时间间隔发生器校准规范

JJF1902—20211时间间隔发生器校准规范1范围本规范适用于输出范围1ns~10000s时间间隔发生器的校准。2引用文件本规范引用了下列文件:JJG180电子测量仪器内石英晶体振荡器JJG181石英晶体频率标准JJG292铷原子频率标准JJG2007时间频率计量器具JJF1180时间频率计量名词术语及定义凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3概述时间间隔发生器也称为时间合成器,是以石英晶体振荡器或铷原子频率标准为时钟,利用数字合成技术,产生出可设置脉冲周期、延迟时间、脉冲宽度等多种类型的时间间隔信号的测量仪器。时间间隔发生器广泛应用于导航、通信等领域的各种时间控制系统,在检定、校准时间测量仪器时可作为标准源使用。时间间隔发生器输出方式包括单路输出脉冲列的脉冲周期、脉冲宽度,两路输出脉冲列间的时间间隔等。时间间隔发生器可有多个输出通道,输出脉冲极性可正可负,有逻辑正向脉冲和反向脉冲。其原理框图如图1所示。图1时间间隔发生器原理JJF1902—202124计量特性4.1内置时基振荡器4.1.1开机特性:1×10-6~1×10-11。4.1.2日频率波动:1×10-6~1×10-11。4.1.3日老化率(日频率漂移率):±1×10-6~±1×10-12。4.1.41s频率稳定度:1×10-8~1×10-12。4.1.5频率复现性:1×10-6~1×10-12。4.1.6相对频率偏差:±1×10-5~±1×10-11。4.2时间间隔输出4.2.1输出范围:1ns~10000s。4.2.2时间间隔最大允许误差:±(|A|·T+Δ),A为内置时基振荡器最大允许相对频率偏差,T为给定的时间间隔,Δ为内置时基以外因素引入的最大允许相对偏差,由被校仪器说明书给出。4.3脉冲输出4.3.1脉冲幅度:0.5V~10V。最大允许误差:±(5%U+50mV),U为输出的幅度值。4.3.2上升时间:1ns~10ns;下降时间:1ns~10ns。4.3.3直流偏置电压:-5V~+5V。最大允许误差:±(5%U+50mV),U为输出的幅度值。注:校准时以被校仪器使用说明书给出的技术指标为准,以上指标仅供参考。5校准条件5.1环境条件5.1.1环境温度、相对湿度、电源电压及频率要求如表1所示。表1环境温度、相对湿度、电源电压及频率要求一览表内置振荡器类型环境温度相对湿度电源电压及频率石英晶体振荡器15℃~30℃温度变化不超过±2℃无温度突变不大于80%220(1±10%)V50(1±2%)Hz石英晶体频率标准15℃~30℃温度变化不超过±2℃无温度突变不大于80%220(1±2%)V50(1±2%)Hz铷原子频率标准18℃~25℃温度变化不超过±1℃无温度突变不大于80%220(1±10%)V50(1±2%)Hz35.1.2周围无影响正常校准的电磁干扰和机械振动。5.2测量标准器及其他设备5.2.1参考频标参考频标的输出频率包含5MHz、10MHz等。频率稳定度应优于被校仪器相应取样时间频率稳定度的1/3,其他技术指标如老化率(日频率漂移率)、相对频率偏差等应优于被校仪器相应技术指标一个数量级。5.2.2频标比对系统输入信号频率包含5MHz、10MHz等。取样时间包含1s、10s等,测量带宽应大于相应取样时间倒数的5倍,比对不确定度应优于被校仪器相应取样时间频率稳定度的1/3。5.2.3时间间隔测量仪测量范围:1ns~10000s,应有外接频标功能。触发电平在-5V~5V范围内连续可调,时间间隔测量仪的最大允许误差优于被校仪器最大允许误差的1/3。5.2.4示波器脉冲上升时间应小于被校时间间隔发生器脉冲上升时间、脉冲下降时间的1/3。电压测量范围覆盖被校时间间隔发生器输出幅度可调范围,最大允许误差应优于被校时间间隔发生器脉冲输出幅度误差的1/3。6校准项目和校准方法6.1校准项目时间间隔发生器校准项目如表2所示。