ВОДОРОДНЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ И ВРЕМЕНИ

Полезная модель относится к радиоизмерительной технике и может быть использована в квантовых водородных стандартах частоты активного типа для формирования высокостабильных сигналов, а также для проведения временных и частотных измерений.
Принцип действия водородного стандарта частоты и времени активного типа основан на фазовой синхронизации сигнала кварцевого генератора 5 МГц по сигналу квантового водородного генератора 1420,4 МГц, работа которого основана на вынужденном излучении атомов водорода. Схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) обеспечивает подстройку медленных (по сравнению с постоянной времени ФАПЧ) флуктуации частоты кварцевого генератора.
Среди водородных стандартов частоты и времени рассматриваемого типа известны, например, стандарты типа Ч1-75, Ч1-90 (разработка ФГУП ННИПИ «Кварц»), VCH-1003A, VCH-1005 (разработка ЗАО «Время-Ч).
В качестве наиболее близкой схемой построения водородного стандарта выбран стандарт типа 41-75 (см. приложение, рис.2), в котором сигнал, генерируемый квантовым водородным генератором на частоте 1420,4 МГц попадает в блок синхронизации, который обеспечивает усиление сигнала водородного генератора с помощью супергетеродинного приемника, привязку фазы кварцевого генератора 5 МГц к фазе сигнала водородного генератора и формирование спектрально-чистых высокостабильных синусоидальных сигналов 5 и 100 МГц и импульсные сигналы шкалы времени 1 Гц.
Это классическая аналоговая схема фазовой автоподстройки частоты кварцевого генератора по частоте излучения водорода. Сигнал этого излучения подается на вход преобразователя частоты, на второй вход которого подан гетеродинный сигнал. С выхода преобразователя частоты сигнал разностной частоты поступает на фазовый детектор, на второй вход которого подан сигнал с перестраиваемого синтезатора частот. С выхода фазового детектора сигнал проходит через интегратор и поступает на вход управления частотой кварцевого генератора, синхронизируя ее под частоту квантового водородного генератора привязкой фазы кварцевого генератора 5 МГц к фазе сигнала водородного генератора. Изменением частоты синтезатора обеспечивается перестройка выходной частоты стандарта.
Недостатком аналоговой схемы фазовой автоподстройки частоты в квантовом стандарте является влияние источников случайной и температурной нестабильности частоты, сложность настройки петли синхронизации, необходимость наличия перестраиваемого синтезатора частоты.
Технической задачей полезной модели является уменьшение влияния источников нестабильности частоты, упрощение процесса синхронизации и схемы реализации стандарта.
Сущность технического решения задачи заключается в том, что в водородный стандарт частоты и времени, включающий квантовый водородный генератор, выход которого соединен с первым входом преобразователя частоты, второй вход которого подключен к выходу формирователя гетеродинного сигнала, вход которого соединен с выходом кварцевого генератора, подключенного к формирователю выходных сигналов, выходы которого являются выходами водородного стандарта частоты и времени, дополнительно введены формирователь тактовых сигналов и цепочка из последовательно соединенных измерителя моментов времени, процессора и цифро-аналогового преобразователя, включенная между выходом преобразователя частоты и входом кварцевого генератора, при этом выход формирователя тактовых сигналов подключен ко второму входу измерителя моментов времени, а его вход соединен с выходом кварцевого генератора.
В варианте выполнения группового стандарта частоты он содержит п квантовых водородных генераторов, а преобразователь частоты и измеритель моментов времени выполнены n - канальными.
На фиг.1 представлена упрощенная структурная схема предлагаемого стандарта частоты, на фиг.2 - вариант группового стандарта частоты.
Стандарт частоты и времени водородный включает (фиг.1) последовательно соединенные квантовый водородный генератор 1, преобразователь частоты 2, измеритель моментов времени 3, процессор 4, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 5, кварцевый генератор 6 и формирователь выходных сигналов 7 водородного стандарта частоты и времени. Формирователь гетеродинного сигнала 8 выходом подключен ко второму входу преобразователя частоты 2, а входом соединен с выходом кварцевого генератора, подключенного к формирователю тактовых сигналов 9, выход которого соединен со вторым входом измерителя моментов времени 3.
