相位微跃器校准规范

JJF1805—20201相位微跃器校准规范1范围本规范适用于输入频率为5MHz、10MHz、100MHz的相位微跃器的校准。2引用文件本规范引用了下列文件:JJF1001通用计量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概述相位微跃器是一种对输入频率信号f0进行锁定,在一定范围内对其进行调整并输出时间频率信号的设备。工作时将本地的晶体振荡器锁定于外部输入频率信号f0,同时将精密调整量Δf施加于环路中,产生调整后的时间和频率信号。经过调整后的频率信号通过分频产生本地1PPS信号,外部1PPS信号可将本地输出1PPS进行初始同步,通过调整频率信号的相位,达到精密调整1PPS相位的目的。相位微跃器工作原理如图1所示。相位微跃器广泛应用于时间频率控制、守时、卫星导航及计量等领域。图1相位微跃器工作原理图4计量特性4.1输入功率范围:(7~15)dBm。4.2输出功率:(10~17)dBm。4.3谐波失真:≤-40dBc。JJF1805—202024.4非谐波失真:≤-70dBc。4.5隔离度:≤-80dB。4.6附加相位噪声:频偏频率5MHz10MHz100MHz1Hz≤-100dBc/Hz≤-94dBc/Hz≤-74dBc/Hz10Hz≤-120dBc/Hz≤-114dBc/Hz≤-84dBc/Hz100Hz≤-140dBc/Hz≤-134dBc/Hz≤-114dBc/Hz1kHz≤-150dBc/Hz≤-144dBc/Hz≤-124dBc/Hz10kHz≤-155dBc/Hz≤-149dBc/Hz≤-129dBc/Hz4.7附加频率稳定度:Δf=0Δf=1×10-12≤5×10-13/s≤5×10-13/s≤5×10-14/10s≤5×10-14/10s≤5×10-15/100s≤5×10-14/100s4.81PPS输出:幅度(50Ω):≥2V;上升时间:≤10ns;脉冲宽度:≥800ns;抖动:≤1ns(RMS)。4.91PPS同步偏差:±200ns。4.10时间调整范围:-2000ns~2000ns。4.11相对频率偏差调整范围:-2×10-7~2×10-7。注:以上指标不适用于合格性判别,仅供参考。5校准条件5.1环境条件实验室环境温度:(20~25)℃且温度变化不超过±1℃,相对湿度:≤80%;电源电压:(220±22)V;电源频率:(50±1)Hz;无影响仪器正常工作的电磁干扰和机械振动。5.2测量标准及其他设备5.2.1标准时间频率源输出频率:5MHz、10MHz、100MHz;输出功率:(7~15)dBm;频率稳定度:<1×10-13/s;JJF1805—20203相位噪声:频偏频率5MHz10MHz100MHz1Hz≤-110dBc/Hz≤-104dBc/Hz≤-84dBc/Hz10Hz≤-130dBc/Hz≤-124dBc/Hz≤-94dBc/Hz100Hz≤-150dBc/Hz≤-144dBc/Hz≤-124dBc/Hz1kHz≤-160dBc/Hz≤-154dBc/Hz≤-134dBc/Hz10kHz≤-165dBc/Hz≤-159dBc/Hz≤-139dBc/Hz谐波失真:≤-50dBc;1PPS输出:脉冲宽度≥800ns;脉冲幅度符合TTL电平。5.2.2功率计频率范围:(0.1~200)MHz;功率范围:(-20~+20)dBm;最大允许误差:±0.1dB。5.2.3频谱分析仪频率范围:(0.1~500)MHz;幅度动态范围:>80dB;最大允许误差:±1dB。5.2.4频标比对器频率范围:5MHz,10MHz,100MHz。比对不确定度:≤1×10-13/s;≤1×10-14/10s;≤1×10-15/100s。5.2.5相位噪声测量系统频率范围:(1~100)MHz。本底噪声:≤-110dBc/Hz(1Hz频偏);≤-130dBc/Hz(10Hz频偏);≤-150dBc/Hz(100Hz频偏);≤-160dBc/Hz(1kHz频偏);≤-165dBc/Hz(10kHz频偏)。5.2.6数字示波器频率范围:≥200MHz;采样率:≥10GSa/s;抖动:≤500fs;幅度测量误差:≤1%;JJF1805—20204上升时间测量误差:±200ps。