表2时间间隔发生器校准项目一览表序号项目名称1外观及工作正常性检查2内置时基振荡器石英晶体振荡器参见JJG180石英晶体频率标准参见JJG181铷原子频率标准参见JJG2923连续脉冲周期4连续脉冲宽度5单脉冲宽度6延迟时间7两个单脉冲(阶跃电压)间的时间间隔8脉冲上升时间、下降时间9脉冲幅度10直流偏置电压JJF1902—202146.2校准方法6.2.1外观及工作正常性检查6.2.1.1外观检查时间间隔发生器外观应无缺陷和影响正常工作的机械损伤。前面板或后面板应标有仪器名称、型号、制造厂、出厂编号及电源要求。6.2.1.2工作正常性检查时间间隔发生器的控制旋钮,按键开关和输入、输出端口应安装牢固;各项功能开关、按键应灵活可靠。6.2.2内置时基振荡器被校时间间隔发生器内置时基振荡器的校准,根据振荡器类型,分别按照JJG180、JJG181或JJG292进行校准。6.2.3连续脉冲周期仪器连接如图2所示。图2连续脉冲周期的测量被校时间间隔发生器功能设置为“脉冲周期输出”,输出幅度为1V。校准点的选取:以最小输出值为第一个校准点,其余各点按10倍程递增,最后一个校准点为最大输出值。每个校准点至少测量3次,取其平均值作为该点的测量值。按式(1)计算输出脉冲周期的误差:ΔT=T0-T(1)式中:ΔT—测量误差,s;T0—标称值,s; T—测量值,s。6.2.4连续脉冲宽度仪器连接如图3所示。图3连续脉冲宽度的测量JJF1902—20215在本项及以下各项的校准中,时间间隔测量仪在双线输入时,两根输入线使用同规格等长度的同轴电缆线。6.2.4.1正脉冲宽度被校时间间隔发生器输出极性置“+”,功能置“连续脉冲宽度输出”,输出幅度为1V。时间间隔测量仪的功能设置为“时间间隔测量”。调整启动和停止通道的触发电平皆为0.5V,触发斜率分别置“+”和“-”,测量脉冲宽度值。校准点和测量次数的选取同6.2.3。按式(1)计算正脉冲宽度的误差。6.2.4.2负脉冲宽度被校时间间隔发生器输出极性置“-”,输出幅度为-1V。调整时间间隔测量仪启动和停止通道的触发电平皆为-0.5V,触发斜率分别置“-”和“+”,测量脉冲宽度值。校准点和测量次数的选取同6.2.3。按式(1)计算负脉冲宽度的误差。6.2.5单脉冲宽度仪器连接如图3所示。被校时间间隔发生器输出极性置“+”,功能置“单次脉冲宽度输出”,输出幅度为1V。按6.2.4.1的方法进行。6.2.6延迟时间仪器连接如图4所示。图4延迟时间的测量被校时间间隔发生器置内触发,输出极性置“+”,功能置“延迟时间输出”,输出幅度为1V。时间间隔测量仪的功能设置为“时间间隔测量”。调整启动和停止通道的触发电平分别为同步脉冲幅值的50%和0.5V,触发斜率均置“+”,测量延迟时间值。校准点和测量次数的选取同6.2.3。被校时间间隔发生器输出极性置“-”,输出幅度为-1V,调整时间间隔测量仪启动和停止通道的触发电平分别为同步脉冲幅值的50%和-0.5V,按极性设置触发斜率,测量延迟时间值。校准点和测量次数的选取同6.2.3。按式(1)计算延迟时间的误差。6.2.7两个单脉冲(阶跃电压)间的时间间隔被校时间间隔发生器可单通道输出合成双脉冲,合理设置时间间隔测量仪输入通道的触发斜率和触发电平,仪器连接如图3所示;被校时间间隔发生器两个脉冲由两个通JJF1902—20216道分别输出时,仪器连接如图5所示。图5两个单脉冲时间间隔的测量被校时间间隔发生器输出极性置“+”,功能置“双脉冲输出”,输出幅度为1V。时间间隔测量仪的功能设置为“时间间隔测量”。调整启动和停止通道的触发电平均为0.5V,触发斜率均置“+”,测出两个单脉冲(阶跃电压)间的时间间隔值。校准点和测量次数的选取同6.2.3。被校时间间隔发生器输出极性置“-”,输出幅度为-1V,调整时间间隔测量仪启动和停止通道的触发电平均为-0.5V,触发斜率均置“-”,测出两个单脉冲(阶跃电压)间的时间间隔值。