КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ Российский патент 1995 года по МПК H01S1/06 

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты пассивного типа.

Известен квантовый стандарт частоты (КСЧ) [1] содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты (АПЧ) подстраиваемый кварцевый генератор, преобразователь частоты, квантовый дискриминатор, блок обработки сигнала ошибки и фильтр нижних частот. Кроме того, в КСЧ включен генератор низкой частоты, выход которого подключен к вторым входам преобразователя частоты и блока обработки сигнала ошибки.

Данный КСЧ имеет большую нестабильность частоты из-за низкого значения постоянной времени фильтра нижних частот, не обеспечивающего достаточную фильтрацию управляющего сигнала подстраиваемого кварцевого генератора в кольце АПЧ (постоянная времени фильтра нижних частот сверху ограничена возможностью реализации).

По технической сущности наиболее близким к предложенному является квантовый стандарт частоты [2] содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо АПЧ подстраиваемый кварцевый генератор, преобразователь частоты, квантовый дискриминатор, блок обработки сигнала ошибки и интегратор. Кроме того, КСЧ содержит генератор низкой частоты, выход которого подключен к вторым входам преобразователя частоты и блока обработки сигнала ошибки, второй и третий выходы которого соединены с блоком логики, третий вход которого соединен с выходом интегратора, а выход с последовательно соединенными блоком управления и лампой "Отказ".

Недостатком известного КСЧ является ограниченное время его непрерывной работы.

Наступление момента "отказа" в известном КСЧ является труднопредсказуемым, поэтому обязательно присутствие обслуживающего персонала.

Техническим результатом данного изобретения является увеличение длительности непрерывной работы.

Для достижения технического результата в известный квантовый стандарт частоты, содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, преобразователь частоты, квантовый дискриминатор, блок обработки сигнала ошибки и первый интегратор, а также первый генератор низкой частоты, выход которого подключен к вторым входам преобразователя частоты и блока обработки сигнала ошибки, второй и третий выходы которого соединены с блоком логики, дополнительно введены последовательно соединенные второй генератор низкой частоты, электронный переключатель, реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, второй интегратор, выход которого соединен с вторым входом подстраиваемого кварцевого генератора, выход первого интегратора соединен с выходом блока логики через две параллельно включенные цепочки пороговой коммутации, каждая из которых содержит последовательно соединенные пороговый элемент и электронный ключ, выходы первого и второго электронных ключей соединены соответственно с вторым и третьим входами электронного переключателя.

Сущность данного технического решения заключается во введении дополнительной цепи дискретного переключения частоты подстраиваемого кварцевого генератора в зависимости от амплитуды постоянного напряжения на выходе первого интегратора при достижении порогового значения, меньшего по абсолютному значению, чем напряжение, при котором первый интегратор по режиму работу выходит за пределы динамического диапазона. Тем самым исключается возможность перегрузки первого интегратора входным сигналом с переходом в область насыщения, когда он перестает пропускать полезную часть входного сигнала и выводит кольцо АПЧ в нерабочее состояние.

На фиг. 1 представлена структурная схема КСЧ; на фиг. 2-4 диаграммы, поясняющие работу КСЧ, а именно: на фиг. 2 временная зависимость напряжения интегратора; на фиг. 3 временная зависимость напряжения цифроаналогового преобразователя; на фиг. 4 зависимость выходной частоты от времени.

Предлагаемый КСЧ (см. фиг. 1) содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо АПЧ подстраиваемый кварцевый генератор 1, преобразователь частоты 2, квантовый дискриминатор 3, блок 4 обработки сигнала ошибки и первый интегратор 5; кроме того, КСЧ содержит первый генератор 6 низкой частоты, выход которого подключен ко вторым входам преобразователя частоты 2 и блока 4 обработки сигнала ошибки, второй и третий выходы которого соединены с блоком логики 7. Дополнительно введены последовательно соединенные второй генератор 8 низкой частоты, электронный переключатель 9, реверсивный счетчик 10, цифроаналоговый преобразователь 11, второй интегратор 12, выход которого соединен со вторым входом подстраиваемого кварцевого генератора 1. Выход первого интегратора 5 соединен с выходом блока логики 7 через две параллельно включенные цепочки пороговой коммутации, каждая из которых содержит последовательно соединенные пороговый элемент 13, (14) и электронный ключ 15 (16). Выходы первого и второго электронных ключей 15 и 16 соединены соответственно со вторым и третьим входами электронного переключателя 9. Выход первого интегратора 5 соединен с входами пороговых элементов 13 и 14. Выход блока логики соединен с вторыми входами электронных ключей 15 и 16.

