时频计量概述

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第410页（2533字）

什么是时间?历史上许多着名科学家曾给它下过定义，但都不令人满意。最后，爱因斯坦说：“时间就是钟表”。其实，这也不确切，钟表只是度量时间的一种工具。钟表停了，时间却依然存在，它依然在不停地流逝，永无终止。但这个定义却表明：时间是可以度量的，且只有通过度量，才能具体的感知时间，确切地表明过去、现在和未来。于是人们不再去为抽象的时间概念研究具体的科学定义，而是致力于寻找度量时间的方法，度量用的基本单位——秒的定义。

按照时间的流动性特点，秒的长度只能从周期性的运动中获得，取其运动周期的多少分之一，或取其周期的多少倍。这种运动现象可以是自然界中一直存在的，也可以人为建立。无论哪种，都必须满足两点：一是该运动的周期尽可能高度稳定，二是运动状态易于复现，即易于观测。

地球在宇宙空间的自转和公转运动，无疑能满足上述要求。在很长的历史时期内认为这种运动的周期都是很稳定的，而且在地球上任何地方都可观测到。由地球自转周期导出的时间基本单位称为平太阳秒；由公转周期导出的称为历书秒。两者可统称为天文秒。

随着科学技术的不断进步，发现已经获得的原子跃迁时产生的振荡周期要更加稳定，比地球自转或公转周期的稳定性高出四到五个数量级。于是，人们开始从原子的振荡周期导出时间基本单位，称为原子秒。经过十几年的应用、改进和提高，到1967年，正式用原子秒取代了天文秒。时间基本单位的寻找领域从宏观的天体运动走进了微观的原子振荡，秒定义复现的研究工作也就由天文观测站转入了计量物理实验室。

频率是周期性运动在1秒的时间间隔内重复的次数，或振荡的次数。频率的单位是赫芝。显然，同一振荡现象用不同的秒长去测量会得出不同的频率值，只有秒定义之后才能准确的谈频率值。所以时间是基本量，而频率仅是辅助量。只有时间基准而无频率基准。不过，由于频率与周期互为倒数，两者均可用于描述周期性运动的快慢程度，如表征地球的转动时用周期，对于原子的振荡则用频率。而时间基本单位是由周期得出的，一旦秒长确定了，其来源的周期以及它的倒数频率也就随之确定了。所以复现秒定义的装置通常又统称为时间频率基准。同样，一台标准装置，如侧重应用的是频率，称为频率标准；若侧重应用的是周期，则称为时间标准。两者的振荡源是同一个。

时间频率计量所涉及的仪器主要分两大类。一类是发生器，给出准确度已知的各种频率值和时间间隔值。发生器通常又称为频率合成器、时间合成器。给出单一频率值(一般三个值)的发生器又直接称为频率标准即频标，如各种石英晶体频标、原子频标。第二类是测量仪，用于测量未知的频率值和时间间隔值。此外，通常所说的时间这一术语，除指时间间隔外，还包含另一含意，即时刻。给出标准时刻的装置是数字时钟，如各种精密的石英钟、原子钟。

发生器、测量器以及数字时钟都含有一个主振源，即石英晶体振荡器，简称晶振。频率合成器、时间合成器都是以内部晶振的振荡频率或振荡周期为基础，通过倍频、分频及混频等技术，产生所需要的各种频率值、时间间隔值。各种测量仪也是以内部晶振的周期为基础、通过变换产生多种闸门时间或多种时基，对未知的信号频率或时间间隔进行测量。数字时钟也同样由内部晶振产生秒脉冲信号，对其进行连续累积而成。因此，发生器给出的频率和时间间隔的准确度最好时能达到多高，测量仪的测量误差最小时能有多大；以及数字时钟运行的快慢程度等，最终都由内部主振器即晶振频率的准确度决定。对这些仪器进行计量的主要内容就是检定主振器的各种特性；最后对其频率进行一定程度的校准，达到量值传递的目的。

本章主要介绍秒定义及其复现；频率标准的工作原理及主要技术指标；频率和时间间隔的精密测量方法；标准时间的保持及传递。每一部分都可构成一个确定分支，涉及到许多理论和技术。限于篇幅，这里只能做些概念性的介绍，侧重于基本概念的阐述，详细深入的了解可查看有关书藉和文章。

【参考文献】：

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