Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Вход СВЧ

Источник света накачки

Генератор возбуждения

Спектральная пампа

Фильтр света

СВЧ резонатор

Фотоприемник

I ,

1

Схема стабилизации

Термостат

пампы

Термостат фильтра и резонатора

Схема обеспечения магнитного поля

Выход сигнала

индикации

Рис. 7.54. Структурная схема газовой ячейки с оптической накачкой на парах рубидия

на парах рубидия. Структурная схема квантового прибора с оптической накачкой на парах рубидия приведена на рис. 7.54. Она включает в себя следующие элементы: источник света накачки (спектральная лампа и генератор ее возбуждения), фильтр, рабочую ячейку в СВЧ, резонатор, фотоприемник, предвЕфительный усилитель низкой частоты Fm вспомогательной модуляции, блоки регулирования температуры спектральной лампы, фильтра, рабочей ячейки, блок обеспечения постоянного магнитного поля, блок автостабилизации интенсивности света накачки и блок питания. Принцип действия такой газовой ячейки с оптической накачкой на парах рубидия заключается в резонансном поглощении энергии света парами рубидия в момент перехода атомов с нижнего энергетического уровня на верхний. Этот момент наступает, когда частота СВЧ сигнала возбуждения становится равной частоте атомного перехода. Индикация резонансного поглощения осуществляется при помощи фотоприемника.

7.6. КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

Основой квантовых стандартов частоты являются квантовые приборы, принцип действия которых рассмотрен в § 7.5.

Ко всем стандартам частоты с точки зрения частотных измерений предъявляются требования обеспечения целочисленных стандартных значений частот выходных сигналов (0,1; 1; 5 МГц) и достаточно значительной их мощности. У квантовых приборов, рассмотренных в § 7.5, частоты атомных (молекулярных) переходов лежат в диапазоне СВЧ, некратны стандартным, а выходные сигналы характеризуются малой мощностью и амплитудой. В связи с этим при создании квантовых стандартов возникает необходимость в специальных системах, обеспечивающих преобразование значения частот выходных

сигналов в стандартные при сохранении их стабильности и увеличении мощности. Эти системы называются системами преобразования частоты.

Принцип их действия основан на стабилизации частоты выходного сигнала кварцевого генератора по частоте атомного (молекулярного) перехода.

В зависимости от вида применяемого квантового прибора квантовые стандарты частоты подразделяются на активные и пассивные.

К первым относятся квантовые стандарты частоты с квантовым генератором, ко вторым - стандарты на основе АЛТ и газовых ячеек с оптической накачкой.

7.6.1. АКТИВНЫЕ КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ

Возможны несколько вариантов построения схем активных квантовых стандартов частоты. На рис. 7.55 приведена схема квантового стандарта с вычитанием ошибки кварцевого генератора. Опорный сигнал частоты /кв с выхода умножителя частоты с коэффициентом умножения Л7ум„ поступает на смеситель /, где смешивается с сигналом квантового генератора частоты Д.,, образуя промежуточную частоту /„р = Аг-/квумн-

Сигнал с выхода УПЧ поступает на делитель частоты с коэффициентом деления

= JVyMH- Выходной сигнал делителя ча-

стоты смешивается с сигналом кварцевого генератора. На выходе смесителя образуется сигнал с высокостабильной частотой.

(/к.г ~ умн/кв)/дел + /кв = /icr/yMH-

(7.84)

Особенностью схемы на рис. 7.55 является необходимость включения на ее выходе синтезатора частоты. Вследствие высоких требований к точности синтеза синтезатор оказывается достаточно сложным. По-



Квантовый генератор

Смеситель 1

NyMH кв

Умножитель

f к.гМумнГкв

УПЧ делитель NflenNyH

Кварцевый генератор

К.Г

Смеситель П

NyMH

Синтезатор частоты

Рис. 7.55. Структурная схема активного квантового стандарта частоты с вычитанием ошибки

кварцевого генератора

этому схема на рис. 7.55 не нашла широкого применения.

В существующих схемах квантовых стандартов частоты наибольшее распространение получила схема с ФАПЧ кварцевого генератора по высокостабильному сигналу квантового генератора (рис. 7.56).

Сигнал с выхода умножителя частоты кварцевого генератора смешивается в преобразователе частоты с сигналом квантового генератора, образуя сигнал промежуточной частоты, который усиливается с помощью УПЧ. Напряжение с выхода УПЧ подается на фазовый детектор, на вход которого в качестве опорного поступает напряжение с выхода синтезатора частоты.

Управляющий сигнал с выхода фазового детектора, воздействуя на управляющий элемент кварцевого генератора, подстраивает

его частоту по частоте квантового генератора.

Существуют разнообразные варианты построения квантовых стандартов частоты, отличающиеся местом включения-синтезатора, числом преобразований частоты и т. п.

