РУБИДИЕВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к квантовым стандартам частоты (КСЧ) нассивного типа и может быть использована при разработке рубидиевых стандартов частоты (РСЧ) с принудительной подстройкой его частоты. Принцип действия РСЧ пассивного типа с оптической накачкой основан на стабилизации частоты кварцевого генератора по атомной линии изотопа рубидия (Кварцевые и квантовые меры частоты под ред. Б.И. Макаренко, Министерство обороны СССР, 1989, с. 466). При этом номинальное значение частоты и систематическое изменение частоты с течением времени полностью определяются частотой и стабильностью атомной линии.  Для подстройки частоты кварцевого генератора к атомной линии изотопа рубидия используются схемы частотных автоподстроек (ЧАП), как например в рубидиевом стандарте частоты типа 41 - 50 (Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов под ред. Б.П.Фатеева, М., Сов. радио, 1978, с. 263), принятый в качестве ближайшего аналога и упрощенная структурная схема которого представлена на фиг.1. Сигнал от кварцевого генератора (КГ) 6 (с частотой 5 или 10 МГц) одновременно подаётся через буферный усилитель 7 на выход РСЧ, на вход синтезатора частоты (СЧ) 8 и на вход умножителя частоты 9, который формирует частотно-модулированный сигнал с частотой 6834,68...МГц, совпадающей с . МПК:О04ОЗ|00
частотой сверхтонкого перехода атомов изотопа рубидия 87 в основном состоянии. Этот сигнал подается в квантовый дискриминатор (КД) частоты 1, включающий ячейку 2 с изотопом рубидия 87 с подмагничивающим соленоидом. Генератор низкой частоты (ГНЧ) 10 формирует сигнал модуляции, поступающий на умножитель частоты УЧ 9 и одновременно формирует опорный сигнал -
меандр с частотой модулящ1и, который подаётся на один из двух входов фазового детектора (ФД) 4. В1СД 1 происходит сравнение частоты 6834,68...МГц от УЧ 9 с частотой атомной линии рубидия 87. В случае несовпадения частот на выходе 1СД 1 формируется сигнал ошибки с частотой модулирующего напряжения. Напряжение сигнала ошибки пропорционально разности частот, а фаза несёт информацию о знаке разности частот. Усилитель низкой частоты (УНЧ) 3 усиливает напряжение сигнала ошибки и передаёт его на второй вход ФД 4. ФД сравнивает фазу сигнала ошибки с фазой опорного сигнала, вьпхрямляет . напряжение сигнала ошибки и изменяет егознак в соответствии со знаком разности частот умножителя 9 и атомной линии. С выхода ФД 4 напряжение подаётся на интегратор 5, который формирует напряжение, управляющее частотой КГ 6. Путём соответствующей фазировки сигналов в кольце частотной подстройки достигается стабилизация частоты КГ 6 по частоте атомной линии КД 1. РСЧ является вторичным стандартом частоты, его частота определяется множеством факторов (температура, давление, тип и состав буферных газов в ячейках КД, напряженности магнитного поля и т.д.). Поэтому после изготовления и периодически в процессе эксплуатации производится изменение
частоты РСЧ путём изменения напряженности магнитного поля в ячейке поглощения, а именно, изменением величины тока, протекающего по обмотке подмагничивания ячейки поглощения 2. При этом изменяется частота сверхтонкого перехода в атомах рубидия и, соответственно, частота РСЧ. Конкретные технические параметры узлов, входящих в состав РСЧ (частота модуляции, коэффициент регулирования кольца ЧАП, состав наполнения ячейки поглощения и т.д.) определяются техническими требованиями к РСЧ, его условиями эксплуатации и определяются на этапе разработки.
Недостатком таких устройств РСЧ является их сложность в изготовлении, регулировке и невозможность быстрой адаптации данной модели стандарта
частоты к изменившимся условиям эксплуатации. Кроме того, в РСЧ такого типа невозможно управлять частотой стандарта в цифровой форме, что затрудняет их . использование в системах с большим временем автономной работы и в системах, где требуется изменение частоты по сложньщ законам.
Технической задачей, решение которой осуществляется полезной моделью, является упрощение устройства, облегчение процесса регулировки, упрощение процесса подстройки параметров стандарта под изменившиеся условия эксплуатации.