校准点和测量次数的选取同6.2.3。按式(1)计算两个单脉冲间的时间间隔的误差。6.2.8脉冲上升时间、下降时间仪器连接如图6所示。图6脉冲上升时间和下降时间的测量被校时间间隔发生器输出极性置“+”,功能置“脉冲宽度输出”,输出幅度为1V(或按技术说明书要求指标),输出脉冲宽度为最小输出值。示波器与时间间隔发生器匹配连接,使在屏幕上得到完整脉冲波形,测得脉冲幅度从10%上升到90%所对应的时间间隔即脉冲上升时间和从90%下降到10%所对应的时间间隔即脉冲下降时间。6.2.9脉冲幅度仪器连接如图6所示。被校时间间隔发生器输出极性置“+”,功能置“脉小,输出脉冲宽度为1ms。示波器与时间间隔发生器匹配连接,调节示波器,使在屏幕上得到幅度为屏幕有效高度的50%以上的稳定的脉冲波形。测出脉冲波形的幅度值Ua。改变被校时间间隔发生器输出幅度U0依次为0.5V、1V、3V、5V、8V、10V,重复上述测量。输出脉冲幅度误差按式(2)计算:δa=×100%(2)JJF1902—20217式中:δa—脉冲幅度相对误差;Ua—脉冲幅度测量值,V;U0—脉冲幅度标称值,V。注:被校时间间隔发生器脉冲输出幅度为固定值时,仅在固定输出幅度值进行校准。6.2.10直流偏置电压仪器连接如图6所示。5V,输出脉冲宽度设置为1ms。示波器与时间间隔发生器匹配连接,调节被校时间间隔发生器的工作状态,将时间间隔发生器的偏置电压由0V分别调到+5V和-5V,调节示波器,使在屏幕上得到幅度为屏幕有效高度的50%以上的稳定的脉冲波形。测出脉冲波形的幅度偏移值UV,直流偏置电压的误差按式(3)计算。δV=×100%(3)式中:δV—偏置电压相对误差;UV—脉冲幅度偏移测量值,V;Ud—脉冲幅度偏移标称值,V。7校准结果的表述校准证书至少包括以下信息:a)标题:“校准证书”;b)实验室名称和地址;c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)客户的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识;g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的接收日期;h)如果与校准结果的有效性或应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;i)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;k)校准环境的描述;l)校准结果及其测量不确定度的说明;m)对校准规范的偏离的说明;n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;o)校准结果仅对被校对象有效的声明;JJF1902—20218p)未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。8复校时间间隔由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的,因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校的时间间隔。建议复校时间间隔为1年。JJF1902—20219附录A主要项目校准结果不确定度评定示例A.1概述时间间隔发生器是产生可设置脉冲周期、延迟时间、脉冲宽度等多种类型的时间间隔信号的测量仪器,其主要参数有脉冲周期、脉冲光宽度、延迟时间、两个单脉冲间的时间间隔、脉冲上升和下降时间、脉冲幅度、直流偏置电压。本附录以1ms两个单脉冲间的时间间隔、5ns脉冲上升时间、1V脉冲幅度的校准不确定度评定为例,说明时间间隔发生器各校准项目的标准不确定度评定程序。A.2两个单脉冲间的时间间隔A.2.1测量模型按照6.2.7的方法和步骤,用外接铷原子频率标准的时间间隔测量仪对时间间隔发生器两个单脉冲间的时间间隔进行测量。