RU2071173C1

RU2071173C1 - Quantum frequency standard gage

Info

Publication number: RU2071173C1
Authority: RU
Inventors: В.С. Горев; В.А. Логачев; Г.М. Чернов; А.А. Ульянов
Original assignee: Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт "Кварц"
Priority date: 1992-07-10
Filing date: 1992-07-10
Publication date: 1996-12-27

Abstract

FIELD: radio engineering, high-stability oscillators. SUBSTANCE: device has quantum oscillator 1, frequency converter 2, frequency comparator 3, period meter 4, extreme regulator 5, digital-to-analog converter 6, modulator 7, quartz oscillator 7. The goal of invention is accomplished by statistic processing of results after measurement of periods. EFFECT: increased stability of frequency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для формирования сигналов высокостабильной частоты. The invention relates to the field of radio engineering and can be used to generate highly stable frequency signals.

Известен квантовый водородный стандарт частоты содержащий квантовый генератор, преобразователь частоты, амплитудный детектор, селективный усилитель, модулятор, кварцевый генератор, синхронный детектор СД с фильтром низкой частоты [1]
Стандарт частоты работает следующим образом.Known quantum hydrogen frequency standard containing a quantum generator, frequency converter, amplitude detector, selective amplifier, modulator, crystal oscillator, synchronous LED detector with a low-pass filter [1]
The frequency standard works as follows.

Квантовый генератор генерирует стабильный по частоте сигнал, который поступает на преобразователь частоты, туда же поступает сигнал от кварцевого генератора. В преобразователе частоты вырабатывается сигнал постоянного напряжения для фазовой автоподстройки частоты кварцевого генератора по водородному генератору. Частота резонатора квантового генератора модулируется модулятором. В результате модуляции на выходе преобразователя частоты появляется и сигнал частотной модуляции, амплитуда которого пропорциональна настройке частоты резонатора от частоты, при которой максимальна амплитуда сигнала на выходе преобразователя частоты, а фаза указывает на знак этой отстройки. В результате частота резонатора все время настраивается на максимум сигнала, что обеспечивает компенсацию влияния уходов частоты резонатора на выходную частоту стандарта. A quantum generator generates a frequency-stable signal, which is fed to the frequency converter, and a signal from a crystal oscillator is also fed there. A constant voltage signal is generated in the frequency converter for phase-locked loop frequency of the crystal oscillator according to the hydrogen generator. The resonator frequency of a quantum generator is modulated by a modulator. As a result of modulation, a frequency modulation signal appears at the output of the frequency converter, the amplitude of which is proportional to the resonator frequency setting from the frequency at which the maximum amplitude of the signal at the output of the frequency converter, and the phase indicates the sign of this offset. As a result, the resonator frequency is constantly tuned to the maximum signal, which compensates for the effect of the resonator frequency drift on the standard output frequency.

Недостатком данного устройства является невысокая стабильность частоты стандарта из-за низкой чувствительности схемы к уходам частоты резонатора. The disadvantage of this device is the low stability of the standard frequency due to the low sensitivity of the circuit to the drift of the resonator frequency.

Наиболее близким к изобретению является квантовый стандарт частоты, содержащий последовательно соединенные модулятор, квантовый генератор, преобразователь частоты и компаратор частот, второй вход которого является входом опорного сигнала, кварцевый генератор, управляющий вход и первый выход которого соответственно соединены с вторым выходом и вторым входом преобразователя частоты, а второй выход является выходом квантового стандарта частоты, цифроаналоговый преобразователь ЦАП, выход которого подключен к второму входу квантового генератора, экстремальный регулятор, осуществляющий управление модулятором, синхронное с ним выделение сигнала ошибки, запоминание значений сигнала ошибки на каждом периоде модуляции и суммировании запоминаемых значений сигнала ошибки, выход и выход сигнала управлением модулятора которого подключен к входу ЦАП и выходу управляемого модулятором [2]
Однако, известный квантовый стандарт частоты обладает невысокой стабильностью частоты.Closest to the invention is a quantum frequency standard containing a series-connected modulator, quantum generator, frequency converter and frequency comparator, the second input of which is the reference signal input, a crystal oscillator, the control input and the first output of which are respectively connected to the second output and second input of the frequency converter and the second output is the output of a quantum frequency standard, a digital-to-analog D / A converter, the output of which is connected to the second input of a quantum for generators, extreme controller conducting control of the modulator synchronized with it the selection of the error signal, the error signal storing values in each period of the modulation and summing the memorized values of the error signal output control signal and the output of the modulator is connected to the input and output of the DAC controls the modulator [2]
However, the known quantum frequency standard has a low frequency stability.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении стабильности частоты стандарта. The technical result that can be obtained by carrying out the invention is to increase the stability of the frequency of the standard.

