认识铷钟

红灯记 · 发表于 2015-4-25 19:34:32

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   一位在通信系统工作的开友，帮我弄了一只移动通信基站设备里的铷钟组件。据他说也不知道是好还是坏，俗话说千里送鹅毛礼轻情意重嘛。我以前也听说过什么铷钟、铯鈡之类的原子钟知道他们很稳定很标准，尽是一些高精尖端部门和设备上使用的。当我真正滴把一台铷钟组件拿在手上的时候，顿感成了仙似的：哇，那么高精尖的东西在到我手上了...  我用右手使劲地掐了一下左手手背，真疼...原来这是真的。最近特别忙于奔波，几乎没有在家里休息的时间，于是我忙里偷闲先饿补以下铷钟的相关知识，真的了不起太复杂了，光测试原理中的数学公式恐怕也只有它们认识我了份了.
现在我们分享一下铷钟的相关知识：
   铷钟又被称为铷原子钟，铷原子钟由铷量子部分和压控晶体振荡器组成。压控晶体振荡器的频率经过倍频和频率合成，送到量子系统与铷原子跃迁频率进行比较。误差信号送回到压控晶体振荡器，对其频率进行调节，使其锁定在铷原子特有的能级跃迁所对应的频率上。铷原子频标短期稳定度最高可达到10-12量级，准确度为±5×10-11，在分类上常分为：普通型、军用型、航天型等。由于它体积小、精度高，所以应用最广。
　　铷频率标准不需要真空系统、致偏磁铁和原子束，因而体积小、质量小、预热时间短、价格便宜，但准确度差、频率漂移比较大，仅能用作二级标准。铷频率标准可通过GPS进行快速驯服和外秒同步，克服铷振荡器本身的漂移，可被看作是一个基本的同步时钟单元。通过设计和工艺的改进，产品的可靠性和批量生产也得到保证，现已具备产业化的条件。可以预计，这种带外秒驯服的高性能小型化铷钟将应用于无人值守等苛刻环境，将大大拓展铷钟的应用领域。
铷原子钟主要由单片机电路、伺服电路、微波倍频电路、频率调制、倍频综合电路几个模块组成。
　　铷频标是一种被动型原子频率，利用的是基态超精细能级之间的跃迁，相应的跃迁频率为6834.682614MHz。原子迁跃对微波信号起鉴频作用而产生误差信号，通过锁相环路伺服晶振的频率，使激励信号频率锁定到原子跃迁频率，实现晶振输出频率的高度稳定和准确。
　　铷钟的工作原理与其他原子钟一致，均是使用能级跃迁理论来测定时间：原子是按照围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个高“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是固定的，这也就是人们所说的共振频率。通过以这种共振频率为节拍器，原子钟可以来测定时间。例如：假定特定原子的共振频率为1000Hz，则该原子能级跃迁时释放的电磁波振动1000次的时间即为1m秒。
　　目前市场上的原子钟产品共分为三大类：铷钟、铯钟和氢钟。铯钟和氢钟精度较高，价格昂贵，往往应用在国防卫星，科研计量等领域，较少被应用在民用生产测试，研发制造等方面。铷钟具有短期稳定性高，体积小巧，便于携带的特点，并且价格合适，非常适合于在各个领域使用。钟具有短期稳定性高，体积小巧，便于携带，价格合适的特点，非常适合于在各个领域使用，但由于铷原子的原子特性的原因，铷钟并不具有铯钟和氢钟那样优秀的长期稳定度，因而需要校准。为了提高铷钟的长期稳定度，可以通过使用GPS系统来对铷钟进行控制和校准。GPS系统通过测量时间差来实现定位测量，为了达到较高的定位精度，GPS系统内部时间测量精度极高。通过使用GPS系统来对铷钟进行校正，可以很好的提高铷钟的长期稳定度，降低铷钟输出信号的飘移。
   铷钟的应用领域主要有三个方面：科研测量，生产制造，广电电力。
　　在科研测量研究单位，铷钟既可以为测量提供高精度的基准源，也可以作为测量校准仪器的高精度外部时基。
　　在生产制造领域，铷钟可为需要高精度频率基准输出的生产线提供频率基准输出，这些基准信号被用来对电子产品进行校准。铷钟还可以作为产线测量仪器的外部高精度时基，大大提高产线测试的精度，确保产品质量。
　　在广电电力系统中，铷钟可以被作为系统的主钟来使用，从而有效地实现系统内部各个部分的同步。
   那么我们普通的音响发烧友又和铷钟有什么关系呢？铷钟既然能够为那么多的领域做基准时钟，同样也能为我们广大的音响爱好者在造福。我们都知道：CD播放器、DAT磁带机、数码流播放机等，都是需要时钟来建立统一的时序，在这个时序前提下，CPU才能通过数据总线、地址总线、控制总线来有条不紊地指挥一切外设。如果这个时钟不准确，就会造成丢码、误码、滑码，甚至机器不能工作。有了前面的误码、丢码、滑码，系统就会对丢失的部分进行插值，这个插值好的系统会有软件进行前后数据的分析进行合理的推算然后插值；差一点的设备就是利用随机算法，想插什么就插什么，这样解码出来的或者编码出来的数据还能完美吗？答案当然是否定的。
   举个例子吧，我们都知道CD的采样率的44.1K，也就是44100Hz，这是理论值。它在某一时刻也可能是44101Hz也可能是44099Hz甚至是别的什么频率，虽然这一个赫兹只差，在他们的跳跃转换中有可能造成编码采样和解码还原中，数据的错过或者丢失。因此稳定准确的时钟是机器重要的。
   打开你的机器，你会在一个引脚很多的集成块旁边看到一个闪亮的金属封装得严严实实的两只引脚的元件，这就是为整机提供时钟源的晶体振荡器，也可能是科技的进步吧，无论你看到的晶振是多少频率的，单个购买块把两块钱，成批的批发嘛，我在深圳的华强北看到一袋约200个晶振老板说30块钱。这样的晶振的稳定性自然不会好到哪儿去（从发烧的角度来说这个看法不过分）。
   数码设备的D/A 和A/D需要稳准的时钟时序，精确地数据控制同样需要稳准的时钟时序，而模拟的许多设备里，开盘机、卡座、调音台以及调音台的周边设备，都需要有稳准的时钟时序信号做高品质的保障。