测量模型为:δT=T0-Tx(A.1)式中:δT—被校时间间隔发生器时间间隔测量误差,s;T0—输出时间间隔的标称值,s;Tx—被校时间间隔发生器的测量值,s。由于各不确定度(包括所有分量)之间不相关,所以合成标准不确定度可用公式(A.2)表示:u(δT)=c0u2(T0)+cxu2(Tx)(A.2)式中:cT0、cTx—灵敏系数;cT0==1,cTx==-1uc(δT)—被校时间间隔发生器时间间隔测量误差的合成标准不确定度,s;u(T0)—被校时间间隔发生器引入的标准不确定度,s;u(Tx)———时间间隔测量仪和参考频率标准引入的标准不确定度,s。被校时间间隔发生器时间间隔测量误差的合成标准不确定度可表示为:(A.3)uc(δT)=u2(T0)+u2(Tx)(A.3)A.2.2标准不确定度评定A.2.2.1标准不确定度来源标准不确定度来源包括:a)测量重复性引入的标准不确定度u(T0);b)参考频率标准引入的标准不确定度u1(Tx);c)时间间隔测量仪通道间时滞引入的标准不确定度u2(Tx);d)时间间隔测量仪系统误差引入的标准不确定度u3(Tx);JJF1902—202110e)时间间隔测量仪触发电平引入的标准不确定度u4(Tx);f)时间间隔测量仪分辨力引入的标准不确定度u5(Tx)。A.2.2.2测量重复性引入的标准不确定度u(T0)测量时间间隔选取1ms。测量重复性引入的标准不确定度u(T0)按A类方法评定,用贝塞尔公式计算实验标准偏差,多次重复测量结果如表A.1所示。表A.1测量重复性测量序号测得值/ms11.000002721.000006331.000004341.000004551.000005861.000004371.000005481.000004891.0000041101.0000042根据表A.1中的数据,计算输出脉冲上升时间重复测量的实验标准偏差为:s(T0)=1.01ns校准时取三次测量结果,故测量重复性引入的标准不确定度为:u(T0)==0.58nsA.2.2.3参考频率标准引入的标准不确定度u1(Tx)参考频率标准为铷原子频率标准,根据检定证书可知,其相对频率偏差为±5×10-11,按B类方法进行评定,测量1ms时,分散区间的半宽度a=5×10-5ns,服从均匀分布,包含因子k=3,则参考频率标准引入的标准不确定度为:u1(Tx)=2.9×10-5nsA.2.2.4时间间隔测量仪通道间时滞引入的标准不确定度u2(Tx)根据时间间隔测量仪说明书可知,时间间隔测量仪通道间时滞为50ps,按B类方从均匀分布,包含因子k=3,则时间间u2(Tx)s=29psA.2.2.5时间间隔测量仪系统误差引入的标准不确定度u3(Tx)11根据时间间隔测量仪说明书可知,时间间隔测量仪系统误差为±100ps,按B类方间隔测量仪系统误差引入的标准不确定度为:法进行评定,分散区间的半宽度a=100ps,服从均匀分布,包含因子k=3间隔测量仪系统误差引入的标准不确定度为:u3(Tx)=58psA.2.2.6时间间隔测量仪触发电平设置引入的标准不确定度u4(Tx)±2×0,通过计算,时间间隔测量仪触发电平定时允许误差为:±88ps,按B类方法进行评定,分散区间的半宽度a=88ps,服从均匀分布,包含因子k=3,则时间间隔测量仪触发电平设置引入的标准不确定度为:u4(Tx)s=51psA.2.2.7时间间隔测量仪分辨力引入的标准不确定度u5(Tx)根据时间间隔测量仪说明书可知,时间间隔测量仪最小分辨力为20ps,按B类方隔测量仪分辨力引入的标准不确定度为:法进行评定,分散区间的半宽度a=10ps,服从均匀分布,包含因子k=3,隔测量仪分辨力引入的标准不确定度为:u5(Tx)s=5.8psA.2.3标准不确定度分量一览表表A.2标准不确定度分量一览表标准不确定度分量不确定度来源评定方法分布k值标准不确定度u(T0)测量重复性A正态10.58nsu1(Tx)参考频率标准B均匀 