5.2.7时间间隔计数器频率测量范围:(1~200)MHz;时间间隔测量范围:1ns~1000s;最大允许误差:±1ns。5.2.8功分器频率范围:DC~200MHz。5.2.9信号发生器频率范围:(1~200)MHz;功率范围:(0~20)dBm;最大允许误差:±0.1dB。6校准项目和校准方法6.1校准项目校准项目见表1。表1校准项目表序号校准项目1工作正常性检查2输入功率范围3输出功率4谐波失真5非谐波失真6隔离度7附加相位噪声8附加频率稳定度91PPS输出101PPS同步偏差11时间调整范围12相对频率偏差调整范围6.2校准方法所有设备按规定时间预热。6.2.1工作正常性检查仪器连接如图2所示。JJF1805—20205图2输入和输出信号功能检查示意图检查步骤如下:(1)标准频率源输出信号接入相位微跃器频率信号输入端,信号幅度满足被校设备锁定要求;(2)分别连接相位微跃器各个输出端至示波器,检查锁定后输出信号是否正常;同步外部秒脉冲信号是否成功。6.2.2输入功率范围仪器连接如图3所示。图3输入功率范围校准示意图校准步骤如下:(1)设定信号发生器的输出信号频率符合被校设备要求;(2)分别设定信号发生器的输出信号功率为被校设备的标称最大、最小输入功率,检查被校设备是否能够锁定,记录测量结果。6.2.3输出功率仪器连接如图4所示。图4输出功率校准示意图校准步骤如下:(1)设定标准时间频率源输出频率信号幅度满足被校设备锁定要求。(2)功率计分别连接相位微跃器的各个频率信号输出端,测量10次,计算平均值作为输出功率,并记录测量结果。6.2.4谐波失真仪器连接如图5所示。JJF1805—20206图5谐波失真校准示意图校准步骤如下:(1)频谱分析仪分别连接相位微跃器各个频率输出端,设置频谱分析仪RBW为1kHz,测量基波、二次谐波及三次谐波的功率电平,测量10次,计算平均值;(2)谐波失真为二次、三次谐波中功率较高的功率值与基波功率的差值,按公式(1)计算谐波失真:PH=max(P2,P3)-P1(1)式中:P1—基波功率,dBm;其中max为取最大值函数。6.2.5非谐波失真仪器连接同图5所示,校准步骤如下:(1)频谱分析仪分别连接相位微跃器各个频率输出端,设置频谱分析仪RBW为1kHz,测量起始频率为1MHz,终止频率为5fc(fc表示相位微跃器输出信号频率标称值,单位为MHz);(2)找到离fc频点10kHz以外的非谐波功率最大值,测量10次,计算平均值;(3)按公式(2)计算非谐波失真:PN=PNm-P1(2)式中:PNm—离fc频点10kHz以外的非谐波功率最大值,dBm;6.2.6隔离度仪器连接如图6所示。图6隔离度校准示意图校准步骤如下:(1)设定信号发生器输出信号频率为(fc-0.1)MHz(fc表示相位微跃器输出JJF1805—20207信号频率标称值,单位为MHz);输出功率满足锁定要求(一般设为10dBm),将信号发生器的输出信号接入相位微跃器的一个频率信号输出端;(fc-0.1)MHz信号的功率电平,测量10次,计算平均值;(3)按公式(3)计算隔离度:I=max(P1m)-Pg(3)式中:Pg———信号发生器输出功率,dBm;P1m—相位微跃器输入口及其他输出口输出的(fc-0.1)MHz信号的功率,dBm;I—隔离度,dB。6.2.7附加相位噪声仪器连接如图7所示。图7附加相位噪声校准示意图校准步骤如下:(1)相位微跃器锁定外部参考信号后,设置频率偏置Δf=0,利用相位噪声测量系统对相位微跃器附加相位噪声进行测量;(2)分别记录频偏1Hz、10Hz、100Hz、1kHz、10kHz处的相位噪声￡(f)。6.2.8附加频率稳定度仪器连接如图8所示。图8附加频率稳定度校准示意图校准步骤如下:JJF1805—202081s(测量次数≥100),10s(测量次数≥50),100s(测量次数≥30);(2)记录测量结果。6.2.91PPS输出仪器连接如图9所示。图91PPS输出校准示意图校准步骤如下:(1)相位微跃器锁定外部参考信号后,合理设置数字示波器的相关参数,测量被校设备的1PPS输出信号的幅度、上升时间、脉冲宽度和抖动;(2)测量10次,取平均值;记录测量结果。6.2.101PPS同步偏差仪器连接如图10所示。图101PPS同步偏差校准示意图校准步骤如下:(1)标准时间频率源同时输出频率信号和1PPS信号至被校设备;待被校设备锁定f,校。