Водородный хранитель времени и частоты (два варианта) Российский патент 2019 года по МПК G04G3/00 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, а именно к метрологии, и может быть использовано в групповых хранителях времени и частоты на базе стандартов частоты с квантовыми дискриминаторами.

В последнее время пассивные водородные стандарты частоты находят применение в бортовых синхронизаторах Глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС): европейской ГАЛИЛЕО, китайской БЕЙДОУ, ведется освоение этих приборов отечественной ГНСС ГЛОНАСС. В этих применениях кроме высокой стабильности параметров хранителей требуются малые габариты, вес, повышенная надежность и ресурс (10-12 лет) работы стандартов в условиях механических и радиационных воздействий.

В наиболее ответственных применениях источников высокостабильных колебаний таких, как вторичные и рабочие эталоны, а также хранители времени и частоты специального назначения для повышения надежности и стабильности хранимых параметров, используют групповые хранители, в состав которых входит несколько стандартов частоты. В этих случаях неизбежно возникает необходимость формирование средней частоты, или шкалы времени. Одним из методов усреднения параметров является метрологическое формирование аналитической шкалы времени. В основе этого метода лежит измерение разности частот стандартов, входящих в группу, с вычислением частоты каждого стандарта; построение с помощью математических алгоритмов аналитической средней шкалы; вычисление поправок на частоту каждого стандарта относительно аналитической средней; внесение поправок; выбор ведущего стандарта по максимальному весовому коэффициенту и отслеживание по этому принципу состояния группового хранителя на протяжении всего срока службы.

Подобная методика используется, в частности, в групповых хранителях частоты и шкалы времени эталонов на базе водородных стандартов частоты по патенту на полезную модель RU №49293 и по патенту на изобретение RU №2009536. В этих технических решениях кроме обязательных стандартов частоты используется измерительная система, элементы коммутации, аппаратура анализа и обработки результатов измерения с вычислением параметров сигналов, устройства внесения поправок и аварийного отключения.

Наиболее слабым звеном в стандарте частоты с точки зрения надежности и рабочего ресурса является квантовый дискриминатор (КД). Недостаточно чувствительные и надежные методы предварительного контроля физических процессов поддержания вакуума, процессов образования и сохранения разрядной плазмы в источнике атомного пучка, физико-химических процессов взаимодействия атомарного водорода с тефлоновым покрытием колбы резонатора КД в условиях радиационного воздействия составляют основы непредсказуемости КД.

Эти сложности решаются использованием в синхронизаторах двух и более стандартов частот, например, в формирователе эталонных частот резервируемого типа Ч7-317 (разработка ЗАО «Время-Ч»). При этом один из них используется в рабочем состоянии, а остальные находятся в резерве. При выходе из строя рабочего прибора, что определяется с помощью наземных измерений параметров синхронизатора, по команде с наземного пункта контроля вводится в действие резервный прибор. Перевод работы синхронизатора на холодный резерв связан с временным выводом спутника из работы группировки, что необходимо для измерения параметров резервного прибора, введения необходимых поправок к шкале и «адаптации» синхронизатора в системе.

В качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения по первому варианту изобретения выбран пассивный водородный стандарт частоты Ч1-76 (разработка ФГУП ННИПИ «Кварц»), упрощенная блок-схема которого приведена на фиг. 1., включающая КД 1, усилитель сигнала модуляции 2, синхронный детектор (СД) 3, модулирующий генератор (модулятор) 4, умножитель частоты 5, синтезатор частоты 6, кварцевый генератор (КГ) 7.

На фиг. 2 показана дискриминационная характеристика (ДХ) квантового дискриминатора этого прибор.

В качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения по второму варианту изобретения выбран групповой хранитель частоты по патенту на полезную модель RU №49293.

Технической задачей, решение которой достигается изобретением, является создание водородного хранителя частоты на базе квантового дискриминатора с упрощенной схемой устройства, уменьшенными габаритами, массой, потребляемой энергией и стоимостью, при сохранении надежности и стабильности частоты выходного сигнала.

Сущность технического решения задачи по первому варианту изобретения заключается в том, что водородный хранитель времени и частоты, содержащий квантовый дискриминатор, через усилитель сигнала модуляции и синхронный детектор подключен к выходу модулирующего генератора, второй выход которого через умножитель частоты соединен с входом квантового дискриминатора, кварцевый генератор, выход которого подключен ко второму входу умножителя частоты и через синтезатор частоты к третьему входу умножителя частоты, второй выход кварцевого генератора является выходом устройства, согласно первому варианту изобретения, в него введена цепочка из последовательно соединенных второго квантового дискриминатора, вход которого соединен с входом первого квантового дискриминатора, второго усилителя сигнала модуляции и второго синхронного детектора, второй вход которого подключен к третьему выходу модулирующего генератора, и дополнительно введен сумматор напряжения, включенный между выходами синхронных детекторов, а выход сумматора соединен с управляющим входом кварцевого генератора.

