Цезиевый стандарт частоты Советский патент 1991 года по МПК H01S1/06 

Изобретение относится к квантовой радиофизике и может быть использовано при разработке атомных стандартов частоты.

Известны устройства атомных стандартов частоты на основе квантового дискриминатора, которые представляют собой систему частотной автоподстройки кварцевого генератора по частоте спектральной линии атомного перехода. Они обеспечивают высокую долговременную стабильность частоты, однако при этом обладают сравнительно низким отношением сигнал/шум, а следовательно, и недостаточно высокой кратковременной стабильностью частоты по сравнению с активными атомными стандартами, например водородными генераторами 1.

Наиболее близким к изобретению является цезиевый стандарт частоты 2, который содержит квантовый дискриминатор на основе атомно-лучевой трубки на атомах 133 Cs, интегратор, управляемый кварцевый генератор, умножитель частоты, смеситель частоты, синтезатор частоты, селективный усилитель НЧ. генератор НЧ. синхронный детектор, причем первый выход управляемого кварцевого генератора соединен с первым входом умножителя, второй выход - с входом синтезатора частоты, а вход - с выходом интегратора, выход умножителя частоты - с первым входом смесителя частоты, а выход синтезатора частоты - с вторым входом смесителя частоты, выход которого соединен с входом квантового дискриминатора, выход квантового дискриминатора через селективный усилитель соединен с первым входом синхронного детектора, выход которого через интегратор соединен с управляющим входом кварцевого генератора, а второй вход синхронного детектора соединен с выходом генератора НЧ.

Недостатком известного устройства является ограничение стабильности частоты.

(Л

С

о

00

со

Os

о

которое определяется следующими факторами:

1)влияние шумов дискриминатора, которые определяют фактор качества устройства, а следовательно, и стабильность частоты стандарта;

2)изменение фазового сдвига в селективном усилителе, усиливающем сигнал с квантового дискриминатора, из-за изменения, например, температуры или временного старения селективных элементов усилителя.

Другим недостатком этого устройства является невозможность полной микроминиатюризации электронной схемы устройства из-за селективных каскадов в НЧ усилителе, который содержит аналоговые и конденсаторы большей емкости, а следовательно, и больших размеров.

Цель изобретения - повышение стабильности частоты с одновременным умень- шением габаритов устройства за счет микроминиатюризации схемы - достигается тем, что в известное устройство, содержащее квантовый дискриминатор на основе атомно-лучевой трубки на атомах 133 Cs, интегратор, управляемый кварцевый генератор, умножитель частоты, смеситель частоты, синтезатор частоты, причем первый выход управляемого кварцевого генератора соединен с первым входом умножителя частоты, второй выход-с входом синтезатора частоты, а вход - с выходом интегратора, -ы од умножителя чгстоты -- с первым входом смесителя частоты, а выход синтезатора частоты - с вторым входом смесителя частоты, выход которого соединен с входом г.вантового дискриминатора, введены первый делитель частоты на К, второй делитель частоты на 8, N-разрядный кольцевой счетчик, еосьмиканальный двунаправленный мультиплексор, восемь конденсаторов, сумматор, первый инвертор, второй инвертор, усилитель постоянного тока, схема совпадения, резисторная матрица из (N-1) резисторов, причем вход первого делителя соединен с третьим выходом управляемого кварцевого генератора, а первый выход первого делителя - с входом второго делителя, второй выход первого делителя соединен с тактовым входом кольцевого счетчика, первый выход второго делителя каскада деления на два соединен с первым адресным входом мультиплексора, второй выход этого каскада соединен с первым входом схемы совпадения, первый выход второго делите- пя каскада деления на четыре соединен с вторым адресным входом мультиплексора, второй выход каскада деления на четыре соединен с вторым входом схемы совпадения, первый выход каскада деления на восемь второго делителя соединен с третьим адресным входом мультиплексора, второй выход каскада деления на восемь второго делителя соединен с третьим входом схемы совпадения, выход схемы совпадения соединен с входом сброса R кольцевого счетчика, (N-1) параллельные выходы которого через резисторную матрицу соединены с 0 вторым входом умножителя частоты, а выход квантового дискриминатора соединен с входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с четвертым входом мультиплексора, а восемь выходов мульти- 5 плексорэ соединены через конденсаторы С1, С2, СЗ, С4, С5, С6, С7 и С8 соответственно с общей шиной схемы, причем второй выход мультиплексора соединен также с первым входом сумматора, третий выход - с вторым 0 входом сумматора, шестой выход через первый инвертор - с третьим входом сумматора, седьмой выход мультиплексора соединен через второй инвертор с четвертым входом сумматора, выход сумматора 5 соединен с входом интегратора.