Для этого в квантовый стандарт частоты, содержащий последовательно соединенные модулятор, квантовый генератор, преобразователь частоты и компаратор частот, второй вход которого является входом опорного сигнала, кварцевый генератор, управляющий вход и первый выход которого соответственно соединены с вторым выходом и вторым входом преобразователя частоты, а второй выход является выходом квантового стандарта частоты, цифроаналоговый преобразователь ЦАП, выход которого подключен к второму входу квантового генератора, экстремальный регулятор, осуществляющий управление модулятором, синхронное с ним выделение сигнала ошибки, запоминание значений сигнала ошибки на каждом периоде модуляции и суммирование запомненных значений сигнала ошибки, выход и выход сигнала управления модулятором которого подключены соответственно к входу ЦАП и входу управления модулятора, введен измеритель периода, вход и тактовый вход которого подключены соответственно к выходу компаратора частот и первому выходу кварцевого генератора, вход экстремального регулятора, осуществляющего также усреднение запомненных значений сигнала ошибки, исключение выбросов и управление измерителем периода, синхронное с управлением модулятором, и выполненного в виде микро-ЭВМ, подключен к выходу измерителя периода, а выход сигнала управления измерителем периода к его управляющему входу. To do this, in the quantum frequency standard, containing a series-connected modulator, quantum generator, frequency converter and frequency comparator, the second input of which is the input of the reference signal, the crystal oscillator, the control input and the first output of which are respectively connected to the second output and the second input of the frequency converter, and the second output is the output of a quantum frequency standard, a digital-to-analog D / A converter, the output of which is connected to the second input of a quantum generator, a modulator controlling the modulator, isolating the error signal synchronously with it, storing the values of the error signal at each modulation period and summing the stored values of the error signal, the output and output of the control signal of the modulator of which are connected respectively to the input of the DAC and the control input of the modulator, period meter, input and the clock input of which is connected respectively to the output of the frequency comparator and the first output of the crystal oscillator, the input of the extreme controller, which also performs The reduction of the stored values of the error signal, the elimination of emissions and the control of the period meter, synchronous with the control of the modulator, and made in the form of a microcomputer, is connected to the output of the period meter, and the output of the signal of the period meter control to its control input.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема квантового стандарта частоты, на фиг. 2 структурная электрическая схема преобразователя частоты, на фиг. 3 структурная электрическая схема измерителя периода, на фиг. 4 структурная электрическая схема экстремального регулятора, выполненного в виде микро-ЭВМ. In FIG. 1 is a structural electrical diagram of a quantum frequency standard; FIG. 2 is a structural electrical diagram of a frequency converter, FIG. 3 is a structural electrical diagram of a period meter; FIG. 4 structural electrical circuit of an extreme controller, made in the form of a micro-computer.

Квантовый стандарт частоты содержит квантовый генератор 1, преобразователь частоты 2, компаратор частот 3, измеритель периода 4, экстремальный регулятор 5, цифроаналоговый преобразователь ЦАП 6, модулятор 7 и кварцевый генератор 8. The quantum frequency standard contains a quantum generator 1, a frequency converter 2, a frequency comparator 3, a period meter 4, an extreme regulator 5, a digital-to-analog converter DAC 6, a modulator 7, and a crystal oscillator 8.

Преобразователь частоты 2 содержит смеситель 9, усилитель промежуточной частоты УПЧ 10, фазовый детектор 11, умножитель частоты 12 и синтезатор частоты 13. The frequency Converter 2 contains a mixer 9, an intermediate frequency amplifier UPCH 10, a phase detector 11, a frequency multiplier 12 and a frequency synthesizer 13.

