基于計數器的頻標自動檢定系統設計*

張東云 潘 曉 韓小余 韓耀東

（中國西昌衛星發射中心 西昌 615000）

1 引言

在時間統一系統中，頻標是保證守時精度的重要設備，為驗證頻標性能，需要定期進行檢定。對頻標頻率參數進行檢定時，為提高測量分辨力，通常采用頻標比對器測量相對頻率偏差，實現頻率各參數的檢定［1～3］。如果頻標比對器出現故障，將導致頻率測量標準無法正常開展檢定工作。因此，有必要研究開發基于計數器的頻標自動檢定系統，用以提高測量裝置的可靠性。

2 系統組成

2.1 硬件組成

石英晶體頻標測量系統由計數器和銫原子頻標組成，如圖1 所示，銫原子頻標作為計數器的外頻標，計數器直接測量被檢石英晶體頻標的輸出頻率，計算得到相對頻率偏差。

圖1 直接測頻法原理圖

銣原子頻標測量系統由計數器、銫原子頻標、分頻器組成，采用時差法進行測量，計數器測量兩個頻標的時間間隔，由采樣時間間隔計算得到相對頻率偏差。如圖2 所示，銣頻標經過分頻器后輸出1PPS信號接計數器1通道，作為時間間隔測量的啟動信號。銫原子頻標輸出1PPS 信號接計數器2 通道，作為時間間隔測量的停止信號，同時作為計數器的參考頻標。

圖2 時差法原理圖

2.2 軟件組成

自動檢定軟件主要由系統自檢模塊、檢定管理模塊、數據庫管理模塊和幫助模塊組成，系統自檢模塊完成儀器連接狀態自檢；檢定管理模塊實現不同項目的自動檢定；數據管理模塊用于管理檢定數據，完成測量數據讀取和結果的處理、保存，調用數據庫生成原始記錄及證書報告。

軟件采用Visual Basic（VB）語言編寫，采用GPIB 連接控制儀器，利用SICL 標準儀器控制庫和VISA 虛擬儀器驅動實現對儀器的控制，數據庫設計采用Access［4～5］。

3 軟件實現

軟件運行界面如圖3 所示，測量開始前需進行儀器連接、填寫設備信息、選擇需要檢定的項目，設置完成后點擊開始測量進行自動檢定，測量過程中數據和結果在列表框中實時顯示，自動繪制漂移率（老化率）曲線，測量完成后自動保存數據。

圖3 軟件運行界面圖

3.1 石英晶體頻標檢定

檢定石英晶體頻標采用直接測頻法，計數器測量被測頻標頻率值fx，按式（1）計算相對頻率偏差［1］。

式中：fx為被測頻率值；f0為參考頻率值。

1）準確度

準確度檢定時程序連續3 次讀取計數器頻率測量值，以平均值作為測量結果，按式（1）計算得到準確度，將測量值及計算結果保存到數據庫，并在列表框控件中顯示測量結果。

2）開機特性

開機特性檢定時程序循環測量8 次，每次讀取3個頻率值，用3次平均值作為本次測量結果，按式（1）計算準確度yi(τ)，完成一次循環后延時1h進入下一次循環，得到8組yi(τ)，按文獻［1］中對應公式計算開機特性V［1］，軟件流程如圖4所示。

圖4 石英晶體頻標開機特性軟件流程圖

3）復現性

復現性軟件實現時循環測量2 次，2 次測量間隔25h，按文獻［1］中對應公式計算復現性R［1］。

4）日頻率波動

日頻率波動軟件實現時循環測量25 次，循環間隔1h，得到25 組yi(τ)，按文獻［1］中對應公式計算開機特性S［1］。

5）日老化率

日老化率軟件實現時循環測量15 次，循環間隔12h，得到15 組yi(τ)，按文獻［1］中對應公式計算老化率K和相關系數r［1］。

6）穩定度

穩定度軟件實現方法時循環測量101 次，每次測量1 個頻率值，循環間隔1s，到得101 組yi(τ)，按文獻［1］中對應公式計算1s的穩定度σy(τ)［1］。

3.2 銣原子頻標檢定

檢定銣原子頻標時采用時差法，按式（2）計算相對頻率偏差y(τ)［2］。

式中：X1、X2分別為t1時刻和t2時刻的時差值，τ為兩個時差值之間的測量時間間隔，τ=t2-t1。

1）開機特性

開機特性軟件實現流程如圖5 所示，循環測量時差值1和時差值2，兩次測量間隔300s，每次循環測量間隔1h，共循環測量4 次，將時差值1、時差值2按式（2）計算得到1組相對頻率偏差，測量完成后得到4 組相對頻率偏差，軟件計算開機1h、2h、3h、4h的準確度［2］。按文獻［3］校準時每次循環測量間隔設置為4h，循環測量次數設置為2 次，得到開機4h、8h的相對頻率偏差。

