Квантовый стандарт частоты

 

Использование: радиотехника, формирователи сигналов высокостабильной частоты. Сущность изобретения: квантовый стандарт частоты содержит квантовый генератор 1, преобразователь частоты 2, компаратор частот 3, измеритель периода 4, экстремальный регулятор 5, цифроаналоговый преобразователь 6, модулятор 7 и кварцевый генератор 7. Повышение стабильности частоты может быть обеспечено при осуществлении изобретения благодаря статистической обработке результатов, полученных измерением периода 4. 3 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для формирования сигналов высокостабильной частоты.

Известен квантовый водородный стандарт частоты содержащий квантовый генератор, преобразователь частоты, амплитудный детектор, селективный усилитель, модулятор, кварцевый генератор, синхронный детектор СД с фильтром низкой частоты [1] Стандарт частоты работает следующим образом.

Квантовый генератор генерирует стабильный по частоте сигнал, который поступает на преобразователь частоты, туда же поступает сигнал от кварцевого генератора. В преобразователе частоты вырабатывается сигнал постоянного напряжения для фазовой автоподстройки частоты кварцевого генератора по водородному генератору. Частота резонатора квантового генератора модулируется модулятором. В результате модуляции на выходе преобразователя частоты появляется и сигнал частотной модуляции, амплитуда которого пропорциональна настройке частоты резонатора от частоты, при которой максимальна амплитуда сигнала на выходе преобразователя частоты, а фаза указывает на знак этой отстройки. В результате частота резонатора все время настраивается на максимум сигнала, что обеспечивает компенсацию влияния уходов частоты резонатора на выходную частоту стандарта.

Недостатком данного устройства является невысокая стабильность частоты стандарта из-за низкой чувствительности схемы к уходам частоты резонатора.

Наиболее близким к изобретению является квантовый стандарт частоты, содержащий последовательно соединенные модулятор, квантовый генератор, преобразователь частоты и компаратор частот, второй вход которого является входом опорного сигнала, кварцевый генератор, управляющий вход и первый выход которого соответственно соединены с вторым выходом и вторым входом преобразователя частоты, а второй выход является выходом квантового стандарта частоты, цифроаналоговый преобразователь ЦАП, выход которого подключен к второму входу квантового генератора, экстремальный регулятор, осуществляющий управление модулятором, синхронное с ним выделение сигнала ошибки, запоминание значений сигнала ошибки на каждом периоде модуляции и суммировании запоминаемых значений сигнала ошибки, выход и выход сигнала управлением модулятора которого подключен к входу ЦАП и выходу управляемого модулятором [2] Однако, известный квантовый стандарт частоты обладает невысокой стабильностью частоты.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении стабильности частоты стандарта.

Для этого в квантовый стандарт частоты, содержащий последовательно соединенные модулятор, квантовый генератор, преобразователь частоты и компаратор частот, второй вход которого является входом опорного сигнала, кварцевый генератор, управляющий вход и первый выход которого соответственно соединены с вторым выходом и вторым входом преобразователя частоты, а второй выход является выходом квантового стандарта частоты, цифроаналоговый преобразователь ЦАП, выход которого подключен к второму входу квантового генератора, экстремальный регулятор, осуществляющий управление модулятором, синхронное с ним выделение сигнала ошибки, запоминание значений сигнала ошибки на каждом периоде модуляции и суммирование запомненных значений сигнала ошибки, выход и выход сигнала управления модулятором которого подключены соответственно к входу ЦАП и входу управления модулятора, введен измеритель периода, вход и тактовый вход которого подключены соответственно к выходу компаратора частот и первому выходу кварцевого генератора, вход экстремального регулятора, осуществляющего также усреднение запомненных значений сигнала ошибки, исключение выбросов и управление измерителем периода, синхронное с управлением модулятором, и выполненного в виде микро-ЭВМ, подключен к выходу измерителя периода, а выход сигнала управления измерителем периода к его управляющему входу.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема квантового стандарта частоты, на фиг. 2 структурная электрическая схема преобразователя частоты, на фиг. 3 структурная электрическая схема измерителя периода, на фиг. 4 структурная электрическая схема экстремального регулятора, выполненного в виде микро-ЭВМ.

Квантовый стандарт частоты содержит квантовый генератор 1, преобразователь частоты 2, компаратор частот 3, измеритель периода 4, экстремальный регулятор 5, цифроаналоговый преобразователь ЦАП 6, модулятор 7 и кварцевый генератор 8.

Преобразователь частоты 2 содержит смеситель 9, усилитель промежуточной частоты УПЧ 10, фазовый детектор 11, умножитель частоты 12 и синтезатор частоты 13.

Измеритель периода содержит формирователь импульсов заполнение 14, формирователь строб-импульсов 15, формирователь импульсов запроса на обслуживание 16 и счетчики 17, 18 и 19.

Экстремальный регулятор 5 содержит микропроцессор 20, оперативное и постоянное запоминающие устройства ОЗУ 21 и ПЗУ 22 соответственно, интерфейсы ввода-вывода 23, клавиатуру 24 и дисплей 25.

