基于计数器的频标自动检定系统设计*

张东云 潘 晓 韩小余 韩耀东

（中国西昌卫星发射中心 西昌 615000）

1 引言

在时间统一系统中，频标是保证守时精度的重要设备，为验证频标性能，需要定期进行检定。对频标频率参数进行检定时，为提高测量分辨力，通常采用频标比对器测量相对频率偏差，实现频率各参数的检定［1～3］。如果频标比对器出现故障，将导致频率测量标准无法正常开展检定工作。因此，有必要研究开发基于计数器的频标自动检定系统，用以提高测量装置的可靠性。

2 系统组成

2.1 硬件组成

石英晶体频标测量系统由计数器和铯原子频标组成，如图1 所示，铯原子频标作为计数器的外频标，计数器直接测量被检石英晶体频标的输出频率，计算得到相对频率偏差。

图1 直接测频法原理图

铷原子频标测量系统由计数器、铯原子频标、分频器组成，采用时差法进行测量，计数器测量两个频标的时间间隔，由采样时间间隔计算得到相对频率偏差。如图2 所示，铷频标经过分频器后输出1PPS信号接计数器1通道，作为时间间隔测量的启动信号。铯原子频标输出1PPS 信号接计数器2 通道，作为时间间隔测量的停止信号，同时作为计数器的参考频标。

图2 时差法原理图

2.2 软件组成

自动检定软件主要由系统自检模块、检定管理模块、数据库管理模块和帮助模块组成，系统自检模块完成仪器连接状态自检；检定管理模块实现不同项目的自动检定；数据管理模块用于管理检定数据，完成测量数据读取和结果的处理、保存，调用数据库生成原始记录及证书报告。

软件采用Visual Basic（VB）语言编写，采用GPIB 连接控制仪器，利用SICL 标准仪器控制库和VISA 虚拟仪器驱动实现对仪器的控制，数据库设计采用Access［4～5］。

3 软件实现

软件运行界面如图3 所示，测量开始前需进行仪器连接、填写设备信息、选择需要检定的项目，设置完成后点击开始测量进行自动检定，测量过程中数据和结果在列表框中实时显示，自动绘制漂移率（老化率）曲线，测量完成后自动保存数据。

图3 软件运行界面图

3.1 石英晶体频标检定

检定石英晶体频标采用直接测频法，计数器测量被测频标频率值fx，按式（1）计算相对频率偏差［1］。

式中：fx为被测频率值；f0为参考频率值。

1）准确度

准确度检定时程序连续3 次读取计数器频率测量值，以平均值作为测量结果，按式（1）计算得到准确度，将测量值及计算结果保存到数据库，并在列表框控件中显示测量结果。

2）开机特性

开机特性检定时程序循环测量8 次，每次读取3个频率值，用3次平均值作为本次测量结果，按式（1）计算准确度yi(τ)，完成一次循环后延时1h进入下一次循环，得到8组yi(τ)，按文献［1］中对应公式计算开机特性V［1］，软件流程如图4所示。

图4 石英晶体频标开机特性软件流程图

3）复现性

复现性软件实现时循环测量2 次，2 次测量间隔25h，按文献［1］中对应公式计算复现性R［1］。

4）日频率波动

日频率波动软件实现时循环测量25 次，循环间隔1h，得到25 组yi(τ)，按文献［1］中对应公式计算开机特性S［1］。

5）日老化率

日老化率软件实现时循环测量15 次，循环间隔12h，得到15 组yi(τ)，按文献［1］中对应公式计算老化率K和相关系数r［1］。

6）稳定度

稳定度软件实现方法时循环测量101 次，每次测量1 个频率值，循环间隔1s，到得101 组yi(τ)，按文献［1］中对应公式计算1s的稳定度σy(τ)［1］。

3.2 铷原子频标检定

检定铷原子频标时采用时差法，按式（2）计算相对频率偏差y(τ)［2］。

式中：X1、X2分别为t1时刻和t2时刻的时差值，τ为两个时差值之间的测量时间间隔，τ=t2-t1。

1）开机特性

开机特性软件实现流程如图5 所示，循环测量时差值1和时差值2，两次测量间隔300s，每次循环测量间隔1h，共循环测量4 次，将时差值1、时差值2按式（2）计算得到1组相对频率偏差，测量完成后得到4 组相对频率偏差，软件计算开机1h、2h、3h、4h的准确度［2］。按文献［3］校准时每次循环测量间隔设置为4h，循环测量次数设置为2 次，得到开机4h、8h的相对频率偏差。

图5 铷原子频标开机特性软件流程图

2）复现性

复现性软件实现方法同开机特性，两次时差测量时间间隔300s，循环测量2 次，循环时间间隔25h［2］，按文献［3］校准时循环间隔设置为36h，测量完成后得到2组时差值，按式（2）计算得到2组相对频率偏差，按文献［3］对应公式计算复现性R。