设备显示同步成功后,利用时间间隔计数器测量被校设备与标准时间频率源的1PPS输出信号之间的时差作为同步偏差;(3)测量10次,取平均值;记录测量结果。6.2.11时间调整范围仪器连接如图11所示。9图11时间调整范围校准示意图校准步骤如下:(1)相位微跃器锁定后,设置时间偏置Δt=0;标准时间频率源的1PPS信号输出连接到时间间隔计数器作为开门信号,相位微跃器的1PPS输出端口连接到时间间隔计数器作为关门信号,测量并记录两个秒信号的时间间隔作为Δt1。(2)参考被校设备参数,设定相位微跃器的时间调整间隔为其最大时间调整范围,调整完成后,时间间隔计数器测量并记录时间间隔作为Δt2max,计算(Δt2max-Δt1)作为最大时间调整范围。(3)参考被校设备参数,设定相位微跃器的时间调整间隔为其最小时间调整范围,调整完成后,时间间隔计数器测量并记录时间间隔作为Δt2min,计算(Δt2min-Δt1)作为最小时间调整范围。(4)设定被校设备的时间调整间隔为±10ns,调整完成后,时间间隔计数器第三次测量并记录时间间隔作为Δt3,计算(Δt3-Δt1),测量10次,取平均值;记录测量结果验证被校设备的时间调整能力。6.2.12相对频率偏差调整范围仪器连接如图12所示。图12频率调整范围校准示意图校准步骤如下:(1)相位微跃器锁定后,分别设定相位微跃器的频率调整量为其最大与最小可调值,使用频标比对器测量相位微跃器的输出频率信号与参考频率信号的频偏,记录测量结果。(2)设定被校设备的频率调整量为±1×10-13,频率调整完成后,使用频标比对器10测量被校设备的输出频率信号与参考频率信号的频偏(取样组数≥100),记录测量结果验证被校设备的频率调整能力。7校准结果表达由校准方出具校准证书。校准证书至少包含以下信息:a)标题,如“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)送校单位的名称和地址;f)被校对象描述和明确标识;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和应用有关时,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和标示,包括名称及代号;j)本次校准所用的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)对校准规范的偏离说明;n)校准证书签发人的签名、职务或等效标示;o)校准结果仅对被校对象有效的声明;p)未经实验室书面批准,不得部分复印证书的声明。8复校时间间隔建议12个月。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时间间隔。JJF1805—202011附录A原始记录格式校准地点校准时间校准仪器被校设备校准人员校准项目□工作正常性检查□输出功率□输入功率范围□谐波失真□非谐波失真□隔离度□附加相位噪声□附加频率稳定度□1PPS输出□1PPS同步偏差□时间调整范围□相对频率偏差调整范围A.1工作正常性检查是否能够锁定外部频率信号:输出端口输入频率/MHz输出是否正常12︙A.2输入功率范围被测设备标称最大输入功率:测量次数最小输入功率值/dBm最大输入功率值/dBm12︙12A.3输出功率输出端口1:测量次数输出功率实测值/dBm不确定度U(k=2)/dB12︙输出端口2:测量次数输出功率实测值/dBm不确定度U(k=2)/dB12︙A.4谐波失真输入频率:输出端口1:测量次数基波功率dBm谐波最大功率dBm谐波失真dBc不确定度U(k=2)dB12︙输出端口2:测量次数基波功率dBm谐波最大功率dBm谐波失真dBc不确定度U(k=2)dB12︙A.5非谐波失真输入频率:输出端口1:测量次数基波功率dBm非谐波最大功率dBm非谐波失真dBc不确定度U(k=2)dB12︙13输出端口2:测量次数基波功率dBm非谐波最大功率dBm非谐波失真dBc不确定度U(k=2)dB12︙A.6隔离度输入频率:输出端口1:测量次数输出功率dBm隔离度dB不确定度U(k=2)dB12︙输出端口2:测量次数输出功率dBm隔离度dB不确定度U(k=2)dB12︙输入端口:测量次数输出功率dBm隔离度dB不确定度U(k=2)dB12︙A.7附加相位噪声输入频率:输出