В КСЧ интеграторы 5 и 12 выполнены на основе операционных усилителей с двуполярным питанием U_пит1 ≃ U_max и U_пит2 ≃ -U_max.

В качестве пороговых элементов 13, 14 и электронных ключей 15, 16 могут быть использованы интегральные компараторы, например, 521СА2.

В качестве реверсивного счетчика 10 и цифроаналогового преобразователя 11 могут использоваться соответствующие названиям цифровые микросхемы.

В качестве электронного переключателя 9 могут быть использованы, например, микросхемы аналоговых ключей типов 101 КТ1, 190 КТ1 и др.

Постоянная времени первого интегратора Т₁ порядка 10⁴ с. Постоянная времени τ кольца АПЧ в К раз меньше постоянной времени Т₁: τТ₁/К, где К коэффициент передачи замкнутого кольца АПЧ, равный произведению коэффициентов передачи всех последовательно соединенных блоков, образующих замкнутое кольцо АПЧ. Постоянная времени Т₂ второго интегратора 12 при практической реализации всегда должна быть меньше отношения Δ f_ст/V, где V скорость изменения частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 при разомкнутом кольце АПЧ за счет "старения" кварцевого генеpатора;
Δ f_ст дискретное значение изменения частоты кварцевого генератора 1 по второму входу.

Предлагаемый КСЧ работает следующим образом.

Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1 подается на первый вход преобразователя частоты 2, с помощью которого частота входного сигнала f_к.г преобразуется (умножается) до частоты f_о рабочего перехода квантового дискриминатора. Кроме того, в преобразователе частоты 2 производится фазовая модуляция выходного сигнала низкой частотой f_мод порядка 100 Гц с помощью сигнала фазовой модуляции, подаваемого по второму входу от первого низкочастотного генератора 6. Сформированный сигнал подается на вход квантового дискриминатора 3, на выходе которого в результате взаимодействия с рабочим веществом появляется сигнал ошибки с гармониками, кратными частоте низкочастотной модуляции. Блок 4 обработки сигнала ошибки усиливает первую и вторую гармоники сигнала ошибки и по второму и третьему выходам подает на блок логики 7 постоянные напряжения, пропорциональные амплитудам этих гармоник. Кроме усиления первой гармоники сигнала ошибки, блок 4 обработки сигнала ошибки производит синхронное детектирование ее относительно опорного низкочастотного сигнала от первого низкочастотного генератора 6, вырабатывая постоянное напряжение сигнала ошибки на первом выходе блока. Полярность полученного напряжения содержит информацию о знаке расстройки частоты несущей выходного сигнала преобразователя частоты 2 относительно частоты рабочего перехода f_о квантового дискриминатора 3, а значение напряжения о величине расстройки. Далее полученный сигнал фильтруется интегратором 5 и подается на первый вход подстраиваемого кварцевого генератора 1 для изменения его частоты так, чтобы частота несущей выходного сигнала преобразователя частоты 2 равнялась частоте рабочего перехода f_о. С помощью такого кольца АПЧ стабильность частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 и выходного сигнала всего КСЧ определяется стабильностью частоты f_о рабочего перехода квантового дискриминатора 3. В данном режиме работы кольцо АПЧ обеспечивает наименьшую нестабильность частоты 2 Δ АПЧ (см. фиг. 4) выходного сигнала f_вых КСЧ за интервалы времени измерения 10 с и более. При таком режиме работы на выходе квантового дискриминатора 3 амплитуда первой гармоники низкочастотной фазовой модуляции имеет минимальное значение, а амплитуда второй гармоники максимальное значение. Соответственно и постоянное напряжение по второму выходу блока 4 обработки сигнала ошибки имеет минимальное значение, а по третьему выходу максимальное значение. При таких значениях двух входных сигналов блока логики 7 на его выходе вырабатывается сигнал, соответствующий логической "1", при всех других значениях входных сигналов на выходе блока логики 7 формируется сигнал, соответствующий логическому "0".

