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如何建立自己的时间和频率基准? [复制链接]

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离线BG2VO
 
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5764
只看楼主 倒序阅读 0楼 发表于: 2005-06-21
本来写一个建立时间试验室的帖子,先把其中的问题和解答(q&a)贴出来分享,问题和疑问请多指教。


q1. 你为什么要开这样一个帖子?有什么用?
a1. 一个字:玩。两个字:爱好。五个字:吃饱了撑的



q2. 追求高精度的时间和频率到底有什么用途?
a2. 用途比较多,其实人们对精度的追求总是无止境的。可以:
1、做一个时钟,多少年也不差1秒。至于几万年不差一秒也许是我们用不到的,但做到50年不差一秒还是有实际意义的,那样你的表就永远不用调整了,这相当于6e-10。
2、频率计等仪器的精确校准
3、与类似高精度的时间频率基准做对比。比如有一个高级信号发生器,还有一个温补晶振,到底哪一个好?
4、测量晶体振荡器的各种不稳定因素,比如老化率、温度特性。



q3. 如果我有个8位的频率计,在测量10mhz信号时,要求最末一位也是准确的,那么对频率基准的稳定性有什么要求?
a3. 8位频率计是最常见的频率计,测量10mhz十显示10,000,000hz,因此,1秒的采样时间就足够,要求频率基准误差不超过0.5hz,即5e-8。如果允许最末1位跳动+/-1个字,那么实际上要求就是1e-7,即0.1ppm。假设用10秒闸门,那么分辨力提高了10倍,要求就更高了。

这个要求对于温度补偿晶体,就很难达到,因为不仅要校准后准确,而且要求这种准确度要保持很长时间。因此,需要恒温晶体振荡器(ocxo),比如日稳定3e-9的,一个月最差漂移为1e-7(但也有可能一年才漂移1e-7)。


q4. 一般用什么来衡量准确度或稳定性呢?
a4. 一般用三种方法:
1、ppm,ppm是parts per million的缩写,意思为百万分之一,即10的负6次方。
2、ppb,ppb是parts per billion的缩写,意思为十亿分之一,即10的负9次方。1ppm = 1000ppb。
3、科学表示法,即直接用10的负多少次方来表示,例如5.3乘10的负8次方可以写成5.3 x 10e-9,简写为5.3e-9

举个例子,一个晶体日稳定度是3 x 10 -8,记为3e-8,那也就是0.03ppm/日,同时也是30ppb/日。


q5. 我想做个时钟,要求每年不差1秒,需要什么样的基准?
a5. 一年有大约有31500000秒,因此一年差一秒就是0.3ppm,也是300ppb,也是3e-7。尽管这个指标好像不高,但稳定的基准是关键。很多稳定度不到10ppb的晶振,是每天的稳定度,最坏的情况下每年要乘上100多倍,1年以后频率就很可能漂移到1ppm了,那就是每年3秒了,因此必须寻找年稳定度不超过0.5ppm的晶体才可以。


q6. 目前可以做内部基准的东西都有那些?稳定度如何?
a6. 可以做内部基准的有以下几种:
1、温度补偿晶体振荡器,简称tcxo,年稳定度大约是几个ppm到零点几个ppm。温度稳定性也类似,用这样的晶体做电子表,年差几秒。
2、恒温晶体振荡器,简称ocxo,年稳定度大约是0.01ppm到0.5ppm。温度稳定性也类似,用这样的晶体做电子表,年差一般不到1秒。
3、铷钟或者铷模块,属于原子钟,年稳定是1ppb左右,相当于300年差1秒
4、铯钟,属于原子钟,年稳定是0.01ppb左右,相当于3万年差1秒
5、氢钟,属于原子钟,年稳定是0.00001ppb左右,相当于每年差几微秒
6、还有更高的。


q7. 我已经有了比较稳定的ocxo,如何校准呢?
a7. 是的,准确度和稳定度是两个概念。上面的问题是讨论稳定度的,而这里要涉及如何把频率调节准确。假设没有稳定度作为前提,调节再准确也是没有用的,因为很容易就变化了。校准的方法有多种:
1、采用专用gps时钟、频率基准,准确度高且价格不算贵,可以达到1e-10以上。例如hp58540a,直接输出标准的10mhz信号。
2、采用带有10khz输出的gps模块,频率准确度根据我自己最近的测量可以达到1e-9。如果您已经有这样的模块,直接找到10khz输出即可。用等精度的频率计测量对比就可以完成校准。但如果没有等精度的频率计,那么10秒闸门也只能度到10,000.0hz,只有6位,最多能校准到10ppm。这个时候可以用双通道示波器来同时观察10khz和另外需要校准的10mhz/5mhz波形,人为校准。
3、用彩色电视中央电视台的副载波信号。这个频率为4.43361875mhz的信号已经在中央电视台与中国计量科学院的铯钟保持同步,准确度为1e-12。参考:http://www.hellocq.net/forum/showthread.php?t=40755
4、接收“标准时间标准频率发播台”的10mhz信号。发射台在陕西,呼号为bpm,时间精度1e-3秒,频率精度1e-8。可以采用多级选频直放(注意隔离和泄漏以防反馈),直接得到10mhz的信号。参考:http://www.time.ac.cn/jianjie/1.htm
5、找人校准自己的ocxo。有以上校准能力的火腿可以帮忙。不过,校准后经过运输等,频率可能有少许变化。电调节的,需要事先装好电位器。这种校准的方法估计可以达到1e-8。
6、利用成品带有频率基准的东西,例如高精度频率计、合成信号发生器、高档电台等进行校准。


