СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ И ВРЕМЕНИ ВОДОРОДНЫЙ

Стандарт частоты и времени водородный
Полезная модель относится к квантовым стандартам частоты и времени пассивного типа, которые могут быть использованы для работы в качестве генератора высокостабильных, высокоточных, спектрально чистых сигналов. Стандарты частоты и времени могут применяться в национальных службах времени и частоты, наземных пунктах слежения и управления спутниковых радионавигационных систем.
Принцип действия таких приборов основан на автоподстройке частоты кварцевого генератора 5 МГц по частоте линии излучения атомов водорода, как например пассивный водородный стандарт частоты и времени типа 41-76 (каталог Нижегородского НИПИ Кварц за 1999 г., с. 35). Квантовое устройство такого стандарта излучает только под действием внешнего сигнала, сформированного из сигнала кварцевого генератора и используется для автоподстройки в качестве частотного дискриминатора.
В качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения принята схема пассивного квантового стандарт частоты и времени
МПК: G04G 3/00
( Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов под ред. Фатеева Б.П., Москва, Сов. радио, 1978г., с. 155, рис. 6.5). Структурная схема данного стандарта частоты представлена в приложении. Сигнал кварцевого генератора в данном стандарте умножается, усиливается и поступает на генератор гармоник. Сюда же подается сигнал с синтезатора частоты. На выходе генератора гармоник образуется спектр частот. Нужная гармоника, совпадающая с частотой атомного перехода, выделяется резонатором квантового дискриминатора. Сигнал с выхода дискриминатора, несущий информацию об отклонении частоты сигнала кварцевого генератора от частоты атомного перехода, подается на синхронный детектор, вырабатывающий постоянное напряжение соответствующей полярности, пропорциональное частотной расстройке кварцевого генератора. Опорный сигнал поступает с модулирующего генератора низкочастотного (НЧ). С выхода синхронного детектора сигнал ошибки усиливается операционным усилителем (ОН), включенного по схеме интегратора, и поступает на управляющий элемент кварцевого генератора. С помощью этого элемента частота кварцевого генератора стабилизируется с погрешностью.
обусловленной флуктуациями в системе частотной автоподстройки, по частоте линии атомного перехода квантового дискриминатора. Недостатком вышеуказанных стандартов является дополнительный сигнал ошибки, который определяется зависимостью параметров узлов квантового стандарта от температуры, что приводит к ухудшению долговременной стабильности частоты.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является снижение сигнала ошибки в зависимости от температуры и тем самым повышение долговременной стабильности частоты стандарта.
Сущность технического решения заключается в том, что в квантовом стандарте частоты и времени пассивном, содержащем соединенные в кольцо синтезатор частот, умножитель частоты, квантовый дискриминатор, селективный усилитель, синхронный детектор, интегрирующий усилитель и кварцевый генератор, один из выходов которого является выходом устройства, а другой выход подключен ко второму входу умножителя частоты через модулятор, второй выход которого соединен со вторым входом синхронного детектора, дополнительно введен блок генерации термокомпенсирующего тока, включенный на входе интегрирующего усилителя.
Блок генерации термокомпенсирующего тока содержит резисторный делитель напряжения, подключенный к термочувствительному мосту, запитанному симметрично относительно корпуса, противоположные ветви которого содержат соответственно по два транзистора в диодном включении и по сопротивлению, а в диагональ моста включен переменный резистор, выход средней точки которого является выходом блока генерации термокомпенсирующего тока.
Транзисторы расположены в общем корпусе транзисторной сборки, для уменьщения разности степени их разогрева. Блок генерации термокомпенсирующего тока расположен в одном корпусе с интегрирующим усилителем.
Предлагаемое техническое рещение поясняется рисунками, на фиг. 1 представлена структурная схема стандарта, на фиг.2 электрическая схема блока генерации термокомпенсирующего тока.
Устройство включает соединенные в кольцо синтезатор частот 1, умножитель частоты 2, квантовый дискриминатор 3, селективный усилитель 4, синхронный детектор 5, интегрирующий усилитель 6 и кварцевый генератор 7, один из выходов которого является выходом устройства, второй выход подключен ко второму входу умножителя частоты 2 через модулятор 8, второй выход которого соединен со
вторым входом синхронного детектора 5, на входе интегрирующего усилителя 6 включен блок генерации термокомпенсирующего тока 9.