Блоки 1, 2, 6 - 8 могут быть выполнены аналогично прототипу. Блок 3 может быть выполнен на основе ИВИ типа Ч3-38 или Ч3-64 с разрешением измерения 10 нс. Процессор 4 может быть выполнен на основе сигнального процессора типа TMS320VC5402, а в качестве формирователя тактовых сигналов может быть использован умножитель частоты сигнала кварцевого генератора.
В варианте выполнения группового стандарта частоты (фиг.2), включающего n квантовых водородных генераторов 1, преобразователь частоты 2 и измеритель моментов времени 3 выполнены n канальными, то есть преобразователь частоты имеет соответственно n входов высокочастотного сигнала и n выходов сигнала промежуточной частоты, а измеритель моментов времени имеет n входов сигнала промежуточной частоты.
Устройство работает следующим образом.
ПЧ
в
гет
i
ПЧ
пч
ПЧ
Особенностью предлагаемой схемы водородного стандарта частоты является реализация цифровой петли автоподстройки сигнала кварцевого генератора по сигналу квантового водородного генератора. Для этого сигнал промежуточной частоты f=f-f поступает не на аналоговый фазовый детектор, а на измеритель моментов времени 3 - циклический счетчик, состояние которого последовательно изменяется с тактовой частотой 100 МГц, сформированной из выходного сигнала стандарта формирователем тактовых сигналов 9. Оцифрованные моменты прихода фронтов Х сигнала f ( текущее состояние циклического счетчика на момент прихода очередного фронта импульса сигнала f ) передаются в процессор 4, где вычисляются их последовательные разности (текущие разности фаз сигнала f и опорного тактового сигнала), производится обработка, фильтрация и интегрирование сигнала ошибки. Цифровой сигнал ошибки с процессора поступает на ЦАП 5, который формирует напряжение управления кварцевым генератором 6.
i
ip
Текущая фазовая ошибка вычисляется сравнением текущих значений измеренной (X) и расчетной фазы (X).
ip
(i-1)р
ПЧ
ВГ
ПЧ
X= Х+1/f(1+Δ×f/f), где Δ - отстройка частоты.
Поправки кода цифро-аналогового преобразователя 4 определяются
i
Здесь: δ - шаг по частоте ЦАП, Т-номинальный период измерений моментов времени T.
1
2
3
Коэффициенты K, K, К задаются программно и определяют пропорциональную, интегрирующую и дифференцирующую части поправки. Оптимальный подбор этих коэффициентов обеспечивает наилучшие характеристики выходного сигнала стандарта частоты (величину фазового шума и нестабильности частоты).
Преимущества такой схемы построения стандарта обусловлены широкими возможностями цифровой обработки сигналов и заключаются в простоте оптимальной настройки петли ФАПЧ, снижении количества источников случайной и температурной нестабильности частоты, отсутствие перестраиваемого синтезатора частоты и неограниченно малый шаг перестройки частоты.
n
В варианте выполнения группового стандарта частоты и времени (фиг.2) синхронизация частоты кварцевого генератора 6 проводится по групповой частоте сигналов n квантовых водородных генераторов 1. Для этого применяются n - канальный преобразователь частоты 2 и n - канальный измеритель моментов времени 3. Далее при расчете фазовой ошибки и поправки кода ЦАП в формулах (1 и (2) вместо отсчетов Т; используются взвешенное среднее значений текущих измерений в каналах. В результате в режиме захвата частота кварцевого генератора 6 представляет средневзвешенную частоту группы квантовых водородных генераторов 1 - 1.
При этом достигается повышенная стабильность частоты (за счет усреднения по группе), повышенная надежность или резервирование выходного сигнала (возможно подключение и отключение квантовых водородных генераторов без потери частоты и фазы), экономия средств, габаритов, массы, энергии на реализацию групповой частоты (по сравнению с групповыми эталонами, основанными на группе традиционных стандартов частоты).