Водородный стандарт частоты и времени
Водородный стандарт частоты и времени может быть использован для работы в качестве генератора высокостабильных, высокоточных, спектрально чистых сигналов. Технической задачей полезной модели является снижение уровня паразитной фазовой модуляции и соответственно повышение стабильности частоты стандарта. Стандарт частоты включает последовательно соединенные квантовый водородный генератор 1, преобразователь частоты 2, измеритель моментов времени 3, процессор 4, цифро-аналоговый преобразователь 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 с вторым входом измерителя моментов времени 3. В варианте выполнения группового стандарта частоты он содержит n квантовых водородных генераторов, а преобразователь частоты и измеритель моментов времени в нем выполнены n канальными. 1 з.п.ф., 2 ил.
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.
Особенностью предлагаемой схемы водородного стандарта частоты является реализация цифровой петли автоподстройки сигнала кварцевого генератора по сигналу квантового водородного генератора. Для этого сигнал промежуточной частоты fПЧ=fв -fгет 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 i сигнала fПЧ ( текущее состояние циклического счетчика на момент прихода очередного фронта импульса сигнала fпч ) передаются в процессор 4, где вычисляются их последовательные разности (текущие разности фаз сигнала f ПЧ 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.
Текущая фазовая ошибка вычисляется сравнением текущих значений измеренной (X i) и расчетной фазы (Xip).
Xip= Х(i-1)р+1/f ПЧ(1+
×fВГ/fПЧ), где - отстройка частоты.
Поправки кода цифро-аналогового преобразователя 4 определяются
Здесь: 
- шаг по частоте ЦАП, Т-номинальный период измерений моментов времени Ti.
Коэффициенты K1 , K2, К3 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.
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 - 1n.
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).
1. 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, отличающийся тем, что в него дополнительно введены формирователь тактовых сигналов и цепочка из последовательно соединенных измерителя моментов времени, процессора и цифроаналогового 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.
2. Стандарт частоты и времени по п.1, отличающийся тем, что он содержит n квантовых водородных генераторов, а преобразователь частоты и измеритель моментов времени в нем выполнены n канальными.