Введение указанных элементов в предлагаемое устройство позволяет отказаться от функционального использования в схеме стандарта селективных усилителей, ухудша- 0 ющих стабильность частоты стандарта, повысить фактор качества устройства, что приводит к достижению цели изобретения - повышению стабильности частоты и уменьшению габаритов устройства, так как введе- 5 ние в схему стандарта элементов цифровой техники, отказ от применения селективного усилителя позволяет провести микроминиатюризацию схемы стандарта.

На фиг. 1 приведена блок-схема устрой- 0 ства; на фиг. 2 показаны зависимости выходных сигналов от времени.

Цезиевый стандарт частоты (фиг. 1) содержит квантовый дискриминатор i на основе атомно-лучевой трубки на атомах 133 5 Cs, интегратор 2, управляемый кварцевый генератор 3, умножитель 4 частоты, смеситель 5 частоты, синтезатор 6 частоты, причем первый выход управляемого кварцевого генератора 3 соединен с первым входом ум- 0 ножителя 4 частоты, второй выход - с входом синтезатора 6 частоты а вход - с выходом интегратора 2, выход умножителя частоты 4 - с первым входом смесителя 5 частоты, а выход синтезатора 6 частоты - с 5 вторым входом смесителя 5 частоты, выход которого соединен с входом квантового дискриминатора 1. В устройство введены первый делитель 7 частоты на К, второй делитель 8 частоты на восемь, N-разрядный кольцевой счетчик 9, восьмиканальный двунаправленный мультиплексор 10, восемь конденсаторов (С 1..С8) 11-18, сумматор 19, первый инвертор 20, второй инвертор 21, усилитель 22 постоянного тока, схема совпадения, например, 3 ИЛИ-НЕ 23, рези- сторная матрица из (N-1) резисторов 24. Вход первого делителя 7 соединен с третьим выходом управляемого кварцевого генератора 3, а первый выход первого делителя 7 - с входом второго делителя 8, второй выход первого делителя 7 соединен с тактовым входом кольцевого счетчика 9, первый выход второго делителя каскада деления на два - с первым адресным входом АО мультиплексора 10, второй выход этого каскада - с первым входом схемы совпадения 3 ИЛИ-НЕ 23, первый выход второго делителя 8 каскада деления на четыре соединен с вторым адресным входом А1 мультиплексора 10, второй выход каскада деления на четыре соединен с вторым входом схемы совпадения 3 ИЛИ-НЕ 23, первый выход каскада деления на восемь второго делителя 8 соединен с третьим адресным входом А2 мультиплексора 10, второй выход каскада деления на восемь второго делителя соединен с третьим входом схемы совпадения 3 ИЛИ-НЕ 23, «ыход схемы 3 ИЛИ-НЕ соединен с входом сброса R кольцевого счетчика 9, (N-1) параллельные выходы которого через резисторную матрицу 24 соединены с вторым входом умножителя 4 частоты, а выход квантового дискриминатора 1 соединен с входом усилителя 22 постоянного тока, выход которого соединен с четвертым входом мультиплексора 10, а восемь выходов мультиплексора соединены соответственно через конденсаторы С1-С8 с общей шиной схемы, причем второй выход мультиплексора 10 соединен также с первым входом сумматора 19, третий выход - с вторым входом сумматора 19, шестой выход через первый инвертор 20 соединен с третьим входом сумматора 19, седьмой выход мультиплексора 10через второй инвертор21 -счетвер- тым входом сумматора 19, а выход сумматора 19 соединен с входом интегратора 2.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал управляемого кварцевого генератора 3 частотой f умножается в умножителе А частоты до частоты fy и подается на смеситель 5 частоты. Сюда же подается сигнал с синтезатора 6 частотой fc. На выходе смесителя образуется спектр частот nfy ±mfc, где n, ,1,2,... Нужная гармоника, совпадающая с частотой атомного перехода 9, 192631770.. ГГц, выделяется резонатором квантового дискриминатора 1.

