групповой эталон частоты и времени
Классы МПК: | G04F5/00 Устройства для формирования заданных временных интервалов для использования в качестве эталонов времени |
Автор(ы): | Логачев В.А., Пастухов А.В., Сахаров Б.А., Ульянов А.А. |
Патентообладатель(и): | Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт "Кварц" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1991-06-24 публикация патента:
15.03.1994 |
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.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7
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.Описание изобретения к патенту
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![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009096/916.gif)
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009096/916.gif)
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009536/2009536-2t.gif)
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009536/2009536-3t.gif)
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009536/2009536-4t.gif)
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009096/916.gif)
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009090/964.gif)
m - коэффициент умножения разности частот в многоканальном умножителе 1. По результатам измерений за сутки вычисляются:
средние значения разности частот пар стандартов частоты и времени
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009536/2009536-5t.gif)
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009536/2009536-6t.gif)
среднеквадратическое отклонение разности частот пар стандартов частоты и времени на интервале времени 1 сут
S(i, j)=
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009536/2009536-7t.gif)
Затем находится нестабильность частоты (среднеквадратическое отклонение) каждого стандарта частоты. Для этого решается следующая система уравнений:
(
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009536/2009536-8t.gif)
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009536/2009536-9t.gif)
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)
Wi=
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009536/2009536-10t.gif)
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009536/2009536-11t.gif)
Выдаются сигналы управления на установление данных весов в управляемые усилители постоянного напряжения 4 (см. фиг. 1). Для учета изменения средневзвешенной частоты (fср=
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009536/2009536-12t.gif)
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009096/916.gif)
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009536/2009536-13t.gif)
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009096/916.gif)
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009064/981.gif)
![групповой эталон частоты и времени, патент № 2009536](/images/patents/464/2009096/916.gif)
N 612385, кл. G 04 F 5/00, 1976.
Класс G04F5/00 Устройства для формирования заданных временных интервалов для использования в качестве эталонов времени