q8. 频率比较和传递需要用什么设备?
a8. 频率计就够了。普通的8位最高可以分辨到1e-8,好的9位的到1e-9。hp53131a实际上是12位的,每秒可以达到10位。用于频率频率比较和传递的频率计需要有如下特点:
1、分辨位数高,最好为9位以上。
2、时间分辨快,最好为亚纳秒的,例如hp53132a为0.15纳秒。
3、计数快,每秒最好10位以上。



其它参看:
1、一个老外自己的站点,爱好时间基准多年,设备多技术强: http://www.leapsecond.com/
2、恒温晶振和铷钟生产大家temex,
恒温晶振:http://www.temex.com/temex/product/crystal/ocxo/index.html
铷钟:http://www.temextime.com/index.php?m=mpp_isource_rubidium
(其中第一个lcr-900是售价小于900美金的产品,体积0.23升)


图1、比较典型频率漂移曲线,选自leapsecond.com
图2、频率计测量5mhz晶体,分辨2e-11
图3、两个独立10mhz基准的互补比较,分辨1e-11和1e-12
图4、sr625内部铷模块
图5、西安授时中心胡永辉与ba7kw
图6、bd1es的设备(超过5个了)
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离线xiongjunfeng
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1220
只看该作者 1楼 发表于: 2005-06-21
好贴,全面的认识!!!!!!!!!!!!!!!
离线xyfjb
发帖
170
只看该作者 2楼 发表于: 2005-06-21
好贴!打消了我的一些想法,我只是玩,不要求那么高精度.做个时钟用ds32khz就可以.呵呵
离线BA5RW
发帖
48255
只看该作者 3楼 发表于: 2005-06-21
GPS模块有秒脉冲输出,并有串行时间信息输出,采用1PPS输出精度为50ns的GPS OEM模块,结合51MCU时间读取系统,可精确到纳秒级.技术成本不高,但除了突发事件精确定位什么的,实在想不出在业余领域有什么用处?
离线bg7vi
发帖
2560
只看该作者 4楼 发表于: 2005-06-21
好贴!等了很久的好贴!
离线el34a
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607
只看该作者 5楼 发表于: 2005-06-21
好贴.总算抢到HP58540A
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离线BG2VO
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5764
只看该作者 6楼 发表于: 2005-06-21
多谢各位的评价。
el34a您这个hp58540好用吗?据bg7vi 说他的不好用,alarm灯总是红的。

另外这个电源插口可以在电子商场里买到。

hp58540a相关连接
一个带有图片的说明:http://www.realhamradio.com/58540a.htm
数据表:http://www.symmetricom.com/media/pdf/documents/ds-58540a.pdf
手册:http://www.leapsecond.com/museum/hp58540a/097-58540-01-iss-1.pdf
所用的恒温晶振说明:http://www.mti-milliren.com/230.html#1
软件:http://www.realhamradio.com/satstat.zip

图1:bd1es的时间统一技术
图2:slka的12位频率计
图3:bg4kc对gps接收机和铷钟的比较
图4、bd1es掏到的hp ocxo频率基准
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离线el34a
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607
只看该作者 7楼 发表于: 2005-06-21
这种恒温晶体晶体怎么样?
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离线BG2VO
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5764
只看该作者 8楼 发表于: 2005-06-21
这种晶振好啊,我正出200元求呢,不知道是否还有能否转让我一个?
离线el34a
发帖
607
只看该作者 9楼 发表于: 2005-06-21
问问广州朋友!http://www.sinma.com.cn/pic/5.htm
离线BA7EI
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7096
只看该作者 10楼 发表于: 2005-06-21
最简单的办法是到技术监督局定期校正
离线BG2VO
发帖
5764
只看该作者 11楼 发表于: 2005-06-21
'
最简单的办法是到技术监督局定期校正
'
到技术监督局定期校正可能有这样几个问题
1、失去 diy乐趣
2、仍然是外部标准,不是自己的
3、费用可能也不抵
4、校准精度有限,还不一定干上自己校准呢
5、校准后拿回来又变了,因为有重新开机冲击
6、人家不给你校准
7、人家没有这个校准项目
8、当地没有技术监督局


