Групповой эталон частоты и времени

 

Использование: изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для формирования сигналов высокостабильной частоты. Цель изобретения - повышение долговременной стабильности. Сущность: эталон состоит из n идентичных, работающих одновременно каналов, каждый из которых включает стандарт 1 частоты и времени, умножитель 2 разности частот, детектор 3 разности частот, управляемый усилитель 4 напряжения, устройство 5 аварийного отключения. Частотная автоподстройка выходной частоты генератора 8 управляемого напряжением осуществляется по сумме отнормированных выходных напряжений сумматора 7 напряжений. Для учета изменения средней частоты в корректор фазы 9 вводится поправка на нее. Формирователь 10 шкалы времени формирует импульсы точной шкалы времени группового эталона, которая периодически сравнивается со шкалами отдельных стандартов 1 частоты и времени. Эти сравнения производятся измерительной, вычислительной и управляющей системой 6. 7 ил.

Изобретение относится к эталонам частоты и времени и может быть использовано в службе времени.

Работа эталонов частоты и времени основана на использовании в них группы квантовых стандартов частоты.

Например, известный эталон частоты и времени содержит группу из n хранителей частоты на основе квантового генератора с системой автоматической настройки резонатора, n хранителей времени и систему измерения и управления. В данном эталоне по результатам проводимых измерений находится отклонение частоты каждого из хранителей времени от средней частоты группы из n хранителей частоты и поправки к шкалам времени.

Недостатком такого эталона является отсутствие выходного сигнала, метрологические характеристики которого были бы усреднены по группе хранителей. Наличие такого сигнала улучшает долговременные метрологические характеристики эталона частоты и времени, т. е. долговременную стабильность и погрешность хранения шкалы времени.

Наиболее близким к изобретению является устройство, которое состоит из нескольких каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные генератор, фазовращатель и блок нормирования амплитуды, а также фазовый детектор, вход которого соединен с выходом блока нормирования амплитуды, а выход - с управляющим входом фазовращателя, при этом выход блока нормирования амплитуды каждого из каналов также соединен с соответствующим входом сумматора, выход которого подключен к другому входу фазового детектора каждого из каналов, включены последовательно соединенные блок частотно-фазового анализа и блок выбора весовых коэффициентов, а также блок памяти, общий для всех каналов, при этом сумматор выполнен управляемым, его выход соединен с входом блока памяти и с другим входом каждого из блока частотно-фазового анализа, выход блока памяти подключен к установочным входам блока частотно-фазового анализа и блока выбора весовых коэффициентов каждой из каналов, выход генератора каждого из каналов также соединен с входом соответствующего блока частотно-фазового анализа, а выход блока выбора весовых коэффициентов каждого из каналов соединен с соответствующим управляющим входом сумматора.

Однако данное устройство имеет ряд недостатков: постоянная времени блока частотно-фазового анализа составляет несколько суток, что не позволяет учесть внезапное ухудшение стабильности частоты, которое может произойти при неисправности; для нормальной работы частоты генераторов должны быть сведены между собой, при этом возможен захват генераторов друг другом, что повлечет за собой навязывание частоты всей группе генераторов одним, не обязательно лучшим генератором; амплитуда сигнала с выхода сумматора сильно изменяется при изменении весов; при анализе флуктуации разности частот одного из генераторов и их суммы (как это делает в данном устройстве блок частотно-фазового анализа) возможен неправильный результат, так как высокую стабильность частоты "хорошего" генератора невозможно будет заметить при сравнении с суммарной частотой, в которой присутствует большая нестабильность частоты "плохого" генератора. Для получения правильного результата необходимо, чтобы блок частотно-фазового анализа проводил сравнение частот всех пар генераторов, входящих в группу. Все эти недостатки в конечном счете приводят к ухудшению долговременной нестабильности частоты и увеличению погрешности хранения времени эталоном частоты и времени, созданным на базе такого устройства.

