РУБИДИЕВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ Российский патент 2003 года по МПК G04F5/14 G04G7/00 H01S1/06 H03L7/26 

Изобретение относится к квантовым стандартам частоты (КСЧ) пассивного типа и может быть использовано при разработке рубидиевых стандартов частоты (РСЧ) с принудительной подстройкой его частоты.

Принцип действия РСЧ пассивного типа с оптической накачкой основан на стабилизации частоты кварцевого генератора по атомной линии изотопа рубидия ("Кварцевые и квантовые меры частоты" под ред. Б.И. Макаренко. Министерство обороны СССР, 1989, с.466). При этом номинальное значение частоты и систематическое изменение частоты с течением времени полностью определяются частотой и стабильностью атомной линии.

Для подстройки частоты кварцевого генератора к атомной линии изотопа рубидия используются схемы частотных автоподстроек (ЧАП), как, например, в рубидиевом стандарте частоты типа Ч1-50 ("Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов" под ред. Б.П. Фатеева, М., "Сов. радио", 1978, с.263), принятый в качестве ближайшего аналога и упрощенная структурная схема которого представлена на фиг.1. Прибор работает следующим образом.

Сигнал от кварцевого генератора (КГ) 6 (с частотой 5 или 10 мГц) одновременно подается через буферный усилитель 9 на выход РСЧ, на вход синтезатора частоты (СЧ) 7 и на вход умножителя частоты 8, который формирует частотно-модулированный сигнал с частотой 6834,68 мГц, совпадающей с частотой сверхтонкого перехода атомов изотопа рубидия 87 в основном состоянии. Этот сигнал подается в квантовый дискриминатор (КД) частоты 1, включающий ячейку 2 с изотопом рубидия 87 с подмагничивающим соленоидом. Генератор низкой частоты (ГНЧ) 9 формирует сигнал модуляции, поступающий на УЧ 8 и одновременно формирует опорный сигнал-меандр с частотой модуляции, который подается на один из двух входов фазового детектора (ФД) 4. В КД 1 происходит сравнение частоты 6834,68 мГц от умножителя частоты (УЧ) 8 с частотой атомной линии рубидия 87. В случае несовпадения частот на выходе КД 1 формируется сигнал ошибки с частотой модулирующего напряжения. Напряжение сигнала ошибки пропорционально разности частот, а фаза несет информацию о знаке разности частот. Усилитель низкой частоты (УНЧ) 3 усиливает напряжение сигнала ошибки и передает его на второй вход ФД 4. ФД сравнивает фазу сигнала ошибки с фазой опорного сигнала, выпрямляет напряжение сигнала ошибки и изменяет его знак в соответствии со знаком разности частоты синтезатора 7 и частоты атомной линии. С выхода ФД 4 напряжение подается на интегратор 5, который формирует напряжение, управляющее частотой КГ 6. Путем соответствующей фазировки сигналов в кольце частотной подстройки достигается стабилизация частоты КГ 6 по частоте атомной линии КД 1.

РСЧ является вторичным стандартом частоты, его частота определяется множеством факторов (температура, давление, тип и состав буферных газов в ячейках КД, напряженности магнитного поля и т.д.). Поэтому после изготовления и периодически в процессе эксплуатации требуется калибровка частоты РСЧ частоты по сигналу эталонной частоты.

В процессе калибровки производятся измерение частоты РСЧ, сравнение ее значения с эталонной частотой и подстройка частоты РСЧ под эталонную частоту. Изменение частоты РСЧ производится путем изменения напряженности магнитного поля в ячейке поглощения, а именно изменением величины тока, протекающего по обмотке подмагничивания ячейки поглощения 2, например, вручную потенциометром R (фиг.1). При этом изменяется частота сверхтонкого перехода в атомах рубидия и, соответственно, частота РСЧ.

Существуют автоматические способы коррекции частоты РСЧ, когда рубидиевый опорный генератор может находиться в режимах постоянной или периодической синхронизации частоты по сигналам спутниковых радионавигационных систем GLONASS и GPS.

Во всех известных описанных случаях в процессе калибровки сначала производятся измерение и сравнение выходной частоты РСЧ (5 мГц или 10 мГц) с эталонной частотой. Обычно сравнение ведется на тех же частотах 5 мГц или 10 мГц. Затем формируется сигнал управления частотой РСЧ, пропорциональный разности частоты РСЧ и частоты эталонного сигнала. Для калибровки кроме источника сигнала эталонной частоты необходим комплект частотно-измерительной аппаратуры, включающий электронно-счетный частотомер, частотный компаратор или микропроцессорное устройство, выполняющее аналогичные функции ("Аппаратура для частотных и временных измерений" под ред. А.П. Горшкова, 1973, М. , с. 246, рис.8.24). При этом необходимость вести измерения в высокочастотном диапазоне предъявляет соответствующие требования к построению измерительных устройств и к методике проведения измерений.