3）漂移率

漂移率软件实现方法如图6所示，循环测量16次，每次循环时间间隔24h，得到16组时差值，用相邻两次时差值，按式（2）计算得到15 组相对频率偏差，按文献［3］中对应公式计算老化率K 和相关系数r［2～3］，并自动绘制漂移率曲线，绘制漂移率曲线采用MSChart插件，以15组相对频率偏差作为数据源。

图6 铷原子频标漂移率软件流程图

4）频率稳定度

采用时差法时主要对铷原子频标长期（1d）稳定度进行检定，测量数据与漂移率相同，按文献［3］中对应公式计算得到日稳定度σy(τ)［2～3］。

5）准确度（相对频率偏差）

准确度软件实现时循环测量2 次，得到2 组时差值，测量间隔设为300s，按式（2）计算得到相对频率偏差。测量GNSS驯服铷原子频标相对频率偏差时，需要通过GNSS与铷原子频标输出1PPS的时差来锁定铷原子频标输出信号［3，6～7］。由于星载原子频标性能直接影响输出1PPS 指标，星载原子频标在运行过程中也存在指标下降的问题，需要定期通过地面监控系统进行调整［8～10］，因此，在不具备GNSS 接收条件时，可通过指标优于铷原子频标的铯原子频标输出的1PPS对其进行驯服。

在铷原子频标运行的过程中，由于受环境条件、器件老化等因素影响，相对频率偏差的变化如式（3）所示［11］。如果相对频率偏差变大，但在式（3）估算的范围内，且铷原子频标的其他指标满足要求，则该次测量的相对频率偏差可作为校准值使用。

式中：y(τ)为运行一段时间后的相对频率偏差，A为上一校准周期t0时的相对频率偏差，σy(τ)为频率稳定度，K为漂移率。

4 结果分析

4.1 石英晶体频标检定结果

采用自动检定系统检定某仪器内石英晶体频标，准确度检定数据如下。

由表1 数据软件计算频率平均值为10.00000157259MHz，y（τ）=1.57×10-7，准确度为A=1.6×10-7，经比对软件读数与仪器显示一致，数据处理正确。

表1 石英晶体频标准确度数据

开机特性检定数据如下。

软件计算开机特性V=3.0×10-9，由表2 可知，开机特性测量时间间隔设置正确，结果计算处理与人工计算一致。

表2 石英晶体频标开机特性数据

复现性测量数据如下。

软件计算复现性为R＝8.0×10-9，由表3 可知，开机特性测量时间间隔设置正确，结果计算处理与人工计算一致。

表3 石英晶体频标复现性数据

日频率波动测量25 组数据，软件计算得到日频率波动为S=3.0 ×10-9。日老化率测量15 组数据，软件计算得到老化率为S=-5.4×10-10，相关系数r＝-0.51。对于石英晶体频标，由于受内部器件老化影响，老化率对准确度影响较大，当相关系数|r|≥0.6 时，要考虑老化率对准确度的影响。1s 频率稳定度测量101 组数据，每秒钟测量一次，软件计算得到稳定度为σy(τ)=6.2×10-9。

4.2 铷原子频标检定结果

铷原子频标开机特性检定数据如下。

由表4 可知，自动检定铷原子频标开机特性时，时间间隔t1、t2设置正确，软件计算相对频率偏差正确，开机1h、2h、3h、4h 的准确度分别为2×10-11、2×10-11、2×10-11、3×10-11。

表4 铷原子频标开机特性数据

复现性检定数据如下。

软件计算复现性为R＝1.90×10-12，由表5可知，软件设置时间间隔t1、t2正确，关机时间和预热时间符合要求，结果处理正确。如果铷原子频率标准不是长期连续运行，仅在使用时通电开机，不用时关机，这类频标在使用时还需要关注开机特性、复现性指标。

表5 铷原子频标复现性数据

准确度检定数据如下。

软件计算准确度为A=2×10-11，由表6 可知，软件设置时间间隔正确，结果处理正确。

表6 铷原子频标准确度数据

漂移率和日稳定度检定同时进行，软件自动测量16 组时差值，自动计算得到漂移率为S=-1.4×10-13，相关系数r＝-0.65，日稳定度为σy(τ)=4.6×10-13，自动绘制漂移率曲线如图7所示。

图7 铷原子频标漂移率曲线

5 结语

利用计数器、铯原子频率标准、分频器组成频标自动检定系统，以计数器作为主要测量设备，采用VB 语言，开发了基于直接测频法的晶体频标检定软件，以及基于时差法的铷原子频标检定软件。通过对准确度（相对频率偏差）、开机特性、复现性、老化率、漂移率、稳定度等参数的测量，验证了软件功能。由结果可以看出，软件读数准确，测量结果计算处理正确，实现了频率参数的自动检定，提高了工作效率。