Сигнал с выхода квантового дискриминатора несет информацию об отклонении частоты кварцевого генератора 3 от частоты линии сверхтонкого перехода атомов 133 5 Cs., Этот сигнал, усиленный усилителем 22, поступает на четвертый вход аналогового мультиплексора 10. В то же время на первый, второй и третий управляющие входы (АО, А1, А2) мультиплексора поступают сиг- 0 налы 4F, 2F, F соответственно, синхронные с частотой модуляции F. В результате в любой момент времени t1... т.8 поступают сигналы, изображенные на фиг. 2. По оси t отложены интервалы времени t1.. t8, соот5 ветствующие состоянию второго делителя 8, по оси U - отклик квантового дискриминатора, который соответствует сигналу модуляции частотой F определенной фазы (кривая 1), среднеквадратическая амплиту0 да шумового сигнала на выходе дискриминатора - область между прямыми. Кривая 3 соответствует точной настройке частоты кварцевого генератора на вершину линии атомного перехода 133 Cs .

5В начальный момент времени (интервал

времени t1) синусоидальный сигнал модуляции F увеличивается, сигнал отклика тоже увеличивается. В этот же период выход 1 мультиплексора подключен к конденсатору

0 С1. Во второй и третий интервалы времени t2 и t3 сигнал достигает максимального положительного напряжения на конденсаторах С и СЗ, а в интервалы времени t6 и t7 - максимального отрицательного напряже5 ния на конденсаторах Сб. С7. Из фиг. 2 видно, что сигналы с второго, третьего, шестого и седьмого выходов имеют значительно большее отношение сигнал/шум, чем сигналы с первого, четвертого, пятого и восьмого

0 выходов. Интегральная сумма их в VTpas больше, чем в случае суммирования полного сигнала за период 1 /F, как в прототипе.

Указанные сигналы с второго, третьего, шестого и седьмого выходов, инвертируе5 мые инверторами 20, 21, складываются на сумматоре 19 и после интегратора 2 подаются на подстройку частоты управляемого кварцевого генератора 3. Таким образом цепь АПЧ замыкается.

0Сигнал модуляции F в предложенном

устройстве формируется из сигнала кварцевого генератора следующим образом.

Сигнал частотой f делится сначала в первом делителе 7 частоты на К, где К 5 любое целое число, затем на 2 во втором делителе 8 частоты так, чтобы выполнялось соотношение

f

F W где W - полуширина линии.

с -i

г 8 К

И

22, 23,

Сигналы с выходов делителей 2 входящих в состав второго делителя В. поступают на управляющие входы мультиплексора 10 для синхронного коммутирования отклика дискриминатора на соответствующие конденсаторы С1..С8, а сигнал с выхода первого делителя поступает на вход fraia кольцевого счетчика, в котором формируется синусоидальный сигнал модуляции частотой F. Последний получается путем взвешенного суммирования сигналов с (N-1) выходов кольцевого счетчика 9, в качестве которого может быть использован, например, N-разрядный регистр сдвига с параллельными выходами. На вход О регистра сдвига (на схеме фиг. 1 не показано) подается проинвертированный выход последней ячейки. Разрядность N счетчика выбирается из соотношения 1

F

2N

fT.

