Высокостабильный датчик опорных частот
Предлагаемая полезная модель относится к области радиотехники и может найти применение при разработке подвижных средств связи КВ и УКВ диапазонов, навигационных и радиолокационных системах, а также в службе хранения времени.
Технический результат - повышение долговременной стабильности частоты, уменьшение количества используемых блоков, уменьшение веса и габаритов датчика опорных частот, уменьшение мощности потребления электроэнергии, уменьшение себестоимости, повышение надежности, это достигается введением в предлагаемую полезную модель рубидиевого генератора, устройства световой индикации и контроля, электронного программируемого корректора частоты и устройства питания.
Предполагаемая полезная модель относится к области радиотехники и может найти применение при разработке подвижных средств КВ и УКВ диапазонов, навигационных и радиолокационных систем, а также в службе хранения времени.
Известны источники стабильных частот, разработанные на основе квантовых дискриминаторов, например, "Стандарты частоты F3725" (рекламный проспект 2008г., ФГУП СКБ радиоизмерительной аппаратуры), малогабаритный рубидиевый стандарт частоты на газовой ячейке PFS - 2001, ("Радиоизмерительные приборы", научно-технический каталог, Москва, 2000 г.).
Недостатками этих источников стабильных частот являются:
- относительно большие габариты и вес (более 2 кг);
- узкий диапазон рабочих температур (-30°С+ +50°С);
- большое энергопотребление (более 25 Вт);
- малая устойчивость к механическим нагрузкам.
Наиболее близким по параметрам к предполагаемой полезной модели является "Датчик опорных частот", ИТНЯ 433769001, (ОАО "Концерн "Созвездие"), ), разработанный на основе полезной модели, свидетельство №11940 "Источник высокостабильной опорной частоты на основе квантового дискриминатора".
На фиг.1 приведена структурная схема прототипа, приведенная в его техническом описании со всеми необходимыми входящими в него блоками, где обозначено:
I(АК) - автогенератор кварцевый;
2 (УмЧ) - умножитель частоты;
3 (КД) - квантовый дискриминатор;
4 (ФВС) - формирователь выходных сигналов;
5 (СИ) - устройство световой индикации;
6 (СП) - синтезатор перестраиваемый;
7 (ИВЭ) - источник вторичного электропитания;
8 (УЭ5) - управляющий элемент;
9 (УАПЧ) - устройство автоматической подстройки частоты.
Прототип содержит последовательно соединенные автогенератор кварцевый 1 (АК), умножитель частоты 2 (УмЧ), квантовый дискриминатор 3 (КД), устройство автоматической подстройки частоты 9 (УАПЧ), первый выход которого соединен со входом автогенератора кварцевого 1 (АК) - это кольцо автоподстройки, а второй выход устройства автоматической подстройки частоты 9 (УАПЧ) соединен со входом устройства световой индикации 5 (СИ); синтезатор перестраиваемый 6 (СП), первый выход которого соединен со вторым входом устройства автоматической подстройки частоты 9 (УАПЧ), а второй выход синтезатора перестраиваемого 6 (СП) соединен со вторым входом квантового дискриминатора 3 (КД); автогенератор кварцевый 1 (АК) три выхода которого, (второй, третий и четвертый), соединены с тремя входами формирователя выходных сигналов 4 (ФВС) соответственно, а четвертый выход, кроме того, соединен со вторым со вторым входом синтезатора перестраиваемого 6 (СП); формирователь выходных сигналов 4 (ФВС) имеет три выхода; управляющий элемент 8 (УЭ5), выход которого соединен с первым входом синтезатора перестраиваемого 6 (СП), источник вторичного электропитания, имеющий пять выходов.
Устройство прототип работает следующим образом.
Автогенератор кварцевый 1 (АК) с трех выходов которого выдаются сигналы трех стабильных частот на три входа формирователя выходных сигналов 4 (ФВС) с трех выходов которого выдаются сформированные по частоте и количеству "рабочие" сигналы потребителям. С первого выхода автогенератора 1 (АК) сигнал поступает на вход умножителя частоты 2 (УмЧ), с выхода которого эта частота, умноженная в n раз, поступает на первый вход квантового дискриминатора 3 (КД). С четвертого входа автогенератора 1 (АК) сигнал, кроме того, поступает на второй вход синтезатора перестраиваемого 6 (СП), где синтезируется необходимая частота и эта частота со второго выхода перестраиваемого синтеза 6(СП) подается на второй вход квантового дискриминатора 3 (КД). Из сигналов двух частот поступающих на первый и второй входы квантового дискриминатора 3 (КД) формируется сигнал, поступающий в объемный резонатор квантового дискриминатора и сравнивается с частотой спектральной линии поглощения сверхтонкого перехода (линия СТП), атомов рубидия Rв87 , находящегося в рабочей газовой ячейке квантового дискриминатора.