hifier · 发表于 2015-4-25 20:43:19

这东西有辐射吗？

yjwu · 发表于 2015-4-25 20:52:57

一年半前買了5個故障的Efratom 100323-001铷钟, 還沒有救回任何一個, 其中溫度控制很要緊

這玩意兒沒有辐射的問題

wdhwdh · 发表于 2015-4-25 23:47:43

红灯记 · 发表于 2015-4-26 03:24:11

我们从发烧的角度来考虑时钟问题，一是要准确稳定可靠，二是对环境的要求不要苛刻，三是物美价廉。铷钟正正是满足了我们的要求，因为其精度在10的负11-12次方，完全满足我们的需要。一位在气象部门工作的老前辈和我说，当年气象台站的卫星终端设备的同步时钟设备，专门放在一间恒温恒湿恒压的机房内，像供祖宗一样供着，否则一旦它出了问题，那就要抓瞎了。我们普通的环境已经完全满足铷钟稳定的工作条件。

bg2rlw · 发表于 2015-4-26 07:59:16

连这东西都能进入民间，科技这东西，发展的太快了。但是，不知道拿这个东西用在哪？灯版，好好开发利用。我们等你的好作品。加油！

红灯记 · 发表于 2015-4-26 08:35:07

bg2rlw 发表于 2015-4-26 07:59
- \! |/ q! l' W9 p. J( L) r! ?连这东西都能进入民间，科技这东西，发展的太快了。但是，不知道拿这个东西用在哪？灯版，好好开发利用。我 ...

前文已经谈到了，铷原子的跃迁频率为6834.682614MHz，也就是6.8G，这样高的频率我们是无法使用的。可是铷钟组件内部已经做了技术处理，就是用这6.8G的准确稳定的频率去强制一块晶振，强迫晶振在其固有的谐振频率内谐振，有稳定的输出。上图的铷钟模块就是稳定的10M频率输出。
这样稳定精准的输出有两个用法，第一就是直接使用，比如某设备需要一个10M的基准频率时钟，那就把这铷钟的10M输出直接给设备使用。第二个方法是间接使用，有的设备的时钟平率不是一个标准值，比如CD采样率44.1K，还有数码采样的频率有48K、96K、192K等，这些频率可以通过铷钟输出的标准频率，通过数字逻辑电路进行分频/倍频的方式获得。这些设备可以通过外部同步时钟接口获得高精准稳定的时钟信号，从而有高品质的表现。

happy168k · 发表于 2015-4-26 09:18:41

真有学问

懒散斜阳 · 发表于 2015-4-26 13:33:22

明主任 · 发表于 2015-4-26 14:23:53

以前老是听到解码器要用时钟较正,看来与这有关了.

红灯记 · 发表于 2015-4-26 19:02:57

明主任发表于 2015-4-26 14:23" J" j/ \9 c$ } X
以前老是听到解码器要用时钟较正,看来与这有关了.

对头，不光是解码器，有的仪器设备晶振长时间的工作和衰变，实际上其振荡的频率已经有偏差和漂移了，苦于没有标准的稳定的时钟对她进行校准，有了它就可以校准频率计，再用计校准好了的频率计去校准被调校设备的时钟，那你的设备就是杠杠滴了

凯文吾 · 发表于 2015-4-27 08:26:02

受教了

tbw00 · 发表于 2015-4-27 08:27:49

红灯记 · 发表于 2015-4-28 22:23:46

本帖最后由红灯记于 2015-4-28 22:25 编辑

这个铷钟单元真的不错

红灯记 · 发表于 2015-4-29 23:31:59

xph · 发表于 2015-5-5 09:59:48

让我们涨见识了！！

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