可知，開機(jī)特性測量時(shí)間間隔設(shè)置正確，結(jié)果計(jì)算處理與人工計(jì)算一致。

表3 石英晶體頻標(biāo)復(fù)現(xiàn)性數(shù)據(jù)

日頻率波動(dòng)測量25 組數(shù)據(jù)，軟件計(jì)算得到日頻率波動(dòng)為S=3.0 ×10-9。日老化率測量15 組數(shù)據(jù)，軟件計(jì)算得到老化率為S=-5.4×10-10，相關(guān)系數(shù)r＝-0.51。對(duì)于石英晶體頻標(biāo)，由于受內(nèi)部器件老化影響，老化率對(duì)準(zhǔn)確度影響較大，當(dāng)相關(guān)系數(shù)|r|≥0.6 時(shí)，要考慮老化率對(duì)準(zhǔn)確度的影響。1s 頻率穩(wěn)定度測量101 組數(shù)據(jù)，每秒鐘測量一次，軟件計(jì)算得到穩(wěn)定度為σy(τ)=6.2×10-9。

4.2 銣原子頻標(biāo)檢定結(jié)果

銣原子頻標(biāo)開機(jī)特性檢定數(shù)據(jù)如下。

由表4 可知，自動(dòng)檢定銣原子頻標(biāo)開機(jī)特性時(shí)，時(shí)間間隔t1、t2設(shè)置正確，軟件計(jì)算相對(duì)頻率偏差正確，開機(jī)1h、2h、3h、4h 的準(zhǔn)確度分別為2×10-11、2×10-11、2×10-11、3×10-11。

表4 銣原子頻標(biāo)開機(jī)特性數(shù)據(jù)

復(fù)現(xiàn)性檢定數(shù)據(jù)如下。

軟件計(jì)算復(fù)現(xiàn)性為R＝1.90×10-12，由表5可知，軟件設(shè)置時(shí)間間隔t1、t2正確，關(guān)機(jī)時(shí)間和預(yù)熱時(shí)間符合要求，結(jié)果處理正確。如果銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)不是長期連續(xù)運(yùn)行，僅在使用時(shí)通電開機(jī)，不用時(shí)關(guān)機(jī)，這類頻標(biāo)在使用時(shí)還需要關(guān)注開機(jī)特性、復(fù)現(xiàn)性指標(biāo)。

表5 銣原子頻標(biāo)復(fù)現(xiàn)性數(shù)據(jù)

準(zhǔn)確度檢定數(shù)據(jù)如下。

軟件計(jì)算準(zhǔn)確度為A=2×10-11，由表6 可知，軟件設(shè)置時(shí)間間隔正確，結(jié)果處理正確。

表6 銣原子頻標(biāo)準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)

漂移率和日穩(wěn)定度檢定同時(shí)進(jìn)行，軟件自動(dòng)測量16 組時(shí)差值，自動(dòng)計(jì)算得到漂移率為S=-1.4×10-13，相關(guān)系數(shù)r＝-0.65，日穩(wěn)定度為σy(τ)=4.6×10-13，自動(dòng)繪制漂移率曲線如圖7所示。

圖7 銣原子頻標(biāo)漂移率曲線

5 結(jié)語

利用計(jì)數(shù)器、銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)、分頻器組成頻標(biāo)自動(dòng)檢定系統(tǒng)，以計(jì)數(shù)器作為主要測量設(shè)備，采用VB 語言，開發(fā)了基于直接測頻法的晶體頻標(biāo)檢定軟件，以及基于時(shí)差法的銣原子頻標(biāo)檢定軟件。通過對(duì)準(zhǔn)確度（相對(duì)頻率偏差）、開機(jī)特性、復(fù)現(xiàn)性、老化率、漂移率、穩(wěn)定度等參數(shù)的測量，驗(yàn)證了軟件功能。由結(jié)果可以看出，軟件讀數(shù)準(zhǔn)確，測量結(jié)果計(jì)算處理正確，實(shí)現(xiàn)了頻率參數(shù)的自動(dòng)檢定，提高了工作效率。