СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ И ВРЕМЕНИ ВОДОРОДНЫЙ

Полезная модель относится к квантовым водородным стандартам частоты и времени и может быть использована в качестве источника высокостабильных сигналов для время - частотных измерений и для работы в эталонных, образцовых и рабочих средствах измерения. Стандарты частоты и времени могут применяться в системах хранения точного времени, в радиоастрономии, радионавигации.
Особенностью квантовых генераторов является то, что они имеют малую выходную мощность в СВЧ диапазоне, поэтому в качестве выходного сигнала стандарта используют сигнал кварцевого генератора, частота которого с помощью системы автоматической подстройки частоты (АПЧ) стабилизируется по частоте квантового генератора. Для удобства при измерениях и сравнении выходные сигналы различных стандартов частоты имеют стандартные значения из ряда: 0,1; 1; 5, 10, 100 МГц.
Известна схема активной квантовой меры частоты, в которой для реализации устойчивости усилителя промежуточной частоты (УПЧ) к самовозбуждению и улучшению фильтрации вредных составляющих в схеме применено двойное преобразование частоты
МПК: G04G3/00
( Кварцевые и квантовые меры частоты 1989г.,Мин.обороны СССР, под ред. Макаренко Б.И., с.267, рис. 5.10). Сигнал с выхода умножителя частоты кварцевого генератора смешивается в преобразователе частоты с высокостабильным сигналом квантового генератора, образуя сигнал промежуточной частоты, который усиливается с помощью УПЧ (усилителя промежуточной частоты). Напряжение с выхода УПЧ подается на второй преобразователь частоты и затем на фазовый детектор, на второй вход которого в качестве опорного поступает напряжение с выхода синтезатора частоты. Управляющий сигнал с выхода фазового детектора, воздействуя на управляющий элемент кварцевого генератора, подстраивает его частоту до стандартного значения.
В качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения принята схема квантового стандарта частоты и времени водородный типа 41-75 ( каталог Изделия промышленности средств связи за 1993г.,ч.1,с. 65), принцип действия которого также основан на фазовой синхронизации частоты кварцевого генератора 5 МГц по сигналу квантового генератора. Упрощенная структурная схема данного стандарта частоты представлена в приложении.
Недостатком вышеуказанных стандартов является их сложная технология изготовления, громоздскость, сложная функциональная реализация, в частности, системы преобразования частоты содержат схемы автоматической регулировки усиления, поддерживающие выходное напряжение на определенном уровне, которые сложны в настройке, особенно при регулировке, что снижает надежность стандарта.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является упрощение устройства, повышение его надежности, компактности, ремонтнопригодности, технологичности изготовления.
Сущность технического решения заключается в том, что в стандарте частоты и времени водородном, содержащем водородный генератор, выходом соединенный со входом первого преобразователя частоты, выход которого подключен к цепочке из последовательно соединенных второго преобразователя частоты, частотно-фазового детектора, кварцевого генератора и умножителя частоты, выход которого соединен со вторым входом первого преобразователя частоты, синтезатор частот, включенный между выходом кварцевого генератора и вторым входом фазового детектора, второй и третий выходы умножителя частоты соединены соответственно с входами компаратора частотного и формирователя
шкалы времени, другой вход которого подключен к выходу компаратора частотного, устройство управления и контроля, подключенное выходом подстройки частоты ко входу водородного генератора и соединенное входами-выходами с фазовым детектором, формирователем шкалы времени и интерфейсом, введен усилитель-ограничитель, включенный между выходом второго преобразователя частоты и первым входом фазового детектора. Это позволило отказаться от использования в усилителях преобразователей частоты схем автоматической регулировки усиления, сложных в регулировке и ненадежных в работе.
Синтезатор частот выполнен в виде устройства прямого цифрового синтеза, что позволяет улучшить качество спектральных характеристик синтезатора и, соответственно, .выходные параметры стандарта (спектральная чистота, стабильность ).
Синтезатор частот включает умножитель частоты 5-20 МГц, выход которого подключен ко второму входу второго преобразователя частоты, что позволяет улучшить качество сигнала 405 кГц ... (за счет увеличения количества выборок на периоде сигнала) и увеличить коэффициент передачи второго преобразователя частоты.
Синтезатор частот ( в другом варианте выполнения ) включает формирователь импульсов, выход которого подключен ко второму входу второго преобразователя частоты, при этом синтезатор выполнен на программируемой логической интегральной схеме типа EPF 8282 А. Кварцевый генератор стандарта выполнен на генераторе типа ГК 75-ТС, устройство управления и контроля выполнено на процессоре типа АТ89С52, формирователь шкалы времени выполнен на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) типа ЕРМЗ128А. Это позволяет выполнить эти блоки меньшими по габаритам, с большими функциональными возможностями и более эффективными в работе.