Сущность технического решения задачи по второму варианту изобретения заключается в том, что водородный хранитель времени и частоты, содержащий первую группу блоков из последовательно соединенных квантового дискриминатора, усилителя сигнала модуляции и синхронного детектора, второй вход которого подключен к выходу модулирующего генератора, второй выход которого через умножитель частоты соединен с входом квантового дискриминатора, второй вход умножителя частоты через синтезатор частоты подключен к третьему входу умножителя частоты, кварцевый генератор, первый выход которого соединен со вторым входом умножителя частоты, второй выход кварцевого генератора является выходом устройства, и сумматор напряжения, согласно второму варианту изобретения, в него введена N (N=1, 2, 3…) группа блоков, аналогичная первой, при этом первый выход кварцевого генератора соединен параллельно со вторыми входами умножителей частоты N-x групп блоков, сумматор напряжения включен между выходами синхронных детекторов группы блоков, а выход сумматора соединен с управляющим входом кварцевого генератора.

На фиг. 3 изображена блок-схема хранителя времени и частоты по первому варианту изобретения, где обозначено: 1₁, 1₂ - квантовые дискриминаторы; 2₁, 2₂ - усилители сигнала модуляции; 3₁, 3₂ - синхронные детекторы; 4₁, 4₂ - модулирующие генераторы; 5₁, 5₂ - умножители частоты (модуляции); 6₁, 6₂ - синтезаторы частоты; 7 - кварцевый генератор (КГ); 8 - сумматор напряжения.

На фиг. 4 изображены (по первому варианту изобретения) графики спектральных линий (СЛ) соответственно первого СЛ_1.1 и второго СЛ_1..2 квантовых дискриминаторов и их дискриминационные характеристики соответственно ДХ₁ и ДХ₂; суммарная дискриминационная характеристика ДХ_Σ1,2 с выхода сумматора; точка «А» является точкой настройки КГ.

На фиг. 5 изображена структурная схема хранителя времени и частоты по второму варианту изобретения для N=2, где обозначено: 1₁, 1₂, 1₃ - квантовые дискриминаторы; 2₁, 2₂, 2₃ - усилители сигнала модуляции; 3₁, 3₂, 3₃ - синхронные детекторы; 4₁, 4₂, 4₃ - модулирующие генераторы; 5₁, 5₂, 5₃ - умножители частоты (модуляции); 6₁, 6₂, 6₃ - синтезаторы частоты; 7 - кварцевый генератор; 8 - сумматор напряжения.

На фиг. 6 представлены (по второму варианту изобретения) графики спектральных линий соответственно первого СЛ₁ второго СЛ₂ и третьего СЛ₃ квантовых дискриминаторов, их дискриминационные характеристики соответственно ДХ₁ ДХ₂ и ДХ₃, суммарная дискриминационная характеристика ДХ_Σ1,2,3 с выхода сумматора; нулевая точка «А» настройки КГ.

Водородный хранитель времени и частоты по первому варианту изобретения (фиг. 3) включает квантовый дискриминатор 1₁, подключенный через усилитель сигнала модуляции 2₁ и синхронный детектор 3₁ к выходу модулирующего генератора 4, второй выход которого через умножитель частоты 5 соединен с входом квантового дискриминатора 1₁, кварцевый генератор 7, выход которого подключен ко второму входу умножителя частоты 5 и через синтезатор частот 6 к третьему входу умножителя частоты 5. Второй (резервный) квантовый дискриминатор 1₂, вход которого соединен с входом первого квантового дискриминатора 1₁, а выход через второй усилитель сигнала модуляции 2₂ подключен к входу второго синхронного детектора 3₂, второй вход которого подключен к третьему выходу модулирующего генератора 4, выходы синхронных детекторов 3₁, 3₂ через сумматор напряжения 8 соединены с входом кварцевого генератора 7, второй выход которого является выходом устройства.

Водородный хранитель времени и частоты по второму варианту изобретения (фиг. 5) включает три группы блоков (одна основная и N=2), каждая из которых состоит из последовательно соединенных соответствующих квантового дискриминатора 1, усилителя частоты модуляции 2 и синхронного детектора 3, второй вход которого подключен к выходу модулирующего генератора 4, второй выход которого через умножитель частоты 5 соединен с входом квантового дискриминатора 1, второй вход умножителя частоты 5 через синтезатор частоты 6 подключен к третьему входу умножителя частоты 5. Кварцевый генератор 7 параллельно подключен ко вторым входам всех умножителей частоты 5 групп блоков, а между выходами синхронных детекторов 5 включен сумматор напряжения 8, выход которого соединен с управляющим входом кварцевого генератора 7, второй выход которого является выходом устройства.