端口1:测量次数相位噪声/(dBc/Hz)1Hz10Hz100Hz1kHz10kHz14不确定度U(k=2):输出端口2:测量次数相位噪声/(dBc/Hz)1Hz10Hz100Hz1kHz10kHz不确定度U(k=2):A.8附加频率稳定度Δf=0:采样间隔频率稳定度σy(1s)不确定度U(k=2)1s10s100sΔf=1×10-12:采样间隔频率稳定度σy(1s)不确定度U(k=2)1s10s100sA.91PPS输出幅度(50Ω):测量次数幅度/V不确定度U(k=2)V通道1通道212︙上升时间:测量次数上升时间/ns不确定度U(k=2)ns通道1通道212︙15抖动:测量次数抖动/ns不确定度U(k=2)ns通道1通道212︙A.101PPS同步偏差测量次数同步后测量值/ns不确定度U(k=2)ns12︙A.11时间调整范围时间调整:时间微跃时间间隔测量值/ns不确定度U(k=2)设定值调整前调整后差值ns10ns-10ns时间调整范围:时间调整范围时间间隔测量值/ns不确定度U(k=2)设定值调整前调整后差值nsA.12频率调整范围频率调整:频率调整设定值频偏测量值不确定度U(k=2)调整前调整后差值1×10-13-1×10-1316频率调整范围:频率调整范围设定值频偏测量值不确定度U(k=2)调整前调整后差值17附录B校准证书(内页)格式B.1工作正常性检查输出端口输出是否正常B.2输入功率范围输出端口最小输入功率/dBm最大输入功率/dBm不确定度U(k=2)/dBB.3输出功率输出端口输出功率/dBm不确定度U(k=2)/dBB.4谐波失真输出端口谐波失真/dBc不确定度U(k=2)/dBB.5非谐波失真输出端口非谐波失真/dBc不确定度U(k=2)/dB18B.6隔离度参考端口输出端口隔离度/dB不确定度U(k=2)/dB参考端口输入端口隔离度/dB不确定度U(k=2)/dBB.7附加相位噪声频率输出端口1:频率偏置相位噪声不确定度U(k=2)HzdBc/HzdB110100100010000频率输出端口2:频率偏置/Hz相位噪声/(dBc/Hz)扩展不确定度U(k=2)/dB110100100010000︙B.8附加频率稳定度频率输出端口1:取样时间τ(s)频率稳定度σy(τ)不确定度U(k=2)1s10s100s19频率输出端口2:取样时间τ(s)频率稳定度σy(τ)不确定度U(k=2)1s10s100s︙B.91PPS输出幅度(50Ω):幅度/V不确定度U(k=2)V通道1通道2上升时间:上升时间/ns不确定度U(k=2)ns通道1通道2抖动:抖动/ns不确定度U(k=2)ns通道1通道2脉冲宽度:脉冲宽度/ns不确定度U(k=2)ns通道1通道220B.101PPS同步偏差通道同步输入误差/ns不确定度U(k=2)ns123B.11时间调整范围输出端口相位调整范围相位调整不确定度U(k=2)B.12频率调整范围输出端口频率调整范围频率调整不确定度U(k=2)JJF1805—202021附录C校准不确定度评定示例由于相位微跃器的输出端口功能一致,故只选取其中一个为例进行不确定度分析。C.1输出功率以1端口为例,输出频率5MHz,使用功率计为Agilent公司的8481D,测量输出功率见表C.1(本示例以10次测量为例)。表C.1输出功率测量值测量序号输出功率/dBm113.52213.52313.52413.52513.52613.52713.52813.52913.521013.52不确定度来源如表C.2所示,各项分量互不相关。表C.2功率测量不确定度来源不确定度来源评定方法值分布包含因子标准不确定度重复性误差u1A类0.00dB无10.00dB功率计测量最大允许误差u2B类0.10dB均匀分布 30.06dB功率计分辨力u3B类0.01dB均匀分布 30.006dB合成标准不确定度:uc==0.06dB;C.2谐波失真扩展不确定度:U=2uc=0.12dBC.2谐波失真(C.1)计算谐波失真:PH=max(P2,P3)-P1(C.1)式中:P2为二次谐波功率,dBm;P3为三次谐波功率,dBm;P1为基波功率,JJF1805—202022dBm;PH为谐波失真,dBc。其中max()为取最大值函数。以1端口为例,基波功率P1=13.17dBm;max(P2,P3)见表C.3(本示例以10次测量为例)。