Измеритель периода содержит формирователь импульсов заполнение 14, формирователь строб-импульсов 15, формирователь импульсов запроса на обслуживание 16 и счетчики 17, 18 и 19. The period meter comprises a pulse shaper fill 14, a strobe pulse shaper 15, a service request pulse shaper 16, and counters 17, 18, and 19.

Экстремальный регулятор 5 содержит микропроцессор 20, оперативное и постоянное запоминающие устройства ОЗУ 21 и ПЗУ 22 соответственно, интерфейсы ввода-вывода 23, клавиатуру 24 и дисплей 25. Extreme controller 5 contains a microprocessor 20, random-access and read-only memory devices RAM 21 and ROM 22, respectively, input-output interfaces 23, a keyboard 24 and a display 25.

Стандарт частоты работает следующим образом. The frequency standard works as follows.

Кварцевый генератор 8 подстраивается по частоте квантового генератора 1 с помощью устройства ФАПЧ, функции которого выполняет преобразователь частоты 2. Сигнал от квантового генератора 1 поступает на смеситель 9, где он смешивается по частоте с сигналом умножителя 12 частоты кварцевого генератора 8. Далее сигнал усиливается УПЧ 10 и поступает на фазовый детектор 3, куда в качестве опорного сигнала подается напряжение той же частоты с синтезатора частоты 13. Таким образом, фазовый детектор 11 вырабатывает напряжение, пропорциональное разности фаз квантового и кварцевого генератора. Промежуточный выход с умножителя частоты 12 используется для подачи сигнала на компаратор частот 3. Этот сигнал в компараторе частот 3 сравнивается с опорным сигналом близкой частоты, который может быть получен, например, от второго аналогичного квантового стандарта частоты. На выходе компаратора 3 получается сигнал низкой частоты (например, 1 Гц), в котором заключена умноженная разность частот, сравниваемых в компараторе (т.е. 1 Гц + n Δf), где Δf разность входных частот, n коэффициент умножения компаратора. Далее период сигнала с компаратора 3 измеряется измерителем периода 4. На вход формирователя строб-импульсов 15 поступает сигнал низкой частоты (≈1 Гц). Этот сигнал преобразуется в две последовательности импульсов в форме меандра, сдвинутых по фазе на 180^o, длительность которых равна периоду входного сигнала. Эти последовательности являются разрешающими сигналами для счетчиков 17 и 18 заставляют счетчики работать последовательность без мертвого времени. Счетчики работают на вычитание в двоичном коде. Когда количество импульсов, сосчитанных счетчиками 17 и 18, будет равно числу, записанному первоначально в этих счетчиках, т.е. при обнулении, генерируется импульс, который поступает на счетный вход счетчика 19, который считает их количество. При пропадании разрешающего сигнала на счетчиках 17 или 18 формирователем импульсов запроса на обслуживание 16 формируется импульс запрос на обслуживание, который поступает на экстремальный регулятор 5, который должен снять информацию со счетчиков 17 и 19 или 18, 19. Информация со счетчиков 17, 18, 19 поступает на экстремальный регулятор по шине данных. Экстремальный регулятор 5 осуществляет управление работой измерителя периода 4 (а именно счетчиков 17, 18, 19) и модулятора 7 и цифроаналогового преобразователя 6. По его команде модулятор 7 изменяет добротность спектральной линии квантового генератора 1 в нужные моменты времени, запускаются для счета счетчики 17, 18, 19. Экстремальный регулятор 5 обрабатывает результаты, получаемые измерителем периода 4, т.е. производит вычитание результатов двух последовательных измерений, полученных при разных добротностях спектральной линии квантового генератора, а также статистическую обработку полученных разностей. Статистическая обработка включает в себя усреднение результатов и исключение выбросов. В зависимости от получаемых результатов измерений экстремальный регулятор 5 изменяет режим работы стандарта, при этом на цифроаналоговый преобразователь 6 подается цифровой сигнал, величина которого пропорциональна отстройке резонатора от вершины спектральной линии излучения атома, или сигнал фиксированной величины, со знаком, зависящим от знака расстройки или вообще сигнал может не подаваться, если величина измеренной измерителем периода 4 расстройки резонатора мала. Цифроаналоговый преобразователь 6 преобразует поступающий на него цифровой код в аналоговое напряжение, которое подается на варикап резонатора квантового генератора, изменяя его частоту таким образом, чтобы она совпадала с частотой спектральной линии излучения атома.The crystal oscillator 8 is tuned to the frequency of the quantum oscillator 1 using the PLL device, whose functions are performed by the frequency converter 2. The signal from the quantum oscillator 1 is fed to the mixer 9, where it is mixed in frequency with the signal of the frequency multiplier 12 of the crystal oscillator 8. Then the signal is amplified by the amplifier 10 and enters the phase detector 3, where