Блок генерации термокомпенсирующего тока 9 содержит резисторный делитель напряжения R1-R4, подключенный к термочувствительному мосту, запитанному для получения разнополярного тока, нулевого при нормальной температуре, симметрично относительно корпуса, противоположные ветви которого содержат соответственно по два транзистора Т1-Т2 и ТЗТ4 в диодном включении, для уменьшения влияния разброса характеристик полупроводников, и по сопротивлению R5-R6, а в диагональ моста включен переменный резистор R7, выход средней точки которого соединен с резистором R8, являющегося выходом блока генерации термокомпенсирующего тока 9 и подключенного к инверсному входу усилителя 6.
Транзисторы Т1-Т4 расположены в общем корпусе транзисторной микросборки для уменьшения разности степени их разогрева.
Блок генерации термокомпенсирующего тока расположен в одном корпусе с интегрирующим усилителем, что позволяет
уравнять скорости ухода частоты стандарта и генерирования соответствующего компенсирующего воздействия.
Устройство работает следующим образом.
В системе автоматической подстройки частоты стандарта, куда входят синтезатор частот 1, умножитель частоты 2, селективный усилитель 4, синхронный детектор 5, интегрирующий усилитель 6, модулятор 8, частота кварцевого генератора 6 подстраивается к частоте линии излучения атомов, например, водорода (в водородном стандарте) квантового дискриминатора 3. При этом, частота кварцевого генератора 7 стабилизируется с погрешностью, обусловленной флуктуациями в системе частотной автоподстройки, в том числе и флуктуациями, обусловленными изменением температуры. Так как сигнал управления частотой кварцевого генератора 7 поступает с интегрирующего усилителя 6, то смещение (разбаланс) нуля операционного усилителя, включенного по схеме интегратора, в зависимости от температуры будет приводить к смещению выходной частоты кварцевого генератора 7, т.е. выходной частоты стандарта. Блок генерации термокомпенсирующего тока 9, включенный на инвертирующем входе усилителя 6, вырабатывает в зависимости от изменения температуры термокомпенсирующий ток, который соответственно
смещает рабочую точку усилителя 6. Это происходит следующим образом. В блоке генерации термокомпенсирующего тока 9 при воздействии температуры на прямосмещенный р-п переход транзисторов TI . Т4 напряжение на р-п переходах зависит от воздействующей температуры и изменяется ориентировочно на 2
мВ/град. При изменении температуры от 5 до 40 С (диапазон рабочих температур стандарта частоты) напряжение в диагонали моста ( точки а - б фиг. 2 ) будет изменяться в пределах до ±70 мВ. Для достижения термокомпенсации частоты выходного сигнала рабочая точка переменного резистора R7 должна быть выбрана из условия компенсации температурного ухода частоты стандарта обратной по знаку величиной термокомпенсирующего тока от блока 9. На практике это делается следующим образом.
При нормальной окружающей температуре (+22°С) движок переменного резистора R7 устанавливается так, чтобы величина термокомпенсирующего тока на входе интегрирующего усилителя 6 была равна нулю (напряжение на выходе блока 9 равно нулю). Измеряется разность частот калибруемого прибора с образцовым. Окружающая температура повышается до +40°С, делается выдержка для полного прогрева прибора, затем изменением положения движка резистора R7 компенсируется температурный уход частоты.
Температура понижается до +5°С и проверяется степень температурной компенсации аналогичным образом. Величина резистора R7 составляет около 5 МОм. Величины резисторов R5-R6 составляют около 5 кОм и подбираются из условия неискаженной работы мостовой схемы блока 9. Размещение транзисторов Т1-Т4 в одном корпусе микросборки, например типа 198 НТ1 А, позволяют создать одинаковые температурные условия для транзисторов, вызывающих их нагревания.
Таким образом, вырабатываемый блоком 9 ток смещения, зависящий от температуры, уменьшает температурный коэффициент частоты стандарта в целом.
Использование полезной модели позволяет уменьщить зависимость частоты стандарт от изменения температуры и повысить его долговременную стабильность, которая является основной характеристикой водородного стандарта частоты как источника высокостабильных сигналов для время - частотных измерений, для работы в эталонных, образцовых и рабочих средствах измерения.