時間頻率是目前最準(zhǔn)確的基本物理量，準(zhǔn)確度已經(jīng)進(jìn)入10-15量級。許多其他物理量，例如長度的米、電學(xué)的電壓都可由時間頻率導(dǎo)出。它是基礎(chǔ)物理學(xué)研究的一個重要方面。近十年來的諾貝爾物理獎有三個和時間頻率標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。

時間頻率有著良好的傳遞性，可用電波傳播而保持很高的準(zhǔn)確度，是現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)。美國著名的GPS系統(tǒng)（全球定位系統(tǒng)）和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）就是利用這一特點，綜合衛(wèi)星和電腦技術(shù)建成的。在海灣戰(zhàn)爭和北約空襲南聯(lián)盟過程中GPS系統(tǒng)發(fā)揮了不可替代的作用。

它和人民大眾的日常生活密切相關(guān)，試問在今天的世界上誰能離開準(zhǔn)確的時間？正是由于時間頻率如此重要，主要發(fā)達(dá)國家政府投入巨資研究開發(fā)相關(guān)技術(shù)，以求保持領(lǐng)先地位。

分辨率和精度

分辨率定義為計數(shù)器區(qū)別相近頻率的能力，如下圖。這與顯示位數(shù)和輸入信號的頻率有關(guān)。顯示位數(shù)是越多越好。

但顯示位數(shù)必須得到精度的支持。如果有其它誤差使計數(shù)器的測量結(jié)果偏離真實頻率時，其高位數(shù)并無實際意義。也就是說計數(shù)器提供的可能是對不正確頻率的非常精細(xì)的讀數(shù)。

真實測量精度是隨機誤差和系統(tǒng)誤差的函數(shù)。隨機誤差是分辨率不確定度的來源，它包括量化誤差(在閘門時間窗內(nèi)圍繞最終計數(shù)的不確定度)，觸發(fā)誤差(如在噪聲尖峰上觸發(fā))和時基的短期不穩(wěn)定度。系統(tǒng)誤差是測量系統(tǒng)內(nèi)的偏移，它使讀數(shù)偏離信號的真實頻率。這里包括時基晶體的影響，如老化，以及溫度和電網(wǎng)電壓變化等等。

下圖中比較了兩臺計數(shù)器。計數(shù)器A有好的分辨率和很大的偏移誤差，計數(shù)器B分辨率差，但系統(tǒng)偏移誤差較小，結(jié)果是在大多數(shù)情況下，計數(shù)器A顯示結(jié)果的精度要比計數(shù)器B低。

數(shù)學(xué)家John Tukey對此解釋為對正確問題的近似答案遠(yuǎn)優(yōu)于對錯誤問題的精確答案。確保頻率和時間參數(shù)測量的高精度，需要從儀器的校準(zhǔn)、時基的選擇、降低觸發(fā)誤差等多多方面考慮。因此，接下來我們將一一談這些問題。

時基的選擇

上面談到了頻率和時間測量的分辨率和精度。相信很多工程師會感興趣測量一個結(jié)果后，其誤差或不確定度到底是多少。測量的不確定度是由3個因素構(gòu)成的，即

基本不確定度=k*(隨機不確定度±系統(tǒng)不確定度±時基不確定度)

事實上，要獲得準(zhǔn)確的隨機不確定度和系統(tǒng)不確定度是一件非?？植赖氖虑?。它是與眾多參數(shù)相關(guān)的非常復(fù)雜的函數(shù)。如果諸位有興趣了解這個，可以到網(wǎng)上查閱安捷倫53200系列頻率計數(shù)器的詳細(xì)資料。好在安捷倫的工程師將這個復(fù)雜的運算公式做成了一個簡單的表格。您只需輸入測量的相關(guān)設(shè)置和結(jié)果，這個表格可以自動幫助你得出不確定度。

關(guān)于隨機不確定度和系統(tǒng)不確定度，這與閘門時間和測量次數(shù)密切相關(guān)。簡單地講，延長閘門時間和增加測量次數(shù)，都可以降低者兩個不確定度。但時基的不確定度是由計數(shù)器本身的老化和工作環(huán)境，以及其本身的相位噪聲等參數(shù)決定的。頻率計數(shù)器的測量精度始于時基，因為它建立了測量輸入信號的參考。更好的時基有可能得到更好的測量。例如，如果時基的月老化率是0.1ppm，儀器在校準(zhǔn)后一個月內(nèi)使用，它對10MHz信號測量帶來的不確定度則是1Hz。但如果老化率是0.01ppm，其帶來的不確定度只有0.1Hz.

環(huán)境溫度對石英晶體的振動頻率有很大影響，可根據(jù)熱行為把時基技術(shù)分為三類: