Устройство для коррекции частоты опорного генератора в квантовом стандарте частоты Советский патент 1993 года по МПК H03L7/00 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве автоматического корректора частоты опорного генератора в квантовых стандартах частоты.

Цель изобретения - увеличение полосы удержания без ухудшения стабильности работы устройства.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - конкретное выполнение частотного детектора.

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные управляющий элемент 1, опорный кварцевый генератор 3, частотный детектор 5 и фильтр нижних частот 6, выполненный на операционном усилителе и RC-цепи, последовательно соединенные коммутатор 7, реверсивный счетчик 8 и цифроаналоговый преобразователь 11, последовательно соединенные интегрирующее звено 13, первый компаратор 14, первый 16 элемент И. элемент 17 НЕ и триггер Шмидта 18, а также аттенюатор 9, второй резистор 10, двойной ключ 12,- второй 4 элемент И, второй компаратор 15 и обнаружитель сигнала 2, при этом фильтр

нижних частот 6 выполнен с целью разряда 3 конденсатора, один вывод которого подключен к первому входу ключа 12 и входу С/) интегрирующего звена 13, а второй вывод f через второй резистор 10 подключен ко вто-. рому входу ключа 12, выход которого соеди § нен с нулевой шиной источника питания первый вход коммутатора 7 соединен с выходом тактовой частоты частотного детекто- ра 5, второй вход коммутатора 7 соединен с 00 выходом триггера Шмидта 18, а вход управ- О ления коммутатора 7 и первый вход второго О 4 элемента И соединены с выходом обнару- (J жителя сигнала 2, вход которого соединен с , выходом сигнала низкой частоты частотного QQ детектора 5, вход аттенюатора 9 подключен к выходу фильтра нижних частот 6, выход аттенюатора 9 подключен к суммирующему входу управляющего элемента 1, к вычитающему входу которого подключен выход циф- роаналогового преобразователя 11, вход управления цепью разряда фильтра нижних частот 6 соединен с выходом второго 4 элемента И, а первый вход второго компаратора 15, подключен к выходу интегрирующего звена 13, а его выход - ко второму входу

первого 16 элемента I/I, выход первого компаратора 14 соединен со входом направления счета реверсивного счетчика 8, выход первого 16 элемента И соединен со вторым входом второго 4 элемента И, при этом вторые входы первого 14 и второго 15 компараторов являются входами для подключения опорного напряжения положительной и отрицательной полярности соответственно.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

После включения устройства до истечения времени, необходимого для обеспечения готовности термостатов частотного детектора 5 и опорного кварцевого генератора 3, напряжение на выходе сигнала низкой частоты частотного детектора 5, соединенному со входом обнаружителя сигнала 2. отсутствует и на выходе обнаружителя 2 напряжение равно логическому нулю. В результате на управляющий вход коммутатора 7 поступает напряжение логического нуля и напряжение тактовой частоты с выхода тактовой частоты частотного детектора 5, подаваемое на первый вход коммутатора 7, поступает через него на тактовый вход реверсивного счетчика 8. Одновременно напряжение логического нуля с выхода второго 4 элемента И поступает на управляющий вход ключа 12, входы которого 1 и 2 соединяются с выходом ключа, обеспечивая нулевое.напряжение на входе интегрирующего звена 13, и входе аттенюатора 9, напряжение логической единицы на выходах компараторов 14,15, входе направления счета реверсивного счетчика 8 и входе 2 второго элемента И. Счетчик 8 работает на суммирование и с выхода цифроаналого- вого преобразователя 11 на вычитающий вход управляющего элемента 1 поступает дискретно нарастающее напряжение, которое при нулевом напряжении на суммирующем входе управляющего элемента 1, поданного с выхода аттенюатора 9, обеспечивает периодическую перестройку частоты опорного генератора 3 с периодом, определя- емым разрядностью цифроаналогового преобразователя 11.и тактовой частотой.

По истечении времени готовности термостатов частотного детектора 5 и опорного генератора 3 изменяющаяся частота опорного генератора 3 попадает в раствор дискриминационной характеристики частотного детектора 5 и на выходе сигнала низкой частоты детектора 5 появляется сигнал, обеспечивающий появление напряжения логической единицы на выходе обнаружителя сигнала 2.

В результате на управляющий вход коммутатора 7 и вход 1 второго 4 элемента И поступает напряжение логической единицы. Коммутатор 7 отключает выход тактовой частоты частотного детектора 5 от тактового входа счетчика 8 и подключает к этому входу выход триггера Шмидта 18, напряжение которого равно напряжению логического нуля. Напряжение логической единицы с выхода второго 4 элемента И поступает на управляющий вход ключа 12 и отключает входы 1 и 2 ключа 12 от выхода ключа 12, т.е.

от нулевой шины источника питания.

В результате на выходе цифроаналогового преобразователя 11, соединенного с вычитающим входом управляющего элемента 1, создается фиксированное напряжение,

а на суммирующий вход управляющего элемента 1 с выхода фильтра нижних частот 6

через аттенюатор 9 поступает управляющее

напряжение с выхода частотного детектора

5. Управляющий элемент 1 вводит опорный

генератор 3 в режим синхронизма при фиксированном напряжении на вычитающем входе управляющего элемента. 1.

По достижении в процессе автоподстройки на выходе фильтра нижних частот на1

пряжения lEmaxl на одном из выходов компараторов 14, 15 возникает ступенчатый перепад напряжения от логической единицы к логическому нулю, который через первый 16 элемент И и второй 4 элемент И

поступает на управляющий вход ключа 12 и подключает его вход л 1 и 2 к выходу ключа 12, В результате происходит разряд конденсатора фильтра нижних частот 6 через второй резистор 10, обнуление выходного

напряжения фильтра нижних частот 6 и подача на суммирующий вход управляющего элемента 1 через аттенюатор 9 с коэффициентом деления К ступенчатого перепада напряжения от величины lEmaxl /К до нуля.

Одновременно на выходе триггера Шмидта 18 возникает ступенчатый перепад напряжения от.логического нуля до логической единицы, который поступает на вход 2 коммутатора 7 и через него на тактовый вход

счетчика 8. Выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 11 изменяется на величину дискрета Emaxl/fc в направлении, определяемом величиной напряжения (логическая единица или нуль) на

входе направления счета счетчика 8, поступающего с выхода первого компаратора 14.

Текущая разность напряжений на суммирующем и вычитающем входах управляющего элемента 1 в течение короткого интервала времени (порядка единиц мсек) обеспечивает поддержание частоты опорного генератора 3 с погрешностью порядка кратковременной ке- стабильности опорного генератора 3 ja указанный интервал времени.

По истечении указанного интервала времени нулевое напряжение с выхода фильтра нижних частот 6 через интегрирующее звено 13 обеспечивает восстановление исходного состояния компараторов 14, 15 с напряжениями логической единицы на выходах.

В результате на вход 2 коммутатора 7, а через него на тактовый вход счетчика 8 поступает перепад напряжения от логической единицы к логическому нулю с выхода триггера Шмидта 18 и напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 11 и соединенным с ним вычитающим входом управляющего элемента 1 снова становится фиксированной величиной, но измененной на величину дискрета напряжения ДЕ. Одновременно напряжение логической единицы с выхода первого 16 элемента И через второй 4 элемент И поступает на управляющий вход ключа 12 и обеспечивает отключение входов 1 и 2 ключа 12 от его выхода, т.е.. от нулевой шины источника питания.

Напряжение с выхода частотного детектора 5 через аттенюатор 9 снова поступает на суммирующий вход управляющего элемента 1 и продолжает поддерживать опорный генератор 2 в режиме синхронизма уже при новой, близкой к нулевой, начальной расстройке опорного генератора 3, достигнутой в результате предыдущего обнуления на выходе фильтра нижних частот 6 и изменения фиксированного напряжения на вычитающем входе управляющего элемента 1 на величину дискрета напряжения ДЕ.

Частотный детектор содержит последовательно соединенные буферный усилитель 210, синтезатор частоты 22, смеситель частот 26, квантовый дискриминатор 27, усилитель низкой частоты 29 и синхронный детектор 210, а также делитель частоты 28 и соединенные последовательно фазовый модулятор 23, первый умножитель 24, второй умножитель 25, причем входы буферного усилителя 210 и фазового модулятора 23 являются входом частотного детектора, выход второго умножителя частоты 25 соединен со вторым входом смесителя 26, вход модуляции фазового модулятора 23 и второй вход синхронного детектора 210 соединены с первым выходом делителя частоты 28, второй выход которого является выходом тактовой частоты частотного детектора, а вход делителя частоты 28 соединен со вторым выходом буферного усилителя 210, при этом выход синхронного детектора 210 является выходом частотного детектора, а выход усилителя низкой частоты 29 является выходом сигнала низкой частоты частотного детектора.

Частотный детектор работает следующим образом.

Выходной сигнал опорного кварцевого генератора с частотой for, поданный нч вход 5 частотного детектора, поступает на входы буферного урилителя 210 и фазового модулятора 23 частотного детектора.

В фазовом модуляторе 23 осуществляется фазовая модуляция с девиацией Д тдев 0 сигнала частоты for низкой частотой тмод, поступающей с первого выхода делителя частоты 28. При последующем умножении частоты в первом умножителе 4 в Ni раз и во втором умножителе частоты 25 в Na раз на 5 второй вход смесителя частоты 26 поступает сигнал с частотой:

N2 (for+ Дтдев COS2 Я-Гмод t)

Одновременно на первый вход смесите- ля частоты 26 поступает сигнал с выхода син- 0 тезатора частоты fc, который образуется при подаче на вход синтезатора частоты 22 сигнала с первого выхода буферного усилителя 210. На выходе смесителя 6 и на входе квантового дискриминатора 27 формируется 5 . сигнал частоты:

f2(Nl N2 forfc)+Nl N2 Дтдев COS In ТМОд t,

содержащий переменную составляющую с частотой тмод.

Для обеспечения подстройки опорного

0 кварцевого генератора по частоте f ко линии атомного перехода квантового дискриминатора 27 используется свойство статической характеристики квантового дискриминатора 27 изменять фазу колебаний частоты тмод

5 на 180° при переходе входной частоты N2 forfc через экстремум его характеристики, совпадающий с частотой TKD.

При частоте fBx TKD на выходе квантового дискриминатора 27 присутствует коле0 бание с частотой Тмод, фаза которого (0° или 180°) зависит от знака отклонения частоты fex, попавшей в раствор дискриминационной характеристики, от частоты fKD, а величина - от величины отклонения частоты fflx.

5 С выхода квантового дискриминатора 27 сигнал с частотой после усиления усилителем 29 поступает на выход сигнала низкой частоты частотного детектора и на первый вход синхронного детектора 210. На второй

0 вход синхронного детектора 210 поступает опорный сигнал с частотой с первого выхода делителя частоты, второй выход которого является выходом тактовой частоты частотного детектора.

5 При на выходе квантового дискриминатора 27 достигается максимум колебаний с частотой 2Тмод (2-я гармоника частотой тмод). а колебания с частоты Тмод достигают минимального значения.

Е зависимости от фазы сигнала частоты fnoA на первом входе синхронного детектора 210 относительно фазы сигнала на его втором входе, он вырабатывает управляющее напряжение соответствующего знака, поступающее на выход частотного детектора. Это напряжение используется для синхронизации опорного кварцевого генератора по частоте fxo в соответствии со схемой предлагаемого устройства, приведенной на фиг.1.

В процессе непрерывной (без выключений) работы устройства описанный процесс поддержания синхронизма опорного генератора 3 повторяется многократно, обеспечивая автоматическую коррекцию частоты его в процессе эксплуатации устройства,

В случае, если устройство работает с выключениями, процесс вхождения в синхронизм обеспечивается как это описано вы- ше, начиная с момента включения устройства.

Пределы коррекции частоты опорного генератора 3 определяются параметрами цифроаналогового преобразователя, что позволяет обеспечивать автоматическую коррекцию его частоты в широких пределах (до нескольких относительных единиц на 10 без ухудшения стабильности работы устройства, которая будет определяться системой непрерывной автоподстройки частоты, Таким образом, достигается поставленная цель увеличения полосы удержания без ухудшения стабильности работы устройства.

Формула изобретения

1. Устройство для коррекции частоты опорного генератора в квантовом стандарте частоты, содержащее последовательно соединенные управляющий элемент, опорный кварцевый генератор, частотный детектор и фильтр нижних частот, выполненный на операционном усилителе и RC-цепи, отличающееся тем, что, с целью увеличения полосы удержания без ухудшения стабильности работы устройства, в него введены соединенные последовательно коммутатор, реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, соединенные последовательно интегрирующее звено, первый компаратор, первый элемент И, элемент НЕ и триггер Шмидта, а также аттенюатор, второй резистор, первый и второй ключи, второй элемент И, второй компаратор и обна ружитель сигнала, при этом фильтр нижних частот выполнен с цепью разряда, первый вход коммутатора соединен с выходом тактовой частоты частотного детектора, его второй вход соединен с выходом триггера Шмидта, а вход управления коммутатора и первый вход второго элемента И соединены с выходом обнаружителя сигнала, вход которого соединен с выходом сигнала низкой частоты, частотного детектора, вход аттенюатора подключен к выходу фильтра нижних частот, выход аттенюатора присоединен к суммирующему входу управляющего элемента, к вычитающему входу которого подключен выход цифроаналогового преобразователя, вход управления цепью разряда фильтра нижних частот соединен с выходом второго элемента И, а вход второго

компаратора подключен к выходу интегрирующего звена, а его выход - к второму входу первого элемента И, выход первого компаратора соединен с входом направления счета реверсивного счетчика, выход

первого элемента И соединен с вторым входом второго элемента И, при этом вторые входы первого и второго компараторов яв- ° ляются входами для подключения опорного напряжения положительной и отрицательной полярности соответственно.

2. Устройство поп, 1,отличающее- с я тем, что частотный детектор содержит последовательно соединенные буферный усилитель, синтезатор частоты, смеситель,

первый умножитель частоты, фазовый модулятор, квантовый дискриминатор, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, а также делитель частоты и второй умножитель частоты, причем входы буферного усилителя и второго умножителя частоты являются входом частотного детектора, выход второго умножителя частоты соединен с вторым входом смесителя, вход модуляции фазового модулятора и второй вход

синхронного детектора соединены с выходом делителя частоты, вход которого соединен с выходом буферного усилителя, при этом выход синхронного детектора является выходом частотного детектора, дополни0 тельный выход делителя частоты является выходом тактовой частоты частотного детектора, а выход усилителя низкой частоты - его выходом сигнала низкой частоты.

tpcteZ

Использование: электронная техника, Сущность изобретения: в устройстве для коррекции частоты опорного генератора в квантовом стандарте частоты минимизирована начальная расстройка опорного квантового, генератора как в непрерывном режиме, так и при работе с выключениями, . что позволяет, в том числе, увеличить полосу удержания без ухудшения стабильности работы устройства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.