Устройства 1-7 в обоих вариантах изобретения могут быть выполнены аналогично блокам пассивного водородного стандарта частоты Ч1-76. Сумматор напряжения 8 может быть выполнен на резисторах, фильтрах, операционных усилителях по известным схемам.

Работа устройства (по первому варианту изобретения) заключается в следующем. Резервный дискриминатор 1₂ непрерывно работает параллельно с первым 1₁, а его усилитель частоты модуляции 2₂ и синхронный детектор 3₂ выделяют напряжение, пропорциональное отклонению частоты кварцевого генератора 7 от частоты вершины его спектральной линии. При сложении напряжений синхронных детекторов 3₁ и 3₂ в сумматоре 8 получается управляющее напряжение, пропорциональное отстройке частоты кварцевого генератора от среднего значения частот спектральных линий обоих дискриминаторов. Частота кварцевого генератора перестраивается до появления нулевого значения с выхода сумматора, при этом значение частоты настройки хранителя становится равным среднему значению частот спектральных линий дискриминаторов (фиг. 4).

Вследствие округленности вершины спектральной линии соответственно дискриминационная характеристика имеет уплощение в месте настройки частоты кварцевого генератора на вершину линии. В этом месте напряжение регулирования плавно меняется около нуля. Суммарная характеристика Σ_1,2 в районе нуля имеет увеличенную крутизну и увеличенную регулирующую способность, что обуславливает большую стабильность частоты прибора.

Аналогичным образом можно создать хранитель времени и частоты со вторым и третьим резервными квантовыми дискриминаторами.

При выходе из строя одного из дискриминаторов в такой схеме напряжение с соответствующего синхронного детектора обнуляется и прибор продолжает работать на втором дискриминаторе, а частота кварцевого генератора перестраивается на вершину линии этого дискриминатора. Подключение резервного дискриминатора происходит автоматически и не требует исполнения полной программы обнаружения неисправности, вывода синхронизатора из состава группировки и перехода на резервный стандарт частоты.

Таким образом, предлагаемое устройство повышает надежность и ресурс работы пассивного водородного хранителя времени и частоты при одновременном сохранении стабильности его частоты и шкалы времени. Такая схема по сравнению с двумя стандартами в синхронизаторе исключает использование второго кварцевого генератора, умножителя частоты, синтезатора и дополнительное измерительное оборудование синхронизатора: многоканальные компараторы, измерители интервалов времени и др. (для получения и реализации аналитической шкалы времени). Добавление сумматора сохраняет преимущество предлагаемого устройства по энергопитанию и весу.

Работа предлагаемого устройства по второму варианту изобретения (фиг. 5) заключается в том, что во всех N группах блоков один общий кварцевый генератор 7 работает на все квантовые дискриминаторы 1, т.е. сигнал с каждого квантового дискриминатора группы поступает на кварцевый генератор и частота этого кварца приобретает отклонение (по величине и знаку) от частоты спектральной линии каждого дискриминатора группы. Эти отклонения образуются на выходах синхронных детекторов соответствующих N групп блоков, просуммировав их в сумматоре 8 получим в результате напряжение пропорциональное отклонению частоты кварца от среднего значения частоты спектральных линий. Особенностью данного технического решения является (фиг. 6):

- частота настройки хранителя времени и частоты из N групп блоков f_Σ равна среднему значению частот отдельных групп f_Σ=Σf_n/N;

- частоты настроек (точки f₄, f₅, f₆, f₇, f₈) хранителя времени и частоты из любых комбинаций дискриминаторов соответствуют весовым значениям этих комбинаций: частота из дискриминаторов 1₁ и 1₂ (точка f₆) лежит в середине между частотами этих спектральных линий (точками f₄ и f₈); добавление в хранитель времени и частоты дискриминатора 1₃ смещает частоту настройки в сторону большего веса суммы двух дискриминаторов 1₂ и 1₃ и т.д.;

- в соответствии с плавным перегибом вершин спектральных линий дискриминационные характеристики имеют уплощение в точках настройки частоты кварцевого генератора на вершину линии, в районе этих точек коэффициенты регулирования уменьшаются до нуля, т.е. в районе близком к частоте настройки на линию эффективности стабилизации частоты кварцевого генератора минимальна;

- с увеличением числа дискриминаторов крутизна дискриминационной характеристики за счет суммирования растет, увеличивается коэффициент регулирования и эффективности стабилизации частоты кварцевого генератора, т.е. растет стабильность частоты хранителя времени и частоты во всем диапазоне времен измерения, превышающем постоянную времени частотного фильтра синхронного детектора (t=1 сек и выше), это увеличение пропорционально √N;

- в случае выхода из строя какого-либо дискриминатора или элемента схемы в любой группе блоков при пропадании напряжения с выхода соответствующего синхронного детектора частота хранителя автоматически смещается в сторону максимального веса оставшихся в работе дискриминаторов.