32.9×10-5nsu2(Tx)时间间隔测量仪通道间时滞B均匀 329psu3(Tx)时间间隔测量仪系统误差B均匀 358psu4(Tx)时间间隔测量仪触发电平B均匀 351psu5(Tx)时间间隔测量仪分辨力B均匀 35.8psA.2.4合成标准不确定度按公式(A.3)计算合成标准不确定度,结果为:uc(δT)=u2(T0)+u(Tx)+u(Tx)+u(Tx)+u(Tx)+u(Tx)=0.59nsA.2.5扩展不确定度取包含因子k=2,则扩展不确定度为:U(δT)=k×uc(δT)=1.2ns12A.3脉冲上升时间A.3.1测量模型按照6.2.8的方法和步骤,用示波器对被校时间间隔发生器脉冲上升时间进行测量。测量模型为:δt=t0-tx(A.4)式中:δt—被校时间间隔发生器输出脉冲上升时间误差,ns;t0—被校时间间隔发生器输出脉冲上升时间标称值,ns;tx—示波器测量的脉冲信号上升时间,ns。上升时间标准不确定度主要是由测量重复性、示波器上升时间和示波器时间测量最大允许误差等引入的。由于各不确定度(包括所有分量)之间不相关,所以合成不确定度可用公式(A.5)表示:u(δt)=c0u2(t0)+cxu2(tx)(A.5)式中:ct0、ctx—灵敏系数;ct0==1,ctx==-1uc(δt)—被校时间间隔发生器脉冲上升时间误差的合成标准不确定度,ns;u(t0)—被校时间间隔发生器引入的标准不确定度,ns;u(tx)—示波器引入的标准不确定度,ns。被校时间间隔发生器输出脉冲信号上升时间的合成标准不确定度可表示为:uc(δt)=u2(t0)+u2(tx)(A.6)A.3.2标准不确定度评定A.3.2.1标准不确定度来源标准不确定度来源主要包括:a)测量重复性引入的标准不确定度u(t0);b)示波器上升时间引入的标准不确定度u1(tx);c)示波器时间测量最大允许误差引入的标准不确定度u2(tx)。A.3.2.2测量重复性引入的标准不确定度u(t0)测量上升时间选取5ns。测量重复性引入的标准不确定度u(t0)按A类方法评定,用贝塞尔公式计算实验标准偏差,多次重复测量结果如表A.3所示。表A.3输出脉冲上升时间重复性测量数据测量序号测得值/ns15.325.113表A.3(续)测量序号测得值/ns35.345.155.065.375.185.295.2105.2根据表A.3中的数据,计算输出脉冲上升时间重复测量的实验标准偏差为:s(t0)=0.11ns校准时取单次测量结果,故测量重复性引入的标准不确定度为:u(t0)=s(t0)=0.11nsA.3.2.3示波器上升时间引入的标准不确定度u1(tx)根据示波器说明书可知,上升时间为150ps。按B类方法进行评定,分散区间的半150ps,服从均匀分布,包含因子k=3,则示波器上升时间引入的标准不确u1(tx)=0.087nsA.3.2.4示波器时间测量最大允许误差引入的标准不确定度u2(tx)根据示波器说明书可知,单次时间测量的最大允许误差为±3ps,按B类方法进行量最大允许误差引入的标准不确定度为:评定,分散区间的半宽度a=3ps,服从均匀分布,包含因子k=3量最大允许误差引入的标准不确定度为:u2(tx)s=1.8psA.3.3标准不确定度分量一览表表A.4标准不确定度分量一览表标准不确定度分量不确定度来源评定方法分布k值标准不确定度u(t0)测量重复性A正态10.11nsu1(tx)示波器上升时间B均匀 30.087nsu2(tx)示波器时间测量最大允许误差B均匀 30.0018nsA.3.4合成标准不确定度按公式(A.6)计算合成标准不确定度,结果为:uc(δt)=u2(t0)+u(tx)+u(tx)=0.14ns14A.3.5扩展不确定度取包含因子k=2,则扩c(δt)=0.3nsA.4脉冲幅度A.4.1测量模型按照6.2.9的方法和步骤,用示波器对被校时间间隔发生器脉冲幅度进行测量。