晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展對于一個國家的經(jīng)濟(jì)、科學(xué)與技術(shù)、國防和社會安全有著非常重要的意義。由于制造、交通運(yùn)輸、通訊與信息技術(shù)的不斷迅猛發(fā)展,對時間和頻率測量的準(zhǔn)確度和精確度要求也越來越高。導(dǎo)航、定位、大地測量、天文觀測、網(wǎng)絡(luò)授時和同步以及電網(wǎng)故障檢測中都需要高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)。按照頻率標(biāo)準(zhǔn)的性能指標(biāo)和應(yīng)用領(lǐng)域來劃分,可以將其分為一級頻率標(biāo)準(zhǔn)(銫原子頻標(biāo))二級頻率標(biāo)準(zhǔn)(包括銣原子頻標(biāo)和高穩(wěn)石英晶體振蕩器)和其它頻率標(biāo)準(zhǔn)(包括除高穩(wěn)石英晶體振蕩器以外的其他石英晶體振蕩器)。表11列出了常用頻率標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度.

在各種高精度的頻率標(biāo)準(zhǔn)中,氫钅鐘中、銫鐘等都具有很好的長期和短期穩(wěn)定度, 但價格非常昂貴,一般用于國家授時實(shí)驗室,應(yīng)用范圍非常有限。雖然銣鐘和高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器等二級頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度不如一級頻標(biāo),但價格低廉,體積較小,應(yīng)用范圍非常廣泛。它們被廣泛用于通信、計量、應(yīng)用電子技術(shù)、電子儀器、航空航天、雷達(dá)和因防軍工等各個領(lǐng)域,作為關(guān)鍵器件發(fā)揮著重要的作用。近年來由于通信業(yè)和軍工方面的發(fā)展和需求,我國精密石英晶體和原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的需求也有了明顯的增長。

石英晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)的三個基本技術(shù)指標(biāo)是準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度和老化率。晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)和計時的精確度會受到科技發(fā)展水平的限制。影響頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度主要是溫度和老化,因此,國內(nèi)外正在投入大量精力研究修正這些影響。下面詳細(xì)介紹這三種技術(shù)指標(biāo)

1.晶振頻率準(zhǔn)確度

用來描述頻率標(biāo)準(zhǔn)輸出的實(shí)際頻率值與其標(biāo)稱頻率值的相對偏差。因為受頻率標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)在因素和外部環(huán)境(如溫度、濕度、壓力、震動等)的影響,實(shí)際石英晶振頻率值并不是固定不變的,而是在一定范圍內(nèi)有起伏的值。計算表達(dá)式如下:

式中A為頻率準(zhǔn)確度;f_X為實(shí)際頻率值;f_O后為標(biāo)稱頻率為了得到準(zhǔn)確的f_X,至少應(yīng)進(jìn)行6次測量,采樣時間應(yīng)該選擇相應(yīng)的頻率穩(wěn)定度影響可以忽略時的時間間隔。一般選擇的采樣時間為10s,使得在該時間內(nèi)被測頻標(biāo)的短期頻率穩(wěn)定度比其準(zhǔn)確度高出一個數(shù)量級。

2.晶振頻率穩(wěn)定度

由于各種外界干擾,例如電子線路的熱噪聲,石英晶體諧振器內(nèi)固有噪聲,器件的老化,環(huán)境條件的變化等,都會使石英晶體振蕩器的輸出頻率相對于標(biāo)稱值發(fā)生波動,這種波動代表了輸出頻率的不穩(wěn)定度。目前使用的頻率穩(wěn)定度表征有兩種。即:頻域表征一相對頻率起伏的功率譜密度,它表現(xiàn)為信號的頻譜不純;時域表征一阿侖方差,它表現(xiàn)為頻率平均值的隨機(jī)起伏。二者在數(shù)學(xué)上是一對傅氏變換,因而是等效的。

實(shí)際的阿侖方差計算公式為:

式中f和f,分別為第i和第i+1次測量的頻率值;后為被測頻率源的頻率標(biāo)稱值, m為測量的次數(shù)。

3.晶振老化率的表征和測量

單位時間內(nèi)平均頻率的相對漂移量叫做漂移率。在石英晶體振蕩器中一般稱為老化率,而在原子頻標(biāo)中一般稱為漂移率。大多數(shù)頻標(biāo)經(jīng)過足夠的時間預(yù)熱后連續(xù)工作,在一段不太長的時間內(nèi)頻率的漂移呈現(xiàn)近似線性變化的特點(diǎn)。

老化率實(shí)用計算公式:

值;t為測量時序,i取1,2,3,…,N;f_O為頻率源的標(biāo)稱頻率;n為一天的取樣次數(shù)。

由于石英晶振頻率值隨時間的變化并不僅僅是線性的,石英晶體振蕩器往往是對數(shù)老化規(guī)律或倒數(shù)老化規(guī)律,所以從理論上講,每天測量的點(diǎn)數(shù)n越多越好。但是從實(shí)際測量和計算的方便來講,又希望n取得越少越好。通過大量的實(shí)驗,表明每天測量的次數(shù)n取兩次就可以了。經(jīng)簡化后,每天測量的次數(shù)n取兩次,測量H天的日老化率K_DH的基本簡化公式可以寫為:

原子頻標(biāo)的日漂移率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石英晶體振蕩器,因此一般按月漂移率給出。由于漂移率呈線性規(guī)律,所以月漂移率可以用日漂移率來推算。也就是:

由于高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器的老化率從更長的時間刻度來觀察呈現(xiàn)了隨著加熱時間的延續(xù)越來越小的特點(diǎn),所以國外在考察高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器的年老化率時常常是在日老化率的基礎(chǔ)上乘以系數(shù)100。