the voltage of the same frequency is supplied from the frequency synthesizer 13 as a reference signal. Thus, the phase detector 11 generates a voltage proportional to the difference Az quantum and quartz generator. An intermediate output from the frequency multiplier 12 is used to supply a signal to the frequency comparator 3. This signal in the frequency comparator 3 is compared with a reference signal of a close frequency, which can be obtained, for example, from a second similar quantum frequency standard. At the output of the comparator 3, a low-frequency signal is obtained (e.g., 1 Hz), in which the multiplied difference of the frequencies compared in the comparator (i.e., 1 Hz + n Δf) is enclosed, where Δf is the difference of the input frequencies, n is the multiplier of the comparator. Next, the period of the signal from the comparator 3 is measured by a period meter 4. A low-frequency signal (≈1 Hz) is supplied to the input of the strobe pulse former 15. This signal is converted into two sequences of pulses in the form of a meander, phase shifted by 180 ^o , the duration of which is equal to the period of the input signal. These sequences are enable signals for the counters 17 and 18 cause the counters to operate the sequence without dead time. Counters work on subtraction in binary code. When the number of pulses counted by the counters 17 and 18 will be equal to the number recorded initially in these counters, i.e. when zeroing, a pulse is generated that enters the counting input of the counter 19, which counts their number. If the enable signal disappears at the counters 17 or 18, the service request pulse generator 16 generates a service request pulse, which is sent to the extreme controller 5, which should remove information from the counters 17 and 19 or 18, 19. Information from the counters 17, 18, 19 arrives at the extreme controller via the data bus. The extreme controller 5 controls the operation of the period meter 4 (namely, counters 17, 18, 19) and the modulator 7 and the digital-to-analog converter 6. At his command, the modulator 7 changes the quality factor of the spectral line of the quantum generator 1 at the right time, counters 17 are started for counting, 18, 19. The extreme controller 5 processes the results obtained by the period meter 4, i.e. subtracts the results of two consecutive measurements obtained at different Q factors of the spectral line of the quantum generator, as well as the statistical processing of the obtained differences. Statistical processing includes averaging results and eliminating emissions. Depending on the obtained measurement results, the extreme controller 5 changes the operating mode of the standard, while a digital signal is supplied to the digital-to-analog converter 6, the magnitude of which is proportional to the detuning of the resonator from the top of the atomic emission spectral line, or a signal of a fixed magnitude, with a sign depending on the sign of the detuning, or in general the signal may not be supplied if the value of the cavity detuning period 4 measured by the meter is small. The digital-to-analog converter 6 converts the digital code supplied to it into an analog voltage, which is applied to the varicap of the resonator of the quantum generator, changing its frequency so that it coincides with the frequency of the spectral line of the atomic radiation.

Claims

A quantum frequency standard containing a modulator, a quantum generator, a frequency converter and a frequency comparator in series, the second input of which is a reference signal input, a crystal oscillator, a control input and a first output of which are respectively connected to a second output and a second input of a frequency converter, and the second output is the output of the quantum frequency standard, a digital-to-analog converter (DAC), the output of which is connected to the second input of the quantum generator, an extreme controller, The control of the modulator, the simultaneous isolation of the error signal, storing the values of the error signal at each modulation period and the summation of the stored values of the error signal, the outputs and the output of the control signal of the modulator of which are connected respectively to the input of the DAC and the control input of the modulator, characterized in that period meter, the input and the clock input of which are connected respectively to the output of the frequency comparator and the first output of the crystal oscillator, the input of the extreme controller tvlyayuschego also averaging the stored error signal values, and meter exception emission control period synchronized with the modulator control, and configured as a microcomputer, is connected to the output period of the meter, and meter control signal output period to its control input.