При отклонении сигнала сформированного в квантовом дискриминаторе (КД) от частоты линии СТП на выходе квантового дискриминатора вырабатывается сигнал, который с выхода 3 (КД) поступает на первый вход устройства автоматической подстройки частоты 9 (УАПЧ), (синхронный детектор находящийся в устройстве автоматической подстройки частоты). На второй вход УАПЧ - (второй вход синхронного детектора) поступает сигнал с первого выхода синтезатора перестраиваемого 6 (СП).
Синхронный детектор блока УАПЧ вырабатывает сигнал ошибки постоянного тока, который поступает на вход автогенератора кварцевого и подстраивает частоту автогенератора кварцевого под частоту линии СТП в рассматриваемом кольце автоматической подстройки частоты (АПЧ). Для более точной установки, синтезируемой блоком 6 (СП) частоты, служит управляющий элемент 8 (УЭ5), выход которого подключен к первому входу синтезатора перестраиваемого 6 (СП), изменяющий коды управления цифровым синтезатором (СП), (механический переключатель цифровых кодов).
Со второго выхода устройства автоматической подстройки частоты 9 (УАПЧ) сигнал поступает на вход схемы световой индикации 5 (СИ), представляющая собой трехпозиционное аналоговое устройство, индицирующее с помощью светодиодов режимы: а) отказ изделия от работы; б) готовность изделия к работе; в) нахождение изделия в режиме поиска момента срабатывания ФАПЧ. Источник вторичного электропитания 7 (ИВЭ) работает от бортсети объекта и состоит из фильтра, импульсных преобразователей и линейных стабилизаторов и выдает пять стабилизированных напряжений для питания всех входящих в датчик опорных частот устройств и блоков.
Недостатками прототипа являются:
- большая величина энергопотребления;
- относительно большие габариты и вес;
- большая себестоимость из-за большого количества входящих в него индивидуально настраиваемых блоков;
- большая длительность времени готовности к работе;
- большое количество элементов настройки, изменение параметров которых в процессе эксплуатации приводит к увеличению нестабильности частоты;
- пониженная надежность.
Для устранения указанных недостатков в устройство, содержащее формирователь выходных сигналов, имеющий три выхода, введены рубидиевый генератор, второй выход которого соединен с первым входом устройства световой индикации и контроля, третий выход рубидиевого генератора соединен со входом электронного программируемого корректора частоты, выход которого соединен с первым входом рубидиевого генератора, при этом первый выход рубидиевого генератора соединен с первым и вторым входами формирователя выходных сигналов со вторым входом устройства световой индикации и контроля, выход которого соединен с третьим входом рубидиевого генератора и источник питания, имеющий три выхода.
На фиг.2 приведен функциональная схема предполагаемой полезной модели, где обозначено:
4(ФВС) - формирователь выходных сигналов;
10 - рубидиевый генератор;
11 - устройство питания;
12 - электронный программируемый корректор частоты;
13 - устройство световой индикации и контроля.
В изделие, структурная схема которого приведена на фиг.2 введены: рубидиевый генератор 10, функционально заменяющий устройства 1 (АК), 2 (УмЧ), 3 (КД), 9 (УАПЧ), 6 (СП) и новые устройства 11, 12, 13 заменяющие 7 (ИВЭ), 5 (СИ) и 8 (УЭ5).
Предлагаемая полезная модель содержит рубидиевый генератор 10, первый выход которого соединен с параллельно соединенными первым и вторым входами формирователя выходных сигналов 4 (ФВС) и вторым входом устройства световой индикации и контроля 13, выход которого соединен с третьим входом 4 (ФВС), имеющего три выхода, второй выход рубидиевого генератора 10 соединен с первым входом устройства световой индикации и контроля 13, третий выход рубидиевого генератора 10 соединен с электронным программируемым корректором частоты 12, выход которого соединен с входом рубидиевого генератора 10, и источник питания 11, имеющий три выхода.
Предполагаемая полезная модель работает следующим образом.