Целью изобретения является повышение долговременной стабильности частоты и уменьшение погрешности хранения шкалы групповых эталонов частоты и времени.

Поставленная цель достигается тем, что в состав группового эталона частоты и времени, содержащего многоканальную измерительную, вычислительную и управляющую систему, сумматор напряжений, а также n каналов, каждый из которых содержит стандарт частоты и времени, дополнительно введены последовательно соединенные управляемый генератор, корректор фазы и формирователь шкалы времени, выход которого является выходом эталона, а также в каждый из каналов - устройство аварийного отключения и последовательно соединенные умножитель разности частот, детектор разности частот и управляемый усилитель напряжения, причем один из входов каждого умножителя разности частот соединен с выходом соответствующего стандарта частоты и времени, второй вход умножителя разности частот - с выходом управляемого генератора, второй вход детектора разности частот - с выходом стандарта частоты и времени, выход детектора разности частот - с входом устройства аварийного отключения, выход которого подключен ко входу управляемого усилителя напряжения, выходы каждого из которых соединены с входами сумматора напряжения, выход которого подключен к управляющему входу управляемого генератора, первый и второй выходы стандартов частоты и времени и выход формирователя шкалы времени соединены со входами измерительной, вычислительной и управляющей системы, выходы которой соединены с управляющими входами управляемых усилителей напряжения и корректора фазы.

На фиг. 1 изображена структурная схема группового эталона времени частоты; на фиг. 2, 3 - структурные схемы детектора 3 разности частот; на фиг. 4, 5 - усилитель 4, сумматор напряжения 7; на фиг. 6, 7 - структурные схемы системы 6 измерения, вычисления и управления, устройство аварийного отключения 5.

Групповой эталон частоты и времени содержит n каналов, каждый из которых содержит стандарт 1 частоты и времени, умножитель 2 разности частот, детектор 3 разности частот, управляемый усилитель 4 напряжения, устройство 5 аварийного отключения; систему 6 измерения, вычисления и управления, сумматор 7 напряжения, управляемый генератор 8, корректор фазы 9, формирователь 10 шкалы времени. Детектор 3 разности частот содержит: 11 - инвертор, 12, 13 - фазовые детекторы с пилообразной характеристикой, 14 - устройство управления коммутатором, 15, 16 - дифференциаторы, 17 - коммутатор.

Структурная схема многоканальной измерительной, вычислительной и управляющей системы 6 содержит многоканальный умножитель разности частот 18, делитель частоты 19 (число делителей равно числу каналов в умножителе 18), коммутатор 20, измеритель интервалов времени 21, персональную ЭВМ 22. Групповой эталон частоты и времени содержит n-каналов, каждый из которых включает последовательно соединенные стандарт 1 частоты и времени, умножитель 2 разности частот, детектор 3 разности частот и управляемый усилитель 4 напряжения. Блок 5 аварийного отключения включен между выходом детектора 3 и вторым входом усилителя 4; система 6 измерения, вычисления и управления, одна группа входов которой соединена с выходами стандартов 1 частоты и времени, которые в свою очередь подключены также в каждом из n каналов и ко второму входу детектора 3, другая группа входов системы 6 соединена с выходами стандартов 1 частоты и времени. Сумматор 7 напряжений, управляемый кварцевый генератор 8, корректор 9 фазы и формирователь 10 шкалы времени соединены последовательно. Выходы усилителей 4 напряжения каждого из n каналов соединены со входами сумматора 4 напряжений, а второй выход генератора 8 соединен со вторыми входами умножителя 2 каждого из каналов. Один из выходов системы 6 соединен с управляющим входом усилителя 4 каждого из n каналов эталона другой выход системы 6 соединен со вторым входом корректора 9 фазы, а выход формирователя 10 шкалы времени подключен к одному из входов системы 6 и является выходом эталона.

Групповой эталон работает следующим образом.