Технической задачей, решение которой осуществляется изобретением, является создание рубидиевого стандарта частоты с расширенными функциональными возможностями, а именно с возможностью автоматической самокалибровки частоты по сигналу эталонной частоты. При этом для осуществления процесса калибровки не требуется дополнительной контрольно-измерительной аппаратуры, что упрощает и удешевляет процесс калибровки, а точность калибровки практически совпадает с точностью калибровки любым известным описанным методом.

Сущность технического решения заключается в том, что в рубидиевый стандарт частоты, содержащий последовательно соединенные квантовый дискриминатор, включающий ячейку с изотопом рубидия и подмагничивающим соленоидом, усилитель низкой частоты, фазовый детектор и интегратор, кварцевый генератор, синтезатор частоты, умножитель частоты, генератор низкой частоты, один выход которого подключен ко второму входу фазового детектора, а другой выход соединен с первым входом умножителя частоты, второй вход которого подключен к выходу синтезатора частот, а выход соединен со входом квантового дискриминатора, усилитель постоянного тока, выход которого соединен с обмоткой подмагничивающего соленоида квантового дискриминатора, и буферный усилитель, вход которого соединен с выходом кварцевого генератора, а выход является выходом устройства, введены последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь, регистр памяти, второй вход которого соединен со вторым выходом усилителя низкой частоты, и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен ко входу усилителя постоянного тока, второй буферный усилитель, вход которого является входом сигнала эталонной частоты, двухканальное ключевое устройство и амплитудный детектор, вход которого подключен к выходу второго буферного усилителя, первый выход соединен с третьим входом регистра памяти, а второй выход подключен к управляющему входу ключевого устройства, к общим контактам первого и второго каналов которого подключены соответственно входы синтезатора и умножителя частоты и выход интегратора, к первым контактам первого и второго каналов подключены соответственно выход и вход кварцевого генератора, а вторые контакты первого и второго каналов подключены соответственно ко второму выходу второго буферного усилителя и ко входу аналого-цифрового преобразователя.

Структурная схема устройства изображена на фиг.2.

Рубидиевый стандарт частоты содержит включенные последовательно КД 1, включающий ячейку 2 с изотопом рубидия и подмагничивающим соленоидом, УНЧ 3, ФД 4 и интегратор 5, КГ 6, СЧ 7, УЧ 8, ГНЧ 9, один выход которого подключен ко второму входу ФД 4, а другой выход соединен с первым входом УЧ 8, второй вход которого подключен к выходу СЧ 7, а выход соединен со входом КД 1, УПТ 10, выход которого соединен с обмоткой подмагничивающего соленоида КД 1, и буферный усилитель 11, вход которого соединен с выходом КГ 6, а выход является выходом устройства, входом сигнала эталонной частоты которого является вход второго буферного усилителя 12, выход которого соединен со входом АД 13, выход управляющего сигнала которого подключен к управляющему входу двухканального КУ 14. Последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 15, регистр памяти (РП) 16, второй входа которого соединен со вторым выходом УНЧ 3, а третий вход подключен к другому выходу АД 13, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 17, выход которого подключен ко входу УПТ 10. К общим контактам первого и второго каналов КУ 14 подключены соответственно входы СЧ 7 с УЧ 8 и выход интегратора 5, к первым контактам первого и второго каналов КУ 14 подключены соответственно выход и вход КГ 6, а вторые контакты первого и второго каналов КУ 14 подключены соответственно ко второму выходу второго буферного усилителя 12 и ко входу АЦП 15.

Устройство работает следующим образом. При подключении сигнала эталонной частоты на вход устройства он через буферный усилитель 12 поступает на КУ 14 и на АД 13. АД 13 формирует сигнал управления, переключающий КУ 14 из состояния I в состояние II, при котором выход КГ 6 отключается от СЧ 7 и от УЧ 8, а вход КГ 6 отключается от интегратора 5, и формируется сигнал разрешения записи в РП 16. При этом на вход СЧ 7 и УЧ 8 подается сигнал эталонной частоты, а управляющее напряжение с интегратора 5 подается на вход АЦП 15. При наличии расстройки частоты КД 1 относительно умноженной частоты эталонного сигнала на выходе КД 1 появляется сигнал ошибки, пропорциональный разности частот. Проходя через УНЧ 2, ФД 3 и интегратор 4 сигнал ошибки преобразуется в постоянное напряжение, поступающее на вход АЦП 15. Сигнал в цифровом виде подается на РП 16 и на ЦАП 17. С выхода ЦАП 17 сигнал в аналоговой форме подается на устройство управления током подмагничивания УПТ 10. Таким образом, появление сигнала ошибки на входе КД 1 приводит к изменению тока в обмотке подмагничивания ячейки поглощения 2 и к соответствующему изменению частоты РСЧ. В момент совпадения частоты РСЧ с частотой эталонного сигнала напряжение сигнала ошибки на выходе КД 1 становится равным нулю и на втором выходе УНЧ 2 формируется сигнал записи текущего состояния РП 16. Процесс калибровки завершается отключением сигнала эталонной частоты от входа КУ 14. При этом электронный ключ 14 переходит в состояние I и формируется сигнал, запрещающий запись в РП 16. Текущее состояние РП 16 задает ток подмагничивания и определяемую им частоту РСЧ до следующего момента калибровки частоты.

