如何建立自己的時間和頻率標準

作者：張利民（BG2VO）
摘自：無線電雜志 200905

編者的話：約張利民老師寫這個《如何建立自己的時間和頻率標準》已經半年有余，終于在第5期上讓這個專題與讀者見面了。追隨張老師在HELLOCQ論壇里的“熱帖”已經很久，為什么要做這個帖子， 追求高精度的時間和頻率到底有什么用途，張老師在論壇上的回答是：——人們對精度的追求總是無止境的。利用它可以：1.做一個時鐘，多少年也不差1s。至于幾萬年不差1s也許是我們用不到的，但做到50年不差1s還是有實際意義的，那樣你的表就永遠不用調整了。2.頻率計等儀器的精確校準。3.與類似高精度的時間頻率基準作對比，比如有一個高級信號發生器，還有一個溫補晶體振蕩器，到底哪一個好？4.測量晶體振蕩器的各種不穩定因素，比如老化率、溫度特性。 還是那句話，電子愛好者的愛好不僅可以很廣泛，而且還可以很深入。讓我們在這個專題里找找更詳盡的……


美國“時間狂人”tvb個人實驗室里用示波管做的時間顯示器及正在工作的幾臺安捷倫5071


時間是我們每一個人在日常生活中不可缺少的。每當整點鐘的時候，收聽廣播的收音機便會播出“嘟、嘟……”的響聲，提醒人們校對自己的鐘表。那么，廣播電臺里的正確時間是哪里來的呢？假如你很長時間不聽廣播、不去對表，你的手表還能準確嗎？能做到每個月誤差多少？本文所要闡述的，就是這些問題，并為解決這樣的問題提供一些方法和思路，使得個人也可以擁有運行很多年也不差1s的時間標準和相應的高準確度的頻率標準。當你做出比廣播電臺、電視臺還要穩定的標準時，當你發現原來以為非常準確的報時信號原來慢了兩秒的時候，當你發現時鐘慢了一秒原來是閏秒造成的時候，你會陶醉的。

為什么要建立自己的時間標準？
自古以來，人們對時間的追求就從未停止，比如從最早的日晷、漏壺，到近代的擺鐘。對比古代，現代的人們對時間有了更準確的把握，比如很廉價的電子表，其每天的誤差一般不會超過1s。但是，人們對精度的追求總是無止境的。有了自己的時間和頻率標準，就可以對自己的頻率計、信號發生器、綜合測量儀等儀器做精密的校準，進而對電臺的內部頻率標準做出矯正，要知道現代電臺對發射頻率的偏差和穩定度的要求是非常高的。有了自己的時間和頻率標準，就可以校準自己的時鐘，或者干脆自己做一個高準確度的時鐘，讓它在生命周期內永遠準確。當然，業余條件下做到運行上萬年不差1s也許是我們用不到的，也不一定能做得到，但做到50年不差1s還是有實際意義的，那樣在你的一生中就永遠不用調整你的時鐘了，這相當于只有6E-10的誤差。在計量的幾個原始單位中，只有時間和頻率是唯一一個我們有可能自己擁有達到1ppb的標準。對于其他幾個物理量（比如長度、質量、電流等），個人擁有1ppm的標準都是非常困難的。有了高精度的時間和頻率標準，我們就可以對各類頻率源作出比較判斷，比如到底誰的準確？誰的穩定？同時，我們也可以有意地改變一些外界參數，用來測量分析頻率源、信號源的變化特性，比如測量晶振的溫度系數、穩定度、老化特性等。