Для синхронизации работы схемы обнуление счетчика 9 производится с выхода схемы 3 ИЛИ-НЕ, на вход которой поданы сигналы, кратные частоте F. Затем сигнал F модулирует сигнал умножителя 4 частоты с целью определения сигнала ошибки в цепи АПЧ атомного стандарта и подстройки частоты управляемого кварцевого генератора.

В общем виде коэффициент деления второго делителя может быть 2Р, где р S 3. При этом необходим подбор оптимального числа выходов мультиплексора, участвующих в формировании сигнала ошибки цепи АПЧ. Однако практически заметного выигрыша в величине отношения сигнал/шум не получено, а схема значительно усложняется.

Таким образом, предложенная схема позволяет повысить отношение сигнал/шум, которое достигается за счет выделения той части полезного сигнала, которая имеет максимальную величину этого отношения.

Формула изобретения

Цезиевый стандарт частоты, содержащий квантовый дискриминатор на основе атомно-лучевой трубки на атомах 133 Cs интегратор, управляемый кварцевый генератор, умножитель частоты, смеситель частоты, синтезатор частоты, причем первый выход управляемого кварцевого генератора соединен с первым входом умножителя частоты, второй выход - с входом синтезатора частоты, а вход - с выходом интегратора, выход умножителя частоты - с первым входом смесителя частоты, а выход синтезатора частоты - с вторым входом смесителя частоты, выход которого соединен с входом квантового дискриминатора, отличающийся тем,

что, с целью повышения стабильности частоты с одновременным уменьшением габаритов устройства за счет микроминиатюризации схемы, в него введены первый делитель частоты на К, второй делитель час0 тоты на восемь N-разрядный кольцевой счетчик, восьмиканальный двунаправленный мультиплексор,восемь конденсаторов, сумматор, первый инвертор, второй инвертор, усилитель постоянного тока, схема сов5 падения, резисторная матрица из (N-1) резисторов, причем вход первого делителя соединен с третьим выходом управляемого кварцевого генератора, а первый выход первого делителя соединен с входом второго

0 делителя, второй выход первого делителя соединен с тактовым входом кольцевого счетчика, первый выход второго делителя каскада деления на два соединен с первым адресным входом мультиплексора, второй

5 выход этого каскада соединен с первым входом схемы совпадения, первый выход второго делителя каскада деления на четыре соединен с вторым адресным входом мультиплексора, второй выход каскада деления

0 на четыре соединен с вторым входом схемы совпадения, первый выход каскада деления на восемь второго делителя соединен с третьим адресным входом мультиплексора, второй выход каскада деления на восемь

5 второго делителя соединен с третьим входом схемы совпадения, выход схемы совпадения соединен с входом сброса R кольцевого счетчика, (N-1) параллельные выходы которого через резисторную матри0 цу соединены с вторым входом умножителя частоты, а выход квантового дискриминатора соединен с входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с четвертым входом мультиплексора, а во5 семь выходов мультиплексора соединены соответственно через конденсаторы С1, С2, СЗ, С4, С5, С6, С7, С8 с общей шиной схемы, причем второй выход мультиплексора соединен также с первым входом сумматора,

0 третий выход - с вторым входом сумматора, шестой выход через первый инвертор - с третьим входом сумматора, седьмой выход мультиплексора соединен через второй инвертор с четвертым входом сумматора, а

5 выход сумматора соединен с входом интегратора.

v,

I

а

Изобретение относится к атомным стандартам частоты. Цель изобретения - повышение стабильности частоты с одновременным уменьшением габаритов устройства за счет микроминиатюризации схемы. В устройстве в основную цепь автоподстройки частоты введены мультиплексор и делители. В устройство также введены сумматор, инверторы, усилитель постоянного тока, схема совпадения и резисторная матрица. 2 ил.

Фиг

-г