Управление частотой кварцевого генератора суммированным напряжением освобождает хранитель времени и частоты от необходимости использования дополнительного оборудования (многоканальные компараторы и измерители интервалов времени, вычислительное оборудование и др.) для получения и реализации аналитической шкалы, обеспечивая на выходе предлагаемого устройства натуральную среднюю шкалу времени. При этом достигается повышенная надежность, экономия средств, габаритов, массы, энергии на реализацию групповой частоты (по сравнению с групповыми эталонами, основанными на группе традиционных стандартов частоты).

Все вышеуказанные положительные свойства данных вариантов изобретения справедливы для хранителей времени и частоты на основе рубидиевых стандартов частоты с оптической накачкой и стандарта частоты на основе цезиевой атомно-лучевой трубки.

Водородный хранитель времени и частоты предназначен для использования в качестве источника высокостабильных сигналов. Хранитель времени и частоты содержит квантовый дискриминатор, через усилитель сигнала модуляции и синхронный детектор подключенный к модулирующему генератору, выход которого через умножитель частоты соединен с входом квантового дискриминатора, кварцевый генератор, подключенный к умножителю частоты и через синтезатор частоты к другому входу умножителя частоты, последовательно соединенные второй квантовый дискриминатор, вход которого соединен с входом первого квантового дискриминатора, усилитель сигнала модуляции и синхронный детектор, подключенный к выходу модулирующего генератора, а сумматор напряжения включен между выходами синхронных детекторов, а его выход соединен с входом кварцевого генератора. По втором варианту устройство содержит N групп блоков из последовательно соединенных квантового дискриминатора, усилителя частоты модуляции и синхронного детектора, вход которого подключен к выходу модулирующего генератора, второй выход которого через умножитель частоты соединен с входом квантового дискриминатора, второй вход умножителя частоты через синтезатор частоты подключен к третьему входу умножителя частоты, кварцевый генератор, первый выход которого соединен со вторым входом умножителя частоты, и сумматор напряжения, при этом выход кварцевого генератора соединен параллельно со входами умножителей частоты N группы блоков, сумматор напряжения включен между выходами синхронных детекторов N группы блоков, а выход сумматора соединен с входом кварцевого генератора. Техническое решение позволяет упростить конструкцию водородного хранителя частоты и времени при сохранении надежности работы и хранения частоты. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Водородный хранитель времени и частоты, содержащий квантовый дискриминатор, через усилитель сигнала модуляции и синхронный детектор подключенный к выходу модулирующего генератора, второй выход которого через умножитель частоты соединен с входом квантового дискриминатора, кварцевый генератор, выход которого подключен ко второму входу умножителя частоты и через синтезатор частоты к третьему входу умножителя частоты, второй выход кварцевого генератора является выходом устройства, отличающийся тем, что в него введена цепочка из последовательно соединенных второго квантового дискриминатора, вход которого соединен с входом первого квантового дискриминатора, второго усилителя сигнала модуляции и второго синхронного детектора, второй вход которого подключен к третьему выходу модулирующего генератора, и дополнительно введен сумматор напряжения, включенный между выходами синхронных детекторов, а выход сумматора соединен с входом кварцевого генератора.

2. Водородный хранитель времени и частоты, содержащий первую группу блоков из последовательно соединенных квантового дискриминатора, усилителя частоты модуляции и синхронного детектора, второй вход которого подключен к выходу модулирующего генератора, второй выход которого через умножитель частоты соединен с входом квантового дискриминатора, второй вход умножителя частоты через синтезатор частоты подключен к третьему входу умножителя частоты, кварцевый генератор, первый выход которого соединен со вторым входом умножителя частоты, второй выход кварцевого генератора является выходом устройства, и сумматор напряжения, отличающийся тем, что в него введена N (N=1,2,3…) группа блоков, аналогичная первой, при этом первый выход кварцевого генератора соединен параллельно со вторым входом умножителей частоты N-x групп блоков, сумматор напряжения включен между выходами синхронных детекторов групп блоков, а выход сумматора соединен с управляющим входом кварцевого генератора.