表C.3谐波测量值测量序号最大谐波功率max(P2,P3)/dBm1-31.152-31.173-31.224-31.185-31.206-30.397-31.268-31.239-31.2510-31.19不确定度来源见表C.4,各项分量互不相关。表C.4谐波失真不确定度来源不确定度来源评定方法值分布包含因子标准不确定度频谱分析仪测量最大允许误差u1B类0.30dB均匀分布 30.17dB测量重复性误差u2A类0.08dB无10.08dB输出1端口的谐波失真为:PH=max(P2,P3)-P1=-44.29dBc;合成标准不确定度:uc==0.19dB;C.3U=2uc=0.38dB(k=2)。按公式(C.2)计算非谐波失真:PN=PNm-P1(C.2)式中:P1为基波功率,dBm;PNm为离fc频点10kHz以外的非谐波功率最大值,dBm;PN为非谐波失真,dBc。JJF1805—202023表C.5非谐波测量值测量序号离fc频点10kHz以外的非谐波功率最大值PNm/dBm1-95.192-94.653-94.984-94.875-94.796-94.897-95.268-95.119-94.9710-94.76不确定度来源见表C.6,各项分量互不相关。表C.6非谐波失真不确定度来源不确定度来源评定方法值分布包含因子标准不确定度频谱分析仪测量最大允许误差u1B类0.30dB均匀分布 30.17dB测量重复性误差u2A类0.06dB无10.06dB注:严格意义上频率源的输出幅度的波动会引入不确定度,但是频率源充分预热后功率输出相对稳定,在短时间测量中不会对结果产生影响。这里省略这一项。合成标准不确定度:uc==0.18dB;C.4扩定度:U=2uc=0.36dB(k=2)。按公式(C.3)计算隔离度:I=max{P1m}-Pi(C.3)式中:Pi为信号发生器输出功率,dBm;P1m为相位微跃器输入口及该放大器其他输出口输出功率,dBm;I为隔离度,dB。以输出1端口为例,输入频率4.9MHz,输入功率Pi=12.32dBm,测量输入端口(反向隔离度)、输出端口2(通道间隔离度)的输出信号功率。以反向隔离度10次测量为例,测量值P1m见表C.7。JJF1805—202024表C.7隔离度测量值测量序号输入端口输出功率P1m/dBm1-63.512-63.663-63.194-63.315-63.156-63.377-63.618-63.939-63.6810-63.11不确定度来源见表C.8,各项分量互不相关。表C.8隔离度不确定度来源不确定度来源评定方法值分布包含因子标准不确定度频谱分析仪测量最大允许误差u1B类0.30dB均匀分布 30.17dB测量重复性误差u2A类0.14dB无10.14dB注:严格意义上频率源的输出幅度的波动会引入不确定度,但是频率源充分预热后功率输出相对稳定,在短时间测量中不会对结果产生影响。这里省略这一项。合成标准不确定度:uc==0.22dB;C.5扩声:U=2uc=0.44dB(k=2)。以输出端口1为例,相位噪声测量结果见表C.9。表C.9相位噪声测量值频率偏置/Hz相位噪声/(dBc/Hz)1-123.010-149.1100-159.91000-169.110000-170.9不确定度来源见表C.10。25表C.10相位噪声不确定度来源不确定度来源评定方法值分布包含因子标准不确定度相位噪声测量系统最大允许误差B类2.00dB正态分布21.00dB合成标准不确定度:uc=1.0dB;扩展不确定度:U=2uc=2.0dB(k=2)。C.6附加频率稳定度以输出端口1为例,使用相位噪声分析仪5120A测量1s频率稳定度,读取测量值:σy(1s)=1.1×10-13,取样组数为100。不确定度来源如表C.11所示。表C.11频率稳定度不确定度来源不确定度来源评定方法值分布包含因子标准不确定度频标比对器测量最大允许误差u1B类3×10-15均匀分布 32×10-15有限次测量u2A类1×10-14无11×10-14合成标准不确定度:uc==1×10-14;扩展不确定度U=2uc=2×10-14(k=2)。C.71PPS输出以相位微跃器的秒输出端口1为例,使用泰克示波器DPO71604测量秒输出信号,实际测量值见表C.12(本示例以幅度10次测量为例)。表C.121PPS输出幅度测