Стандарты частоты и времени 1 выдают стабильный сигнал частотой 5 МГц и импульсы шкалы времени с периодом 1с. В умножителях 2 разности частот происходит сравнение частот стандарта 1 частоты и времени и средней частоты эталона (выход блока 8). На выходе умножителя получается сигнал частоты f + m Δ f, где f - выходная частота умножителя, Δ f - разность частот входных сигналов, поступающих на умножитель, а m - коэффициент умножения разности частот. С умножителя 2 разности частот сигнал подается на детектор 3 разности частот, на выходе которого получается постоянное напряжение, величина которого пропорциональна разности частот сигналов, поступающих на вход детектора 3 разности частот.

Детектор разности частот работает следующим образом.

На выходах фазовых детекторов 12 и 13 получается периодическое пилообразное напряжение, частота которого равна разности частот входных сигналов, а фазы этих напряжений сдвинуты на 180^о из-за наличия инвертора 11. На выходах дифференциаторов 15 и 16 получаются напряжения, пропорциональные разности частот входных сигналов с импульсами в моменты времени, соответствующими срезам "пилы". Коммутатор 17 коммутирует выходные напряжения дифференциаторов 15 и 16 по сигналам от устройства управления коммутатором 14 таким образом, чтобы исключить проникновение на выход детектора разности частот этих импульсов и обеспечить непрерывность выходного сигнала, величина которого в любой момент времени пропорциональна разности входных частот, поступающих на детектор 3. Напряжение с выхода детектора 3 разности частот поступает на управляемый усилитель 4 напряжения, коэффициент усиления которого может изменяться; с него на сумматор 7 напряжений, а с выхода сумматора 7 - на управляющий вход управляемого генератора 8. Таким образом осуществляется автоподстройка частоты управляемого генератора 8 по средневзвешенной частоте n стандартов 1 частоты и времени. При этом нестабильность частоты управляемого генератора 8 определяется некоторой средней нестабильностью стандартов частоты и времени. Эта нестабильность будет приближаться к нестабильности лучшего стандарта частоты и времени, если у соответствующего регулируемого усилителя напряжения будет установлен больший коэффициент усиления. Устройство аварийного отключения 5 вырабатывает сигнал, запирающий усилитель 4 напряжения при превышении разности частот на входе детектора 3 разности частот некоторого порога. При этом постоянная времени устройства аварийного отключения 5 выбирается меньшей, чем постоянная времени петли автоподстройки частоты и управляемого генератора, поэтому при возникновении неисправности в одном из каналов группового эталона частоты и времени неисправный канал будет отключен, прежде чем произойдет изменение частоты из-за неисправности в канале.

Коэффициенты усиления усилителей 4 напряжения устанавливаются по командам от многоканальной, измерительной, вычислительной и управляющей системы 6. Система 6 производит сравнение частот всех пар стандартов частоты и времени 1, обработку результатов измерений по определенному алгоритму и выдачу управляющих сигналов (команд) на установление весов усилителей напряжения 4 и на изменение фазы сигнала корректором фазы 9.

Сигналы 5 МГц от стандартов 1 частоты и времени поступают на многоканальный умножитель 18 разности частот, где производится сравнение частот всех пар стандартов частоты и времени с умножением разности частот. Каждый канал многоканального умножителя разности частот выполнен аналогично умножителю разности частот 2. Делители частоты 19 делят частоту поступающего на их вход сигналов до 1 Гц. Импульсы частот 1 Гц через коммутатор 20 поступают на вход измерителя интервалов времени 21, на другой вход которого поступают опорные импульсы от стандартов частоты и времени (через коммутатор 20). Показания измерителя интервалов времени поступают в персональную ЭВМ 22, которая производит обработку результатов измерений и выдачу управляющих сигналов (на блоки 4 и 9). Измерения проводятся обычно с периодичностью 1 (или с другой, задаваемой оператором).

Алгоритм обработки результатов следующий.