Возможные схемы построения устройства и требования к элементам. Устройство может быть выполнено на базе стандартного рубидиевого стандарта частоты. Схемотехнические способы реализации введенных узлов определяются имеющейся в наличии комплектующей базой, предполагаемой стоимостью устройства и могут быть самыми разнообразными. Например, электронный ключ 14 может быть выполнен на базе интегральной микросхемы МАХ303. АЦП 13 должен быть 12-14-разрядным, при этом требования к быстродействию АЦП не предъявляются. Регистр памяти 14 должен быть энергонезависимым, на базе EEPROMs или на традиционных микросхемах с питанием от литиевой батареи. ЦАП 15 должен быть 14-разрядным. Оптимальным решением может быть реализация узлов 13, 14, 15 на базе программируемой микросхемы ADuC812 фирмы Analog Device (США).

Таким образом, предлагаемый РСЧ наряду со своими традиционными функциями формирования сигналов стабильной частоты имеет возможность автоматической самокалибровки своей частоты по сигналам эталонной частоты, что расширяет его функциональные возможности и значительно упрощает и удешевляет устройство и его эксплуатацию в составе радиоизмерительных комплексов.

Изобретение относится к квантовым стандартам частоты пассивного типа и может быть использовано в рубидиевых стандартах частоты с принудительной подстройкой частоты стандарта. Известный рубидиевый стандарт частоты типа Ч1-50 дополнен аналого-цифровым (АЦП) и цифроаналоговым (ЦАП) преобразователями, регистром памяти, вторым буферным усилителем, аналоговым детектором и двухканальным ключевым устройством. Сигнал эталонной частоты через второй буферный усилитель и аналоговый детектор поступает на управляющий вход ключевого устройства. Кварцевый генератор стандарта отключается, и на входы синтезатора и умножителя частоты подается сигнал эталонной частоты, а сигнал ошибки с выхода интегратора - на вход АЦП и далее в регистр памяти. С выхода ЦАП сохраненный сигнал ошибки в аналоговой форме подается на устройство управления током подмагничивания соленоида рубидиевого дискриминатора. В момент равенства сигнала ошибки нулю запись в регистр памяти блокируется. Техническим результатом от использования изобретения является дополнительная возможность автоматической самокалибровки частоты стандарта по сигналам эталонной частоты. 2 ил.

Рубидиевый стандарт частоты, содержащий включенные последовательно квантовый дискриминатор, включающий ячейку с изотопом рубидия и подмагничивающим соленоидом, усилитель низкой частоты, фазовый детектор и интегратор, кварцевый генератор, синтезатор частоты, умножитель частоты, генератор низкой частоты, один выход которого подключен ко второму входу фазового детектора, а другой выход соединен с первым входом умножителя частоты, второй вход которого подключен к выходу синтезатора частот, а выход соединен со входом квантового дискриминатора, усилитель постоянного тока, выход которого соединен с обмоткой подмагничивающего соленоида квантового дискриминатора, и буферный усилитель, вход которого соединен с выходом кварцевого генератора, а выход является выходом устройства, отличающийся тем, что в него введены последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь, регистр памяти, второй вход которого соединен со вторым выходом усилителя низкой частоты, и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен ко входу усилителя постоянного тока, второй буферный усилитель, вход которого является входом сигнала эталонной частоты, двухканальное ключевое устройство и амплитудный детектор, вход которого подключен к выходу второго буферного усилителя, первый выход соединен с третьим входом регистра памяти, а второй выход подключен к управляющему входу ключевого устройства, к общим контактам первого и второго каналов подключены соответственно входы синтезатора и умножителя частоты и выход интегратора, к первым контактам первого и второго каналов подключены соответственно выход и вход кварцевого генератора, а вторые контакты первого и второго каналов подключены соответственно ко второму выходу второго буферного усилителя и ко входу аналого-цифрового преобразователя.