В представленной работе рассматривается разработанный коммутатор кода, имеющий возможность подключения к персональному компьютеру.
Ключевые слова: стандарт частоты, рубидиевая газовая ячейка, дискриминатор атомный
Определение частоты стало наиболее точным измерительным процессом. Поэтому все шире проявляется тенденция сведения измерений самых разнообразных физических величин к измерению частоты. Это в свою очередь предъявляет все более жесткие требования к точности, надежности и удобству измерения частоты и превращает этот процесс в одну из наиболее актуальных физических и технических задач. С этой проблемой тесно связаны точные измерения промежутков времени и разности фаз периодических процессов, необходимые для многих областей науки и техники. Области применения точного измерения частоты: служба времени, навигация, исследование космоса, многие другие области науки. Одним из основных элементов систем измерения частоты является опорный стандарт частоты.
- Квантовые стандарты частоты.
КСЧ представляют собой источники сигналов с эталонными частотами. В этих приборах используются физические принципы, при которых значение и неизменность во времени частоты выходных сигналов определяются стабильностью частот соответствующих энергетическим переходам атомов и молекул различных веществ и их изотопов, таких как Н2, Cs, Rb [1].
По принципам построения квантовые стандарты частоты подразделяются на приборы активного и пассивного типа. Наиболее точными КСЧ активного типа являются водородные генераторы. Примером подобного использования является эталонный стандарт частоты, находящийся в Москве.
- Дискриминатор атомный.
Атомный дискриминатор представляет из себя одну из главных частей квантового стандарта частоты на рубидиево-газовой ячейке (КСЧ-РГЯ). Работа высокостабильного квантового стандарта частоты основана на принципе подстройки менее стабильной частоты кварцевого генератора по высокостабильной частоте энергетического перехода между двумя состояниями (называемыми сверхтонкими подуровнями атомов рубидия Rb 87) [2].
Остановимся поподробнее на механизме обеспечения и регистрации переходов в атомном дискриминаторе. Схема атомного дискриминатора представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Схема накачки и регистрации переходов
Основная задача атомного дискриминатора — обеспечение высокостабильной частоты квантовых переходов, эта частота равна 6834 687 000 Гц (в литературе 6834.7 МГц). Для выделения этой частоты используется метод оптической накачки [3].
- Коммутатор кода.
Как было описано выше, частота СВЧ-поля, которой облучается газовая ячейка, равна 6834 МГц. Частота 6834 МГц формируется путем умножения выходной частоты кварцевого генератора 20 МГц на 3 и на коэффициент 114. Из полученного значения вычитается промодулированный сигнал в
5.314 МГц путем прямого подмешивания. Коммутатор кода управляет выходной частотой синтезатора частоты, подавая двоичный код на многоразрядный сумматор.
Частота, сформированная на выходе синтезатора, зависит от кода, по формуле:
(1)
где f0 — входная частота, равная 10 МГц; q — код, число, которое записывается в сумматор; 2m — емкость сумматора; m — количество разрядов сумматора; N1 и N2 — числовые коэффициенты.
В рассматриваемом стандарте N1 = 15 и N2 = 2. Значение q будет от 20 до 223, в зависимости от разряда.
Меняя частоту СВЧ-поля с помощью кода частоты и коммутатора кода, мы проходим весь диапазон спектральной линии (рисунок 2). Так как наша цель — получить явный сигнал ошибки (СО), необходимо найти точку в спектре, где СО будет максимальным.
Для этого надо подать центральную частоту так, чтобы максимум величины девиации низкочастотной манипуляции приходился на участок спектральной линии, обладающий максимальной крутизной (точки A и B). Выполнив эти условия, мы получим максимумы сигнала ошибки в точках C и D. Данная кривая является первой гармоникой сигнала ошибки, несущая в себе информацию о величине отклонения частоты и знаке этого отклонения.
Рис. 2. Спектральная линия и сигнал ошибки: fц — центральная частота (основная частота), fд и +fд величина девиации частоты относительно fц
Для того чтобы войти в частотный диапазон, в котором наблюдается спектральная линия, мы должны выставить начальный код частоты на коммутаторе кода. С помощью переключателей старших разрядов подстроить выходную частоту синтезатора частоты в рабочий диапазон, в котором наблюдается спектральная линия.
Точная подстройка производится с помощью персонального компьютера, который управляет младшими разрядами. Проводя точную настройку, мы исследуем всю спектральную линию, отмечая значения центральной частоты, при которых наблюдаются максимумы сигнала ошибки.
Общее количество разрядов равно 24.
Первые три разряда имеют слишком малое значение, поэтому они не используются. Исходя из аналогичных соображений, мы не используем старшие разряды. Разряды с четвертого до тринадцатого находятся в стандарте частоты и подстраиваются автоматически.
Заключение.
Представленный в работе коммутатор кода даст возможность автоматизировать процесс настройки дискриминатора атомного, что позволит уменьшить влияние человеческого фактора.
Литература:
- Басевич А. Б. Применение в аппаратуре систем единого времени квантовых стандартов частоты. СПб: ОАО «РИРВ», 2014. 70 с.
- Басевич А. Б. Стандарт частоты: Руководство по эксплуатации. СПб: ОАО «РИРВ», 2005. 61 с.
- Геворкян А. Г. Квантовый стандарт частоты: Эскизный проект. СПб: ОАО «РИРВ», 1990. 47 с.