el34a:他们卖的价格很贵啊。
离线BA7EI
发帖
7096
只看该作者 12楼 发表于: 2005-06-22
[quote=bg2vo]到技术监督局定期校正可能有这样几个问题
1、失去 diy乐趣(与diy无关)
2、仍然是外部标准,不是自己的(相对论)
3、费用可能也不抵(人家成本也不低)
4、校准精度有限,还不一定干上自己校准呢(到国家总局去)
5、校准后拿回来又变了,因为有重新开机冲击(你的diy水平有待于提高)
6、人家不给你校准(你没给钱又没有夺得天下)
7、人家没有这个校准项目(谁说的)
8、当地没有技术监督局(任何超过一亿人口的国家都有量值传递的机构)


el34a:他们卖的价格很贵啊(代为回答:一分价钱一分货)。[/quote]


只能沉默了,精确度和准确性.不公开讨论了,也许会触动第三者.
离线BG2VO
发帖
5764
只看该作者 13楼 发表于: 2005-06-22
其实,diy的乐趣就是花相对很少钱做出人家花很多钱才能做出来的事情。建立自己的时间基准就是这样一个diy。另外,diy的原则之一,就是自己动手不求他人。
离线bg2ey
发帖
3235
只看该作者 14楼 发表于: 2005-06-22
“diy的乐趣就是花相对很少钱做出人家花很多钱才能做出来的事情。”
赞同!高性价比。
离线老干部
发帖
7646
只看该作者 15楼 发表于: 2005-06-22
如果大家是围绕业余无线电接收和发射讨论的,我想就应该考虑把外同步基准加入到短波机中去。
离线BG2VO
发帖
5764
只看该作者 16楼 发表于: 2005-06-23
'
问问广州朋友!http://www.sinma.com.cn/pic/5.htm
'
谢谢您的连接,我看到那个z3801a了。这个东西我看了手册,好像有一部分指标还比hp58540a低。tvb有个很详细的有关其10多个晶振的测试:http://www.leapsecond.com/pages/z3801a-osc/
离线bd1es
发帖
2096
只看该作者 17楼 发表于: 2005-06-24
这就有趣了!我同事已从南京带了一个58540a给我,通电24小时以上了,试验结果也是红灯常亮。

bg1aax前天给我打电话,说他买的那个58540a也是同样的毛病!

过两天我想再托世纪买一个回来,看看还是不是这样,很有意思。莫非这批货有问题不成。

另外的线索,我的这个58540a的串口没有报文输出,似乎不对,不知道大家检查过没有。别是里面的fireware已经刷掉了吧,还是改成其他什么东东了,或是配置不对,gps模块被关闭了。

刚出差回来,没仔细研究,过两天继续报告消息。

'
多谢各位的评价。
el34a您这个hp58540好用吗?据bg7vi 说他的不好用,alarm灯总是红的。
另外这个电源插口可以在电子商场里买到。
hp58540a相关连接
一个带有图片的说明:http://www.realhamradio.com/58540a.htm
数据表:http://www.symmetricom.com/media/pdf/documents/ds-58540a.pdf
手册:http://www.leapsecond.com/museum/hp58540a/097-58540-01-iss-1.pdf
所用的恒温晶振说明:http://www.mti-milliren.com/230.html#1
软件:http://www.realhamradio.com/satstat.zip
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离线BG2VO
发帖
5764
只看该作者 18楼 发表于: 2005-06-24
哦,难道真是这批货有问题?bd1es你的gps天线正常吗?
我的一个hp58540a很快应该邮到,因为我已经有了一个,因此可以很快对比试验。
我开始想买4个(每样2个)做样品,好了再进10个左右。如果真是不好,那就不进了,除非价格比较便宜当晶体+电源买。
那个leapsecond主人就有十几个z3801a,是比58540a更高级的东西。
离线bd1es
发帖
2096
只看该作者 19楼 发表于: 2005-06-24
回bg2vo的帖子。

我特别欣赏您的这个观点:一个字:玩。两个字:爱好。五个字:吃饱了撑的。

我也这么想的,只是玩得不很深入就是了。所以我觉得我也算是时间爱好者。这个爱好从上高中就有了,那时老偷听bpm的时号,还尝试用那玩意儿对表。本bd1es一直想听听闰秒的声音,却总是错过机会,在银行上班就是这么讨厌,老是在每年最后一天搞什么鸟决算。

制作电子表也很多年了,在大连上学时就从707厂买音叉振子,自己做32768赫兹的cmos电子表,险些被冒号没收。后来表做了不少,没人没收,也没人喜欢,样子不好看,还挺费电。

下一步我想考虑有办法保持频率,不必很专业,-8或者-9每年就满足了。如果我的58540a可以用的话就是现成的了,不过这叫跟踪,不叫保持。