В режиме высокой стабильности работы кольца АПЧ и всего КСЧ на выходе блока логики 7, сигнал соответствующий логической "1", поступает на входы электронный ключей 15 и 16, разрешая работу их по пропусканию сигналов от соответствующих пороговых элементов 13 и 14. В процессе работы КСЧ старение кварцевого генератора 1 вызывает рост абсолютного значения напряжения U_инт на выходе первого интегратора (см. фиг. 2). Когда это напряжение достигает порогового значения U_пор одного из пороговых элементов 13 или 14, в моменты времени t₁ или t₂ с помощью электронных ключей 15 или 16 соответственно тактовый импульс от второго низкочастотного генератора 8 через электронный переключатель 9 поступает на один из входов реверсивного счетчика 10. Реверсивный счетчик 10, в зависимости от того, на какой вход первый или второй поступает входной сигнал, изменяет значение своего выходного сигнала так, что на выходе цифроаналогового преобразователя 11 и второго интегратора 12 выходное напряжение U_цап уменьшается или увеличивается на величину Δ U_ст (см. фиг. 3). Это приводит к изменению частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 (см. фиг. 4) и уменьшению по абсолютной величине напряжения на выходе первого интегратора 5 до значения, ниже порогового значения срабатывания пороговых элементов 13 и 14, возвращая КСЧ к режиму работы кольца АПЧ, обеспечивающему малую нестабильность частоты выходного сигнала КСЧ, т. е. когда выходное напряжение первого интегратора 5 по абсолютному значению меньшеU_пор| иU_max|
Направление срабатывания реверсивного счетчика 10, а также направление уменьшения или увеличения выходных напряжений цифроаналогового преобразователя 11 и второго интегратора 12, таким образом, определяются полярностью напряжения на выходе первого интегратора 5.

Изменение выходного напряжения цифроаналогового преобразователя 11 на величину Δ U_cт при разомкнутом кольце АПЧ приводит к изменению частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 на величину Δ f_ст дискретного значения переключения частоты. Это же изменение выходного напряжения при замкнутом кольце АПЧ приводит к изменению частоты выходного сигнала КСЧ, показанному на фиг. 4 с максимальным отклонением частоты, равным δ f_max, в момент времени t_э. Данное изменение частоты выходного сигнала КСЧ может быть названо "откликом" на возмущение Δ f_сти характеризует переходной процесс переключения. По истечении переходного процесса частоты выходных сигналов КСЧ принимает первоначальное значение и поддерживается постоянной в режиме высокой стабильности работы кольца АПЧ, в пределах нестабильности частоты 2 Δ АПЧ.

Таким образом, данный КСЧ позволяет увеличить длительность непрерывной работы и упрощает работу обслуживающего персонала за счет автоматизации процессов переключения.

Использование: в квантовых стандартах частоты пассивного типа для стабилизации частоты. Сущность изобретения: в квантовый стандарт частоты, содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты квантовый дискриминатор, блок обработки сигнала ошибки и первый интегратор, а также первый генератор низкой частоты, дополнительно введены последовательно соединенные второй генератор низкой частоты, электронный переключатель, реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, второй интегратор. 4 ил.

КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ, содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, преобразователь частоты, квантовый дискриминатор, блок обработки сигнала ошибки и первый интегратор, а также первый генератор низкой частоты, выход которого подключен к вторым входам преобразователя частоты и блока обработки сигнала ошибки, второй и третий выходы которого соединены с блоком логики, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные второй генератор низкой частоты, электронный переключатель, реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, второй интегратор, выход которого соединен с вторым входом подстраиваемого кварцевого генератора, выход первого интегратора соединен с выходом блока логики через две параллельно включенные цепочки пороговой коммутации, каждая из которых содержит последовательно соединенные пороговый элемент и электронный ключ, выходы первого и второго электронных ключей соединены соответственно с вторым и третьим входами электронного переключателя.