圖5 銣原子頻標開機特性軟件流程圖

2）復現性

復現性軟件實現方法同開機特性，兩次時差測量時間間隔300s，循環測量2 次，循環時間間隔25h［2］，按文獻［3］校準時循環間隔設置為36h，測量完成后得到2組時差值，按式（2）計算得到2組相對頻率偏差，按文獻［3］對應公式計算復現性R。

3）漂移率

漂移率軟件實現方法如圖6所示，循環測量16次，每次循環時間間隔24h，得到16組時差值，用相鄰兩次時差值，按式（2）計算得到15 組相對頻率偏差，按文獻［3］中對應公式計算老化率K 和相關系數r［2～3］，并自動繪制漂移率曲線，繪制漂移率曲線采用MSChart插件，以15組相對頻率偏差作為數據源。

圖6 銣原子頻標漂移率軟件流程圖

4）頻率穩定度

采用時差法時主要對銣原子頻標長期（1d）穩定度進行檢定，測量數據與漂移率相同，按文獻［3］中對應公式計算得到日穩定度σy(τ)［2～3］。

5）準確度（相對頻率偏差）

準確度軟件實現時循環測量2 次，得到2 組時差值，測量間隔設為300s，按式（2）計算得到相對頻率偏差。測量GNSS馴服銣原子頻標相對頻率偏差時，需要通過GNSS與銣原子頻標輸出1PPS的時差來鎖定銣原子頻標輸出信號［3，6～7］。由于星載原子頻標性能直接影響輸出1PPS 指標，星載原子頻標在運行過程中也存在指標下降的問題，需要定期通過地面監控系統進行調整［8～10］，因此，在不具備GNSS 接收條件時，可通過指標優于銣原子頻標的銫原子頻標輸出的1PPS對其進行馴服。

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

式中：y(τ)為運行一段時間后的相對頻率偏差，A為上一校準周期t0時的相對頻率偏差，σy(τ)為頻率穩定度，K為漂移率。

4 結果分析

4.1 石英晶體頻標檢定結果

采用自動檢定系統檢定某儀器內石英晶體頻標，準確度檢定數據如下。

由表1 數據軟件計算頻率平均值為10.00000157259MHz，y（τ）=1.57×10-7，準確度為A=1.6×10-7，經比對軟件讀數與儀器顯示一致，數據處理正確。

表1 石英晶體頻標準確度數據

開機特性檢定數據如下。

軟件計算開機特性V=3.0×10-9，由表2 可知，開機特性測量時間間隔設置正確，結果計算處理與人工計算一致。

表2 石英晶體頻標開機特性數據

復現性測量數據如下。

軟件計算復現性為R＝8.0×10-9，由表3 可知，開機特性測量時間間隔設置正確，結果計算處理與人工計算一致。

表3 石英晶體頻標復現性數據

日頻率波動測量25 組數據，軟件計算得到日頻率波動為S=3.0 ×10-9。日老化率測量15 組數據，軟件計算得到老化率為S=-5.4×10-10，相關系數r＝-0.51。對于石英晶體頻標，由于受內部器件老化影響，老化率對準確度影響較大，當相關系數|r|≥0.6 時，要考慮老化率對準確度的影響。1s 頻率穩定度測量101 組數據，每秒鐘測量一次，軟件計算得到穩定度為σy(τ)=6.2×10-9。

4.2 銣原子頻標檢定結果

銣原子頻標開機特性檢定數據如下。

由表4 可知，自動檢定銣原子頻標開機特性時，時間間隔t1、t2設置正確，軟件計算相對頻率偏差正確，開機1h、2h、3h、4h 的準確度分別為2×10-11、2×10-11、2×10-11、3×10-11。

表4 銣原子頻標開機特性數據

復現性檢定數據如下。

軟件計算復現性為R＝1.90×10-12，由表5可知，軟件設置時間間隔t1、t2正確，關機時間和預熱時間符合要求，結果處理正確。如果銣原子頻率標準不是長期連續運行，僅在使用時通電開機，不用時關機，這類頻標在使用時還需要關注開機特性、復現性指標。

表5 銣原子頻標復現性數據

準確度檢定數據如下。

軟件計算準確度為A=2×10-11，由表6 可知，軟件設置時間間隔正確，結果處理正確。

表6 銣原子頻標準確度數據

漂移率和日穩定度檢定同時進行，軟件自動測量16 組時差值，自動計算得到漂移率為S=-1.4×10-13，相關系數r＝-0.65，日穩定度為σy(τ)=4.6×10-13，自動繪制漂移率曲線如圖7所示。

圖7 銣原子頻標漂移率曲線

5 結語

利用計數器、銫原子頻率標準、分頻器組成頻標自動檢定系統，以計數器作為主要測量設備，采用VB 語言，開發了基于直接測頻法的晶體頻標檢定軟件，以及基于時差法的銣原子頻標檢定軟件。通過對準確度（相對頻率偏差）、開機特性、復現性、老化率、漂移率、穩定度等參數的測量，驗證了軟件功能。由結果可以看出，軟件讀數準確，測量結果計算處理正確，實現了頻率參數的自動檢定，提高了工作效率。