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

在各種高精度的頻率標準中,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驗室,應用范圍非常有限。雖然銣鐘和高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器等二級頻標的頻率穩(wěn)定度不如一級頻標,但價格低廉,體積較小,應用范圍非常廣泛。它們被廣泛用于通信、計量、應用電子技術、電子儀器、航空航天、雷達和因防軍工等各個領域,作為關鍵器件發(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準的需求也有了明顯的增長。

石英晶振頻率標準的三個基本技術指標是準確度、穩(wěn)定度和老化率。晶振頻率標準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。下面詳細介紹這三種技術指標

1.晶振頻率準確度

用來描述頻率標準輸出的實際頻率值與其標稱頻率值的相對偏差。因為受頻率標準內(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。計算表達式如下:

式中A為頻率準確度;f_X為實際頻率值;f_O后為標稱頻率為了得到準確的f_X,至少應進行6次測量,采樣時間應該選擇相應的頻率穩(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)被測頻標的短期頻率穩(wěn)定度比其準確度高出一個數(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起伏。二者在數(shù)學上是一對傅氏變換,因而是等效的。

實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,而在原子頻標中一般稱為漂移率。大多數(shù)頻標經(jīng)過足夠的時間預熱后連續(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。

老化率實用計算公式:

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,每天測量的點數(shù)n越多越好。但是從實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:

原子頻標的日漂移率遠遠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,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上乘以系數(shù)100。