Стандарт частоты работает следующим образом.

Кварцевый генератор 8 подстраивается по частоте квантового генератора 1 с помощью устройства ФАПЧ, функции которого выполняет преобразователь частоты 2. Сигнал от квантового генератора 1 поступает на смеситель 9, где он смешивается по частоте с сигналом умножителя 12 частоты кварцевого генератора 8. Далее сигнал усиливается УПЧ 10 и поступает на фазовый детектор 3, куда в качестве опорного сигнала подается напряжение той же частоты с синтезатора частоты 13. Таким образом, фазовый детектор 11 вырабатывает напряжение, пропорциональное разности фаз квантового и кварцевого генератора. Промежуточный выход с умножителя частоты 12 используется для подачи сигнала на компаратор частот 3. Этот сигнал в компараторе частот 3 сравнивается с опорным сигналом близкой частоты, который может быть получен, например, от второго аналогичного квантового стандарта частоты. На выходе компаратора 3 получается сигнал низкой частоты (например, 1 Гц), в котором заключена умноженная разность частот, сравниваемых в компараторе (т.е. 1 Гц + n Δf), где Δf разность входных частот, n коэффициент умножения компаратора. Далее период сигнала с компаратора 3 измеряется измерителем периода 4. На вход формирователя строб-импульсов 15 поступает сигнал низкой частоты (≈1 Гц). Этот сигнал преобразуется в две последовательности импульсов в форме меандра, сдвинутых по фазе на 180^o, длительность которых равна периоду входного сигнала. Эти последовательности являются разрешающими сигналами для счетчиков 17 и 18 заставляют счетчики работать последовательность без мертвого времени. Счетчики работают на вычитание в двоичном коде. Когда количество импульсов, сосчитанных счетчиками 17 и 18, будет равно числу, записанному первоначально в этих счетчиках, т.е. при обнулении, генерируется импульс, который поступает на счетный вход счетчика 19, который считает их количество. При пропадании разрешающего сигнала на счетчиках 17 или 18 формирователем импульсов запроса на обслуживание 16 формируется импульс запрос на обслуживание, который поступает на экстремальный регулятор 5, который должен снять информацию со счетчиков 17 и 19 или 18, 19. Информация со счетчиков 17, 18, 19 поступает на экстремальный регулятор по шине данных. Экстремальный регулятор 5 осуществляет управление работой измерителя периода 4 (а именно счетчиков 17, 18, 19) и модулятора 7 и цифроаналогового преобразователя 6. По его команде модулятор 7 изменяет добротность спектральной линии квантового генератора 1 в нужные моменты времени, запускаются для счета счетчики 17, 18, 19. Экстремальный регулятор 5 обрабатывает результаты, получаемые измерителем периода 4, т.е. производит вычитание результатов двух последовательных измерений, полученных при разных добротностях спектральной линии квантового генератора, а также статистическую обработку полученных разностей. Статистическая обработка включает в себя усреднение результатов и исключение выбросов. В зависимости от получаемых результатов измерений экстремальный регулятор 5 изменяет режим работы стандарта, при этом на цифроаналоговый преобразователь 6 подается цифровой сигнал, величина которого пропорциональна отстройке резонатора от вершины спектральной линии излучения атома, или сигнал фиксированной величины, со знаком, зависящим от знака расстройки или вообще сигнал может не подаваться, если величина измеренной измерителем периода 4 расстройки резонатора мала. Цифроаналоговый преобразователь 6 преобразует поступающий на него цифровой код в аналоговое напряжение, которое подается на варикап резонатора квантового генератора, изменяя его частоту таким образом, чтобы она совпадала с частотой спектральной линии излучения атома.

Формула изобретения

Квантовый стандарт частоты, содержащий последовательно соединенные модулятор, квантовый генератор, преобразователь частоты и компаратор частот, второй вход которого является входом опорного сигнала, кварцевый генератор, управляющий вход и первый выход которого соответственно соединены с вторым выходом и вторым входом преобразователя частоты, а второй выход является выходом квантового стандарта частоты, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), выход которого подключен к второму входу квантового генератора, экстремальный регулятор, осуществляющий управление модулятором, синхронное с ним выделение сигнала ошибки, запоминание значений сигнала ошибки на каждом периоде модуляции и суммирование запомненных значений сигнала ошибки, выходы и выход сигнала управления модулятором которого подключены соответственно к входу ЦАП и входу управления модулятора, отличающийся тем, что в него введен измеритель периода, вход и тактовый вход которого подключены соответственно к выходу компаратора частот и первому выходу кварцевого генератора, вход экстремального регулятора, осуществляющего также усреднение запомненных значений сигнала ошибки, исключение выбросов и управление измерителем периода, синхронное с управлением модулятором, и выполненного в виде микроЭВМ, подключен к выходу измерителя периода, а выход сигнала управления измерителем периода к его управляющему входу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4