瞬时日差信号标准装置的研制

　　1　引　　言

　　瞬时日差测量仪广泛应用于各行业仪表走时准确度的快速计量,其在测量功能、测量范围和分辨力方面都有较快的发展[1-2]。原有单一信号形式现大多发展为多功能、多信号形式、宽量程范围的复合型装置,如校表仪、高精度时钟测试仪、复费率电能表时间校验仪、微电脑石英钟校验仪等[3-5];原有显示分辨力为0.01 s现大多提高为0.001 s甚至更高;信号形式也由单一的漏磁信号发展为电场、声音、电流等多种形式的信号。研制高准确度、高分辨力瞬时日差信号标准装置的目的,主要用于开展各类日差测量仪的量值传递和研发工作。目前国内外都还没有专用的高准确度、高分辨力、宽量程、多信号形式的瞬时日差信号标准装置[6-7]。

　　2　瞬时日差测量基本原理

　　日差是用于定量表示时钟运行快慢的物理量。瞬时日差是指用瞬时法测得的日差[8-9]。一台时钟的日差是指其对参考钟的时刻偏差经过1天运行后的变化量,用符号M表示,其单位为s、ms等。日差是评价时钟走时快慢、反映其质量优劣的一个重要指标[10-12]。

　　一台时钟相对标准钟运行快或慢,取决于所用主振器的频率。若其频率实际值比标称值高,则运行得快,反之则慢。瞬时法是根据构成时钟的时基振荡器的频率或节拍数,利用瞬时日差测量仪或其他类似仪器直接测量日差,测量时间短,对检定/校准环境要求相对较低,使用起来比较方便,可以成倍提高检定/校准效率。

　　3　瞬时日差信号标准装置设计方案

　　瞬时日差信号标准装置主要用于检定/校准各类数字式或机械式瞬时日差测量仪的计量性能[13-15]。我们根据各类瞬时日差测量仪的结构原理,确定了以仿真模拟各类计时器为核心的标准装置设计方案,研制能够模拟产生各种不同能量形式信号的宽量程、高准确度、高分辨力、瞬时日差信号标准装置。图1为瞬时日差信号标准装置原理图。

　　设时钟主振器频率为:

　　式(2)、(3)表明:瞬时日差信号标准装置的分辨力和准确度,主要取决于频率信号f的分辨力和准确度。其中准确度指标容易满足,分辨力指标是一个技术难题。

　　例如当f0=1Hz、M=1ms时,由式(3)要求f= 1+(1E-3) /86 400=1. 000 000 012 Hz。但现有技术频率源1Hz频率信号的最高分辨力仅为1μHz,远远不能满足要求。本标准装置在研制过程中巧妙地运用了倍频、分频技术,经实验验证证明,能够很好地解决上述问题,1Hz频率点的分辨力优于1E-11。该项技术已申请发明专利,其原理及具体实现方法、过程在专利中有详细叙　　述。表1和表2为实验测试结果,其中N数为倍频和分频的次数。测试结果表明,对于中心频率1~32 768 Hz范围内的瞬时日差测量仪的检定/校准,本标准装置发生的瞬时日差信号的频率准确度和分辨力可以达到1E-11,较之现有技术1E-6的水平有了突破性的进步。