测量模型为:δV=V0-Vx(A.7)式中:δV—被校时间间隔发生器输出脉冲幅度误差,V;V0—被校时间间隔发生器输出脉冲幅度标称值,V;Vx—示波器测量的脉冲幅度,V。由于各不确定度(包括所有分量)之间不相关,所以合成标准不确定度可用公式(A.8)表示:u(δV)=c0u2(V0)+cxu2(Vx)(A.8)式中:cV0、cVx—灵敏系数;cV0==1,cVx==-1uc(δV)—被校时间间隔发生器脉冲幅度误差的合成标准不确定度,s;u(V0)—被校时间间隔发生器引入的标准不确定度,s;u(Vx)—示波器引入的标准不确定度,s。被校时间间隔发生器输出脉冲信号上升时间的合成标准不确定度可表示为:uc(δV)=u2(V0)+u2(Vx)(A.9)A.4.2标准不确定度评定A.4.2.1标准不确定度来源标准不确定度来源主要包括:a)测量重复性引入的标准不确定度u(V0);b)示波器相对电压测量的最大允许误差引入的标准不确定度u1(Vx);c)示波器显示分辨力引入的标准不确定度u2(Vx)。A.4.2.2测量重复性引入的标准不确定度u(V0)测量脉冲幅度选取1V。测量重复性引入的标准不确定度,按A类方法评定,用贝塞尔公式计算实验标准偏差,多次重复测量结果如表A.5所示。表A.5测量重复性测量序号测得值/V10.988120.9885JJF1902—202115表A.5(续)测量序号测得值/V30.988240.988350.988260.988070.987780.988090.9881100.9880根据表A.5中的数据,计算输出脉冲幅度重复测量的试验标准偏差为:s(V0)=0.00022V校准时取单次测量结果,故测量重复性引入的标准不确定度为:u(V0)=s(V0)=0.00022VA.4.2.3示波器相对电压测量的最大允许误差引入的标准不确定度u1(Vx)根据示波器说明书可知,相对电压测量的最大允许误差为±1.5%满刻度。按B类方法评定,示波器垂直偏转系数为0.2V/div时,分散区间的半宽度为:a=1.5%×1.6V=0.024V准不确定度为:服从均匀分布,包含因子k=3准不确定度为:u1(Vx)=0.014VA.4.2.4示波器显示分辨力引入的标准不确定度u2(Vx)数字示波器在电压测量中显示分辨力引入的不确定度是由示波器的A/D转换位数决定的。由示波器说明书可知,其A/D转换为8位,示波器垂直偏转系数为0.2V/div时,其读数分辨力为:δV=6-=0.0063V按B类方法进行评定,则分散区间的半宽度为:a===0.0032V服从均匀分布,包含因子k=3,则示波器显示分辨力引入的标准不确定度为:u2(Vx)=0.0018VJJF1902—202116A.4.3标准不确定度分量一览表表A.6脉冲幅度标准不确定度分量一览表标准不确定度分量不确定度来源评定方法分布k值标准不确定度/Vu(V0)测量重复性A正态10.00022u1(Vx)示波器相对电压测量的最大允许误差B均匀 30.014u2(Vx)示波器显示分辨力B均匀 30.0018A.4.4合成标准不确定度按公式(A.9)计算合成标准不确定度,结果为:uc(δV)=u2(V0)+u(Vx)+u(Vx)=0.014VA.4.5扩展不确定度取包含因子k=2,则扩展不确定度为:U(δV)=k×uc(δV)=0.028V换算至相对扩展不确定度为:Urel(δV)=2.8%,k=2注:以上不确定度评定示例中,当测量环境符合环境校准要求时,环境影响引入的不确定度分量可忽略不计,不再单独列出。17附录B时间间隔发生器校准原始记录格式B.1外观及工作正常性检查表B.1外观及工作正常性检查检查项目结果外观工作正常性B.2内置时基振荡器表B.2内置时基振荡器内置时基振荡器类型技术要求石英晶体振荡器参见JJG180《电子测量仪器内石英晶体振荡器》检定项目石英晶体频率标准参见JJG181《石英晶体频率标准》检定项目铷原子