Основной блок, входящий в предполагаемую полезную модель представляет собой малогабаритное высокотехнологичное устройство. В него, как и в прототипе, входит автогенератор кварцевый, квантовый дискриминатор и ряд других устройств, обеспечивающих подстройку частоты кварцевого автогенератора под частоту линии сверхтонкого перехода возбужденных атомов рубидия, находящихся в рабочей газовой ячейке квантового дискриминатора.
Рубидиевый генератор 10 имеет один высокостабильный высокочастотный выход и выходы сигналов, позволяющих произвести с помощью других устройств полезной модели оценку его работоспособности и смещения частоты относительное ее номинального значения.
На формирователь выходных сигналов, кроме выходной частоты рубидиевого генератора 10, должен подаваться сигнал контрольной
частоты. В прототипе этот сигнал выдавался тем же кварцевым генератором, что и сигнал основной частоты.
Так как, рубидиевый генератор 10 имеет один высокочастотный выход, то формирование контрольного сигнала происходит в устройстве световой индикации и контроля 13 от высокочастотного сигнала рубидиевого генератора 10. Сформированный контрольный сигнал с выхода устройства световой индикации и контроля 13 подается на третий вход формирователя выходных сигналов 4 (ФВС).
Со второго выхода рубидиевого генератора 10 на первый вход устройства световой индикации и контроля 13 подается двухпозиционный сигнал, информирующих о вхождении частоты кварцевого генератора 10 в полосу захвата ФАПЧ (или отсутствие такового). Этот сигнал с помощью несложного электронного устройства преобразуется в световой сигнал, информирующий оператор об отказе в работоспособности изделия или о его готовности.
При отклонении выходной частоты рубидиевого генератора 10 от номинального значения, с его выхода "Вых. данные" подается кодовый сигнал о смещении его частоты. Этот сигнал подается с третьего входа рубидиевого генератора 10 на вход электронного программируемого корректора частоты 12 и в соответствии с программой, записанной в его микропроцессоре, формируется команда на увеличение или уменьшение этого смещения частоты, которая подается на первый вход рубидиевого генератора 10 ("Входные данные") с определенный скоростью, определяемой оператором. При достижении минимально допустимого отклонения частоты генератора 10 от номинального значения, код смещения
частоты записывается в ППЗУ генератора и сохраняется до очередной процедуры коррекции частоты.
Поскольку примененный в полезной модели корректор частоты программируемый, то коррекция частоты может проводиться с очень малой погрешностью, задаваемой программой.
Устройство питания 11 представляет собой упрощенный вариант блока питания прототипа и включает в себя фильтр и два линейных стабилизатора. Устройство выдает потребителям три стабилизированных источника напряжения, работает от бортсети обслуживаемого объекта и обеспечивает фильтрованными и стабилизированными напряжениями блоки устройства, входящие в предлагаемую полезную модель.
Электронный программируемый корректор частоты 12 представляет собой электронное устройство, включающее в себя микроконтроллер, формирующий по определенной программе и передающий на рубидиевый генератор коды управления его частотой.
Устройство световой индикации и контроля 13 представляет собой устройство, в котором вырабатывается двухпозиционной световой сигнал по данным о состоянии ФАПЧ передаваемых с выхода рубидиевого генератора. Кроме этого, в этом устройстве формируется сигнал высокостабильной частоты, служащий для контроля частотных характеристик всего датчика опорных частот и передаваемый на вход формирователя выходных сигналов.
Реализация предлагаемой полезной модели не вызывает никаких затруднений, так как входящие в нее устройства и их технические решения общеизвестны, а основной блок - рубидиевый генератор поставляется промышленностью.
Испытания макета высокостабильного датчика опорных частот разработанного с использованием предполагаемой полезной модели показали:
- вес и габариты датчика уменьшались в 1,8 раз;
- мощность, потребляемая датчиком уменьшались на 40%;
- время готовности датчика к работе сократилось в 2,5 раза;
- себестоимость датчика опорных частот уменьшалась в 1,5 раза.
Высокостабильный датчик опорных частот, содержащий формирователь выходных сигналов, имеющий три выхода, отличающийся тем, что в него введены рубидиевый генератор, второй выход которого соединен с первым входом устройства световой индикации и контроля, третий выход рубидиевого генератора соединен со входом электронного программируемого корректора частоты, выход которого соединен с первым входом рубидиевого генератора, при этом первый выход рубидиевого генератора соединен с первым и вторым входами формирователя выходных сигналов и со вторым входом устройства световой индикации и контроля, выход которого соединен с третьим входом рубидиевого генератора, и источник питания, имеющий три выхода.
