ГРУППОВОЙ ВОДОРОДНЫЙ ХРАНИТЕЛЬ ВРЕМЕНИ И ЧАСТОТЫ
GROUP HYDROGEN TIME AND FREQUENCY KEEPER

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в групповых хранителях времени и частоты на базе водородных стандартов частоты с квантовыми генераторами.
Групповые хранители частоты являются основой Государственного и вторичных эталонов Государственной службы времени и частоты, рабочих эталонов потребителей, широко используемых в промышленных и научных технологиях, технологиях оборонного значения.
При создании групповых хранителей возникает вопрос формирования средней частоты группы генераторов и рабочей средней шкалы времени. В настоящее время эти вопросы решаются метрологическим способом: на основе результатов измерений относительной разности частот генераторов группы вычисляются частоты генераторов; строится с помощью математических алгоритмов аналитическая средняя шкала времени и вычисляются поправки на частоту каждого генератора относительно аналитической средней шкалы, которые вносятся в результаты измерений; выбирается ведущий генератор по максимальному весовому коэффициенту и отслеживается по этому принципу состояние группового хранителя на работоспособность на протяжении всего срока службы. Для выполнения этих процедур в групповой хранитель вводятся дополнительно многоканальные частотные компараторы, измерители частоты и временных интервалов, коммутационная аппаратура, вычислительная техника для программного управления процессами хранения групповой шкалы, математические программы в соответствии с математическими алгоритмами управления (Измерительная техника, 2018, №8, «Задачи резервирования и управления в эталонах времени и частоты на основе водородных стандартов», К.Г. Мишагин и др.).
Подобная методика используется, в частности, в групповых хранителях частоты и шкалы времени на базе водородных стандартов частоты (патенты на полезную модель RU №49293 и на изобретение RU №2009536).
Введение дополнительной аппаратуры с программным обеспечением усложняет эксплуатацию групповых хранителей частоты и времени, увеличивает их энергетическое потребление, габариты и вес аппаратуры, снижает надежность, увеличивает стоимость.
Поэтому упрощение схемы групповых хранителей частоты и времени на базе водородных стандартов частоты с квантовыми (водородными) генераторами (стандарты частоты Ч1-75, Ч1-1003М или другие подобные приборы) является актуальной задачей.
В качестве прототипа предлагаемого технического решения принята схема активного водородного стандарта частоты Ч1-75, упрощенная блок-схема которого представлена на фиг. 1, в которой выход квантового генератора 1 соединен с одним из входов смесителя 2, на второй вход смесителя 2 поступает сигнал с выхода умножителя 4; выход смесителя 2 через усилитель промежуточной частоты 3 подключен к одному из входов фазового детектора 7, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 5, сигнал с выхода фазового детектора поступает на управляющий частотой элемент кварцевого генератора 6, выход которого соединен с входами синтезатора 5 и умножителя частоты 4.
На фиг. 2 изображена характеристика фазового детектора (зависимость выходного напряжения детектора от разницы фаз опорного и измеряемого сигналов).
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в групповом водородном хранители времени и частоты, содержащем первую группу блоков из водородного квантового генератора, выход которого подключен к смесителю частоты, второй вход которого соединен с выходом умножителя частоты, выход смесителя частоты через усилитель промежуточной частоты подключен к входу фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом синтезатора частоты, кварцевый генератор, выход которого подключен к входу умножителя частоты и входу синтезатора частоты, согласно изобретению в него введена N (N=2 и более) группа блоков, аналогичная первой, при этом выход кварцевого генератора соединен параллельно с входом умножителей частоты и синтезаторами частоты N-x групп блоков, а управляющий вход кварцевого генератора подключен к дополнительно введенному сумматору напряжения, включенного между выходами фазовых детекторов групп блоков.
l,
2,
3
1
2
3
1;
2
3
1,
2
3
1
2
3
1
2
3
На фиг. 3 представлена блок-схема группового водородного хранителя времени и частоты, состоящего из N=3 групп блоков и где обозначено: 11 1 - водородные квантовые генераторы; 2, 2, 2 - смесители частоты; 3 3, 3 - усилители промежуточной частоты; 4 4, 4 - умножители частоты; 5, 5, 5 - синтезаторы частоты; 6 - кварцевый генератор; 7, 7,7 - фазовые детекторы; 8 - сумматор напряжения.