По результатам измерений каждый час вычисляются относительные разности частот всех пар стандартов по формуле = , (1) где - относительная разность частот i-го и j-го стандартов частоты и времени в К-ой час; Δ T^к_ij- разность интервалов времени, измеренная между импульсами 1 Гц с выходов стандарта частоты и времени и соответствующего делителя частоты 2 (фиг. 1) в К-й час; τ - интервал времени между двумя измерениями; m - коэффициент умножения разности частот в многоканальном умножителе 1.

По результатам измерений за сутки вычисляются: средние значения разности частот пар стандартов частоты и времени = , (2) где р - число измерений в сутках; среднеквадратическое отклонение разности частот пар стандартов частоты и времени на интервале времени 1 сут S(i, j)= (3) Затем находится нестабильность частоты (среднеквадратическое отклонение) каждого стандарта частоты.

Для этого решается следующая система уравнений:
( , (4) где A_i= S²(i, j)
S(i) - нестабильность частоты каждого стандарта,
n - количество работающих стандартов частоты и времени в группе.

При составлении системы уравнений (4) предполагается, что нестабильности частоты каждого хранителя независимы
Определяется вес каждого стандарта частоты, который считается обратно пропорциональным квадрату нестабильности частоты S(i)
W_i=
Выдаются сигналы управления на установление данных весов в управляемые усилители постоянного напряжения 4 (см. фиг. 1).

Для учета изменения средневзвешенной частоты (f_ср= W_if_i ), происходящего при смене весов, вычисляется поправка на средневзвешенную частоту, которая периодически вводится в корректор фазы 9 (см. фиг. 1). При этом получающиеся изменения частоты равны
Δf = , где Δϕ - величина коррекции фазы,
Δ t - период между коррекцией.

Таким образом, появляется возможность при данной структуре эталона формировать точную шкалу времени группового эталона (формирователь шкалы времени 10 формирует импульсы точной шкалы). Правильность работы группового эталона проверяется путем проведения периодических сравнений шкалы времени группового эталона и шкал отдельных стандартов частоты и времени. Эти сравнения производятся многоканальной измерительной, вычислительной и управляющей системой 6.

В данном эталоне получение средней частоты и шкалы времени возможно и без сведения частот отдельных частот стандартов частоты и времени, что исключает возможность захвата частот. (56) Авторское свидетельство СССР
N 612385, кл. G 04 F 5/00, 1976.

Формула изобретения

ГРУППОВОЙ ЭТАЛОН ЧАСТОТЫ И ВРЕМЕНИ, содержащий систему измерения, вычисления и управления, сумматор напряжений n каналов, каждый из которых содержит стандарт частоты и времени, отличающийся тем, что, с целью улучщения долговременной стабильности частоты выходного сигнала и уменьшения погрешности хранения шкалы времени, в него дополнительно введены последовательно соединенные управляемый генератор, корректор фазы и формирователь шкалы времени, выход которого является выходом эталона, а в каждый из n каналов введены блок аварийного отключения и последовательно соединенные умножитель разности частот, детектор разности частот и управляемый усилитель напряжения, причем первые входы умножителей разности частот каждого канала соединены с первыми выходами соответствущего стандарта частоты и времени, а вторые входы соединены с выходом управляемого генератора, первые выходы стандарта частоты и времени каждого канала соединены также с вторыми входами детекторов разности частот и с первыми измерительными входами системы измерения, вычисления и управления, с вторыми измерительными входами которой соединены вторые выходы стандартов частоты и времени каждого из n каналов, выход детектора разности частот в каждом из n каналов соединен также с входом соответствующего блока аварийного отключения, выход которого подключен к второму входу соответствующего управляемого усилителя напряжения, управляющие входы усилителей напряжения каждого из n каналов подключены к первому управляющему выходу системы измерения, вычисления и управления, второй управляющий выход которой соединен с управляющим входом корректора фазы, а выходы усилителей напряжения каждого из n каналов подключены к входам сумматора напряжений, выход которого соединен с управляющим входом управляемого генератора, выход формирователя шкалы времени соединен с третьим измерительным входом системы измерения, вычисления и управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7