Сущность технического рещения заключается в том, что в рубидиевом стандарте частоты, содержащем последовательно соединенные квантовый дискриминатор, включающий ячейку с изотопом рубидия, подмагничивающим соленоидом и генератором гармоник, усилитель низкой частоты, фазовый
32 Г/73-€ 5 з
детектор, интегратор, кварцевый генератор и синтезатор частоты, буферный усилитель, вход которого соединен с выходом кварцевого генератора, а выход является выходом устройства, один из выходов синтезатора частот соединен со входом квантового дискриминатора, а второй выход нодключен ко второму входу фазового детектора.
Синтезатор частот вынолнен в виде синтезатора прямого синтеза и введены микропроцессорное устройство и постоянное запоминающее устройство, подключенное ко входу микропроцессорного устройства, выход которого соединен со вторым входом синтезатора частот.
Структурная схема устройства изображена на фиг.2. Рубидиевый стандарт частоты содержит включенные в кольцо КД 1, включающий ячейку 2 с изотопом рубидия, подмагничивающим соленоидом и генератором гармоник, УНЧ 3, ФД 4, интегратор 5, КГ 6 и синтезатор частот прямого синтеза (СПС) 7, второй выход которого соединен со вторым входом фазового детектора, буферный усилитель 8, вход которого соединен с выходом кварцевого генератора 6, а выход является выходом устройства, микропроцессорное устройство 9, первый выход которого подключен ко второму входу синтезатора частот 7, а второй соединен со входом электрически
изменяемого постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 10.
Устройство работает аналогичным образом, что и прототип. Сигнал от КГ 6 (с частотой 5 или буферный усилитель 9 на выход РСЧ, на вход СПС 7, который формирует частотно-модулированный сигнал с частотой f   (п где Кген. - коэффициент умножения генератора гармоник, f о-о - частота сверхтонкого перехода атомов изотопа рубидия 87 в основном состоянии, п дискрет перестройки частоты, m - коэффициент коррекции частоты. Этот сигнал подается в КД частоты 1, включающий ячейку 2 с изотопом рубидия 87, с подмагничивающим соленоидом и генератором гармоник. В КД 1 происходит сравнение частоты f «Крен с частотой атомной линии рубидия 87. В случае несовпадения частот на выходе КД 1 формируется сигнал ошибки с частотой модулирующего напряжения. Напряжение сигнала ошибки пропорционально разности частот, а фаза несёт информацию о знаке разности частот. УНЧ 3 усиливает напряжение сигнала ошибки и передаёт его на один из входов ФД 4. СПС 7 так же формирует опорный сигнал, который подается на другой вход ФД 4, который сравнивает фазу сигнала ошибки с фазой опорного сигнала, выпрямляет напряжение сигнала ошибки и изменяет его знак в соответствии со знаком разности частоты f Кген и частоты атомной линии. С выхода ФД 4 на;пряжение подаётся на интегратор 5, который формирует напряжение, управляющее частотой КГ 6. Путём соответствующей фазировки сигналов в кольце частотной подстройки достигается стабилизация частоты КГ 6 по частоте атомной линии КД 1. При этом микропроцессорное устройство 9 обеспечивает управление СПС 7 для изменения частоты его выходного сигнала по закону (1), XiiC/    10 МГц) одновременно подаётся через У Уо-о (1 i/ /и) Кген принимает значение коэффициента коррекции частоты и сохраняет последнее значение коррекции частоты в электрически изменяемом ПЗУ 10 для сохранения значения частоты РСЧ при последующих включениях прибора. Таким образом, благодаря выполнению тракта умножения частоты РСЧ на основе синтезатора прямого синтеза, значительно упрощается регулировка прибора за счет существенного сокращения регулировочных элементов (умножитель частоты, генератор низкой частоты), упрощается процесс внесения измейений в тракт умножения частоты, которое сводится к замене программного обеспечения микропроцессорного устройства, обеспечивается электронное управление частотой стандарта по любому закону с сохранением последнего значения частоты. Устройство может быть выполнено на базе стандартного рубидиевого стандарта частоты. Схемотехнические способы реализации введенных узлов определяются имеющейся в наличии комплектующей базой, предполагаемой стоимостью устройства и могут быть самыми разнообразными. Например, возможна реализация устройства путем замены умножителя частоты практически любого серийно выпускающего РСЧ на узел, содержащий синтезатор прямого синтеза на основе микросхемы AD9852 фирмы Analog Device и микропроцессор с ПЗУ любого производителя. Таким образом предлагаемая схема построения РСЧ позволяет удешевить устройство, уменьшить его габариты и упростить его функционирование с расширением его функциональных возможностей.