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> Research Discussion
原予频率标准标方和不确定度分析
The Establishment of Rubidium Atomic requency Standard Device System
and Uncertainty Analys.
张丹
(92493部队,葫芦岛市125000
Zhang Dan
(The No 92493 Unit of PLA, Huludao 125000
摘要】频率测量系统被广泛应用于各个计量部门,各计量部门需要建立合适、准确的测量系统,保证量
值溯源的科学、可靠。本文阐述了建立初原子频率标准装置的系统方案,系统不确定度分析,系
统性能验证方法。
【关键词】准确度稳定度不确定度
Abstract: Frequency measurement system has been widely used in various measurement sector. Measuring
departments have to establish an appropriate and accurate measurement system to ensure the traceability of science
and reliable. This paper describes the establishment of rubidium atomic frequency standard device system solutions
system uncertainty analysis and system performance verification methods
Key words: Accuracy Stability Uncertainty
1频率测量建标方案
被测频标
频率测量广泛应用于现在的计量测试领域,在
频标比对器
航空、航天,通讯系统中大量使用,发挥重要的作
计算机
铷原子频标
用。频率测量系统被广泛应用于各个计量部门,各计
量部门需要建立合适、准确的测量系统,保证量值溯
图1如原子频标和频标比对器组成系统方案
源的科学、可靠
频差倍增法是将被测频率与
标准频率之差倍增
频率测量系统构建多样化,仪器、设备使用来
若干倍,然后测量倍增后的频差,由此得到被测频
源广泛,可以根据计量检定需求建立测量系统,满足
率。即扩大频率误差ムf,一级一级的不断的倍频,
计量检定需求,目前在基层计量检定部门采用铷原子
混频,经过n级,它的系数m选择10,最后可以得到
频标和频标比对器来组成系统比较多,针对在建标6+m"ム=6+10△f,这样可以采用低噪声的元器件提
方案审核中发现的问题进行分析,对不确定度评定的
高测量的分辨力。采用频差倍增方法可以对被测频
方法进行了阐述。
率和标准频率的频率进行倍频和混频,这样就扩大它
铷原子频标的技术指标比较好,频率准确度们之间的频率误差,可以提高测量的分辦能力,设计
2x10-0~5×10°,日频率漂移率1×10"~1x1023
滤波电路对倍频和混频产生的频率分量信号滤除杂
满足基层计量部门检定计数器等工作的需要,制造工波,采用二次放大整形的方法克服产生的正弦波幅度
艺成熟,所以可以用铷原子频标作为主标准器,提供
很小造成很大的触发误差给计数带来大麻烦,使其成
基准信号。对频率时域方面的测量,频差倍增方法是
为TTL电平的方波,送入两个计数器计数,使之可以
比较普遍的方法,采用频标比对器来对被测频标和标
完成以100ps为最小采样时间单位连续采样,从而实
准频标的信号的差值进行扩大、倍增,可以提高测量
现更髙精度频率准确度、频率稳定度等参数的快速测
的精度和分辨率。
量,设计接口电路,利用连续采样技术,通过计算机
用铷原子频标和频标比对器组成系统方案如图1
的累计运算功能,编写软件系统控制程序完成频率的
所示
检定及测量。
GPIB是通用接口总线的简称,是组成自动测试
收稿日期:2012-12-05
作者简介:张丹,硕士,高級工程师,主要研究方向为总体设
系统的通用国际标准接口。软件部分设计主要用到的
计,测量与自动控制技术等。
是GPIB的WIN32API函数驱动库。在VB平台中通过
44)化ラ
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探讨·交流<く
DLL调用技术可以完成AP[函数库封装的对GPIB设备y,频标比对器比对不确定度为2x102
初始化、读取数据、写人数据或命令以及清除等各种
1.2x10-13
控制操作
当(0s)_2x10リ
控制软件实现的功能:建立人机交互的界面;
取k-3(均匀分布)
数据采集;对数据进行分析。用 Visual Basic6.0开发
(3)被测件测量结果重复性引入的标准不确定
平台完成各功能。
度
程序设计采用模块化设计方法:被测仪器基本
1.8x10
信息、功能控制模块、数据处理模块、证书处理模
√n
VG=74×10
块
表1准确度重复性测量数据
被测仪器基本信息指仪器的单位、地址、仪器
x,?S(x)
6.46x10
-1.00x1043
的型号、生产厂商、编号等。
6.45x10
-2.00×103
功能控制信息对测量的参数进行设置,按照测
6.50x1647×x10
3.00x10
量要求,设置闻门时间,测量组数,倍增次数和其他
「x4647×10
1.8×10
x56.48x10"
1.00×10
的要求。
6.46×10
1.00×1013
数据处理对测量的每台仪器进行按时间顺序的
编号,对数据进行存储,并计算,进行保存。
(4)准确度的合成标准不确定度为ua。
证书打印模块,按照编号提取被測仪器,结合
=+2+3+2=2.9x102
被测仪器的基本信息合成检定证书,在word中设置
(5)准确度扩展不确定度U。
检定模版,结合测量数据库,生成检定证书,进行不
=ku。=5.8x10k=2
确定度分析。
2.2频率稳定度(1s)的不确定度分析
在建标方案的编写中,包括测量标准性能,人
(1)
铷原子频率标准引入的不确定度,包括
员档案,环境条件,量值溯源和传递等级关系图,主
铷原子频率标准频率稳定度引入的不确定度a
要要对测量标准的不确定度进行分析,对系统的性能铷原子频标频率稳定度为2.5x10
进行评价,下面就这两个方面的内容进行分析。
o,(
=25x10"/=15×10-
2系统不确定评定
在建标方案的审核过程中,主要发现对系统的
取k=3(均匀分布)
不确定分析方面的不同理解。在分析了各种影响测量
(2)频标比对器比对不确定度引入的不确定度
结果的不确定因素之后,该方案建立的测量系统的不u2,频标比对器比对不确定度为1x102。
确定主要应该从下面几个方面考虑。
42
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