Hicham Bentaous

Étalonnage du temps et de la fréquence

Le temps et la fréquence sont les grandeurs mesurées avec la meilleure exactitude, de plusieurs ordres de grandeur. L'étalonnage compare un oscillateur ou un chronomètre à une meilleure référence ; les principales limites sont le préchauffage, le temps de porte et les câbles.

Instruments et exactitude typique

InstrumentÉtendue typiqueExactitude typiqueOù il est utilisé
Oscillateur à quartz (XO)kHz à plusieurs centaines de MHz±10 à ±50 ppmHorloges, microcontrôleurs, chronomètres
Oscillateur à compensation de température (TCXO)1 à 100 MHz±0,1 à ±2 ppmRadios, instruments
Oscillateur à four thermostaté (OCXO)5 à 100 MHzEnviron 10⁻⁸ à 10⁻⁹ après préchauffage et vieillissementRéférences de fréquence, équipements d'essai
Étalon au rubidium10 MHzEnviron 10⁻¹⁰Référence de laboratoire, télécoms
Oscillateur asservi au GPS10 MHz, 1 PPSEnviron 10⁻¹¹ à 10⁻¹² à long termeLaboratoires d'étalonnage, réseaux
Étalon à jet de césium10 MHzEnviron 10⁻¹² à 10⁻¹³Référence primaire, centres horaires
Maser à hydrogène10 MHzMeilleure stabilité à court terme, environ 10⁻¹⁵Laboratoires de temps
Fréquencemètre, chronomètre, minuteurJusqu'au GHzLimité par la base de temps, la résolution et le déclenchementInstruments d'usage courant

Le chronométrage manuel est limité par le temps de réaction (0,1 à 0,2 s), pas par l'horloge à quartz. Les chiffres d'exactitude sont des ordres de grandeur pour comparer les instruments. Utilisez toujours la spécification de l'instrument que vous avez sous les yeux.

Ce que signifie un écart de fréquence en temps

ÉcartPar jourPar an
10 ppm0.864 s315 s
1 ppm86.4 ms31.5 s
0,1 ppm8.64 ms3.15 s
10⁻⁸ (0,01 ppm)0.864 ms0.315 s
10⁻¹⁰8.64 µs3.15 ms
10⁻¹²86.4 ns31.5 µs

L'erreur de temps s'accumule si l'écart reste le même. Une horloge qui avance de 1 ppm gagne 86,4 ms par jour.

Étalons de référence et traçabilité

  • La seconde. Définie par la fréquence hyperfine du césium 133, 9 192 631 770 Hz, matérialisée par les horloges atomiques des instituts nationaux.
  • UTC. Le temps universel coordonné est diffusé par GPS, par le temps réseau et par des signaux horaires, avec raccordement au laboratoire national.
  • Références de travail. Les oscillateurs au rubidium, OCXO et asservis au GPS sont les références habituelles des laboratoires, contrôlées par rapport à l'UTC.
  • Système qualité. ISO/IEC 17025, portée indiquant la fréquence et l'intervalle de temps avec l'incertitude.

Comment on l'étalonne

Procédure type

  1. Préchauffer les oscillateurs pendant la durée du manuel (plusieurs heures pour un OCXO, parfois des jours après une coupure d'alimentation).
  2. Brancher la référence à l'entrée de référence externe du fréquencemètre, avec des câbles et des terminaisons de 50 Ω.
  3. Régler le temps de porte selon la résolution voulue, par exemple 10 s pour 10 MHz afin d'atteindre environ 10⁻⁸.
  4. Mesurer l'appareil à sa sortie, avec le seuil de déclenchement au milieu du signal.
  5. Calculer l'écart en Hz et en ppm, et comparer à la spécification.
  6. Pour les horloges et minuteurs, comparer un long intervalle à une référence, et utiliser l'intervalle le plus long pour une meilleure résolution.

Là où ça se passe mal

  • Référence non verrouillée. Un récepteur GPS qui a perdu son signal dérive silencieusement.
  • Porte trop courte. L'erreur de ±1 impulsion domine et le résultat est bruité.
  • Câbles et terminaisons. Les réflexions provoquent des erreurs de déclenchement.
  • Préchauffage et vieillissement. Un oscillateur déplacé récemment ne s'est pas stabilisé.
  • Température. Même un bon cristal bouge avec la température de la pièce.

Ce qui entre dans le bilan d'incertitude

  • Incertitude de la référence et sa stabilité.
  • Résolution du fréquencemètre (±1 impulsion) et erreur de déclenchement.
  • Temps de porte et moyennage.
  • Câbles, retards et bruit de phase.
  • Température, vieillissement et préchauffage de l'appareil en essai.

Combinez les contributions comme dans le calculateur de bilan d'incertitude, puis décidez conforme ou non conforme avec une bande de garde comme expliqué sur la page des calculateurs.

Calculateurs

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