В стандарте использован интерфейс типа RS-232, что дает возможность подключать компьютер, осуш,ествлять дистанционное управление стандартом и диагностировать его состояние через линии связи и Интернет (Internet).
Предлагаемое техническое решение поясняется рисунком, на котором представлена структурная схема устройства.
Устройство включает водородный генератор 1, подключенный ко входу первого преобразователя частоты 2, который соединен в кольцо со вторым преобразователем частоты 3, усилителемограничителем 4, частотно-фазовым детектором 5, кварцевым
генератором 6 и умножителем частоты 7, перестраиваемый синтезатор частот 8, включенный между выходом кварцевого генератора 6 и вторым входом частотно-фазового детектора 5, второй выход синтезатора 8 ( являющийся выходом умножителя частоты 5-20 МГц или выходом формирователя импульсов) соединен со вторым входом второго преобразователя частот 3. Второй и третий выходы умножителя частоты 7 соединены соответственно с входами компаратора частотного 9 и формирователя шкалы времени 10, другой вход которого подключен к выходу компаратора частотного 9. Устройство управления и контроля 11, подключенное выходом подстройки частоты ко входу водородного генератора 1 и соединенное входамивыходами с фазовым детектором 12 (частотно-фазовый детектор 5 и синтезатор 8), формирователем шкалы времени 10 и интерфейсом 13 (входным портом RS-232 персонального компьютера).
Устройство работает следующим образом. Генерируемая водородным генератором 1 частота 1,420... ГГц преобразуется с помощью преобразователей частоты 2 и 3 на частоту детектора 5, равную 405...кГц. В качестве опорного сигнала для преобразователя 2 используется сигнал локального кварцевого генератора 6 частотой 5 Мгц, прошедший через умножитель
частоты 7. Сигнал с выхода умножителя частоты 7 кварцевого генератора 6 смешивается в преобразователе частоты 2 с высокостабильным сигналом квантового водородного генератора 1, образуя сигнал промежуточной частоты 20,4 МГц, который усиливается с помощью усилителя промежуточной частоты преобразователя 2. Сигнал первой промежуточной частоты далее преобразуется во втором преобразователе 3 в частоту 405.. .кГц, фильтруется, усиливается и подается на усилитель-ограничитель 4. Усилитель-ограничитель 4 выполнен на микросхеме типа LM 311 и работает по принципу фиксации моментов перехода синусоидального сигнала с выхода.преобразователя частоты 3 через «нуль. При этом формируется импульсный сигнал стандартной амплитуды типа «меандр, который несет информацию о фазе сигнала промежуточной частоты и является одним из сравниваемых сигналов, который подается на частотно-фазовый детектор 5, на второй вход которого в качестве опорного поступает напряжение с выхода перестраиваемого синтезатора частоты 8. Перестраиваемый синтезатор частоты 8 используется для формирования сигнала сравнения, подаваемого на частотно-фазовый детектор 5. Синтезатор 8 обеспечивает дискретную электронную перестройку выходных частот с относительным шагом 10 от их номинальных
iiWf л/
значений. Синтезатор 8, имеющий в своем составе формирователь импульсов, выполняет и функцию формирования импульсного сигнала частотой 5 МГц, используемого в качестве гетеродинного сигнала для второго преобразователя частоты 3. При наличии в составе синтезатора 8 умножителя частоты 5-20 МГц улучшается качество сигнала 405 .. .кГц, так как увеличивается количество выборок на периоде сигнала и одновременно повышается коэффициент передачи преобразователя 3 и качество его сигнала. Управляюш;ий сигнал с выхода частотно-фазового детектора 5, воздействуя на управляюш;ий элемент кварцевого генератора 6, подстраивает его частоту до стандартного значения.
Таким образом, стандарт обеспечивает генерацию прецизионных сигналов с частотами 5МГц и 1 ООМГц, формирование шкалы времени с привязкой (в случае необходимости) к секундной отметке от внешнего источника (блоки 9,10, 11).
Устройство управления и контроля 11 осуш;ествляет контроль и диагностику информации о состоянии узлов стандарта, формируя код перестройки частоты синтезатора 8 с относительным шагом  от номинального значения и напряжение для управления варикапом СВЧ резонатора генератора 1.
предусмотрена возможность через интерфейс 13 типа RS-232 дистанционного управления стандартом и диагностика его состояния через линии связи и Интернет.
Водородный стандарт частоты может быть использован в качестве самостоятельного источника высокостабильных сигналов, так и в составе автоматизированных измерительных комплексов.
Радиоэлектронные узлы стандарта конструктивно объединены в сменные блоки, соединяемые через кроссплату, это значительно упрощает межблочный проводной монтаж, повышает ремонтнопригодность и надежность конструкции.
f/,