Возможность осуществления синхронизации кварцевого генератора с достаточно большой полосой синхронизации сравнительно маломощным сигналом позволяет исключить фазовый детектор и управляющий элемент кварцевого генератора в системе преобразования и построить ее по схеме, приведенной на рис. 7.57.

Для обеспечения нормальной работы схемы необходимо, чтобы частота квантового генератора /к. г была меньше частоты /квумн- Такая система преобразования частоты по принципу действия близка к систе-

Квантовый

Гк.г

Смеситель

NyMHKB

Умножитель

f кв

Кварцевый

генератор

NyMH

генератор

f пр= f К.Г- N умн f кв

Синтезатор частоты

Управл5пощий элемент

Фазовый

Фильтр

детектор

Рис. 7.56. Структурная схема активного квантового стандарта частоты с ФАПЧ кварцевого генератора

Квантовый генератор

•к.г

Смеситель 1

f пр-f K.r~Nумн fкв

умн • кв

Умножитель

Кварцевый генератор

Синтезатор

синткв

Смеситель 2

Фильтр-усилитель

Ес. 7.57. Структурная схема квантового стандарта частоты с синхронизацией частоты

кварцевого генератора



ме с ФАПЧ. В данной системе умноженный сигнал кварцевого генератора смешивается с сигналом квантового генератора, образуя промежуточную частоту Др = Д., - Ny„„f. Сигнал этой частоты после усиления подается на второй смеситель, где смешивается с сигналом синтезатора. Коэффициент синтеза Лсинт определяется выражением

А7с„„т = /кв/ [/к. г - /кв (А7ум„ +1)].

(7.85)

Со второго смесителя сигнал промежуточной частоты /пр = /кв после фильтрации и усиления поступает в колебательную систему кварцевого генератора, обеспечивая его синхронизацию в определенной полосе частот. Уход частоты кварцевого генератора вызывает противоположное по знаку изменение частоты /пр, которое при наличии синхронизации приведет к компенсации ухода частоты автогенератора. Поведение данной системы преобразования частоты описывается дифференциальным уравнением, характерным для ФАПЧ.

7.6.2. ПАССИВНЫЕ КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ

В пассивных квантовых стандартах частоты квантовые приборы (АЛТ, газовые ячейки с оптической накачкой) служат частотным дискриминатором в схеме АПЧ. В таких системах частота кварцевого генератора с помощью синтезатора и умножителя частоты преобразуется к частоте рабочего перехода вещества квантового прибора. СВЧ сигнал этой частоты подается на вход квантового прибора. Воздействие СВЧ сигнала приводит к поглощению энергии этого сигнала атомами вещества.

Изменение сигнала на выходе детектора квантового прибора от частотной расстрой-

ки при этом имеет зависимость, характерную для резонансной кривой, которую называют линией атомного перехода. Ширина линии перехода и ее резонансная частота зависят от типа рабочего вещества и конструкции квантового прибора. Чтобы на основе такой высокодобротной резонансной системы создать эффективный частотный дискриминатор (подобный известному дискриминатору на основе объемного резонатора с частотной модуляцией стабилизируемого генератора), сигнал, подаваемый на вход квантового прибора, модулируется по фазе сигналом низкой частоты Fj,.

На рис. 7.58 приведена структурная схема пассивного квантового стандарта с модуляцией сигнала кварцевого генератора в первых каскадах умножителя.

Переменная составляющая тока выходного сигнала частоты детектора квантового прибора /дет содержит тформацию о знаке и расстройке А/ умноженной частоты кварцевого генератора относительно частоты атомного перехода /„. С помощью узкополосного селективного усилителя, настроенного на частоту F,, составляющая сигнала /д с частотой F, соответствующая его первой гармонике, усиливается и поступает на один из входов фазового детектора. На второй вход фазового детектора подается опорный сигнал модуляции этой же частоты Fv, от генератора, который осуществляет фазовую (частотную) модуляцию возбуждающего сигнала. На выходе фазового детектора при этом образуется положительное или отрицательное напряжение, амплитуда которого зависит от расстройки средней частоты возбуждающего сигнала относительно частоты перехода /„.

Таким образом, система «квантовый прибор + селективный усилитель +. фазовый детектор» является частотным дискриминатором, сигнал с выхода которого может

Квантовый

Умножитель

прибор

Селективный

Фазовый

детектор

Фазовый модулятор

Синтезатор

Кварпевый генератор

Генератор частоты

Управляющий элемент.

Генератор 400 Гц

Ключевой модулятор

,1 Усилитель ~П 400 Гц

Электродвигатель

- t

Рис. 7.58. Структурная схема пассивного квантового стандарта частоты с модуляцией сигнала кварцевого генератора в первых каскадах умножителя



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 [93] 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0122