1
2
3
1
2,
3
s
1,
2,
3
1,
2,
3
1,2,3
1
2
3
1,2
1
2
На фиг. 4 приведены эпюры напряжений U, U, U на входах фазовых детекторов 7, 77 и напряжение сигнала U с выхода синтезаторов 5 55, а также характеристики V V V фазовых детекторов и суммарная характеристика V=V+V+V группового водородного хранителя времени и частоты, состоящего из N=3 групп блоков, а также суммарная характеристика V=V+V водородного хранителя времени и частоты, состоящего из N=2 групп блоков.
Групповой водородный хранитель времени и частоты (фиг. 3) содержит три группы блоков (N=3), в каждой из которых квантовые водородные генераторы 1 подключены к первым входам смесителей 2, на вторые входы которых поступают сигналы с выхода умножителей частоты 4 сигнала общего кварцевого генератора 6; выходы смесителей через соответствующие усилители промежуточной частоты 3 соединены с одним из входов фазовых детекторов 7, вторые входы которых подключены к выходам синтезаторов частоты 5, имеющих общий вход с выхода кварцевого генератора 6, вход которого соединен с выходом сумматора напряжений 8, входы которого соединены с выходами всех фазовых детекторов 7.
Устройства 1-7 могут быть выполнены аналогично блокам активного водородного стандарта частоты Ч1-75, сумматор напряжения 8 может быть выполнен по известным схемам (на резисторах, фильтрах, операционных усилителях).
Работа устройства заключается в следующем.
В основу решения положена зависимость выходного напряжения фазового детектора системы ФАП (фазовая автоподстройка частоты) стандарта частоты от отклонения частоты кварцевого генератора от частоты вершины спектральной линии квантового генератора.
Сигналы параллельно работающих квантовых генераторов 1 поступают на вход соответствующих смесителей частоты 2, на вторые входы которых поступают сигналы с выхода соответствующих умножителей частоты 4 сигнала (общего) кварцевого генератора 6. Сигнал промежуточной частоты и сигнал перестраиваемого синтезатора частот 5 (в каждой группе N блоков) подается на соответствующий фазовый детектор 7, которые формируют сигнал ошибки. При сложении напряжений фазовых детекторов 7 в сумматоре 8 получается управляющее напряжение, пропорциональное отстройке частоты кварцевого генератора 6 от среднего значения частот квантовых генераторов 1.
1
2
1
2
3
То есть, задача формирования аналитической средней шкалы (измерение разностных частот стандартов, построение аналитической средней шкалы времени, вычисление и внесение поправок) заменяется на суммирование выходных напряжений фазовых детекторов стандартов группы при общем кварцевом генераторе и управление частотой кварцевого генератора этим суммарным напряжением. В точке нулевого фазового сдвига частота кварцевого генератора настроена на частоту спектральной линии квантового перехода атома водорода (фиг. 2). В случае группы (N=2) из двух водородных генераторов фазовый сдвиг равен нулю в точке f суммарной фазовой характеристики V+V (фиг. 4) В этой точке частота кварцевого генератора настроена на среднее значение частот спектральных линий двух водородных генераторов (точки а и b). Точка d на суммарной характеристике V+V+V будет средним значением частот трех групп блоков (N=3). В данном случае точка настройки смещается в сторону возросшего веса трех генераторов.
Таким образом, в данном техническом решении:
cp
n
- для N водородных стандартов частоты в группе среднее значение частоты стандартов группы f=∑f/N;
- нестабильность частоты за счет усреднения во всем диапазоне времен измерения уменьшается в √N раз;
- в точках нулевого значения фазы суммарные характеристики имеют более крутой наклон, чем их составляющие, что говорит о более эффективном управлении частотой кварцевого генератора и более высокой стабильности частоты выходного группового сигнала. Это увеличение стабильности в диапазоне полосы регулирования фазовой автоподстройки будет пропорционально увеличению крутизны суммарной характеристики группы относительно крутизны характеристики одного стандарта;
- частоты настроек (точки а, b, с, d, f) хранителя времени из любых комбинаций стандартов соответствуют весовым значениям этих комбинаций;
- формирование шкалы времени на основе выходного сигнала кварцевого генератора создает среднюю натуральную шкалу времени группы водородных стандартов частоты, автоматически поддерживаемую всей группой стандартов частоты;
- при выходе из строя какого-либо из стандартов фазовый детектор этого прибора обнуляется, группа уменьшается по числу генераторов и весу, частота становится средней частотой группы из оставшихся работающих генераторов. Все это происходит автоматически и не требует пересчета средней частоты и внесения коррекций в среднюю шкалу группы;
- групповой водородный хранитель по предлагаемой схеме не требует дополнительных приборов, достигается экономия средств, габаритов, массы, энергии на реализацию групповой частоты, при сохранении, или увеличении надежности работы устройства и ресурса непрерывной работы.